周儒省,柴華金
融合案例的線性代數(shù)課程教學(xué)實(shí)踐
周儒省,柴華金
(廣東海洋大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 陽江 529500)
結(jié)合當(dāng)前學(xué)生學(xué)習(xí)線性代數(shù)所遇到的困擾——高度抽象脫離實(shí)際生活背景與現(xiàn)代工程技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景,且理論門檻高,缺乏具體形象化案例等,根據(jù)教學(xué)實(shí)踐,從知識(shí)內(nèi)容的理解與鞏固、理論框架的拓展與優(yōu)化等方面構(gòu)建不同類型的案例,吸引學(xué)生的注意力,激發(fā)其求知欲,提高學(xué)習(xí)效率,進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化課程教學(xué)的目的.
線性代數(shù);案例教學(xué)法;課程優(yōu)化;課程教學(xué)
線性代數(shù)的理論與方法在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)、自然科學(xué)、管理學(xué)、社會(huì)學(xué)以及經(jīng)濟(jì)學(xué)等領(lǐng)域的研究中具有廣泛而重要的應(yīng)用[1-3],是高校理工科及經(jīng)管類等專業(yè)必修的一門基礎(chǔ)數(shù)學(xué)課程,不僅為后續(xù)專業(yè)課程理論學(xué)習(xí)提供必備的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)知識(shí),更能促進(jìn)學(xué)生抽象思維、邏輯演算、空間想象以及建模求解等能力的培養(yǎng)[4-7],讓學(xué)生學(xué)會(huì)以線性代數(shù)的方法提出問題、分析問題以及解決問題[8-9],進(jìn)而提升的學(xué)生綜合素質(zhì)能力.
然而,傳統(tǒng)的線性代數(shù)課堂教學(xué)中,由于培養(yǎng)目標(biāo)不明確,教學(xué)方式比較單一,教師更傾向于線性代數(shù)理論知識(shí)的傳授與演算,與現(xiàn)實(shí)結(jié)合的案例比較少,亦不注重知識(shí)內(nèi)容與相關(guān)專業(yè)的鏈接,這樣會(huì)導(dǎo)致學(xué)生難以建立起系統(tǒng)化的知識(shí)框架,對(duì)線性代數(shù)產(chǎn)生一種內(nèi)容抽象難懂且用處不大的錯(cuò)覺,不清楚線性代數(shù)知識(shí)理論有何用途,能解決什么問題,無法將所學(xué)知識(shí)融合進(jìn)專業(yè)學(xué)習(xí)中,進(jìn)而極大地降低對(duì)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣,影響其學(xué)習(xí)效果.針對(duì)這些問題,眾多學(xué)者對(duì)線性代數(shù)的教學(xué)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,如文獻(xiàn)[10]結(jié)合三元線性方程組,導(dǎo)入行列式的定義并引出“愛情行列式”等有趣的案例吸引學(xué)生注意力,激發(fā)其求知欲;文獻(xiàn)[11-16]從特征值、特征向量在大數(shù)據(jù)中的應(yīng)用和藥物配置引出向量線性相關(guān)性,以捕食者與被捕食者系統(tǒng)問題等為案例,以鞏固提高為主要目的進(jìn)行了深入的教學(xué)探討.這些都是針對(duì)于某個(gè)知識(shí)點(diǎn)而言的,文獻(xiàn)[17-18]則從課程發(fā)展史、增強(qiáng)民族自豪感和文化自信感、利用特征值與特征向量在Google搜索引擎PageRank排序算法中的應(yīng)用激勵(lì)學(xué)生學(xué)以致用、報(bào)效祖國(guó)等不同的方面挖掘思政元素,充分地探討了如何進(jìn)行線性代數(shù)課程思政,然而對(duì)線性代數(shù)整體的課堂或者課程教學(xué)相關(guān)研討卻比較少.以某個(gè)知識(shí)點(diǎn)導(dǎo)入,固然清晰明了且針對(duì)性強(qiáng),但缺少全局架構(gòu)觀,不能以點(diǎn)繪線,以線拓面,多角度全方位地提升教學(xué)效果.
本文從理論知識(shí)的內(nèi)化、鞏固,知識(shí)結(jié)構(gòu)的提高與優(yōu)化等整個(gè)課堂教學(xué)架構(gòu)出發(fā),考慮如何利用案例教學(xué)法來調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)線性代數(shù)的積極性,通過實(shí)例有步驟、有次序并帶有目的性地誘發(fā)其主動(dòng)思考,積極探索,深入鉆研,激發(fā)其自主學(xué)習(xí)的積極性,提高學(xué)習(xí)時(shí)效,使線性代數(shù)課堂教學(xué)成為高效課堂;此外,通過實(shí)際的應(yīng)用案例,引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合線性代數(shù)相關(guān)理論多方位、多角度地進(jìn)行深層次的探究,使學(xué)生深刻理解內(nèi)容的相關(guān)背景與應(yīng)用實(shí)景,掌握知識(shí)的內(nèi)涵與外延,對(duì)知識(shí)能融會(huì)貫通并舉一反三,同時(shí),可以讓學(xué)生明白所學(xué)線性代數(shù)理論知識(shí)并非毫無應(yīng)用價(jià)值,而是與現(xiàn)實(shí)生活及所學(xué)專業(yè)緊密聯(lián)系的.
線性代數(shù)課程中有比較多的概念、性質(zhì)以及定理等,部分知識(shí)對(duì)學(xué)生來說極具抽象性,晦澀難懂,如若直接或僅以純數(shù)學(xué)理論背景引出相應(yīng)內(nèi)容,對(duì)部分初學(xué)者而言接受起來非常困難,只知其表不知其里,進(jìn)而造成其對(duì)理論知識(shí)把握不牢固、理解不透徹、應(yīng)用不貫通,將嚴(yán)重挫傷學(xué)生深入鉆研的熱情.為此,教師應(yīng)當(dāng)引用一些鮮活的現(xiàn)實(shí)生活問題或?qū)嵗鳛榍腥朦c(diǎn),引出相應(yīng)的理論內(nèi)容,讓學(xué)生親身領(lǐng)悟線性代數(shù)有其深厚的實(shí)際背景,與現(xiàn)實(shí)生活息息相關(guān),并非“空穴來風(fēng)”,進(jìn)而讓學(xué)生結(jié)合實(shí)例深入理解掌握定義和定理的內(nèi)涵,激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣,繼而提升課堂時(shí)效.
對(duì)于矩陣的概念與運(yùn)算,目前較多教材均直接以數(shù)字表格進(jìn)行導(dǎo)入,很大程度上給學(xué)生的印象也只停留于此,根本不清楚其在現(xiàn)實(shí)生活中有何應(yīng)用場(chǎng)景.若僅以教材中數(shù)字表格來引入,讓學(xué)生被動(dòng)接受,將會(huì)極大程度地降低他們的求知欲,極易削弱其自主學(xué)習(xí)的積極性,因此不妨結(jié)合學(xué)生所熟悉的公交路線案例作為切入點(diǎn),促使學(xué)生深入掌握矩陣的定義與運(yùn)算,起到事半功倍之效.
案例1某縣城在A,B,C,D,E 5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間開通若干條公交線路,其通行情況見圖1.若甲家鄉(xiāng)在A鄉(xiāng)鎮(zhèn)想去鄉(xiāng)鎮(zhèn)C走訪親戚,但時(shí)間充裕,可以選一個(gè)其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)游玩后再去走訪親戚,即由鄉(xiāng)鎮(zhèn)A中轉(zhuǎn)一次再到鄉(xiāng)鎮(zhèn)C,計(jì)算有多少種通行情況.
圖1 鄉(xiāng)鎮(zhèn)公交線路
圖形雖然直觀明了,但若鄉(xiāng)鎮(zhèn)增加到一定的情況時(shí),線條將縱橫交錯(cuò),相應(yīng)的圖形看起來復(fù)雜且易出錯(cuò),進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生換用表格表示,如“1”表示兩鄉(xiāng)鎮(zhèn)開通公交線路,“0”表示兩鄉(xiāng)鎮(zhèn)不開通公交線路,則鄉(xiāng)鎮(zhèn)間公交線路開通情況可用表1表示.
表1 鄉(xiāng)鎮(zhèn)間公交線路開通情況
公交路線案例貼切現(xiàn)實(shí)生活,既能使學(xué)生明白矩陣有其深刻的實(shí)際背景,促進(jìn)其加深對(duì)矩陣的概念與運(yùn)算更深入的認(rèn)識(shí),而非僅停留于矩陣只是個(gè)數(shù)表的表面理解,又能讓學(xué)生進(jìn)一步地領(lǐng)悟課堂所學(xué)內(nèi)容源自于生活并應(yīng)用于生活,引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實(shí)際生活積極探討相應(yīng)知識(shí)內(nèi)容的本質(zhì),熟悉其內(nèi)在核心價(jià)值含義,拓展其知識(shí)涉及面,強(qiáng)化其知識(shí)理解,使其能潛移默化地結(jié)合生活關(guān)聯(lián),逐步地探索求知,進(jìn)而提升他們的學(xué)習(xí)興趣.
學(xué)生之所以覺得線性代數(shù)難學(xué),很大程度上歸結(jié)于目前的課堂教學(xué)與教材過分局限于純數(shù)學(xué)理論知識(shí)的運(yùn)算與推理,缺乏足夠的結(jié)合實(shí)際問題的應(yīng)用訓(xùn)練,只專注于理論內(nèi)容的掌握,雖對(duì)相應(yīng)知識(shí)技能有一定的熟練程度,卻無處發(fā)揮,只知理論不知何用,久而久之,相應(yīng)的技能因少用乃至不用而退化,繼而淡忘,終歸虛無,使學(xué)生的學(xué)習(xí)效率大打折扣,同時(shí)無形中影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性.為此,教師應(yīng)在課堂教學(xué)中穿插一些現(xiàn)實(shí)中遇到的問題,讓學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行解答,使學(xué)生覺得知識(shí)學(xué)有所用,體會(huì)到學(xué)習(xí)的成功喜悅,這樣可以使學(xué)生鞏固掌握所學(xué)內(nèi)容,提高課堂教學(xué)效果.
線性無關(guān)是線性代數(shù)教學(xué)中一個(gè)難點(diǎn),枯燥無味的理論使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不僅覺得抽象難懂,而且覺得毫無用處,聽教師講時(shí)覺得自己也會(huì),但一到自己動(dòng)手來做就無從下手,并且過了一段時(shí)間就會(huì)遺忘,因此導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高.若穿插生活中實(shí)際難題來引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行解決,不僅可以吸引學(xué)生的注意力,讓其集中精力解決相關(guān)問題,在問題解決過程中鞏固知識(shí),又能體會(huì)學(xué)有所用,切身體會(huì)到成功的喜悅感,促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)效率的提高.
案例2某藥店有A,B,C,D4種藥物,可根據(jù)不同比例組成4種處方,各用量成分見表2.某病人需購買第4號(hào)處方,但第4號(hào)無庫存,不考慮處方復(fù)原細(xì)節(jié)要求,問該藥店能否結(jié)合庫存配出該病人要買的第4號(hào)處方.
表2 處方成分 kg
對(duì)于線性表示一直都是學(xué)生感覺比較抽象難懂的,案例2結(jié)合藥方配置現(xiàn)實(shí)難題,逐步引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí),能快速地讓學(xué)生明白線性表示的相關(guān)內(nèi)容,熟悉相關(guān)知識(shí)內(nèi)容的應(yīng)用之處,讓他們學(xué)以致用,體會(huì)到知識(shí)的用處,使其不僅能知其然更能知其所然,進(jìn)而達(dá)到融會(huì)貫通.此外,通過解決生活中的難題能讓學(xué)生于生活中不斷領(lǐng)悟、探討、鉆研,將自身所學(xué)的東西應(yīng)用于實(shí)際生活,逐漸提升自己的綜合能力.
線性代數(shù)與許多學(xué)科知識(shí)有著密切的關(guān)聯(lián),教師在傳授理論知識(shí)的同時(shí)串聯(lián)專業(yè)應(yīng)用背景,對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)會(huì)產(chǎn)生意想不到的效果,如學(xué)習(xí)到逆矩陣時(shí),對(duì)于計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生插入信息傳遞的保密性,利用逆矩陣對(duì)傳輸信息進(jìn)行加密再解密,啟發(fā)學(xué)生,使其不由自主地將相關(guān)理論知識(shí)與自己所學(xué)專業(yè)內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)融合,這樣不僅能鞏固自己的知識(shí)內(nèi)容,更能拓展自己的理論架構(gòu),強(qiáng)化知識(shí)體系,從更高的維度、多方面的角度對(duì)待不同的知識(shí)點(diǎn),逐步形成自身的知識(shí)思維導(dǎo)圖,進(jìn)而促使學(xué)生不斷地完善自己的學(xué)習(xí)方法,激發(fā)其產(chǎn)生強(qiáng)烈的求知欲,不斷探討、不斷積累、不斷提升,長(zhǎng)此以往,學(xué)生的學(xué)習(xí)能力會(huì)有較大的提升.
特征值與特征向量是線性代數(shù)的一個(gè)重要內(nèi)容,應(yīng)用方面也十分廣泛,但多數(shù)教材僅僅介紹其求法,教師于授課之時(shí)也僅局限于教材,導(dǎo)致學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)覺得過于抽象,只知求法,卻不知用法,更不了解其應(yīng)用背景,若通過實(shí)例加以引導(dǎo),學(xué)生將對(duì)其有更加深刻的印象.
案例3假設(shè)某地級(jí)市總?cè)丝跀?shù)量不變,每年有30%的人口從鄉(xiāng)鎮(zhèn)遷移到城市,同時(shí)有10%的人口從城市遷移到鄉(xiāng)鎮(zhèn),目前該地級(jí)市城市人口數(shù)量為400萬,鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口數(shù)量為200萬,問題;(1)求1年后該地級(jí)市的城市人口和鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口數(shù)量分別是多少;(2)隨著實(shí)際時(shí)間的變遷,城鄉(xiāng)人口會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定,此時(shí)城市人口和鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口數(shù)量分別是多少.
對(duì)于問題(1),很多學(xué)生會(huì)直接通過計(jì)算“不遷移人口+遷入人口”得到結(jié)果,此時(shí)教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)的矩陣相關(guān)知識(shí)來求解.
對(duì)于特征值與特征向量相關(guān)內(nèi)容,由于課時(shí)的限制,教師往往就只傳授學(xué)生對(duì)相關(guān)內(nèi)容的求解,而對(duì)其有何應(yīng)用只字不提,學(xué)生無法體會(huì)其實(shí)用性,學(xué)習(xí)效果更是大打折扣.案例3結(jié)合人口遷移專業(yè)知識(shí)引導(dǎo)學(xué)生利用特征值與特征向量進(jìn)行求解,能讓學(xué)生結(jié)合自己的專業(yè)更深入地學(xué)習(xí)線性代數(shù),使其明白專業(yè)知識(shí)與線性代數(shù)緊密關(guān)聯(lián),讓線性代數(shù)相關(guān)知識(shí)體系不再只局限于基礎(chǔ)理論課,拓展學(xué)生的理論體系,深化其對(duì)知識(shí)的理解,同時(shí)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望.此外,學(xué)生在課堂知識(shí)結(jié)合專業(yè)理論的的案例引導(dǎo)下,不知不覺地養(yǎng)成將所學(xué)知識(shí)理論延伸至其他專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的思維習(xí)慣,各個(gè)知識(shí)要點(diǎn)不再是孤立的點(diǎn)或域,而是有機(jī)地串聯(lián)在一起,繼而促進(jìn)學(xué)生各方面的學(xué)習(xí),也提高了教師的課堂效果.
線性代數(shù)在現(xiàn)代技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用,如計(jì)算機(jī)領(lǐng)域,借助先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)能大幅度地減少各方面的工作量.線性代數(shù)涉及的計(jì)算比較多,如計(jì)算行列式、矩陣的運(yùn)算(數(shù)乘、乘法與冪次等)、矩陣的初等變換以及特征值和特征向量的求法等.對(duì)于低階的計(jì)算,通過簡(jiǎn)單的手算即可,但高階運(yùn)算不僅繁瑣,運(yùn)算量也成指數(shù)倍增加,而且容易出錯(cuò),實(shí)際應(yīng)用中將會(huì)耗損大量的時(shí)間與精力,極大地降低了工作效率.在計(jì)算方面,在課堂教學(xué)中可結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)軟件如Matlab等,僅需輸入幾行代碼就可得到相應(yīng)的結(jié)果,避免過度繁瑣的手工計(jì)算,從而大幅度地減少計(jì)算量,壓縮時(shí)間,提升工作效率.如此教學(xué)模式不僅使學(xué)生深感時(shí)代的進(jìn)步,掌握相應(yīng)的技能,而且能大幅度地降低學(xué)生所面臨的計(jì)算壓力,使其集中精力于理解相應(yīng)的原理與應(yīng)用,進(jìn)而優(yōu)化自己的知識(shí)框架,提升學(xué)習(xí)效率,此外,還能增加自身的動(dòng)手操作能力.
對(duì)于案例1~3來說,手工計(jì)算還是需要過多的演繹,在實(shí)際工作生活中不僅耗費(fèi)大量的時(shí)間精力,而且容易出錯(cuò),但若利用相關(guān)軟件,可以僅用幾行代碼就能輕松解決.這樣的優(yōu)劣對(duì)比式計(jì)算教學(xué)方式能夠吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,使學(xué)生在課堂上不由自主地緊跟教師的教學(xué)節(jié)湊,認(rèn)真學(xué)習(xí)并掌握相應(yīng)的理論方法,同時(shí),也促使學(xué)生在課后及時(shí)進(jìn)行軟件操作演練.
A=[1 0 1 3;1 3 1 0;2 1 2 5;4 2 0 2];sA=rref(A)
P=[3 -1;1 1];inv(P)
A=[0.9 0.3;0.1 0.7];[X,V]=eig(A)
知識(shí)原理的理解與技能的掌握對(duì)學(xué)生而言是必須的,而且是必不可少的,對(duì)于部分運(yùn)算的計(jì)數(shù),動(dòng)手固然可以,卻過多損耗時(shí)間,繁而不必,結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)軟件計(jì)算往往只需幾行代碼,可以大幅度地縮短耗時(shí).教師在授課之時(shí)引入先進(jìn)的軟件算法,使學(xué)生能將更多時(shí)間與精力集中于知識(shí)的原理與技能方面,日后可避免做過多的無用功,優(yōu)化學(xué)生的知識(shí)框架體系,促進(jìn)他們更好地將理論與現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)有機(jī)地融合.同時(shí),先進(jìn)軟件算法的使用能使學(xué)生緊跟時(shí)代步伐、與時(shí)俱進(jìn),在學(xué)習(xí)知識(shí)原理之時(shí)掌握部分現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù),激發(fā)其求知探索欲望,不斷地促使其努力學(xué)習(xí).
如何提升課堂教學(xué)時(shí)效,優(yōu)化課程教學(xué)是一個(gè)不斷實(shí)踐探索的過程.在此過程中,學(xué)生是主體,教師是關(guān)鍵,教師應(yīng)結(jié)合自身的經(jīng)驗(yàn),從生活背景及專業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中構(gòu)建符合學(xué)生認(rèn)知水平與知識(shí)體系的實(shí)際案例,誘發(fā)其自主思考、積極探索、奮力鉆研,不斷深入理解并掌握知識(shí)的內(nèi)涵與外延,拓展其思維框架體系.
對(duì)線性代數(shù)更是如此,在課堂教學(xué)過程中應(yīng)有效地融入適當(dāng)?shù)陌咐?,讓理論?lián)系實(shí)際并串聯(lián)專業(yè)背景,進(jìn)而使抽象的知識(shí)內(nèi)容形象具體化,更利于學(xué)生接受新的知識(shí),掌握新的技巧,并于此教學(xué)中學(xué)生能潛移默化地將遇到的實(shí)際生活問題轉(zhuǎn)為數(shù)學(xué)問題進(jìn)行分析、探討并最終得到有效的解決,繼而使學(xué)生掌握必備知識(shí)技能之余激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣,拓展其理論體系,開闊其學(xué)習(xí)視野,提高學(xué)生提出問題、分析問題以及解決問題的能力.構(gòu)建案例時(shí)要注意:(1)導(dǎo)入案例應(yīng)貼切實(shí)際生活,便于學(xué)生接受,易于掌握知識(shí)的內(nèi)涵與外延;(2)案例所涉及的知識(shí)內(nèi)容應(yīng)具有針對(duì)性強(qiáng)且難易程度適中等特點(diǎn),利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的鞏固與提升;(3)應(yīng)緊密結(jié)合學(xué)科背景構(gòu)建合適案例,促使數(shù)學(xué)知識(shí)融入專業(yè)知識(shí),利于后期專業(yè)學(xué)習(xí),此外應(yīng)融入適當(dāng)?shù)默F(xiàn)代技術(shù),更利于學(xué)生多方位發(fā)展.簡(jiǎn)而言之,構(gòu)建案例應(yīng)當(dāng)注重時(shí)序性,既要符合學(xué)生以往的學(xué)習(xí)積累,也要遵循學(xué)生目前的接納規(guī)律,還要注重為學(xué)生將來的專業(yè)學(xué)習(xí)或深造奠定基礎(chǔ).適宜的案例既能優(yōu)化課堂時(shí)效,更能激發(fā)學(xué)生的求知欲,促使其不斷地進(jìn)步和提高.
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Practice of teaching linear algebra course with case integration
ZHOU Rusheng,CHAI Huajin
(School of Computer Science and Engineering,Guangdong Ocean University,Yangjiang 529500,China)
Based on the current difficulties faced by students in learning linear algebra,such as high abstraction and detachment from practical life backgrounds and modern engineering technology application scenarios,as well as the high theoretical threshold and lack of concrete and visualized cases,different types of cases are built from the understanding and consolidation of knowledge content,the expansion and optimization of the theoretical framework and other aspects according to the teaching practice.These help to attract students′ attention,stimulate their curiosity,improve their learning effect,and thus achieve the purpose of optimizing course teaching.
linear algebra;case teaching method;course optimization;course teaching
1007-9831(2023)09-0070-06
O151.21∶G642.0
A
10.3969/j.issn.1007-9831.2023.09.015
2023-02-25
2022年廣東海洋大學(xué)教育教學(xué)改革項(xiàng)目(PX-131223557)——案例教學(xué)法融入《線性代數(shù)》課程教學(xué)的研究與實(shí)踐
周儒?。?986-),男,廣東茂名人,講師,碩士,從事調(diào)和分析研究.E-mail:zrs@gdou.edu.cn