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        大學(xué)數(shù)學(xué)公共課程思政元素挖掘初探

        2021-07-09 10:02:26趙東紅魏海瑞
        大學(xué)數(shù)學(xué) 2021年3期
        關(guān)鍵詞:案例數(shù)學(xué)課程

        趙東紅, 魏海瑞, 劉 林

        (北京科技大學(xué) 數(shù)理學(xué)院,北京100083)

        1 引 言

        為了深入貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記關(guān)于教育的重要論述和全國教育大會精神,全面落實(shí)“三全育人”精神,2020年5月28日教育部印發(fā)了《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》.《綱要》指出,全面推進(jìn)高校課程思政建設(shè),把思想政治教育貫穿人才培養(yǎng)體系,將課程思政融入課堂教學(xué)建設(shè)全過程. 大學(xué)公共數(shù)學(xué)課程思政育人目標(biāo)是注重?cái)?shù)學(xué)思維方法訓(xùn)練和科學(xué)倫理教育,培養(yǎng)學(xué)生探索未知、追求真理、勇攀科學(xué)高峰的責(zé)任感和使命感,在向?qū)W生傳授課程知識的同時(shí),使其樹立正確的價(jià)值觀,激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng). 樹立“課程思政”理念,強(qiáng)調(diào)學(xué)校教育應(yīng)具備360度德育“大熔爐”的合力作用[1],立足大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)內(nèi)容,將德育與數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識融于一體,借助知識點(diǎn)、數(shù)學(xué)史、典故等,將知識傳授與價(jià)值引領(lǐng)相結(jié)合,引導(dǎo)學(xué)生正確做人、做事和做學(xué)問,助力學(xué)生全面發(fā)展,報(bào)效祖國,實(shí)現(xiàn)“立德樹人”之根本目標(biāo). 近幾年,一線數(shù)學(xué)老師對數(shù)學(xué)專業(yè)課程進(jìn)行了思政元素融入課程的研究——朱婧等[2]在《數(shù)學(xué)模型》將思政元素融入到傳染病模型教學(xué)中,劉秀琴等[3]在《隨機(jī)過程》將思政元素融入到馬爾可夫鏈的講解過程中,公徐路[4]以《離散數(shù)學(xué)》課程的思政教育為出發(fā)點(diǎn),將德育元素合理滲透到專業(yè)知識中,鄭蘇娟等[5]以河海大學(xué)大禹學(xué)院《工科數(shù)學(xué)分析》這門課程為例研究了如何融入思政元素,提出了四要素,并將思政教育融于拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)體系中,取得了一定的成效,閔杰等[6]提出了《數(shù)值分析》課程思政建設(shè)的七個(gè)方面內(nèi)容,并分別給出課程思政的教學(xué)案例. 同樣,公共數(shù)學(xué)課程進(jìn)行了融入思政元素到課程教學(xué)的研究—吳慧卓[7]以《高等數(shù)學(xué)》為例,闡述了課程思政的內(nèi)涵,以實(shí)現(xiàn)從思政課程到課程思政的轉(zhuǎn)化,孫和軍等[8]結(jié)合數(shù)學(xué)學(xué)科特點(diǎn)和課程育人定位,設(shè)計(jì)切合實(shí)際的思政映射和融入點(diǎn),選擇合適的教學(xué)手段和方法,無痕地將思政元素融入課程教學(xué). 但是,公共數(shù)學(xué)課程思政元素融入更偏重于理論描述,主要是在思政研究的必要性等方面.本文主要是從思政元素與實(shí)際案例的結(jié)合為出發(fā)點(diǎn),研究公共數(shù)學(xué)課程思政元素融入,更加具體,更加直觀,而且教學(xué)實(shí)踐反映了以思政融入為契合點(diǎn)的教學(xué)內(nèi)容更新,教學(xué)設(shè)計(jì)變化的成效.

        最后設(shè)計(jì)科學(xué)的調(diào)查問卷,通過分析數(shù)據(jù),可以看到在教務(wù)評價(jià)系統(tǒng)中,同學(xué)們對思政元素融于教學(xué)內(nèi)容的反饋取得了令人滿意的成效. 最終初步實(shí)現(xiàn)了適合各工科專業(yè)的公共數(shù)學(xué)課程內(nèi)容重整,教學(xué)設(shè)計(jì)更新,人文教育滲透,把整個(gè)公共數(shù)學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量提高一個(gè)臺階.

        本文立足于思政微案例,對課程思政教學(xué)模式進(jìn)行設(shè)計(jì),但由于篇幅限制,只是對公共數(shù)學(xué)課程思政元素進(jìn)行分析,分別對微積分、線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)挖掘思政元素,闡述并進(jìn)行舉例和初探.

        2 主要內(nèi)容

        2.1 微積分課程思政元素挖掘并舉例

        以極限、定積分物理應(yīng)用、常數(shù)項(xiàng)級數(shù)為例,詳細(xì)地分析了思政元素的結(jié)合點(diǎn),增強(qiáng)了數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的趣味性,實(shí)現(xiàn)借助合適的思政結(jié)合點(diǎn)幫助同學(xué)們樹立正確的人生觀和價(jià)值觀.

        思政微案例1極限——自然對數(shù)底e

        金融復(fù)利問題:按年、半年、季度、月、周和天的順序,計(jì)算一年后本息和,見表1.

        表1 復(fù)利計(jì)息

        (i) 繼續(xù)按照小時(shí)、分鐘和秒計(jì)息,假設(shè)計(jì)息周期趨于零,一年后本息會一直增大嗎?

        (iii) 引入e后,介紹歷史上對e的研究過程[10],約翰·納皮爾找到了對數(shù)常數(shù)e;歐拉證明了e是無理數(shù);夏爾·埃爾米證明了e是超越數(shù).

        無論是金融利滾利問題引入,還是對e的拓展學(xué)習(xí),極大地提高了學(xué)生對數(shù)學(xué)的濃厚興趣,同時(shí)讓同學(xué)們更加理解,現(xiàn)在課本中學(xué)習(xí)的每一個(gè)知識點(diǎn)離不開一代代科學(xué)家不懈努力和刻苦鉆研.

        思政微案例2定積分物理應(yīng)用——變力做功

        設(shè)墻壁對鐵釘阻力與鐵釘擊入深度成正比,鐵釘長6cm,每次將鐵釘擊入1.5cm,如果鐵錘每次擊打鐵釘時(shí)做功相等,鐵錘擊打多少次能將鐵釘完全釘入?

        此例有助于同學(xué)們深刻理解習(xí)近平總書記的“發(fā)揚(yáng)釘釘子的精神,一張好的藍(lán)圖一干到底”[11]涵義,實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)和工作中要有專心致志和刻苦鉆研精神的育人目標(biāo).

        圖1 變力做功

        思政微案例3常數(shù)項(xiàng)級數(shù)——芝諾悖論

        芝諾認(rèn)為阿基里斯永遠(yuǎn)追不上烏龜,原因是:假設(shè)剛出發(fā)時(shí),阿基里斯在A點(diǎn),烏龜在B點(diǎn),經(jīng)過一段時(shí)間之后他到了B點(diǎn),而烏龜卻也往前走了一段到達(dá)了C點(diǎn);阿基里斯又從B點(diǎn)開始追,等到達(dá)C點(diǎn)時(shí),烏龜又往前走了一段,到了D點(diǎn)……總之,阿基里斯每趕到烏龜之前的落腳點(diǎn),烏龜就已經(jīng)往前走了一段,雖然它們之間距離永遠(yuǎn)在縮小,但他永遠(yuǎn)追不上烏龜!

        圖2 芝諾悖論

        芝諾悖論是缺少微積分這一數(shù)學(xué)工具造成錯(cuò)誤理解,無法處理“無窮個(gè)無窮小”總和是什么.當(dāng)每階段考慮的時(shí)間越來越小,成為一個(gè)收斂的無窮級數(shù),實(shí)際上證明了阿基里斯落后于烏龜?shù)臅r(shí)間是有限的,并將在有限的時(shí)間內(nèi)超過烏龜.

        圖3 液膜冷卻問題

        這個(gè)悖論對于鍛煉同學(xué)們的數(shù)學(xué)思維有很重要的意義.芝諾悖論和其他邏輯學(xué)上有趣的悖論一次又一次地提醒哲學(xué)家和邏輯學(xué)家們?nèi)シ此甲约旱乃季S框架和習(xí)慣,人類就是在這種反思和檢討中戰(zhàn)勝錯(cuò)覺,取得進(jìn)步.

        表2 微積分思政元素挖掘舉例

        2.2 線性代數(shù)課程思政元素挖掘并舉例

        公共數(shù)學(xué)課中線性代數(shù)特點(diǎn)是公式多、式子大、符號繁瑣以及規(guī)律性強(qiáng),思政元素挖掘比較困難,下面以基變換與坐標(biāo)變換、矩陣對角化、線性方程組為例,對思政元素進(jìn)行分析.

        思政微案例1基變換和坐標(biāo)變換——液膜冷卻問題

        從中國航天衛(wèi)星發(fā)射的歷史進(jìn)程引入,重點(diǎn)以長江二號火箭為例,介紹助推器發(fā)動(dòng)機(jī)和一級主發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)成,引出液膜冷卻問題.

        這個(gè)實(shí)例既能形象直觀地把基變換和坐標(biāo)變換引出,又能激發(fā)同學(xué)們的愛國主義熱情. 在引入過程中,同學(xué)們一起回顧了中國航天事業(yè)發(fā)展歷程,充分肯定了祖國發(fā)展成就,增強(qiáng)了青年學(xué)生民族自豪感.雖然只是一節(jié)普通的數(shù)學(xué)課,但是很好地融合了思政材料,整個(gè)融入過程非常流暢,不但使同學(xué)們獲得了數(shù)學(xué)知識,而且提高了思想境界,取得了一定的思政育人成效.

        思政微案例2矩陣對角化——人口問題

        假設(shè)北京市總?cè)丝谑枪潭ǖ?,若每年?%居民搬到郊區(qū),3%郊區(qū)居民搬到市區(qū),假設(shè)初始人口情況如下:40%居住在市區(qū),60%居住在郊區(qū),問10年、40年、60年后,市區(qū)和郊區(qū)人口比例如何?

        圖4 人口遷移

        作為開放式作業(yè),通過矩陣對角化解決矩陣冪運(yùn)算. 一方面有助于理解如何將抽象的知識點(diǎn)通過數(shù)學(xué)建模應(yīng)用到實(shí)際問題中,另一方面引起同學(xué)們對城市問題、生態(tài)環(huán)境問題和人口遷移問題等社會問題的重視,引導(dǎo)同學(xué)們關(guān)注社會發(fā)展和民生問題,深刻理解新時(shí)代大學(xué)生歷史使命和責(zé)任擔(dān)當(dāng)[12].

        思政微案例3線性方程組——《九章算術(shù)》

        《九章算術(shù)》第八章方程中介紹了一次方程組,采用分離系數(shù)方法表示方程組,這些系數(shù)相當(dāng)于現(xiàn)在的矩陣. 解方程組使用的直除法與矩陣的初等變換一致,這是世界上最早提出的完整解線性方程組解法. 在這一章使用了負(fù)數(shù),雖然負(fù)數(shù)是現(xiàn)在初一年級學(xué)習(xí)的內(nèi)容,但在當(dāng)時(shí)這是世界數(shù)學(xué)史上一項(xiàng)重大成就,第一次突破了正數(shù)范圍,拓展了數(shù)字系統(tǒng).

        表3 線性代數(shù)思政元素挖掘舉例

        2.3 概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)課程思政元素挖掘并舉例

        概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)[13]相對于其他公共數(shù)學(xué)課程而言,跟實(shí)際問題結(jié)合最為密切,應(yīng)用背景更豐富,本文從課堂教學(xué)挖掘的思政元素中,以數(shù)學(xué)期望、貝葉斯公式、假設(shè)檢驗(yàn)為例進(jìn)行分析.

        思政微案例1數(shù)學(xué)期望——核酸檢測分組

        原問題:某地區(qū)共有1000人參加疾病普查,已知每人血液呈陽性的概率是0.2,采用兩種方案進(jìn)行血液檢測.

        方案1:逐一進(jìn)行檢測;方案2:每100人為一組進(jìn)行分組檢測,哪種方案最優(yōu)?

        新問題:某地區(qū)共有1000人參加新冠病毒核酸檢測,已知每人咽拭子呈陽性的概率是0.2,采用兩種方案進(jìn)行核酸檢測.

        方案1:逐一進(jìn)行檢測;方案2:每100人為一組進(jìn)行分組檢測,哪種方案最優(yōu)?

        這一背景變化結(jié)合了當(dāng)前實(shí)際環(huán)境,本質(zhì)上是同一個(gè)數(shù)學(xué)問題——數(shù)學(xué)期望,不同的是給我們提供了非常好的思政育人條件,在課堂教學(xué)中計(jì)算出結(jié)果之后,設(shè)計(jì)了一個(gè)分享最近一年感受的環(huán)節(jié),可以看出每個(gè)同學(xué)不但學(xué)業(yè)上取得進(jìn)步,思想上更加成熟.

        思政微案例2貝葉斯公式——警察破案

        某地發(fā)生了一個(gè)案件,嫌疑人有甲、乙、丙三人,在不了解案情細(xì)節(jié)(事件B)之前,偵破人員根據(jù)過去的前科,對他們作案可能性有一個(gè)估計(jì),設(shè)為P(A1)、P(A2)、P(A3),且P(A1)最小,但在知道案情細(xì)節(jié)(事件B發(fā)生)后,這個(gè)估計(jì)就變?yōu)镻(A1|B)、P(A2|B)、P(A3|B),但P(A1|B)最大. 原來認(rèn)為作案可能性較小的甲,現(xiàn)在變成了重點(diǎn)嫌疑犯. 通過這個(gè)引例,不但加深理解貝葉斯公式的本質(zhì),而且間接地教育同學(xué)們要成為一個(gè)遵紀(jì)守法之人.

        思政微案例3假設(shè)檢驗(yàn)——女士品茶

        這個(gè)故事最早出現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)學(xué)家Fisher發(fā)表于1935年的著作《The Design of Experiment》,被用來描述原假設(shè).統(tǒng)計(jì)學(xué)家Fisher在當(dāng)年就給出了他的一套實(shí)驗(yàn)方法:他調(diào)配出了八杯其他條件一模一樣而僅僅是倒茶倒奶順序相反的茶,讓女士品嘗之后告訴他哪四杯是先倒“奶”.

        首先假設(shè)女士沒有這個(gè)能力(被稱為原假設(shè)),如果女士很好地鑒別了這八杯茶,那就說明在原假設(shè)成立的情況下,發(fā)生了非常反常的現(xiàn)象,以至于說明原假設(shè)是令人懷疑的.從統(tǒng)計(jì)上來說,如果在原假設(shè)成立的前提下,發(fā)生了非常小概率的事件,有理由懷疑原假設(shè)的真實(shí)性.這也是Fisher教授的假設(shè)檢驗(yàn)的基本思路-概率性質(zhì)的反證法.

        這個(gè)故事作為開端,可以讓同學(xué)們理解,每一個(gè)科學(xué)理論的誕生都是來源于生活,來源于實(shí)踐,而且從中可以看到科學(xué)研究的這種精神,學(xué)習(xí)科學(xué)家善于觀察,善于對生活中的每一個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行思考、反思和試驗(yàn).

        表4 概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)思政元素挖掘舉例

        3 教學(xué)效果與教學(xué)評價(jià)

        3.1 教學(xué)效果

        為了檢驗(yàn)教學(xué)效果,學(xué)期末對微積分、線性代數(shù)兩個(gè)講臺同學(xué)進(jìn)行了課程思政調(diào)查問卷.調(diào)查問卷設(shè)計(jì)了四個(gè)評價(jià)指標(biāo),分別為價(jià)值引領(lǐng)的作用、愛國主義與文化自信、科學(xué)創(chuàng)新的精神、中華民族精神,評價(jià)等級為非常有效、一般有效、無效三個(gè)層次. 微積分講臺人數(shù)151人,其中140人自愿參加了調(diào)查問卷,線性代數(shù)講臺人數(shù)180人,其中170人自愿參加了調(diào)查問卷,調(diào)查結(jié)果如圖5、圖6所示.

        圖5 微積分課程思政調(diào)查數(shù)據(jù)餅圖 圖6 線性代數(shù)課程思政調(diào)查數(shù)據(jù)餅圖

        實(shí)踐表明,絕大多數(shù)同學(xué)對思政元素融入到課堂教學(xué)中是肯定的,正如高教司司長吳巖所說讓課程思政成為有情有義、有溫度、有愛的教育過程. 同時(shí)說明了將思政元素融于公共數(shù)學(xué)課程內(nèi)容這種教學(xué)模式值得研究和探索,我們將在今后的教學(xué)中繼續(xù)應(yīng)用與改進(jìn).

        3.2 教學(xué)評價(jià)

        學(xué)校為落實(shí)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)課程思政建設(shè)的實(shí)施意見》(校黨發(fā)〔2020〕37號)文件精神,開展“課程思政特色示范課程”建設(shè)工作. 學(xué)校整個(gè)評教體系導(dǎo)向發(fā)生很大變化,評價(jià)內(nèi)容如下:

        將課程思政融入到課程教學(xué)中,提高了對學(xué)生人文關(guān)懷的程度和同學(xué)們對公共數(shù)學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣,可以看出學(xué)生對教師各方面評分較高,特別對課程思政有效性評價(jià)較高. 下面我們對表5中微積分講臺和線性代數(shù)講臺第2題和第7題進(jìn)行詳細(xì)地分析,如圖7—圖10所示.

        表5 教學(xué)評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)

        圖7 微積分講臺 圖8 微積分講臺

        圖9 線性代數(shù)講臺 圖10 線性代數(shù)講臺

        從上述分析中,可以看出融入了思政元素的公共數(shù)學(xué)課受到了學(xué)生認(rèn)可和喜愛,但也看出個(gè)別同學(xué)覺得思政元素與課程內(nèi)容融合度比較弱,說明后面我們要繼續(xù)努力挖掘思政元素,實(shí)現(xiàn)傳授知識與思政元素?zé)o縫對接,達(dá)到潤物細(xì)無聲的教學(xué)效果.

        4 結(jié) 論

        本文對三門公共數(shù)學(xué)課程思政元素挖掘并初探,從多個(gè)角度深入分析,通過豐富的教學(xué)案例說明如何將思政元素融入到課程教學(xué)中.實(shí)踐證明,公共數(shù)學(xué)思政特色示范課建設(shè)的必要性和有效性. 眾所周知,提高同學(xué)們對公共數(shù)學(xué)課程學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)創(chuàng)造性思維能力是教學(xué)目標(biāo)之一,現(xiàn)在我們更加注重如何將知識傳授,能力培養(yǎng)和價(jià)值引領(lǐng)有效結(jié)合,將隱藏在課程內(nèi)容中的思政元素挖掘出來,不但激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,而且使學(xué)生具有多方面的情感、態(tài)度和價(jià)值觀,全面提升育人質(zhì)量,最終實(shí)現(xiàn)立德樹人之根本目標(biāo).

        致謝非常感謝參考文獻(xiàn)對本文的啟發(fā),審稿專家認(rèn)真評審了論文,提出了寶貴的意見,作者受益匪淺,在此表示衷心的感謝.

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