趙櫻澤,李向軍*,嚴(yán)江華
(1.長(zhǎng)江大學(xué) 信息與數(shù)學(xué)學(xué)院,湖北 荊州 434023;2.湖北省天門中學(xué),湖北 天門 431700)
作為科學(xué)與技術(shù)的基礎(chǔ)和工具,數(shù)學(xué)在人們的日常生活中扮演著重要角色,而數(shù)學(xué)建模作為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)問題與數(shù)學(xué)知識(shí)之間自由轉(zhuǎn)化的萬(wàn)能紐帶在國(guó)際社會(huì)中的重要性日益凸顯。在澳大利亞,數(shù)學(xué)建模被列為國(guó)家數(shù)學(xué)課程中學(xué)生需要掌握其基本概念和方法的重要內(nèi)容[1];同樣重視數(shù)學(xué)建模教學(xué)并將其作為學(xué)生成長(zhǎng)發(fā)展必備能力之一的國(guó)家還有瑞典和德國(guó)[2]。在我國(guó),隨著課程改革的不斷深入,《普通高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》[3]提出六大數(shù)學(xué)核心素養(yǎng):數(shù)學(xué)抽象、邏輯推理、數(shù)學(xué)建模、直觀想象、數(shù)學(xué)運(yùn)算和數(shù)據(jù)分析,數(shù)學(xué)建模作為數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)之一逐漸進(jìn)入教育研究者以及廣大師生的視野,教學(xué)的重心開始轉(zhuǎn)向?qū)W生和學(xué)科知識(shí)本質(zhì)上轉(zhuǎn)移[4]。傳統(tǒng)的以教師為中心、知識(shí)為中心的教學(xué)觀念得到改善,逐漸向以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為目的,以數(shù)學(xué)素質(zhì)教育為教學(xué)目標(biāo),以培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)應(yīng)用能力為主的教學(xué)模式[5]。本文從數(shù)學(xué)模型的角度,探尋嚴(yán)謹(jǐn)縝密的數(shù)學(xué)知識(shí)與靈活多變的現(xiàn)實(shí)問題之間的聯(lián)系,挖掘?qū)嶋H問題背后的數(shù)學(xué)本質(zhì),思考數(shù)學(xué)建模教學(xué)與學(xué)生實(shí)際融合的途徑,培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的能力,使其成長(zhǎng)為新時(shí)代所需的創(chuàng)新型人才。
20世紀(jì)著名數(shù)學(xué)教育家弗賴登塔爾提出了“數(shù)學(xué)化”、“現(xiàn)實(shí)化”和“再創(chuàng)造”等觀點(diǎn),認(rèn)為數(shù)學(xué)來(lái)源于現(xiàn)實(shí)世界,應(yīng)服務(wù)于生活[6]。數(shù)學(xué)建模過程實(shí)際就是將數(shù)學(xué)理論應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中,并服務(wù)于現(xiàn)實(shí)生活的過程,它以一個(gè)課堂外的問題為開端,通過抽象和簡(jiǎn)化,把該問題轉(zhuǎn)譯為一個(gè)沒有語(yǔ)境的純粹數(shù)學(xué)問題并建模求解,將解決方案還原為真實(shí)情況并應(yīng)用到實(shí)際問題中,最終依據(jù)方案的可行性檢測(cè)結(jié)果再對(duì)模型做出調(diào)整,直到得出合適的解決方案為止。
將數(shù)學(xué)建模思想融入數(shù)學(xué)教學(xué)與弗賴登塔爾的教育思想不謀而合,其核心在于培養(yǎng)學(xué)生建模思維和創(chuàng)新意識(shí)[7]。數(shù)學(xué)建模思想作為數(shù)學(xué)學(xué)科的重要思想,是指學(xué)生借助抽象思維,完成實(shí)際問題到數(shù)學(xué)語(yǔ)言的轉(zhuǎn)化,得到相應(yīng)的數(shù)學(xué)解答,最終解決實(shí)際問題的一種思想方法[8]。數(shù)學(xué)建模思想的形成不是一蹴而就的,而是需要教師在數(shù)學(xué)課程中將生活與數(shù)學(xué)充分聯(lián)系和結(jié)合,引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)生活中的問題并將其轉(zhuǎn)化為能夠解決的數(shù)學(xué)問題,讓數(shù)學(xué)模型貫穿于學(xué)習(xí)的始終,提升學(xué)生的數(shù)學(xué)應(yīng)用能力。
數(shù)學(xué)中的函數(shù)模型與現(xiàn)實(shí)生活以及其他學(xué)科都有十分密切的聯(lián)系,運(yùn)用函數(shù)來(lái)建構(gòu)數(shù)學(xué)模型并解決實(shí)際問題時(shí),其涉及到的變化過程就成為了解決問題的關(guān)鍵[9]。通過分析明確運(yùn)動(dòng)變化的基本特征、類型,來(lái)選擇適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)模型將實(shí)際問題劃歸為數(shù)學(xué)問題,最終求解模型的過程用到的就是數(shù)學(xué)建模的思想方法。教師對(duì)數(shù)學(xué)建模思想融入數(shù)學(xué)課堂教學(xué)方法的探究,一方面能夠促進(jìn)知識(shí)型教師向研究型教師的轉(zhuǎn)變,使教師統(tǒng)籌兼顧學(xué)科知識(shí)和教學(xué)活動(dòng),聚焦學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展;另一方面對(duì)培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)抽象能力和數(shù)據(jù)應(yīng)用能力,幫助學(xué)生養(yǎng)成良好的獨(dú)立思考的好習(xí)慣,促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展等方面也能產(chǎn)生較大的幫助和成效[10]。本文以人教A版高中數(shù)學(xué)教材必修一(2019版)中的“茶水最佳引用時(shí)機(jī)問題”為例,探索如何將數(shù)學(xué)建模思想融入數(shù)學(xué)課程的教學(xué)中。
1)建模準(zhǔn)備中提煉關(guān)鍵因素。問題的簡(jiǎn)化與重述。本文將教材中的實(shí)際問題進(jìn)行了簡(jiǎn)化和重述:茶水的口感和水溫有關(guān),某種茶葉用85的水溫泡制,60時(shí)則可以達(dá)到最佳引用口感。那么在25的室溫下,剛泡入茶葉的茶大約需要放置多長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到最佳飲用溫度?
探究最佳茶水溫度的問題是實(shí)際生活中的問題,本質(zhì)上來(lái)講是探究茶水的最佳飲用時(shí)機(jī)問題。教學(xué)過程中教師可以利用秒表、溫度計(jì)等工具收集茶水溫度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù),為了保證數(shù)據(jù)的嚴(yán)謹(jǐn)性和準(zhǔn)確性,本文以教材中給出的數(shù)據(jù)為依據(jù):某研究人員每隔1測(cè)量一次茶水溫度,水溫隨時(shí)間變化的情況如表1所示。
表1 水溫隨時(shí)間變化表
準(zhǔn)備階段的教學(xué)活動(dòng)。建構(gòu)主義學(xué)生觀認(rèn)為,教師在教學(xué)中應(yīng)當(dāng)注重學(xué)生的原有經(jīng)驗(yàn),將學(xué)生的現(xiàn)有知識(shí)作為學(xué)習(xí)新內(nèi)容的增長(zhǎng)點(diǎn),引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與課堂探究和小組討論,并針對(duì)學(xué)生難以理解的課程內(nèi)容進(jìn)行解析[11]。特別是學(xué)生第一次接觸到數(shù)學(xué)建模這個(gè)新概念,對(duì)于所謂的從實(shí)際問題中抽象提煉出數(shù)學(xué)觀點(diǎn)的具體方法更是毫無(wú)頭緒。因此,教師應(yīng)將教學(xué)重點(diǎn)放在關(guān)注學(xué)生已有知識(shí)與新情境的聯(lián)系上,消除學(xué)生心中的畏難情緒,并尋找合適的切入點(diǎn)導(dǎo)入數(shù)學(xué)建模思想,讓學(xué)生親身經(jīng)歷運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決問題的全過程[12]。同時(shí),鼓勵(lì)學(xué)生用數(shù)學(xué)的眼光看待實(shí)際問題,引導(dǎo)其借助函數(shù)圖像工具來(lái)探究水溫和時(shí)間兩個(gè)變量之間的內(nèi)在聯(lián)系,進(jìn)而達(dá)到將具體問題抽象概括為數(shù)學(xué)問題,提升學(xué)生數(shù)學(xué)抽象核心素養(yǎng)的目的。
在實(shí)際教學(xué)活動(dòng)中,教師可以借助Matlab軟件繪制出圖1所示的水溫隨時(shí)間變化的散點(diǎn)圖。
圖1 水溫隨時(shí)間變化散點(diǎn)圖
教師可以引導(dǎo)學(xué)生分析散點(diǎn)圖的走勢(shì)和特點(diǎn),使學(xué)生明確解決問題的關(guān)鍵在于得到水溫隨時(shí)間變化圖像的解析式。這就要求學(xué)生熟知幾類基本初等函數(shù)的性質(zhì)和圖像,教師可以通過提問以及組織學(xué)生小組討論的形式,引導(dǎo)學(xué)生回憶學(xué)過的函數(shù)知識(shí),幫助學(xué)生復(fù)習(xí)不同類型初等函數(shù)的特點(diǎn)和性質(zhì),并探究幾類初等函數(shù)圖像與上述散點(diǎn)圖走勢(shì)的異同,嘗試構(gòu)建溫度和時(shí)間這兩個(gè)變量的函數(shù)關(guān)系式。
2)建模過程中聯(lián)系數(shù)學(xué)知識(shí)內(nèi)涵。建立模型是整個(gè)數(shù)學(xué)建模過程的重中之重,也是數(shù)學(xué)建模思想的核心體現(xiàn),教師應(yīng)充分重視該過程中對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)以及探究活動(dòng)的設(shè)置。
分析圖像,提出合理猜想。學(xué)生通過觀察上述圖像中的散點(diǎn)分布情況,發(fā)現(xiàn)散點(diǎn)走勢(shì)呈緩慢遞減的特點(diǎn)且趨向于某個(gè)定值。教師可以設(shè)置幾個(gè)問題幫助學(xué)生建立該函數(shù)圖像與初等函數(shù)圖像之間的聯(lián)系,如:該圖像的特點(diǎn)是什么?是否和之前學(xué)過的哪些函數(shù)圖像類似?是否有現(xiàn)成的函數(shù)模型可以套用?如果沒有,能否嘗試用某種函數(shù)模型來(lái)近似的代替?這些問題的設(shè)置是循序漸進(jìn)的,能夠有效地幫助學(xué)生建構(gòu)起回憶已知函數(shù)內(nèi)容的線索,層層深入地引導(dǎo)學(xué)生思考和建立模型。
其中,用近似圖像來(lái)代替的思想就是常用的建模思想之一:擬合思想。學(xué)生在自主比較與該散點(diǎn)圖走勢(shì)最接近的函數(shù)圖像的過程中,更容易理解什么是數(shù)據(jù)擬合,即選擇一種函數(shù)圖像近似地刻畫原函數(shù)曲線。
學(xué)生經(jīng)過一番激烈討論后得到各式各樣的猜想,呼聲最高的觀點(diǎn)莫過于認(rèn)為圖1中的曲線類似于指數(shù)函數(shù)y=ax(0 結(jié)合實(shí)際,變換調(diào)整模型。課堂教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)的過程極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性,有助于學(xué)生回想起指數(shù)函數(shù)的性質(zhì)和結(jié)論:首先,指數(shù)函數(shù)圖像恒過定點(diǎn)(0,1);其次,所有指數(shù)函數(shù)的定義域都為(-∞,+∞),值域都是(0,+∞);會(huì)隨a的改變而發(fā)生變化。當(dāng)01時(shí),函數(shù)圖像呈上升趨勢(shì)。 對(duì)比分析指數(shù)函數(shù)的特征,學(xué)生發(fā)現(xiàn)直接用指數(shù)函數(shù)代替現(xiàn)有曲線的做法是存在缺陷的,因?yàn)閳D1中的散點(diǎn)中并沒有(0,1),值域也不是(0,+∞),這與學(xué)生的原有認(rèn)知發(fā)生了沖突。元認(rèn)知理論認(rèn)為數(shù)學(xué)建模是一個(gè)不斷的檢驗(yàn)、修正、反饋、再完善的過程[13],故此時(shí)教師的教學(xué)重點(diǎn)應(yīng)放在幫助學(xué)生克服認(rèn)知障礙,思考現(xiàn)狀成因上,并引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察題目中是否還有條件沒有使用。學(xué)生重新梳理思路后發(fā)現(xiàn)題目中的室溫為的條件還沒有用到,顯然茶水的溫度是不會(huì)低于室溫的,因此原數(shù)據(jù)圖像的值域不是(0,+∞)也就可以理解了。教師引導(dǎo)學(xué)生逐步分析推導(dǎo)的過程為學(xué)生進(jìn)一步思考如何將室溫因素融入模型提供了思路,同時(shí)有效地鍛煉了學(xué)生的邏輯推理能力。 逐步優(yōu)化,求解數(shù)學(xué)模型。學(xué)生以小組合作的形式進(jìn)行探究,選擇指數(shù)函數(shù)為原型進(jìn)行建模??紤]到茶水溫度降到室溫就不能再降的事實(shí),函數(shù)值域可設(shè)置為(25,85]。同樣,指數(shù)函數(shù)圖像上的定點(diǎn)(0,1)也是無(wú)法取到的,因此該模型曲線又可以看作是左右平移指數(shù)函數(shù)圖像得到的,歸納總結(jié)上述變化,學(xué)生可以得到含有兩個(gè)待定系數(shù)的函數(shù)模型為: f(x)=ax+b+25 于是問題就被簡(jiǎn)化為求解待定系數(shù)a和b的問題。按照學(xué)生以往的經(jīng)驗(yàn),會(huì)任意選取兩個(gè)點(diǎn)直接代入函數(shù)關(guān)系式求解參數(shù)。比如將(0,85)和(1,79.19)代入表達(dá)式,保留兩位小數(shù)后得到如下的結(jié)果: a=0.9,b=-38.86, f(x)=0.9x-38.86+25 然而,這樣的做法得到的函數(shù)模型并不能夠保證所有點(diǎn)均在函數(shù)圖像上或者基本分布于曲線兩側(cè),并且代入不同的點(diǎn)也會(huì)得到不同的函數(shù)模型,計(jì)算上存在較大的誤差。教師可以循序漸進(jìn)地設(shè)置問題啟發(fā)學(xué)生思考如何優(yōu)化模型,如:這樣的做法有沒有用到所有已知點(diǎn)?如果沒有,能否嘗試將所有數(shù)據(jù)都利用起來(lái)?從而引導(dǎo)學(xué)生從函數(shù)的變化特征入手嘗試建立擬合效果更好的函數(shù)模型,幫助學(xué)生養(yǎng)成通過數(shù)據(jù)思考問題的習(xí)慣,培養(yǎng)提升學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)檢索、篩選、加工和運(yùn)算的能力,發(fā)展學(xué)生數(shù)據(jù)分析的核心素養(yǎng)。 學(xué)生思考后發(fā)現(xiàn)上述做法的局限性在于沒有合理利用所給數(shù)據(jù),通過變形將模型化為如下形式: f(x)=ab·ax+25, 將模型中系數(shù)ab替換為k該函數(shù)的本質(zhì)并為發(fā)生改變,于是有如下表達(dá)式:湖北工程學(xué)院學(xué)報(bào)2022年3期
——以湖北工程學(xué)院新技術(shù)學(xué)院為例