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        建構(gòu)主義下數(shù)學(xué)實驗課的教學(xué)設(shè)計與實施策略

        2014-02-08 09:08:30岑冠軍蔡賢資
        實驗室研究與探索 2014年9期
        關(guān)鍵詞:實驗課建構(gòu)主義環(huán)節(jié)

        岑冠軍, 蔡賢資

        (華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院,廣東 廣州 510642)

        0 引 言

        近年來,國內(nèi)許多學(xué)者提倡將數(shù)學(xué)實驗的思維和方法融入到高等數(shù)學(xué)課的教學(xué)中[1-2],數(shù)學(xué)實驗作為一門新實踐課程被國內(nèi)眾多高等學(xué)府引入到大學(xué)課程體系中。許多學(xué)者從不同的角度提出了大學(xué)數(shù)學(xué)實驗課的多種教學(xué)模式[3-6],但是對這些教學(xué)模式如何在課堂中具體實施卻缺乏研究。在實際教學(xué)中,數(shù)學(xué)實驗課學(xué)時短,教學(xué)班人數(shù)多[7-8],課堂教學(xué)該如何開展、組織、管理和監(jiān)控?教師如何看待自己的角色?一些數(shù)學(xué)實驗課涉及到案例的專業(yè)背景知識、數(shù)學(xué)理論和計算機編程知識,教師如何引領(lǐng)學(xué)生在這些知識間穿梭并完成實驗任務(wù)?這些都是數(shù)學(xué)實驗課教師面臨的切實問題。數(shù)學(xué)實驗課涉及到多學(xué)科的交叉,其課堂教學(xué)與傳統(tǒng)課堂教學(xué)存在明顯的差異[9],需要現(xiàn)代教育理論的指導(dǎo)。本文從建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論出發(fā),并結(jié)合筆者的教學(xué)實踐,以綜合性數(shù)學(xué)實驗為例,探究大學(xué)數(shù)學(xué)實驗課的課堂教學(xué)設(shè)計及實施策略,為廣大數(shù)學(xué)實驗課教師改進課堂教學(xué)提供有益借鑒,以期提高數(shù)學(xué)實驗課的教學(xué)水平。

        1 建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論下數(shù)學(xué)實驗課的教學(xué)設(shè)計

        建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認為知識不是通過傳授得到,而是學(xué)習(xí)者在一定的情境即社會文化背景下,借助他人(包括教師和學(xué)習(xí)伙伴)的幫助,利用必要的學(xué)習(xí)資料,通過意義建構(gòu)而獲得的[10]。著名的數(shù)學(xué)教育家波利亞曾指出:“數(shù)學(xué)有兩個側(cè)面,一方面,它是歐幾里得式的嚴謹科學(xué),從這個方面看,數(shù)學(xué)像是一門系統(tǒng)的演繹科學(xué);另一方面,創(chuàng)造過程中的數(shù)學(xué),看起來卻像一門實驗性的歸納科學(xué)”,數(shù)學(xué)既是一門演繹科學(xué),也是一門實驗性的科學(xué)。數(shù)學(xué)理論的發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造來源于人類的實踐活動,數(shù)學(xué)實驗課就是讓學(xué)習(xí)者進行數(shù)學(xué)實踐活動的課程,學(xué)習(xí)者從活動的過程中獲取解決問題的有效途徑與方法,理解并掌握知識間的內(nèi)在聯(lián)系與規(guī)律,并獲取積極的情感體驗,數(shù)學(xué)實驗應(yīng)該在建構(gòu)主義環(huán)境下進行[11]。數(shù)學(xué)實驗教學(xué)的本質(zhì)是將實際數(shù)學(xué)活動引入到教學(xué)過程中,是對實際數(shù)學(xué)活動的模擬與再現(xiàn)[12]。因此,建構(gòu)主義理論下數(shù)學(xué)實驗課教學(xué)設(shè)計的核心就是為學(xué)生創(chuàng)設(shè)數(shù)學(xué)實踐活動的情景,讓學(xué)生在教師創(chuàng)設(shè)的數(shù)學(xué)實踐活動情景中進行實驗探索、模型驗證和結(jié)果解釋,最終給出實際問題的答案。學(xué)生是數(shù)學(xué)實踐活動的主體,教師是其協(xié)助者,學(xué)生在此實踐活動中建構(gòu)自己應(yīng)用數(shù)學(xué)的技能和經(jīng)驗,教師要做的就是讓學(xué)生充分參與到這一實踐活動中并保證活動的順利進行。

        下面以“健康豬肌注給藥的一室模型”為教學(xué)案例來談建構(gòu)主義下大學(xué)數(shù)學(xué)實驗課教學(xué)的具體設(shè)計,該教學(xué)案例來源于由張國權(quán)等主編的《數(shù)學(xué)實驗》第四章綜合實驗四[13]。該教學(xué)案例具有典型的農(nóng)科專業(yè)特色,其科研實踐背景來源于文獻“沙拉沙星在豬體內(nèi)的藥動力學(xué)研究”[14]。案例的具體內(nèi)容是探究藥物沙拉沙星(Sarafloxacin, 商品名Saraflox)通過肌肉注射到健康豬體內(nèi)后,該藥物在豬體內(nèi)的吸收與擴散規(guī)律。對于本教學(xué)案例,其數(shù)學(xué)實踐活動就是用數(shù)學(xué)語言描述藥物在豬體內(nèi)的吸收和擴散過程,通過數(shù)學(xué)實驗探索藥物在豬體內(nèi)的吸收擴散規(guī)律。

        建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論強調(diào)學(xué)習(xí)的情景性、主動性和社會性,為了給學(xué)生創(chuàng)設(shè)體驗情景,同時營造教師引導(dǎo)、同學(xué)間相互交流的自主性學(xué)習(xí)氛圍,筆者將本實驗課教學(xué)劃分為7個環(huán)節(jié),如圖1,將學(xué)生6到7人編為一組,每一組選取一名學(xué)生做組長,每個組成員分配一項主要負責(zé)任務(wù),如數(shù)學(xué)建模、模型求解、程序編寫、模型解釋等等,其他組成員協(xié)助。

        圖1 建構(gòu)主義下數(shù)學(xué)實驗課的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計

        (1) 環(huán)節(jié)1讓學(xué)生進入現(xiàn)實世界問題的情景中。筆者給適當?shù)貢r間讓學(xué)生閱讀并思考該實際問題,各個小組討論。筆者從兩個方面來引導(dǎo)學(xué)生:第一,提示學(xué)生找出實際問題中的關(guān)鍵詞;第二,提示學(xué)生可以將自己理解的藥物吸收擴散過程用圖形來表示。筆者在實踐中,詢問學(xué)生找到的關(guān)鍵詞,展示他們所畫的吸收擴散過程的圖形,將他們找到的關(guān)鍵詞寫在黑板上,如均勻、吸收、分布、擴散和血藥濃度等等,選取其中一組理解較為正確的圖形繪在黑板上(見圖2)。

        圖2 藥物的吸收擴散過程

        (2) 環(huán)節(jié)2做出假設(shè),讓學(xué)生進入真實問題的抽象簡化情景中。假設(shè)是將現(xiàn)實世界問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題的橋梁,在課堂上,多數(shù)教師會直接給出假設(shè),忽略了學(xué)生這方面能力的培養(yǎng)。在教學(xué)中教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實際問題做出合理的假設(shè),讓學(xué)生參與到做假設(shè)的過程中,使學(xué)生的思維從現(xiàn)實世界逐漸過渡到數(shù)學(xué)世界中。在本環(huán)節(jié),筆者對學(xué)生做以下三個方面的引導(dǎo):①提示學(xué)生做假設(shè)的目的是為了簡化實際的問題,藥物在豬體內(nèi)的吸收擴散是一個極其復(fù)雜的生理化學(xué)過程,提醒學(xué)生我們只是從數(shù)量方面來研究這一過程,如何假設(shè)能簡化這一過程;②既然我們是從數(shù)量方面研究藥物的吸收擴散過程,提示學(xué)生找出這一過程所涉及的變量或者常量;③明確了吸收擴散過程以及該過程涉及到變量之后,引導(dǎo)學(xué)生考慮變量之間的關(guān)系,對一些變量之間的關(guān)系也要做出假設(shè)。

        在本環(huán)節(jié)的教學(xué)實踐中,有的學(xué)生提議將豬視為一只箱子,只要關(guān)注藥物的流進流出,而不管箱子里面發(fā)生了什么變化,盡管“箱子”與畜牧獸醫(yī)學(xué)中的術(shù)語“房室”相差甚遠,但這是一個積極的信號,筆者順勢將圖2中的豬用箱子來代替,見圖3。根據(jù)圖3,學(xué)生們很快找到一些變量,如時間t、初始的血藥濃度C0,箱子A的血藥濃度Ca(t)、箱子B的血藥濃度C(t)、箱子A血藥濃度的變化速率Va(t)、箱子B血藥濃度的變化速率V(t),藥物的吸收速率Vs(t)和藥物的擴散速率Vd(t),并發(fā)現(xiàn)藥物的吸收速率和擴散速率分別與箱子A和箱子B的血藥濃度存在一定的關(guān)系,需要進一步假設(shè),一些學(xué)生提議將這些關(guān)系假設(shè)成正比關(guān)系,可能源于在理論課中正比關(guān)系是他們接觸最多的一類假設(shè)關(guān)系。

        圖3 簡化的藥物吸收擴散過程

        (3) 環(huán)節(jié)3是建立數(shù)學(xué)模型,在環(huán)節(jié)2,學(xué)生做出了假設(shè),并找到了相關(guān)的變量,筆者將這些變量標注在圖3相應(yīng)位置上,得到圖4。筆者從兩個方面來引導(dǎo)學(xué)生:第一,提示學(xué)生選擇一種數(shù)學(xué)理論來描述圖4所示的吸收擴散過程;第二,建立數(shù)學(xué)模型就是要挖掘圖4所示的各變量之間的關(guān)系,嘗試寫出這些關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式。

        圖4 量化的藥物吸收擴散過程

        筆者在實踐中看到學(xué)生們會寫出很多關(guān)系式,如:

        Va(t)=-Vs(t),V(t)=Vs(t)-Vd(t)

        Vs(t)=kaCa(t),Vd(t)=kC(t)

        這說明學(xué)生正在建構(gòu)現(xiàn)實世界問題的數(shù)量關(guān)系。

        (4) 環(huán)節(jié)4開始引入數(shù)學(xué)實驗,讓學(xué)生進入到真實問題的數(shù)學(xué)實驗探索情景中。具體設(shè)計如下:第一,讓學(xué)生解微分方程組,獲得吸收過程和擴散過程中藥物隨時間變化的函數(shù)后,讓學(xué)生試述其規(guī)律;第二,讓學(xué)生運用計算機及數(shù)學(xué)軟件Matlab來解上述微分方程組;第三,教師在黑板上給出模型中參數(shù)的值,讓學(xué)生用數(shù)學(xué)軟件Matlab模擬計算在不同的時刻,吸收過程和擴散過程藥物濃度的值。

        (5) 環(huán)節(jié)5解釋,在獲得了模型的解之后,讓學(xué)生闡述藥物在豬體內(nèi)的吸收擴散究竟是怎樣的規(guī)律。本環(huán)節(jié)具體實施如下:第一,運用插值法,讓學(xué)生用Matlab畫出豬體內(nèi)藥物隨時間變化的曲線;第二,讓學(xué)生分組討論曲線所反映的規(guī)律,并用文字來描述。

        (6) 環(huán)節(jié)6模型驗證,筆者給出血藥數(shù)據(jù)隨時間變化的真實觀察數(shù)據(jù)。并做兩個方面的引導(dǎo):第一,通過數(shù)學(xué)實驗,直觀判斷他們所建立的模型與真實數(shù)據(jù)是否吻合,也就是觀察真實數(shù)據(jù)連線圖的形狀與他們所建立模型的曲線形狀是否一致。第二,通過量化指標來評價模型的擬合優(yōu)度,筆者給出Matlab非線性擬合的命令nlinfit和RMSE的函數(shù),讓學(xué)生通過計算模型擬合的RMSE來評價模型。

        2 建構(gòu)主義下的大學(xué)數(shù)學(xué)實驗教學(xué)實施策略

        建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論下的數(shù)學(xué)實驗課是要讓學(xué)生自己進行數(shù)學(xué)實踐活動,激發(fā)學(xué)生自主探索的精神,如何保證學(xué)生的數(shù)學(xué)實踐活動順利進行是課堂教學(xué)的焦點。筆者在實踐中總結(jié)了以下四點實施策略。

        2.1 以數(shù)學(xué)實驗為中心,遵循數(shù)學(xué)建模的脈絡(luò)主線

        當學(xué)生成為數(shù)學(xué)實踐的主體時,學(xué)生的自由發(fā)揮空間較大,容易讓課堂教學(xué)不可控,為了讓學(xué)生的數(shù)學(xué)實踐活動向前推進,筆者構(gòu)建了以數(shù)學(xué)實驗為中心、數(shù)學(xué)建模為脈絡(luò)主線的數(shù)學(xué)實驗課堂教學(xué)過程(見圖1)。在具體實施時,各教學(xué)環(huán)節(jié)緊密圍繞數(shù)學(xué)實驗展開,目標明確內(nèi)容清晰,從環(huán)節(jié)4~7均開展了數(shù)學(xué)實驗,在環(huán)節(jié)1~3中通過找關(guān)鍵詞、畫圖和找變量發(fā)現(xiàn)問題提出假設(shè),這其實也是一種數(shù)學(xué)實驗;與此同時各環(huán)節(jié)又按照數(shù)學(xué)建模的步驟向前推進,環(huán)節(jié)1~7是一個完整的數(shù)學(xué)建模過程,包含了發(fā)現(xiàn)問題、提出假設(shè)、解決問題和結(jié)果解釋,保證了實驗課程的順利進行。

        2.2 適度地引導(dǎo)和干預(yù),讓學(xué)生在探究中突破難點

        數(shù)學(xué)實驗尤其是綜合性數(shù)學(xué)實驗往往是面向非數(shù)學(xué)專業(yè)類學(xué)生開設(shè)的課程,大部分學(xué)生沒有上過數(shù)學(xué)建模課,因此在上數(shù)學(xué)實驗課時,學(xué)生普遍感覺比較困難。如果學(xué)生在一些環(huán)節(jié)遇到障礙不能及時排除,學(xué)生的數(shù)學(xué)實踐活動將不能進行下去。筆者在具體實施時,將學(xué)生分成若干小組,跟蹤各實驗環(huán)節(jié)在各小組的進展情況,以提示的方式,巧妙地適度地進行引導(dǎo)和干預(yù),并配合提問,幫助學(xué)生解決各實驗環(huán)節(jié)中的難點,讓學(xué)生的數(shù)學(xué)實踐活動的順利進行。在環(huán)節(jié)1中筆者提示學(xué)生找出實驗案例中的關(guān)鍵詞,以便學(xué)生抓住實際問題的本質(zhì)。在環(huán)節(jié)2中讓學(xué)生畫出藥物的吸收擴散過程圖和找出變量,引導(dǎo)學(xué)生做假設(shè)。在環(huán)節(jié)3中讓學(xué)生寫出環(huán)節(jié)2中他們找出的變量之間關(guān)系表達式,幫助學(xué)生建立模型。環(huán)節(jié)4、5和6筆者引導(dǎo)學(xué)生解方程組、繪制模擬曲線和真實數(shù)據(jù)連線圖,最終進行非線性擬合,一步一步幫助學(xué)生解釋模型和評估模型。學(xué)生遇到問題時也可在小組內(nèi)討論找出解決辦法,這樣學(xué)生就像“研究者”一樣,自己發(fā)現(xiàn)和探索問題,通過自己的活動,參與建構(gòu)數(shù)學(xué)的過程中,提高了學(xué)生的參與、探究、創(chuàng)造能力,順應(yīng)了當代高等教育的發(fā)展趨勢[15]。

        2.3 避免讓學(xué)生陷入專業(yè)術(shù)語和計算推理細節(jié)的困境中,專注于實際問題的解答

        數(shù)學(xué)實驗尤其綜合性數(shù)學(xué)實驗的案例往往具有很強的專業(yè)背景,一些案例涉及到的專業(yè)術(shù)語較多,學(xué)生難以理解產(chǎn)生畏難情緒,使得后續(xù)數(shù)學(xué)實踐活動進行受阻。本案例就涉及到畜牧獸醫(yī)學(xué)的背景知識,比如藥物動力學(xué)、房室、吸收室、分布室、吸收速率常數(shù)、消除速率常數(shù)等諸多術(shù)語。筆者在具體實施時,將其中的一些術(shù)語轉(zhuǎn)換成學(xué)生容易理解和接受的語言,比如在環(huán)節(jié)2,筆者采用學(xué)生提出的“箱子”來代替畜牧獸醫(yī)學(xué)中的術(shù)語“房室”,藥物從箱子A流入箱子B是藥物的吸收,藥物從箱子B流出是藥物的擴散。采用學(xué)生提出的將藥物的吸收速率與箱子A的血藥濃度假設(shè)成正比關(guān)系,將藥物的擴散速率與箱子B的血藥濃度假設(shè)成正比關(guān)系,避免了引入吸收速率常數(shù)、消除速率常數(shù)等概念。課堂焦點始終放在數(shù)學(xué)建模和數(shù)學(xué)實驗上。

        在實際教學(xué)中,當模型建立后,一些教師習(xí)慣于在黑板上進行大幅演繹推理模型求解,講解非線性擬合的計算細節(jié),筆者認為,數(shù)學(xué)實驗課不同于數(shù)學(xué)理論課,重在數(shù)學(xué)應(yīng)用能力和動手能力的培養(yǎng),讓學(xué)生學(xué)會運用數(shù)學(xué)軟件解數(shù)學(xué)問題,是數(shù)學(xué)實驗課的目的之一,尤其是對于非數(shù)學(xué)專業(yè)的學(xué)生,數(shù)學(xué)軟件就是讓他們從繁瑣的計算推理細節(jié)中解放出來,更加專注于實際問題的解答。

        2.4 分組進行數(shù)學(xué)實踐活動,便于課堂教學(xué)的組織和管理

        建構(gòu)主義下數(shù)學(xué)實驗課是教學(xué)是讓學(xué)生自主進行數(shù)學(xué)實踐活動,自主探索過程中學(xué)生會遇到許多問題需要教師的幫助,教師會忙于回答個別學(xué)生的提問,很難對整個課堂教學(xué)進行有效的組織和管理,甚至一些學(xué)生游離于課程氛圍之外,極大地降低了數(shù)學(xué)實驗課的教學(xué)效果。同時建構(gòu)主義鼓勵學(xué)習(xí)者在與他人的交流協(xié)作中完成學(xué)習(xí)任務(wù),因此上數(shù)學(xué)實驗課時,教師要注意營造交流協(xié)作的課堂氛圍。對學(xué)生進行編組,一方面教師通過監(jiān)控各個教學(xué)環(huán)節(jié)在各小組的進行情況,可以實時了解學(xué)生實驗任務(wù)的完成進度,對各小組的實驗活動進行區(qū)別指導(dǎo)和干預(yù);另一方面每個學(xué)生都處在一個團隊中,形成了良好的交流協(xié)作的學(xué)習(xí)環(huán)境,學(xué)生在團隊里被賦予任務(wù)和角色,其主觀能動性被極大地調(diào)動,提高了學(xué)生參與數(shù)學(xué)實踐活動的效率。

        3 實驗教學(xué)效果反饋

        筆者在實驗課后對學(xué)生進行了問卷調(diào)查,本次實驗課2個班共65人,調(diào)查項目及結(jié)果整理成表1。

        調(diào)查結(jié)果表明,在環(huán)節(jié)1大部分同學(xué)能找出實驗案例中的關(guān)鍵詞,畫出自己理解的藥物吸收擴散流程圖,這說明通過教師的引導(dǎo)大部分同學(xué)進入到實際問題的情景中;在環(huán)節(jié)2多數(shù)同學(xué)能將復(fù)雜的實際問題簡化,找出實際問題中隱藏的變量,做出自己的假設(shè),發(fā)揮了自己的抽象思維;在環(huán)節(jié)3絕大部分同學(xué)能找出一個或一組變量關(guān)系表達式,多數(shù)同學(xué)建立了自己的藥物吸收擴散模型,這說明大部分同學(xué)能將實際問題轉(zhuǎn)化或者部分轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)問題;在環(huán)節(jié)4和環(huán)節(jié)5絕大部分同學(xué)能用Matlab解微分方程組并用Matlab繪制了豬體內(nèi)藥物濃度隨時間變化的曲線,這說明大部分同學(xué)自主進行了藥物吸收擴散規(guī)律的實驗探索;在環(huán)節(jié)6多數(shù)同學(xué)完成了模型的模擬和評估,完成了數(shù)學(xué)實驗任務(wù)。調(diào)查結(jié)果表明絕大部分同學(xué)在本次實驗課中充分參與到實驗的各個環(huán)節(jié)中,通過本次實驗基本掌握了應(yīng)用數(shù)學(xué)理論和軟件解決實際問題的過程,實驗課教學(xué)效果良好。

        表1 實驗教學(xué)效果反饋調(diào)查表

        4 結(jié) 語

        在建構(gòu)主義理論指導(dǎo)下,筆者探討了數(shù)學(xué)實驗課的教學(xué)設(shè)計和實施策略,為數(shù)學(xué)實驗課的教學(xué)創(chuàng)新做了有益的嘗試,實踐表明教學(xué)效果良好。建構(gòu)主義下的數(shù)學(xué)實驗課圍繞著學(xué)生的數(shù)學(xué)實踐活動展開,讓學(xué)生親歷并主導(dǎo)運用數(shù)學(xué)知識解決實際問題的全過程,同時在自主探索中讓學(xué)生的抽象和邏輯思維能力得到充分鍛煉,在團隊協(xié)作中加強了學(xué)生的合作交流意識,從而改善了實驗課教學(xué)效果,提高了實驗課教學(xué)水平,這符合當代高等教育的發(fā)展方向。

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