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        基于ZPD 理論的“常微分方程”變式教學(xué)

        2021-03-12 15:23:56胡愛(ài)蓮
        喀什大學(xué)學(xué)報(bào) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:水平數(shù)學(xué)能力

        胡愛(ài)蓮

        (喀什大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院,新疆喀什 844000)

        0 引言

        在大學(xué)本科數(shù)學(xué)“常微分方程”課程的教學(xué)過(guò)程中,經(jīng)常遇到這樣的情況:有的學(xué)生在解微分方程變式問(wèn)題時(shí),苦苦思索卻不得其解,但經(jīng)別人一指點(diǎn),即刻恍然大悟。這說(shuō)明學(xué)生頭腦中已經(jīng)掌握了解決這個(gè)問(wèn)題所必需的基本概念、基本理論和基本方法等知識(shí),只是不知道如何運(yùn)用這些概念、理論和方法去解決眼前的問(wèn)題。于是便出現(xiàn)了這樣一個(gè)問(wèn)題:怎樣掌握數(shù)學(xué)知識(shí)才有助于提高學(xué)生解決數(shù)學(xué)問(wèn)題的能力?或者說(shuō),怎樣才能促進(jìn)學(xué)生良好的數(shù)學(xué)思維與數(shù)學(xué)解題思維的有效建構(gòu)?

        1 ZPD 理論

        蘇聯(lián)心理學(xué)家維果斯基提出的ZPD(The Zone of Proximal Development,最近發(fā)展區(qū))理論認(rèn)為,學(xué)生的發(fā)展有兩種水平:一種是學(xué)生的現(xiàn)有水平,指獨(dú)立活動(dòng)時(shí)所能達(dá)到的解決問(wèn)題的水平;另一種是學(xué)生可能的發(fā)展水平,也就是通過(guò)教師的教學(xué)所獲得的潛在水平。這兩種水平之間的差異就是ZPD(最近發(fā)展區(qū)),如圖1 所示[1].ZPD 理論科學(xué)地詮釋了在復(fù)雜的學(xué)習(xí)過(guò)程中教學(xué)的性質(zhì)和形式,即:教學(xué)作為發(fā)揮潛在能力的支撐平臺(tái),賦予學(xué)習(xí)者能力,為其解決問(wèn)題和建構(gòu)意義提供概念框架。在教學(xué)過(guò)程中,教師應(yīng)首先對(duì)學(xué)習(xí)者的現(xiàn)有水平進(jìn)行評(píng)估,據(jù)此設(shè)計(jì)超出其現(xiàn)有能力但又能發(fā)揮其潛在能力的教學(xué)內(nèi)容和學(xué)習(xí)任務(wù),幫助學(xué)習(xí)者超越當(dāng)前發(fā)展區(qū),進(jìn)入更高水平的最近發(fā)展區(qū)。[2]因此,我們?cè)谶M(jìn)行大學(xué)本科數(shù)學(xué)專業(yè)課程教學(xué)時(shí),僅僅把課本知識(shí)講清楚是不夠的,還應(yīng)針對(duì)學(xué)生的最近發(fā)展區(qū),針對(duì)課程知識(shí)結(jié)構(gòu)一環(huán)套一環(huán)的邏輯性,在變式教學(xué)的設(shè)計(jì)上注意變式間的邏輯聯(lián)系,利用類比推理、化歸轉(zhuǎn)化等思想,預(yù)設(shè)“一題多變”“一題多解”的發(fā)散型變式和“一法多用”的聚合型變式,讓學(xué)生在現(xiàn)有的課程知識(shí)水平基礎(chǔ)上,通過(guò)教師教學(xué)過(guò)程中設(shè)計(jì)的一個(gè)個(gè)變式,逐步提高學(xué)生的ZPD,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)潛力,提高學(xué)生解決較高難度數(shù)學(xué)問(wèn)題的能力,以更好地適應(yīng)數(shù)學(xué)課程的學(xué)習(xí)。那么,在大學(xué)本科數(shù)學(xué)專業(yè)課程教學(xué)中,如何通過(guò)必要的教學(xué)方法和手段把邏輯抽象、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為易于調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)積極性、激發(fā)其潛能的能力,超越其最近發(fā)展區(qū)而達(dá)到下一發(fā)展階段的水平呢?這是值得廣大高校數(shù)學(xué)專業(yè)教師去實(shí)踐探究的問(wèn)題。

        圖1 學(xué)生兩種發(fā)展水平及其差異間關(guān)系

        2 基于ZPD 理論的“常微分方程”變式教學(xué)的具體實(shí)踐

        2.1 一題多變?cè)鰪?qiáng)學(xué)生解決問(wèn)題的變通性

        在維果茨基看來(lái),僅僅依據(jù)學(xué)生的實(shí)際發(fā)展水平進(jìn)行教育是保守、落后的,有效的教學(xué)應(yīng)走在發(fā)展的前面去引導(dǎo)發(fā)展。因此,教育者不僅應(yīng)該了解學(xué)生的實(shí)際發(fā)展水平,更重要的是要了解學(xué)生的潛在發(fā)展水平,尋找其最近發(fā)展區(qū),把握“教學(xué)最佳期”以引導(dǎo)學(xué)生向著潛在的、最高的水平發(fā)展[3]。課堂上,教師從原問(wèn)題出發(fā),或橫向類比,或縱向深入,逐步引導(dǎo)學(xué)生完成預(yù)定的變式.對(duì)原問(wèn)題、變式的設(shè)置要注意兩點(diǎn)[1]:(1)原問(wèn)題的選擇既要簡(jiǎn)單,符合學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)、能力、情感水平,能使學(xué)生通過(guò)問(wèn)題認(rèn)同自己的能力,有信心順利踏上發(fā)展的第一步;同時(shí),原問(wèn)題又要具有拓展性,可以是同一知識(shí)水平上的類比延伸,也可以是能深入挖掘的基礎(chǔ)題型.(2)各個(gè)變式的選擇要層層遞進(jìn)、逐步深入,這樣才能讓學(xué)生在現(xiàn)有發(fā)展水平的基礎(chǔ)上,不斷向著最近發(fā)展區(qū)努力,以求順利地跨越當(dāng)時(shí)的最近發(fā)展區(qū),到達(dá)下一個(gè)最近發(fā)展區(qū).

        案例1從一階齊次方程

        [4]的解法入手,縱向衍生出4個(gè)變式方程的解法。

        解析:此方程在原方程的基礎(chǔ)上做了擴(kuò)展,a1=b2=0,b1=a2=1 時(shí)即為原問(wèn)題。此時(shí),右端函數(shù)中分式的分子、分母同除以x,則方程的右端就變成了變量的函數(shù).

        解析:此時(shí)就是變式1,變式2的設(shè)置起到了承上啟下的作用.

        解析:此方程的右端函數(shù)為變量ax+by+c的函數(shù),類似于原問(wèn)題引入變量變換u=ax+by+c,可將方程化為變量可分離方程求解.

        解析:此方程的右端函數(shù)中f為變量xy的函數(shù),類似于原問(wèn)題引入變量變換u=xy,可將方程化為變量可分離方程求解.

        解析:此方程的右端函數(shù)中f為變量的函數(shù),類似于原問(wèn)題引入變量變換u=,可將方程化為變量可分離方程求解.

        變式 4 求解方程f(xy)y+g(xy)xy′=0 (f(t)≠g(t)).

        解析:此方程的左端函數(shù)中f,g為變量xy的函數(shù),類似于原問(wèn)題引入變量變換u=xy,可將方程化為變量可分離方程求解.

        案例1 和案例2 將原問(wèn)題1 從縱向、橫向兩個(gè)方面各產(chǎn)生了4個(gè)變式,都符合變式設(shè)置的兩個(gè)要求,由原問(wèn)題到變式,難度在逐步加深,對(duì)學(xué)生的要求在逐漸提高,隨著變式教學(xué)的推進(jìn),學(xué)生從一個(gè)ZPD 發(fā)展到一個(gè)更高的ZPD,層層遞進(jìn),不斷引導(dǎo)和激勵(lì)學(xué)生,使其兩種發(fā)展水平呈螺旋式上升,最近發(fā)展區(qū)呈波浪狀前進(jìn).[5]

        2.2 一題多解提升學(xué)生解決問(wèn)題的能力

        “常微分方程”各個(gè)知識(shí)板塊之間不是割裂的,相互之間存在著內(nèi)在聯(lián)系.我們?cè)趯W(xué)習(xí)一個(gè)新知識(shí)時(shí),要注意建構(gòu)新知識(shí)與已有知識(shí)間的聯(lián)系,把各個(gè)知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái),引導(dǎo)學(xué)生逐步建立起屬于自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系,這樣學(xué)生就不再懼怕解決數(shù)學(xué)問(wèn)題.而這種聯(lián)系,主要是靠“一題多解”來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在已有知識(shí)儲(chǔ)備的前提下,通過(guò)用不同的方法解決同一問(wèn)題,在這個(gè)過(guò)程中不斷尋找和建立新舊知識(shí)之間的內(nèi)在聯(lián)系,既開(kāi)拓了學(xué)生的數(shù)學(xué)思維、鞏固重構(gòu)學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系,又可超越學(xué)生已有的最近發(fā)展區(qū),達(dá)到下一發(fā)展階段的水平,進(jìn)而提升學(xué)生解決數(shù)學(xué)問(wèn)題的能力.

        案例3通過(guò)問(wèn)題2 的三種不同解法,演示如何通過(guò)一題多解提高學(xué)生的發(fā)展水平.

        以上三種方法通過(guò)將方程進(jìn)行適當(dāng)?shù)母膶?xiě),使其成為不同類型的一階顯示微分方程,再用相應(yīng)方程的解法進(jìn)行求解,導(dǎo)致了同一方程的不同解法。教師在教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考,體會(huì)三種方法的本質(zhì),提高學(xué)生領(lǐng)悟數(shù)學(xué)本質(zhì)的能力,同時(shí)也發(fā)展了學(xué)生的ZPD,利于其數(shù)學(xué)思維能力的提高.

        2.3 一法多用激活學(xué)生解決問(wèn)題的聚合性

        基于ZPD 理論的常微分方程變式教學(xué),僅僅停留在“一題多解”的發(fā)散型變式教學(xué),可能會(huì)出現(xiàn)學(xué)生的數(shù)學(xué)思維得到了發(fā)散,但卻忽視了思維的聚合性,也就是要及時(shí)歸納總結(jié)各類方程的求解方法,促進(jìn)學(xué)生數(shù)學(xué)思想方法系統(tǒng)性的形成.而常微分方程的“一法多用”的聚合型變式恰好能彌補(bǔ)這個(gè)缺憾.

        “一法多用”型變式是將所要求解的結(jié)構(gòu)形式不同的常微分方程進(jìn)行局部調(diào)整,變成解法相同或類似的問(wèn)題,這樣可以強(qiáng)化學(xué)生對(duì)某一種解法的掌握,同時(shí),也以此為依據(jù)來(lái)解決其他問(wèn)題.

        案例4通過(guò)不同的一階微分方程改寫(xiě)成微分形式,求得其積分因子,進(jìn)而將原方程化為全微分方程進(jìn)行求解.

        原問(wèn)題3 求解(y2+x2+x)dx+xydy=0.

        案例3的設(shè)置,可以讓學(xué)生體會(huì)到不同的一階顯式微分方程間的潛在關(guān)聯(lián),從而歸納總結(jié)出解這一類題的通用解法——積分因子法,提升了學(xué)生的數(shù)學(xué)思維和解決問(wèn)題的能力水平.

        案例5常數(shù)變易法在不同微分方程(或方程組)的求解中的應(yīng)用.

        解析:此方程就是原問(wèn)題2,其解法一就是常數(shù)變易法.

        變式4 求解方程y˙+3y″+3y′ +y=[6].

        解析:方程對(duì)應(yīng)的齊次方程的特征方程為λ3+3λ2+3λ+1=0,解得λ1,2,3=-1,故對(duì)應(yīng)的齊次方程的通解為

        從案例3、4 可以看出,教師要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)同一方法在不同問(wèn)題中應(yīng)用的重視,幫助學(xué)生尋求某一類題的常規(guī)通用解法,教學(xué)中要弱化針對(duì)性技巧,重視對(duì)一類問(wèn)題通用解法的訓(xùn)練.這樣不僅能達(dá)到觸類旁通、舉一反三的效果,還能拓寬學(xué)生的視野,啟發(fā)學(xué)生思維并提升學(xué)生數(shù)學(xué)思維能力,盡可能激發(fā)學(xué)生潛能,將學(xué)生的ZDP 提升到一個(gè)新的階段,使學(xué)生不斷在學(xué)習(xí)的過(guò)程中提高解決數(shù)學(xué)問(wèn)題的能力.

        3 總結(jié)

        數(shù)學(xué)知識(shí)之間具有嚴(yán)密的邏輯性和知識(shí)的層層遞進(jìn),學(xué)生頭腦中形成的數(shù)學(xué)知識(shí)不是教師通過(guò)課堂訓(xùn)練所形成的知識(shí)體系,而是學(xué)生通過(guò)主動(dòng)思維在頭腦中對(duì)自己的理解進(jìn)行建構(gòu)而形成的。許多新的知識(shí)背后都有它所對(duì)應(yīng)的原有基礎(chǔ)知識(shí),教師在教學(xué)中要根據(jù)學(xué)生已有知識(shí)水平,在舊知和新知之間構(gòu)建聯(lián)系的橋梁,激發(fā)學(xué)生對(duì)已學(xué)知識(shí)的再認(rèn)識(shí),激起學(xué)習(xí)對(duì)新知識(shí)的欲望,經(jīng)過(guò)對(duì)新知識(shí)的遷移、發(fā)展形成下一個(gè)發(fā)展區(qū)。這就是創(chuàng)造最近發(fā)展區(qū)并使最近發(fā)展區(qū)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)有發(fā)展水平的過(guò)程。遵循ZPD 理論的常微分方程變式教學(xué)能讓學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)得到很好的發(fā)展,尤其是在課堂中有針對(duì)性的適度的運(yùn)用變式教學(xué),充分發(fā)揮學(xué)生的內(nèi)在潛能,不僅能提升學(xué)生的思維水平,還能提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力,是一種切實(shí)可行的教學(xué)方法.

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