數(shù)學(xué)建模思想融入《概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)》的教學(xué)改革研究

陳海英

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)楚天學(xué)院 湖北，湖北 武漢430205）

概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)是研究隨機(jī)現(xiàn)象的一門數(shù)學(xué)學(xué)科，是高等院?；A(chǔ)數(shù)學(xué)的核心課程之一，具有獨(dú)特的概念。由于其運(yùn)用的廣泛性，近年來已經(jīng)發(fā)展成了一門比較獨(dú)立的學(xué)科。該課程具有很強(qiáng)的運(yùn)用性，已經(jīng)廣泛運(yùn)用于很多學(xué)科和領(lǐng)域，比如自然科學(xué)、工程技術(shù)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)科學(xué)等領(lǐng)域都運(yùn)用了概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)的理論與方法。運(yùn)用該課程的知識(shí)解決實(shí)際問題具有非常重要的意義。在數(shù)學(xué)研究領(lǐng)域，數(shù)學(xué)建模是解決現(xiàn)實(shí)問題的新學(xué)科，該學(xué)科通過運(yùn)用數(shù)學(xué)工具與計(jì)算機(jī)技術(shù)來解決問題。通過收集、調(diào)查數(shù)據(jù)資料，研究和分析數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律，提出合理的假設(shè)，抽象簡(jiǎn)化成反映問題的數(shù)學(xué)模型。全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模比賽每年舉辦一次，是目前高校之間規(guī)模較大的科技活動(dòng)?？v觀歷年大賽的試題，不難發(fā)現(xiàn)許多問題都涉及到了概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)的知識(shí)，例如，高等學(xué)校的學(xué)費(fèi)問題、DNA序列分類問題、北京奧運(yùn)人流分布問題、DVD在線租賃問題等都不同程度涉及了這方面的知識(shí)。筆者一直講授理工科本科生的概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)課程，多年來一直輔導(dǎo)學(xué)生參與全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽，一直探索深化概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)教學(xué)改革，促使該課程能與數(shù)學(xué)建模有機(jī)結(jié)合起來。

一、融入數(shù)學(xué)建模思想的重要性

對(duì)傳統(tǒng)的概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)教學(xué)進(jìn)行歸納，大致是：理論知識(shí)+說明舉例+解題+考試。這種教學(xué)模式可以讓學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)，提升計(jì)算能力，也有利于解決課后習(xí)題。但這種教學(xué)模式也有一定的缺陷，不難看出，它與實(shí)際脫離較大，更多地停留在書本上。學(xué)生掌握了理論知識(shí)，未必會(huì)將其運(yùn)用到實(shí)際，這違背了素質(zhì)教育的宗旨，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的提高。運(yùn)用數(shù)學(xué)建模的指導(dǎo)思想，可以有效避免傳統(tǒng)教學(xué)模式的缺陷。數(shù)學(xué)建模的一個(gè)重要功能就是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。將數(shù)學(xué)建模思想融入教學(xué)，是概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)教學(xué)的需要，也是順應(yīng)教學(xué)改革的需求。

二、數(shù)學(xué)建模思想融入課堂教學(xué)

教師在講授概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)課程時(shí)，面臨著非常重要的任務(wù)。如何讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)增強(qiáng)對(duì)本課程的理解，并將知識(shí)合理地運(yùn)用到實(shí)踐中，是擺在教師面前的問題。教師要將數(shù)學(xué)建模思想合理地融入到課堂。

（一）課堂教學(xué)側(cè)重實(shí)例

概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)課程是運(yùn)用性很強(qiáng)的一門課程。因此，將教學(xué)內(nèi)容與實(shí)例想結(jié)合，可以有效提高學(xué)生的理解力，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的印象。例如，在講授概率加法公式的時(shí)候，可以用“三個(gè)臭皮匠問題”作為為實(shí)例?！叭齻€(gè)臭皮匠賽過諸葛亮”是對(duì)多人有效合作的一種贊美，我們可以把這個(gè)問題引入到數(shù)學(xué)中來，從概率的計(jì)算方面驗(yàn)證它的正確性。首先可以建立起數(shù)學(xué)模型，三個(gè)臭皮匠能否賽過諸葛亮，主要是看他們解決實(shí)際問題的能力是否有差距，歸結(jié)為概率就是解決問題的概率大小比較。不妨用C表示諸葛亮解決某問題，Ai表示第i個(gè)臭皮匠單獨(dú)解決某問題，其中i=1,2,3，每個(gè)臭皮匠解決好某問題的概率是 P（A1）=0.45，P（A2）=0.55，P（A3）=0.60，而諸葛亮成功解決問題的概率是P（C）=0.90。那么事件B順利解決對(duì)于諸葛亮的概率是P（B）=P（C）=0.90，而三個(gè)臭皮匠解決好B問題的概率可以表示成 P（B）=P（A1）+P（A2）+P（A3）。按照概率的加法公式

這三個(gè)事件的加法運(yùn)算比較復(fù)雜，我們可以運(yùn)用對(duì)立事件來計(jì)算，對(duì)立計(jì)算公式P（A）=1-P（A）可以簡(jiǎn)化計(jì)算過程：

解決此問題的過程中，學(xué)生既感受到了數(shù)學(xué)建模的樂趣，也在輕松的氛圍中學(xué)習(xí)到了概率知識(shí)。這種貼近實(shí)際生活的教學(xué)方式，不但可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)概率的積極性，也可以增強(qiáng)教師從事素質(zhì)教育的理念。

（二）開設(shè)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)課

數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)一般要結(jié)合數(shù)學(xué)模型，以數(shù)學(xué)軟件為平臺(tái)，模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行教學(xué)。發(fā)展到今天，計(jì)算機(jī)軟件已經(jīng)很成熟，一般的統(tǒng)計(jì)計(jì)算都可以由計(jì)算機(jī)軟件來完成。SPSS、SAS、MABTE等軟件已經(jīng)廣泛得到了運(yùn)用，較大數(shù)據(jù)量的案例，如統(tǒng)計(jì)推斷、數(shù)據(jù)模擬技術(shù)等方面的問題，都可以用這些軟件來處理。通過數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)，不但可以體現(xiàn)數(shù)學(xué)建模的全過程，還能增強(qiáng)學(xué)生的應(yīng)用意識(shí)，促使他們主動(dòng)學(xué)習(xí)概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識(shí)。學(xué)生通過軟件的學(xué)習(xí)與運(yùn)用，增強(qiáng)了動(dòng)手能力，解決實(shí)際問題的能力也會(huì)有所增強(qiáng)。

（三）使用新的教學(xué)方法

眾所周知，傳統(tǒng)的填鴨式的教學(xué)方法很難取得好的教學(xué)效果，已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代教學(xué)的要求。實(shí)踐證明，結(jié)合案例的教學(xué)方法可以由淺入深，從直觀到抽象，具有一定的啟發(fā)性。學(xué)生可以從中變被動(dòng)為主動(dòng)，加深對(duì)知識(shí)的理解。這種教學(xué)方法還能讓學(xué)生的眼光從課堂上轉(zhuǎn)移到日常生活，進(jìn)行發(fā)散思維，學(xué)生會(huì)進(jìn)一步發(fā)揮主觀能動(dòng)性，思考如何將實(shí)際問題數(shù)學(xué)化，如何結(jié)合概率論與統(tǒng)計(jì)知識(shí)解決實(shí)際問題，等等。在這種情況下，學(xué)生的興趣提高了，教學(xué)效率自然也會(huì)得到提高。

（四）建立合理的學(xué)習(xí)方式

概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)教學(xué)不能一味地照本宣科。數(shù)學(xué)建模并無固定模式，它需要的更多是技能的綜合。教師在實(shí)際教學(xué)過程中，不應(yīng)該以課本為標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)該多引導(dǎo)學(xué)生自主解決實(shí)際問題，讓學(xué)生去查閱相關(guān)背景資料，以提高其自學(xué)能力。教師可以適當(dāng)補(bǔ)充一些前言的數(shù)學(xué)知識(shí)，讓一些新觀念和新方法開闊學(xué)生的視野。在處理習(xí)題問題上，教師要適當(dāng)引入一些不充分的問題，而不是僅僅局限于條件比較充分的問題上，要讓學(xué)生自己動(dòng)手分析數(shù)據(jù)、建立模型。教師應(yīng)該經(jīng)常開展專題討論，引導(dǎo)學(xué)生勇于提出自己的見解，加強(qiáng)學(xué)生間的交流與互助。例如，在講授二項(xiàng)分布知識(shí)時(shí)，為了加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的領(lǐng)悟，教師可以用“盥洗室問題”為實(shí)例來講授二項(xiàng)式的實(shí)際運(yùn)用。

問題：宿舍樓內(nèi)的盥洗室處于用水高峰時(shí)，經(jīng)常要排隊(duì)等待，學(xué)生對(duì)此意見很大。學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)決定把它當(dāng)作一道數(shù)學(xué)題來解答，希望學(xué)生能從理論上給出合理的解決方法。

分析：首先收集基本的資料，盥洗室有50個(gè)水龍頭，宿舍樓內(nèi)有500個(gè)學(xué)生，用水高峰期為2小時(shí)（120分鐘），平均每個(gè)學(xué)生用水時(shí)間為12分鐘，等待時(shí)間一般不超過12分鐘，但經(jīng)常等待會(huì)讓學(xué)生失去耐心。學(xué)生希望100次用水中等待的次數(shù)不超過10次。

解決方法：設(shè)X為某時(shí)刻用水的學(xué)生人數(shù)，先找到X服從什么分布。500個(gè)學(xué)生中，每個(gè)學(xué)生的用水概率是0.1，現(xiàn)在X人用水，與獨(dú)立實(shí)驗(yàn)序列類似，比較適合用二項(xiàng)分布，因此設(shè)X服從二項(xiàng)分布，n=500，p=0.1，用概率公式表示為P（X=K）=CKnPK（1-P）n-K。接下來計(jì)算概率，主要關(guān)注不需要等待的概率（即 X<50），P（X<50）=∑49K=0CKnPK（1-P）n-K，這個(gè)二項(xiàng)式分布是一個(gè)初步的模型，可按二項(xiàng)分布來計(jì)算。由于n較大（n=500），直接用二項(xiàng)分布計(jì)算過于復(fù)雜，我們可以利用兩種簡(jiǎn)化近似公式來計(jì)算（泊松分布和正態(tài)分布）。經(jīng)過查正態(tài)分布表，我們可以算出x=58，這說明水龍頭的個(gè)數(shù)在59～62這個(gè)范圍時(shí)，學(xué)生等待的時(shí)間概率比較合理。

三、課后練習(xí)反饋數(shù)學(xué)建模思想

數(shù)學(xué)課程離不開課后練習(xí)，課后作業(yè)是其重要的組成部分，對(duì)于鞏固課堂知識(shí)、進(jìn)一步理解所學(xué)理論具有重要作用。因此，教師要把握好課后練習(xí)環(huán)節(jié)。概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)這門課涉及到很多隨機(jī)試驗(yàn)，一般的統(tǒng)計(jì)規(guī)律都需要在隨機(jī)試驗(yàn)中找到結(jié)果。例如通過投擲骰子或硬幣可以理解頻率與概率的關(guān)系，通過雙色球的抽樣可以理解隨機(jī)事件中的相互獨(dú)立性，統(tǒng)計(jì)一本書上的錯(cuò)別字可以判斷其是否符合泊松分布等。通過親自做實(shí)驗(yàn)，學(xué)生們不但能探求到隨機(jī)現(xiàn)象的規(guī)律性，還能進(jìn)一步鞏固所學(xué)的統(tǒng)計(jì)理論。除了一般的練習(xí)題以外，教師可以適當(dāng)增加一些與日常生活密切相關(guān)的概率統(tǒng)計(jì)題目，這些題目往往趣味性較強(qiáng)。例如，在知道彩票的抽獎(jiǎng)方法和中獎(jiǎng)規(guī)則后，可以明確三個(gè)問題：（1）摸彩票的次序與中獎(jiǎng)概率是否相關(guān)？（2）假如彩票的總量是100萬張，則一、二等獎(jiǎng)的中獎(jiǎng)概率是多少？（3）一個(gè)人打算買彩票，在何種情況下中獎(jiǎng)概率大一些？這種課后練習(xí)對(duì)于學(xué)生趣味的提高很有幫助。

四、考核方式折射數(shù)學(xué)建模思想

作為一門課程，肯定需要考核，這是教學(xué)過程中的一個(gè)必然環(huán)節(jié)。課程考核是評(píng)估教學(xué)質(zhì)量的重要方式。概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)課程傳統(tǒng)的考試一般采用期末閉卷考試，教師通常按固定的內(nèi)容出題。這種情況下，學(xué)生為了應(yīng)付考試，會(huì)把很多精力都用在背誦公式和概念上面，從而會(huì)忽視知識(shí)的實(shí)際運(yùn)用。學(xué)生的綜合成績(jī)雖然也包括平時(shí)成績(jī)，但期末閉卷考試往往占據(jù)很大比例。就是是平時(shí)成績(jī)，其主要還是考核學(xué)生課后的習(xí)題完成情況。因此，考核實(shí)際就成了習(xí)題考試。對(duì)于學(xué)生在課后的實(shí)驗(yàn)，考核中往往很少涉及。這會(huì)導(dǎo)致學(xué)生逐漸脫離日常實(shí)際，更注重課堂考勤和作業(yè)。要改變這種情況，有必要改變傳統(tǒng)的考核方式。靈活多變的考核方式才更有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，激發(fā)他們各方面的潛能?？己丝梢赃m當(dāng)增加平時(shí)成績(jī)所占的比重，比如，平時(shí)成績(jī)可以占總成績(jī)的30%以上。平時(shí)成績(jī)主要采用開放性考核，由課后實(shí)驗(yàn)或課外實(shí)踐組成。教師可以提出一些實(shí)踐問題，讓學(xué)生自主去解決。學(xué)生可以單獨(dú)完成任務(wù)，也可以組隊(duì)進(jìn)行，最后提交一份研究報(bào)告，教師在此基礎(chǔ)上進(jìn)行評(píng)定。

五、結(jié)語

在教學(xué)環(huán)節(jié)融入數(shù)學(xué)建模思想，有利于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的提高，也有利于學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)處理隨機(jī)現(xiàn)象問題，這已經(jīng)被教學(xué)實(shí)踐所證明。隨著21世紀(jì)知識(shí)經(jīng)濟(jì)和信息時(shí)代的到來，隨機(jī)現(xiàn)象的理論方法運(yùn)用越來越廣泛，概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)課程的重要性愈發(fā)突出。在教學(xué)環(huán)節(jié)融入建模思想，充分體現(xiàn)了概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)的實(shí)用性，也使學(xué)習(xí)該課程的學(xué)生加深了課程的理解能力。隨著教學(xué)實(shí)踐的不斷深入，這種教學(xué)方式還將進(jìn)一步完善，不斷搭建起概率統(tǒng)計(jì)知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的平臺(tái)。

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