鄭林 丘遠青
2020年9月福建省高中全面實施新課程、使用新教材,數(shù)學(xué)建模的實踐和活動進入到必修教材中.在課堂上如何有效開展數(shù)學(xué)建?;顒?,讓高中生親身體驗數(shù)學(xué)的實際應(yīng)用價值,取得在以往的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中難以收獲的寶貴經(jīng)驗和感受,應(yīng)是高中數(shù)學(xué)教師積極探索的課題.本文分享一節(jié)開展數(shù)學(xué)建模活動課的案例.
1教學(xué)內(nèi)容解析
《停車距離問題》是《普通高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》第116頁的案例7,是新教材數(shù)學(xué)建?;顒诱n的內(nèi)容.通過停車距離問題的探究,讓學(xué)生經(jīng)歷提出問題、確定變量、探尋關(guān)系、建立模型、分析模型、運用模型的數(shù)學(xué)建模一般過程,從中體會到數(shù)學(xué)在實際問題中的應(yīng)用價值,感悟數(shù)學(xué)與現(xiàn)實之間的關(guān)聯(lián),積累獨立思考和合作交流的經(jīng)驗.
2教學(xué)目標(biāo)設(shè)置
(1)針對停車距離問題的分析,讓學(xué)生體會在熟悉的情境中發(fā)現(xiàn)問題并轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題,能夠選擇合適的數(shù)學(xué)模型表達所要解決的問題,體驗數(shù)學(xué)建模的一般步驟;
(2)引導(dǎo)學(xué)生基于合理假設(shè),構(gòu)建數(shù)學(xué)模型,分析模型參數(shù)的實際意義,并以此檢驗結(jié)果、完善模型,運用數(shù)學(xué)語言表達數(shù)學(xué)建模的過程和結(jié)果,發(fā)展學(xué)生數(shù)學(xué)建模核心素養(yǎng);
(3)培養(yǎng)學(xué)生思維的開放性和創(chuàng)新意識,增強交通安全意識,養(yǎng)成自覺遵守交通規(guī)則的良好習(xí)慣.
3教學(xué)案例實錄
3.1創(chuàng)設(shè)實際情景,提出問題
教師活動:看幾張高速路上汽車追尾事故的照片.如果開著車行駛在高速路上,怎么樣才能降低追尾事故發(fā)生的可能性?考慮這個問題,首先要思考導(dǎo)致汽車追尾事故發(fā)生的因素有哪些?
生1:車速、天氣、路面情況、汽車剎車性能、司機是否疲勞駕駛、酒駕、醉駕等.
教師活動:這些因素都會影響一輛高速行駛的汽車迅速停穩(wěn)需要的距離,我們需要研究車輛的停車距離受什么因素影響最大.
設(shè)計意圖《關(guān)于新時代推進普通高中育人方式改革的指導(dǎo)意見》(國辦發(fā)[2019]29號)中強調(diào),在全面實施新課程、使用新教材的過程中,要“積極探索基于情境、問題導(dǎo)向的互動式、啟發(fā)式、探究式、體驗式等課堂教學(xué)”.本節(jié)課在教學(xué)實踐中,以問題導(dǎo)向的形式從看似與數(shù)學(xué)無關(guān)的實際生活場景中獲得本次數(shù)學(xué)建模活動的研究對象:汽車在急剎車的過程中,停車距離受什么因素影響最大,這個因素如何影響停車距離.
3.2抽象實際問題,確定變量
教師活動:課前以小組的形式布置這些問題給同學(xué)們思考和討論,誰來分享你們小組的想法?
生2:車輛的行駛速度是影響停車距離最大的因素.司機的身體狀況、天氣、路面情況、汽車性能是否正常等其他因素是隨機的,理想狀態(tài)下把它們看成是不變的量.
教師活動:大家都一致認(rèn)同停車距離受車速的影響最大,其他次要因素我們暫時看成是穩(wěn)定不變的.這節(jié)課來研究車速是如何影響停車距離的.我們將車速v看作解釋變量,停車距離d看作預(yù)報變量,去考察這兩者之間的相關(guān)關(guān)系.
設(shè)計意圖對現(xiàn)實問題進行數(shù)學(xué)抽象,用數(shù)學(xué)的語言表達問題并確定變量是用數(shù)學(xué)方法構(gòu)建模型解決問題的第一步.受到高中生學(xué)習(xí)內(nèi)容的局限,影響停車距離的主要因素確定為車速,忽略次要的影響因素,為學(xué)生后面成功構(gòu)建距離與車速關(guān)系的數(shù)學(xué)模型奠定基礎(chǔ).
3.3分析數(shù)據(jù),探尋變量關(guān)系
教師活動:我們引用一組樣本數(shù)據(jù)來研究停車距離d和車速v的相關(guān)關(guān)系,參考北京工業(yè)出版社《數(shù)學(xué)建?!酚涗浀囊唤M美國公路局公布的試驗數(shù)據(jù),請生2繼續(xù)分享你們小組的想法.
生2:暫定d=f(v),數(shù)據(jù)可看作13個(v,d)的樣本點,利用Excel軟件上的散點圖發(fā)現(xiàn)樣本點大致分布在一條曲線附近,這條曲線對應(yīng)的函數(shù)是單調(diào)遞增的,增加速度有越來越快的趨勢,所以不考慮一次函數(shù)和對數(shù)函數(shù).用指數(shù)函數(shù)去擬合感覺不錯,用二次函數(shù)去擬合效果更好.
生3:試試三次函數(shù),再比較一下擬合系數(shù)R,擬合效果比二次函數(shù)更好.
教師活動:二次函數(shù)y=0.0106x-0.4102x+16.669,它的R=0.9988,三次函數(shù)d=6x10v-0.0045v+0.7003v-7.5609,它的R=0.9998,都很接近1.對于這13組數(shù)據(jù),為了追求最佳的擬合效果,增加最高項次數(shù)直到函數(shù)圖像經(jīng)過所有的樣本點,這樣的多項式函數(shù)出現(xiàn)了“過擬合”現(xiàn)象.
設(shè)計意圖在探尋距離與車速變量間關(guān)系的時候,學(xué)生提出擬合的函數(shù)類型不唯一時,教師引導(dǎo)學(xué)生利用不同函數(shù)的增長特征,選擇合適的函數(shù)模型來描述樣本點的趨勢.既要考慮數(shù)據(jù)的特點,也要考慮函數(shù)類型的簡潔,將擬合函數(shù)順利過渡到二次函數(shù)模型.
3.4利用數(shù)據(jù),建立函數(shù)模型
教師活動:二次函數(shù)和三次函數(shù)擬合效果都很好,三次函數(shù)的最高項系數(shù)6×10,非常接近于0,這一項可以忽略不計.從函數(shù)簡潔的角度選擇二次函數(shù),大家還有不同的想法嗎?
生4:實際生活中,當(dāng)v=0時,d=0.擬合函數(shù)怎么有接近17的常數(shù)項呢?直接用二次函數(shù)進行擬合看來不夠合理.
教師活動:回到最初的探尋關(guān)系,再重新考慮v與d的關(guān)系.從實際生活經(jīng)驗出發(fā):在高速公路上,司機看到前方車輛在自己的視野里變大并意識到危險,在這很短暫的時間里可以假定汽車是勻速行進的.當(dāng)司機作出反應(yīng),踩下剎車,汽車才會在制動系統(tǒng)作用下做勻減速直線運動直至停下.所以v與d的關(guān)系分成兩個階段描述更符合實際,
生5:回到13組數(shù)據(jù),可以得到13個a,β的估計值,取平均數(shù)得到a,β的最終估計值,從而得到函數(shù)模型d=0.21v+0.006v.這里的系數(shù)0.21刻畫了司機在緊急剎車時的反應(yīng)情況,對于身體狀態(tài)穩(wěn)定的司機這個值是常數(shù).而系數(shù)0.006由汽車和地面情況決定,正常的車輛行駛狀態(tài)下這個系數(shù)也是常數(shù).
設(shè)計意圖數(shù)學(xué)建?;顒記]有現(xiàn)成的答案,沒有固定的求解方式,學(xué)生們要相互討論,反復(fù)鉆研并相互切磋.這個過程以“頭腦風(fēng)暴”的形式進行,活動過程中師生集思廣益、群策群力,既是在建立模型,也是在改進模型,讓學(xué)生體驗到物理理論模型中各項系數(shù)背后的實際意義,深刻認(rèn)識模型的結(jié)構(gòu)和理解該模型穩(wěn)定的原因.
3.5結(jié)合生活經(jīng)驗,分析模型
教師活動:比較兩個不同角度得到的二次函數(shù)模型,大家覺得哪個更優(yōu)?
生5:從物理理論推導(dǎo)的模型穩(wěn)定.去掉表格中任意一個樣本點,模型中a,β精確到千分位的估計值沒有變化,這兩個參數(shù)的穩(wěn)定性確實應(yīng)該和司機狀態(tài)、輪胎路面情況相關(guān),和車速沒有直接關(guān)系,和實際情況吻合.
生6:擬合的二次函數(shù)優(yōu)點和缺點都是因為它來源于數(shù)據(jù),從表格中13個(v,d)的數(shù)據(jù)擬合效果來看,肯定擬合出來的二次函數(shù)刻畫散點的趨勢效果更好.對于在樣本點范圍內(nèi)的速度去估計停車距離,用Excel得到二次函數(shù)有優(yōu)勢.而速度不在樣本數(shù)據(jù)范圍內(nèi),就可能會得到異常的估計效果,比如v=0時,d≈17.另外正是因為電腦追求最佳擬合效果,只要樣本點改變,這個二次函數(shù)的系數(shù)會隨之改變,因此這個模型不穩(wěn)定也是它的缺點.
設(shè)計意圖在實際生活經(jīng)驗中發(fā)現(xiàn)模型的不足,也在數(shù)據(jù)中認(rèn)識到模型的優(yōu)勢,學(xué)生在交流中將模型的優(yōu)缺點辯證思考,一一呈現(xiàn).學(xué)生表達出自己對本次數(shù)學(xué)建?;顒觾?nèi)容的理解,也體驗了科學(xué)發(fā)展往前步步推進的一般過程.
3.6課堂歸納小結(jié),課后作業(yè)
教師活動:我們來整理一下這節(jié)課的內(nèi)容,大家談?wù)勛约旱氖斋@?
生7:當(dāng)面對生活中的問題時,我們首先應(yīng)該確定變量,然后通過試驗或者調(diào)查得到數(shù)據(jù),再用函數(shù)的工具去刻畫數(shù)據(jù)關(guān)系,找到合適的數(shù)學(xué)模型.
學(xué)8:通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)我發(fā)現(xiàn),數(shù)學(xué)作為工具學(xué)科可以在其他學(xué)科中發(fā)揮作用,物理學(xué)科也是一個工具學(xué)科,它也可以在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中發(fā)揮作用.
教師活動:著名的統(tǒng)計學(xué)家喬治·博克斯說:所有的模型都是錯誤的,但是有一些模型是有用的.基于物理機理建立的模型符合客觀規(guī)律,是穩(wěn)定可靠的.用這個模型為汽車的剎車系統(tǒng)改進提供建議,給高速路上限速警示牌和車距標(biāo)識的制作提供理論支持,減少了追尾事故的發(fā)生,這就是成功的數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用價值.課后請學(xué)生以小組合作的形式,整理課堂內(nèi)容,以小組為單位完成一份關(guān)于《停車距離問題》的數(shù)學(xué)建模學(xué)習(xí)報告.
4課后感悟總結(jié)
4.1數(shù)學(xué)建?;顒映浞致鋵嵙⒌聵淙说挠俗谥?/p>
通過數(shù)學(xué)建?;顒诱n的體驗,讓學(xué)生感受到學(xué)科之間的交融,理論知識與實際生活的緊密聯(lián)系.學(xué)生能深刻認(rèn)識到數(shù)學(xué)的實際應(yīng)用價值.本次活動通過學(xué)生對高速行車急剎車模型的建立,從數(shù)據(jù)分析的角度培養(yǎng)了學(xué)生安全行車的習(xí)慣,不疲勞駕駛,注意控制車速和保持車距等,在數(shù)學(xué)課堂上落實立德樹人的育人宗旨.
4.2確定數(shù)學(xué)建?;顒舆x題的原則
數(shù)?;顒诱n的選題內(nèi)容要來源于實際生活,背景最好是學(xué)生熟悉并有一定的挑戰(zhàn)性,學(xué)生在課堂上才會踴躍發(fā)言,積極參與,這樣的活動課有意義有樂趣.課堂內(nèi)容學(xué)生要有必要的知識儲備,讓數(shù)學(xué)建?;顒右渤蔀槔斫夂途C合應(yīng)用相關(guān)知識的過程.更能激發(fā)學(xué)生主動的學(xué)習(xí)熱情,體驗到生活處處有數(shù)學(xué).
4.3充分發(fā)揮信息技術(shù)的輔助作用
在信息時代我們生活在無處不在的數(shù)據(jù)之中,獲得數(shù)據(jù)、篩選數(shù)據(jù)、利用數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)都離不開信息技術(shù),學(xué)生對新鮮事物的學(xué)習(xí)和感受力很強,這對授課教師也提出了更高的要求.對于一些數(shù)學(xué)建模常用的軟件,教師應(yīng)該去關(guān)注并學(xué)習(xí)使用,如Excel.MATLAB.R軟件等.
4.4建?;顒又攸c關(guān)注“活動的過程”
數(shù)學(xué)建模課的設(shè)計應(yīng)以活動形式為主,引導(dǎo)學(xué)生自主探究、合作學(xué)習(xí)、個性展示、協(xié)作支持、交流分享、反思拓展,這種全新的體驗是學(xué)生前所未有過的.數(shù)學(xué)建模是數(shù)學(xué)走向應(yīng)用的一種方式,面對實際問題,學(xué)生要在教師的引導(dǎo)下確定變量、探尋關(guān)系、形成模型并分析優(yōu)劣,再到實際應(yīng)用,在這個過程中形成和發(fā)展了數(shù)學(xué)建模的核心素養(yǎng).
數(shù)學(xué)建?;顒诱n從實際生活的場景開始,引導(dǎo)學(xué)生從數(shù)學(xué)的角度去思考問題,確定合適的變量后探究變量之間的關(guān)系,從數(shù)學(xué)應(yīng)用的角度感受函數(shù)是構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的有力工具.在高中階段讓學(xué)生體會數(shù)學(xué)建模讓數(shù)學(xué)走出封閉的世界,構(gòu)建數(shù)學(xué)與現(xiàn)實世界的橋梁.