在高等數(shù)學考試中增加圖形化檢測題目的嘗試

董小燕

【摘要】為引導學生對高等數(shù)學中諸多較為抽象的概念通過直觀化演示和合理想象加深理解，在平時的練習或考試題目中增加一些圖形化相關題目是一個很好的做法。文章通過舉例的形式使學生對相關概念或定理的理解從抽象表面到具體直觀，同時也對學生學習此類概念及定理的方法有一定的指導意義。

【關鍵詞】高等數(shù)學；圖形化檢測題目；概念定理

高等數(shù)學課程中概念、定理繁多，有些內(nèi)容較為抽象。學生對很多概念的理解往往停留在表面和抽象的層次，他們只是機械地記住了概念或定理的字面含義，而未進一步去探究概念與定理背后的深層含義。這一方面是由于這些內(nèi)容本身很抽象和復雜，另一方面也和學生的學習方法及思維方式有一定關系。對所學的抽象概念及定理建立直觀化演示或幾何解釋可以很大程度上幫助學生加深對這些內(nèi)容的理解。若在教學中能適當結合圖形演示，對這些內(nèi)容進行直觀的分析說明，在考試題中增加通過觀察圖形解答問題的題目，使學生在平時的學習中有意識地將概念、定理等抽象內(nèi)容的學習具體化、直觀化，達到對所學知識透徹理解的目的，將對學生學習高等數(shù)學很有幫助。

目前，很多高校都開設了數(shù)學實驗課，這是使學生把數(shù)學理論知識應用于實踐的一種教學模式?！皵?shù)學實驗課教學能夠把數(shù)學直觀、形象思維與邏輯思維結合起來，能使抽象的數(shù)學公式、定理通過實驗得到驗證和應用，從而激發(fā)學生的學習興趣?！盵1]在這個過程中，數(shù)學軟件的適當應用起了重要作用。那么，在高等數(shù)學課程教學中，能否也充分發(fā)揮數(shù)學軟件便于復雜計算和可視化的強大功能，使抽象的概念定理更貼近學生，許多同行做了一些這方面的嘗試，如孔仲強的《基于Matlab軟件的高等數(shù)學教學可視化研究》[2]，郭國安的《可視化教學在高等數(shù)學教育中的創(chuàng)新性應用》[3]。在高等數(shù)學課程教學中，可利用軟件對數(shù)據(jù)的可視化功能，使復雜問題簡單化，抽象內(nèi)容形象化，變化過程可視化，從而激發(fā)學生學習的興趣，提高教學質量。在高等數(shù)學教學中，將一些概念定理結論進行直觀化演示，增加數(shù)學概念定理的幾何解釋，增加抽象概念與圖形結合的練習題目，使其越來越多地出現(xiàn)在教材和許多研究文獻中。如同濟大學出版的高等數(shù)學[4]教材，從早期的版本到現(xiàn)在通用的版本，就體現(xiàn)了這種變化。

為了增強學生學習興趣，使學生對抽象內(nèi)容更好地理解，同時將數(shù)學軟件作為教學的輔助工具，充分發(fā)揮其可視化功能和計算的作用，筆者在高等數(shù)學教學中進行了一些嘗試。同時，為了發(fā)揮考試對學生學習的導向作用，在期末考試題中，適當增加了一些能考查學生對概念定理理解程度的圖形化檢測題目。這些題目不像傳統(tǒng)的數(shù)學題目，從抽象到抽象，而是“從抽象到直觀，再從直觀到抽象”，它告訴學生數(shù)學概念定理是可以通過直觀化來理解和學習的，也給學生指出了概念定理學習的另一種方法。

以下是筆者在高等數(shù)學考試中出的兩道圖形化檢測題目。

題目1：圖1、圖2、圖3、圖4分別是利用Matlab軟件繪制的某函數(shù)的圖象，自變量在區(qū)間上變化（假定該函數(shù)定義域為實數(shù)域R，且函數(shù)在整個定義域上的變化趨勢與現(xiàn)有的有限區(qū)間上保持一致）。通過觀察圖形回答下列問題。

1. 討論的奇偶性；

2. 討論在區(qū)間的連續(xù)性；

3. 觀察當自變量時極限是否存在？若存在是多少？

4. 觀察當自變量時是否為無窮大？

5. 觀察當自變量時是否無界？

6. 結合本題試敘述“函數(shù)為無窮大”與“函數(shù)無界”兩者的關系。

由圖1至圖4后面設計的6道題目來看，學生要想回答這些問題，就必然要將“奇偶性、連續(xù)性、函數(shù)在一點的極限、無窮大、無界量”等概念與函數(shù)圖象結合起來進行考慮，尤其是“無窮大”和“函數(shù)無界”這兩個概念，一直是學生學習的難點。將以上概念與圖形相結合，在思考解答過程中，由圖形的直觀化演示體會數(shù)學概念與圖象之間的聯(lián)系、概念與概念之間的區(qū)別。這類題目既考查了學生對相關內(nèi)容的掌握程度，又可以使學生對這些概念的認識進一步加深，促使學生以圖形化的方式去思考上述概念的本質含義，使概念的抽象度降低，易于掌握。

題目2：圖5是四個正項級數(shù)、、、的通項數(shù)列的散點圖（這四個級數(shù)的通項之間的大小關系始終和圖中所示保持一致）.

通過觀察圖5判斷級數(shù)、的斂散性，并說明理由。

由圖5可以看出，要想解答這個問題，學生必須對P級數(shù)的斂散性結論熟練掌握，還要從圖形中四個正項級數(shù)的通項數(shù)列的散點圖分析出，這個圖揭示了四個正項級數(shù)的通項的大小關系，需要利用正項級數(shù)的比較判別法來回答這個問題。學生一方面要知道比較判別法通俗地講就是“大通項級數(shù)收斂，則小通項級數(shù)必收斂；小通項級數(shù)發(fā)散，則大通項級數(shù)必發(fā)散”，另一方面在圖中能分辨出哪兩個正項級數(shù)可以分為一組，得出所需結論。綜合以上幾個方面，才能正確解答這個問題。

可見，在考試中增加此類題目，既可以引導學生在平時的學習中把抽象的概念定理圖形化，加深對概念定理等的理解記憶，也可以用這種比較綜合的題目將學生學過的多個知識點融合在一起，和以往考查單個知識點的題目相比，要求學生能夠融會貫通并靈活運用，對學生要求更高。同時，在某種意義上，考試的過程還是學生對相關內(nèi)容進行再學習的過程?？荚噷W生的日常學習具有指導作用，經(jīng)過一段時間，這種增加圖形化檢測題目的做法，會引導學生在學習中更注重對抽象數(shù)學知識的理解和運用。

【參考文獻】

[1]章棟恩.MATLAB高等數(shù)學實驗[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[2]孔祥強.基于Matlab軟件的高等數(shù)學教學可視化研究[J].長春大學學報，2015，25（10）：51-54，68.

[3]郭國安.可視化教學在高等數(shù)學教育中的創(chuàng)新性應用[J].教書育人（高教論壇），2015（10）：58-59.

[4]同濟大學數(shù)學系.高等數(shù)學上冊（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2014.