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        基于數(shù)學(xué)建模能力培養(yǎng)的教學(xué)策略探究

        2022-03-14 08:10:13丁玥李瑋玲
        學(xué)周刊 2022年7期
        關(guān)鍵詞:構(gòu)成要素數(shù)學(xué)建模教學(xué)策略

        丁玥 李瑋玲

        摘 要:數(shù)學(xué)建模是六大數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)之一,是分析實(shí)際問題,建立數(shù)學(xué)模型,并轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)知識(shí)求解,從而解決實(shí)際問題的能力,是中學(xué)生的數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)。解讀其構(gòu)成要素,針對要素培養(yǎng),尋找恰當(dāng)數(shù)學(xué)教學(xué)策略,是發(fā)展學(xué)生數(shù)學(xué)建模能力的重要途徑??赏ㄟ^創(chuàng)設(shè)問題情景、畫圖觀察、一題多解、討論質(zhì)疑、小組探究等教學(xué)策略,培養(yǎng)發(fā)展學(xué)生數(shù)學(xué)建模的能力。

        關(guān)鍵詞:數(shù)學(xué)建模;構(gòu)成要素;教學(xué)策略

        中圖分類號(hào):G63? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? ? ? ? ? 文章編號(hào):1673-9132(2022)07-0025-03

        DOI:10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2022.07.010

        新課程改革推行的主要課程目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)。數(shù)學(xué)模型搭建了數(shù)學(xué)與外部世界聯(lián)系的橋梁,是數(shù)學(xué)應(yīng)用的重要形式。數(shù)學(xué)建模是應(yīng)用數(shù)學(xué)解決實(shí)際問題的基本手段,也是推動(dòng)數(shù)學(xué)發(fā)展的動(dòng)力[1]。在數(shù)學(xué)教學(xué)過程中,教師應(yīng)當(dāng)讓學(xué)生感悟模型的魅力,培養(yǎng)學(xué)生用數(shù)學(xué)方法構(gòu)建模型解決問題的素養(yǎng),提高學(xué)生的應(yīng)用意識(shí)和創(chuàng)新精神。因此。教師如何采取有效的教學(xué)策略來培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)建模能力是本文要探究的問題。

        一、數(shù)學(xué)建模的含義

        數(shù)學(xué)建模是針對一個(gè)實(shí)際問題,加以分析,建立數(shù)學(xué)模型,并且轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)知識(shí),運(yùn)用數(shù)學(xué)工具對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解,驗(yàn)證,從而最終解決實(shí)際問題的過程。新課標(biāo)中指出:數(shù)學(xué)建模是對現(xiàn)實(shí)問題進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象、用數(shù)學(xué)語言表達(dá)問題、用數(shù)學(xué)方法構(gòu)建模型解決問題的素養(yǎng)[2]。因此數(shù)學(xué)建模往往都由一個(gè)原始問題引出,學(xué)生通過分析實(shí)際問題,將語言文字轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)知識(shí),建立起數(shù)學(xué)模型。黃健指出:數(shù)學(xué)建模是應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)的重要途徑。他強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)建模是促進(jìn)學(xué)生鞏固和深化已有的知識(shí),更好地構(gòu)建自身更為完備的數(shù)學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的核心素養(yǎng)[3]。數(shù)學(xué)建模的活動(dòng)過程復(fù)雜多樣,由多個(gè)零碎的知識(shí)點(diǎn)所構(gòu)成的,不只是考查學(xué)生數(shù)學(xué)知識(shí)表面的學(xué)習(xí),更是考驗(yàn)學(xué)生對已有知識(shí)的融會(huì)貫通,因此學(xué)生要學(xué)會(huì)運(yùn)用數(shù)學(xué)工具求解數(shù)學(xué)模型,最終解決實(shí)際問題。

        二、數(shù)學(xué)建模能力的構(gòu)成要素

        數(shù)學(xué)建模,往往蘊(yùn)含著復(fù)雜的數(shù)學(xué)過程。因此數(shù)學(xué)建模能力不僅僅只是學(xué)生解一道題,完成一張?jiān)嚲砟敲春唵?,它對學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)有一定的要求。數(shù)學(xué)建模過程主要包括:在實(shí)際情境中從數(shù)學(xué)的視角發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題、建立模型、確定參數(shù)、計(jì)算求解、檢驗(yàn)結(jié)果、改進(jìn)模型、最終解決實(shí)際問題[4]。在復(fù)雜的建模過程中,需要學(xué)生多重能力并行才能實(shí)現(xiàn)。因此,建模能力的構(gòu)成要素也多方涉及,主要包括:閱讀分析能力、抽象模型能力、模型計(jì)算能力、檢驗(yàn)反思能力和集體合作能力。教師應(yīng)該思考教學(xué)方法,研究教學(xué)策略,培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)建模能力。

        對于數(shù)學(xué)建模來說,建立模型就是一個(gè)至關(guān)重要的步驟,要是不能建立出適合實(shí)際問題的數(shù)學(xué)模型,很難解決相關(guān)的實(shí)際問題。因此,抽象模型能力是數(shù)學(xué)建模構(gòu)成要素的核心,擁有抽象模型的能力,數(shù)學(xué)建模也就事半功倍了。數(shù)學(xué)模型建立之后,學(xué)生的任務(wù)就在于解模型,這就需要學(xué)生對于數(shù)據(jù)的敏銳度,對數(shù)據(jù)的處理是否熟練操作也有一定的要求,因此,培養(yǎng)學(xué)生的模型計(jì)算能力是教師的重要工作之一。當(dāng)學(xué)生經(jīng)過數(shù)據(jù)分析,將模型解出后,需要將數(shù)據(jù)回代檢驗(yàn),并且結(jié)合實(shí)際問題考慮合理性,最終通過反思優(yōu)化模型,完成建模。

        除此以外,學(xué)生還必須具備閱讀分析能力以及集體合作能力。任子朝等人認(rèn)為,數(shù)學(xué)閱讀是從背景、數(shù)據(jù)等材料中獲取信息的心理活動(dòng)過程,也就是學(xué)生從數(shù)學(xué)書面語言代碼中獨(dú)立提取意義的心理過程[5]。王云秋認(rèn)為,數(shù)學(xué)建模競賽需要團(tuán)結(jié)合作精神與相互協(xié)調(diào)能力[6]。競賽如此,數(shù)學(xué)建模亦如此,學(xué)生以小組為單位合作學(xué)習(xí),互相討論,取長補(bǔ)短,才能將問題搞清楚,弄明白。

        三、培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)建模能力的教學(xué)策略

        (一)創(chuàng)設(shè)問題情境,培養(yǎng)閱讀分析能力

        近年來,高考數(shù)學(xué)試題背景更加貼近生活實(shí)際,其對學(xué)生的要求著重于考查學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的基礎(chǔ)在于擁有閱讀分析問題的能力。閱讀是人們汲取知識(shí)的主要手段和認(rèn)識(shí)世界的重要途徑,閱讀分析能力的培養(yǎng)才能使學(xué)生正確理解問題的要求與含義[7]。創(chuàng)設(shè)問題情景,可以幫助學(xué)生培養(yǎng)閱讀分析能力。數(shù)學(xué)建模通常以實(shí)際問題切入,讓學(xué)生解決數(shù)學(xué)問題,需要學(xué)生進(jìn)入情境狀態(tài),仔細(xì)閱讀實(shí)際問題。與文學(xué)的閱讀不同的是,數(shù)學(xué)的閱讀一方面是指要抓住情境問題中的關(guān)鍵詞,通過查閱文獻(xiàn)資料,了解關(guān)鍵詞的含義,深入學(xué)習(xí)情境問題的背景知識(shí)。另一方面是閱讀實(shí)際問題中出現(xiàn)的數(shù)據(jù),通過加強(qiáng)對數(shù)據(jù)的有效閱讀,更有利于數(shù)學(xué)建模的進(jìn)展。

        例:某市2000初有常住人口80萬,流動(dòng)人口16萬。已知流動(dòng)人口的年增長率為1%,常住人口的年增長率為0.5%,請預(yù)測到2050年初該市擁有的人口數(shù)。師:請同學(xué)們仔細(xì)閱讀例題,并查閱相關(guān)資料,估計(jì)2050年初人口將達(dá)到多少?師:建立指數(shù)函數(shù)關(guān)系:其中x為增長年數(shù),為人口初始值,a為增長率。2050年初該市擁有的人口數(shù)為S,利用二項(xiàng)式定理的近似估計(jì)可得(1+0.5%)50≈1.293,(1+1%)50≈1.628,故S≈80×1.293+16×1.628=129.49(萬)[8]。

        教學(xué)分析:教師在給出數(shù)學(xué)建模問題時(shí),創(chuàng)設(shè)一個(gè)人口增長率的數(shù)學(xué)建模情境,可以激發(fā)學(xué)生的閱讀興趣和探究導(dǎo)向。學(xué)生通過仔細(xì)閱讀情境問題,并提取出問題中的關(guān)鍵字“人口數(shù)”,通過查閱資料,發(fā)現(xiàn)建立人口數(shù)與年數(shù)存在指數(shù)函數(shù)的聯(lián)系y=y■(1+a)■。具有良好閱讀能力的學(xué)生通過對函數(shù)模型的分析,可以找出問題中對應(yīng)的人口初始值,增長率以及年數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)。

        (二)畫圖觀察,培養(yǎng)抽象模型能力

        畫圖是數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的一種重要策略,通過畫圖觀察可以將間接的數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為直觀的圖形信息。教師要引導(dǎo)學(xué)生針對問題情境中的數(shù)據(jù),畫圖觀察數(shù)據(jù)的變化趨勢,從數(shù)據(jù)中抽象出數(shù)學(xué)模型。張金良認(rèn)為,數(shù)學(xué)抽象就是通過分析、思考、概括等活動(dòng),剔除事物的物理屬性,從事物的數(shù)量與數(shù)量關(guān)系、圖形與圖形關(guān)系兩個(gè)方面,抽象出其本質(zhì),并用數(shù)學(xué)語言加以表征的過程[9]。

        例:這是某地區(qū)不同身高的未成年男性的體重平均值,如表所示。師:請同學(xué)們觀察表格中數(shù)據(jù),思考未成年男性的身高和體重有怎么樣的關(guān)系?可以建立合適的函數(shù)模型近似的反應(yīng)未成年男性體重y kg與身高x cm的函數(shù)關(guān)系?請同學(xué)們試著通過畫圖的方式找出規(guī)律[10]。

        教學(xué)分析:數(shù)學(xué)建模的關(guān)鍵就是要建立數(shù)學(xué)模型。那應(yīng)該建立哪一類模型呢?這是我們需要思考的。在例題中明確指出尋找函數(shù)關(guān)系時(shí),其實(shí)也就是暗示學(xué)生從數(shù)據(jù)中抽象出函數(shù)表達(dá)式,從而建立數(shù)學(xué)模型。但是函數(shù)模型的類型有很多,需要教師引導(dǎo)學(xué)生通過建立數(shù)軸,觀察點(diǎn)的變化規(guī)律來判斷應(yīng)抽象出哪一種函數(shù)模型。畫圖觀察,更加直觀地讓學(xué)生感受自變量與應(yīng)變量之間的變化關(guān)系,同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)際操作能力。將“數(shù)”轉(zhuǎn)化成了“形”,結(jié)合函數(shù)圖形的性質(zhì),選擇合適的函數(shù)模型建立,培養(yǎng)學(xué)生正確的抽象模型能力。

        (三)一題多解,培養(yǎng)模型計(jì)算能力

        模型計(jì)算是構(gòu)建數(shù)學(xué)模型和問題解決的橋梁,擁有模型計(jì)算能力才能解決數(shù)學(xué)問題。數(shù)學(xué)建模的過程是一個(gè)讓學(xué)生不斷地思考,培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散性思維的過程。知識(shí)在永無止境地汲取,學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的過程中,不可能一味地只用一種模型解決數(shù)學(xué)建模問題。因此隨著學(xué)習(xí)的進(jìn)程,教師需要啟發(fā)學(xué)生一題多解來展現(xiàn)學(xué)生的模型計(jì)算能力。

        例:籠子里有雞兔若干只。從上面數(shù)有8個(gè)頭,從下面數(shù)有28只腳。雞和兔各有多少只?請同學(xué)們利用至少兩種方法來解決此問題。這個(gè)問題最早應(yīng)該出現(xiàn)在小學(xué)階段。在小學(xué)中教師教給學(xué)生的解決方法是算術(shù)解法,運(yùn)用的模型則是算術(shù)模型。而在雞兔同籠問題也會(huì)出現(xiàn)在中學(xué)的教學(xué)中,中學(xué)教師往往將借助這一問題引出一元一次方程的概念,傳輸給學(xué)生運(yùn)用一元一次方程的模型進(jìn)行解答。以下是中學(xué)的解法:設(shè)兔子為x只,則雞為(8-x)只。那么根據(jù)一共有28只腳進(jìn)行列方程:4x+2(8-x)=28,解出未知數(shù)x=6,則有6只兔子,2只雞。

        教學(xué)分析:對于小學(xué)的算術(shù)模型,需要一些思考過程,要理清其中的條理才能正確地解決雞兔同籠問題。但是對于初中的方程模型來說,運(yùn)用這一模型能讓條件與數(shù)據(jù)看起來更加地簡潔明了。兩者策略不同,但是都能解決數(shù)學(xué)問題。這道雞兔同籠的問題,既能使學(xué)生回憶出小學(xué)的算式模型,又能運(yùn)用到方程模型。對于中學(xué)生而言,不僅讓他們想到了當(dāng)下學(xué)習(xí)的方程模型,同時(shí)通過一題多解,將學(xué)生的思維擴(kuò)散,架構(gòu)新舊知識(shí)間的聯(lián)系,提高學(xué)生的模型計(jì)算能力。

        (四)討論質(zhì)疑,培養(yǎng)檢驗(yàn)反思能力

        當(dāng)學(xué)生建立并求解數(shù)學(xué)模型后,要對模型進(jìn)行檢驗(yàn)反思。反思檢驗(yàn)是學(xué)生對于建模模型的不斷完善和發(fā)展。教師應(yīng)該在教學(xué)中通過學(xué)生討論質(zhì)疑的形式,加深學(xué)生對于模型的認(rèn)知。數(shù)學(xué)解題教學(xué)中讓學(xué)生反思學(xué)科思想方法,探究知識(shí)遷移過程更符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,提升學(xué)生的認(rèn)知力,有利于發(fā)展學(xué)生數(shù)學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)[11]。

        例:師:同學(xué)們,我們通過計(jì)算建立了二次函數(shù)y=0.001x2+2.02,請你們結(jié)合二次函數(shù)與圖形,仔細(xì)思考,可以在小組里討論,有什么想說的?小組A:我們通過代入兩個(gè)點(diǎn)(100,15.02)和(120,20.74)建立了此二次函數(shù)y=0.0013x2+2.02[12],我們小組認(rèn)為這種方法是正確的。小組B:我們小組采用的是指數(shù)函數(shù)模型。我們設(shè)定指數(shù)函數(shù)的關(guān)系式為,將(60,6.13),(140,31.11)代入,得指數(shù)函數(shù)模型。在得出該模型之后,我們又將一個(gè)新的點(diǎn)代入計(jì)算,當(dāng)x=160代入,發(fā)現(xiàn)得出的結(jié)果與原數(shù)據(jù)近似相等,于是我們認(rèn)為指數(shù)函數(shù)比二次函數(shù)更能刻畫這些點(diǎn)的分布情況。

        師:還有別的小組有不同意見嗎?看來現(xiàn)在課堂中有兩種不同的“聲音”。請同學(xué)們來想一想,你們支持哪一小組的觀點(diǎn)?

        生:我支持小組B的,我很贊同他在模型建立后進(jìn)行檢驗(yàn)的這一做法。因?yàn)槲覀冊诖_定數(shù)學(xué)模型的時(shí)候,只是根據(jù)點(diǎn)的分布看著像哪個(gè)模型,并且在計(jì)算的時(shí)候,只代入了兩個(gè)點(diǎn)。你看,小組A如果將x=160代入,求得y為 35.3,與數(shù)據(jù)中的點(diǎn)(160,47.25)誤差太大,因此不能利用二次函數(shù)模型進(jìn)行刻畫。而小組B將數(shù)學(xué)模型計(jì)算出來之后,還反思了建立的模型是否正確,通過再代入點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn),確保模型建立的準(zhǔn)確性。

        師:其他同學(xué)同意這位同學(xué)的觀點(diǎn)嗎?是呀,這位同學(xué)說得可多好呀!我們在建模模型的之后,不能百分之百地保證我們的模型是否正確,因此要學(xué)會(huì)反思檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型,通過數(shù)據(jù)回代地方式檢查模型地正確性。反思檢驗(yàn)也是數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的一種重要方法。

        教學(xué)分析:在該教學(xué)案例中,學(xué)生一開始通過實(shí)際問題建立了二次函數(shù)模型,又將二次函數(shù)模型回歸原實(shí)際問題,反思檢驗(yàn)找出不合理之處。他們發(fā)現(xiàn)二次函數(shù)的模型并不是描述身高和體重的最優(yōu)解,經(jīng)過小組的討論,學(xué)生剛開始建立的模型提出質(zhì)疑,從而對模型改良優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)小組B提出的函數(shù)模型優(yōu)于二次函數(shù)。檢驗(yàn)反思是對數(shù)學(xué)建模過程的再認(rèn)識(shí)。是數(shù)學(xué)建模的重要能力之一,學(xué)生要通過討論質(zhì)疑的方式,培養(yǎng)檢驗(yàn)反思的能力,這樣才能在數(shù)學(xué)建模中應(yīng)用的正確的模型解決實(shí)際問題。

        (五)小組探究,培養(yǎng)集體合作能力

        數(shù)學(xué)建模的難易程度不同,導(dǎo)致學(xué)生在解決建模問題的過程中所需要的時(shí)間,精力也會(huì)不同。較為簡單的建模學(xué)生可以獨(dú)立完成,而較為復(fù)雜的則需要學(xué)生分小組探究交流,共同協(xié)作完成。集體合作能力就是指學(xué)生組成小組進(jìn)行合作學(xué)習(xí)交流討論的能力。在一個(gè)小組中需要一位學(xué)生進(jìn)行領(lǐng)導(dǎo)統(tǒng)籌工作,分配每位學(xué)生的工作任務(wù),學(xué)生互相交流。而作為教師,應(yīng)該在教學(xué)過程中,注重培養(yǎng)學(xué)生的自主探究能力,組織學(xué)生開展小組合作,并且通過要求學(xué)生撰寫小組工作報(bào)告,讓教師更了解學(xué)生之間的分工合作,有效地提高學(xué)生解決數(shù)學(xué)建模問題的效率。通過這一過程,加強(qiáng)了學(xué)生之間交流合作的能力,同時(shí)也提高了學(xué)生的數(shù)學(xué)建模素養(yǎng)。

        例:以“教育儲(chǔ)蓄”為例,依照教育儲(chǔ)蓄的方式,每月存50元,連續(xù)存3年,到期(3年或5年)時(shí)一次可支取本息多少錢?如果運(yùn)用其他儲(chǔ)蓄方式,以每月存100元,6年后使用為例,探討現(xiàn)行利率標(biāo)準(zhǔn)可能的最大收益,將得到的結(jié)果與教育儲(chǔ)蓄比較[13]。教師讓學(xué)生組成5人小組,一名學(xué)生作為小組長,統(tǒng)籌全組。將上網(wǎng)搜索相關(guān)“教育儲(chǔ)蓄”以及“其他儲(chǔ)蓄方式”的相關(guān)內(nèi)容、建立經(jīng)濟(jì)模型、計(jì)算數(shù)據(jù)等工作分配給小組的每一位成員,進(jìn)行集體合作,并且要求他們撰寫小組工作報(bào)告。

        教學(xué)分析:該數(shù)學(xué)建模問題并未將所有的信息與數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在題目中,這就需要學(xué)生在課后通過查閱資料,小組分工完成。教師引導(dǎo)學(xué)生將一個(gè)復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模問題,分成幾個(gè)模塊,小組長起到帶頭作用,要求每位小組成員負(fù)責(zé)一部分,這樣才能加快學(xué)習(xí)的效率。在學(xué)習(xí)的過程中,不僅提高了學(xué)生解決數(shù)學(xué)實(shí)際問題的能力,同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生之間合作交流的能力,增進(jìn)了他們的友誼。

        四、結(jié)語

        對數(shù)學(xué)建模能力的構(gòu)成要素分析,可以使我們在教學(xué)中能夠有的放矢,針對構(gòu)成要素開展教學(xué),使得學(xué)生的建模能力能夠在教學(xué)過程中獲得訓(xùn)練、提升與發(fā)展。數(shù)學(xué)建模是中學(xué)生的核心素養(yǎng):運(yùn)用創(chuàng)設(shè)問題情景策略,培養(yǎng)需要學(xué)生良好的閱讀分析能力;運(yùn)用畫圖觀察策略,培養(yǎng)學(xué)生抽象模型能力;運(yùn)用多元教學(xué)策略,培養(yǎng)學(xué)生的模型計(jì)算能力,運(yùn)用討論研究策略,培養(yǎng)學(xué)生的檢驗(yàn)反思能力,運(yùn)用小組探究策略,培養(yǎng)學(xué)生的集體合作能力。本文通過將實(shí)際的問題與數(shù)學(xué)知識(shí)相結(jié)合,不斷培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)建模素養(yǎng),促進(jìn)學(xué)生綜合能力的提升。

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        [責(zé)任編輯 梁愛芳]

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