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    中學(xué)數(shù)學(xué)建模的問題及其解決

    2019-07-08 04:00:48趙思林崔靜靜
    關(guān)鍵詞:利弊分析教學(xué)建議數(shù)學(xué)建模

    趙思林 崔靜靜

    摘 ? 要?“數(shù)學(xué)建?!笔歉咧袛?shù)學(xué)課程六個(gè)核心素養(yǎng)之一。中學(xué)數(shù)學(xué)建模有利有弊,針對(duì)數(shù)學(xué)建模之弊,有如下教學(xué)策略:不宜拔高數(shù)學(xué)建模的學(xué)習(xí)要求,不能沖淡對(duì)數(shù)學(xué)本身的學(xué)習(xí),不應(yīng)加重大多數(shù)中學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān),不要挫傷大多數(shù)中學(xué)生的學(xué)習(xí)信心,對(duì)數(shù)學(xué)建模應(yīng)有敬畏之心。

    關(guān)鍵詞?數(shù)學(xué)建模 ?數(shù)學(xué)模型 ?利弊分析 ?教學(xué)建議

    數(shù)學(xué)應(yīng)用具有廣泛性,數(shù)學(xué)家華羅庚在著名文章《大哉數(shù)學(xué)之為用》中說:“宇宙之大,粒子之微,火箭之速,化工之巧,地球之變,生物之謎,日用之繁,無處不用數(shù)學(xué)?!盵1]《普通高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》(以下簡(jiǎn)稱《新課標(biāo)》)把“數(shù)學(xué)建?!弊鳛榱鶄€(gè)核心素養(yǎng)之一,其根本意圖在于培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)應(yīng)用能力和數(shù)學(xué)創(chuàng)新意識(shí)[2]。“數(shù)學(xué)建?!睂?duì)培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)的能力無疑是重要的、有效的。

    一、數(shù)學(xué)建模的意義

    《新課標(biāo)》指出,“數(shù)學(xué)建模是對(duì)現(xiàn)實(shí)問題進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象,用數(shù)學(xué)語(yǔ)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]。數(shù)學(xué)建模的含義有廣義和狹義之分。“廣義的數(shù)學(xué)建模是指把凡是針對(duì)客觀對(duì)象加以一級(jí)或多級(jí)抽象所得到的形式結(jié)構(gòu)都視為客觀對(duì)象的模型;狹義的數(shù)學(xué)建模是指針對(duì)特定現(xiàn)實(shí)問題或具體事物對(duì)象進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象所得到的數(shù)學(xué)模型。在中小學(xué)階段數(shù)學(xué)中的數(shù)學(xué)模型一般指后者”[3]。數(shù)學(xué)建模的過程主要包括問題分析、假設(shè)化簡(jiǎn)、建模求解、驗(yàn)證修改等環(huán)節(jié)[4]?!八^數(shù)學(xué)模型,就是根據(jù)特定的研究目標(biāo),采用形式化的數(shù)學(xué)語(yǔ)言,去抽象地、概括地表征所研究對(duì)象的主要特征、關(guān)系所形成的一種數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)”[3]。

    數(shù)學(xué)建模的基本任務(wù)是建立數(shù)學(xué)模型(如方程模型、函數(shù)模型、幾何模型等),然后用數(shù)學(xué)知識(shí)和方法求解數(shù)學(xué)模型,從而實(shí)現(xiàn)用數(shù)學(xué)解決實(shí)際問題的目的。數(shù)學(xué)建模的過程可以粗糙地歸結(jié)為“實(shí)際問題→建立數(shù)學(xué)模型→求解數(shù)學(xué)模型→解決實(shí)際問題”。通過數(shù)學(xué)建模得到的數(shù)學(xué)模型可能是現(xiàn)成的數(shù)學(xué)模型,也可能是新的數(shù)學(xué)模型。新的數(shù)學(xué)模型的解決辦法可能用已有數(shù)學(xué)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)即可解決,也可能發(fā)現(xiàn)(創(chuàng)造)新的數(shù)學(xué)知識(shí)去解決問題。這說明,數(shù)學(xué)建模對(duì)培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決問題的能力是有益的,有時(shí)還會(huì)發(fā)現(xiàn)(創(chuàng)造)新的數(shù)學(xué)知識(shí)和方法。所以,數(shù)學(xué)建模對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)是有益的。

    數(shù)學(xué)研究的核心對(duì)象是各種模型的結(jié)構(gòu)、特征和關(guān)系。吳增生認(rèn)為,數(shù)學(xué)模型指的是經(jīng)過數(shù)學(xué)抽象的具有數(shù)量關(guān)系和空間結(jié)構(gòu)的直觀對(duì)象,具有可觀察、可描述、可操縱(分拆、組合和變換)等特征,本質(zhì)上,模型是一個(gè)集合,它是人們對(duì)客觀對(duì)象的結(jié)構(gòu)、特征及其關(guān)系進(jìn)行抽象、分拆、重組和邏輯思辨的對(duì)象和產(chǎn)物[5]。數(shù)學(xué)模型很多,如公式模型,定義(概念)模型,數(shù)學(xué)思想方法模型,數(shù)學(xué)思維方法模型(如抽象法、概括法、歸納法、類比法、反例法等),邏輯推理模型,解題程序模型等。學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)從本質(zhì)上講就是對(duì)數(shù)學(xué)模型的學(xué)習(xí)。

    二、中學(xué)數(shù)學(xué)建模的問題分析

    數(shù)學(xué)模型是數(shù)學(xué)創(chuàng)新思維的結(jié)晶,也是產(chǎn)生新的數(shù)學(xué)知識(shí)的重要載體。學(xué)習(xí)的目的在于應(yīng)用,數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)除增長(zhǎng)智慧、鍛煉思維、提高心智之外,還應(yīng)充分發(fā)揮它的應(yīng)用價(jià)值。數(shù)學(xué)建模的價(jià)值包括:數(shù)學(xué)教育價(jià)值[6],科學(xué)的價(jià)值[7],提升數(shù)學(xué)應(yīng)用能力和激發(fā)數(shù)學(xué)創(chuàng)新意識(shí)[8]。數(shù)學(xué)建模的好處是很多的,但中學(xué)數(shù)學(xué)建模也存在一些問題。

    1.數(shù)學(xué)建模會(huì)拔高中學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的要求

    長(zhǎng)江學(xué)者、國(guó)家杰青獲得者、四川大學(xué)羅懋康教授長(zhǎng)期做應(yīng)用數(shù)學(xué)研究,并取得豐碩成果。羅教授認(rèn)為,基礎(chǔ)數(shù)學(xué)(純粹數(shù)學(xué))只需滿足“邏輯自洽”,應(yīng)用數(shù)學(xué)既要滿足“邏輯自洽”,還必須“符合實(shí)際”[9]。他對(duì)應(yīng)用數(shù)學(xué)必須“符合實(shí)際”有切實(shí)的體會(huì),他舉例說:“在工程技術(shù)、社會(huì)科學(xué)、軍事科技等領(lǐng)域,僅僅要求知識(shí)能自圓其說是不夠的,必須還要符合實(shí)際,否則要出問題,甚至是致命的后果?!备銘?yīng)用數(shù)學(xué)的人,不僅要具有良好的數(shù)學(xué)思維,還要具有“思維的靈活性、容錯(cuò)性和廣泛性”[9]。在中學(xué)階段,學(xué)生主要學(xué)習(xí)純粹數(shù)學(xué),主要關(guān)心數(shù)學(xué)知識(shí)的“邏輯自洽”,但教學(xué)現(xiàn)實(shí)是很多學(xué)生的邏輯思維比較差。數(shù)學(xué)建模還要求學(xué)生具有“思維的靈活性、容錯(cuò)性和廣泛性”,這會(huì)大大拔高中學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的要求。

    2.數(shù)學(xué)建模會(huì)沖淡中學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)本身的學(xué)習(xí)

    數(shù)學(xué)建模的問題往往還會(huì)涉及其他學(xué)科知識(shí)、陌生專業(yè)領(lǐng)域以及生產(chǎn)生活經(jīng)驗(yàn)。也就是說,對(duì)于缺乏其他學(xué)科知識(shí)、不熟悉陌生專業(yè)領(lǐng)域以及缺乏生產(chǎn)生活經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生,哪怕數(shù)學(xué)基礎(chǔ)良好的學(xué)生,對(duì)數(shù)學(xué)建模也會(huì)是富有挑戰(zhàn)性的。如1999年的“軋鋼”應(yīng)用問題,考生由于缺乏“軋鋼”的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),既讀不懂題又看不懂圖,致使絕大多數(shù)考生得分極低,并且影響考生解答其他試題的心理,受到社會(huì)廣泛批評(píng)。中學(xué)教學(xué)為應(yīng)對(duì)數(shù)學(xué)建模,學(xué)生必須花不少時(shí)間去學(xué)習(xí)其他學(xué)科知識(shí),去了解陌生專業(yè)領(lǐng)域,去積累生產(chǎn)生活和數(shù)學(xué)建模經(jīng)驗(yàn),這必然會(huì)沖淡對(duì)數(shù)學(xué)本身的學(xué)習(xí)。

    3.數(shù)學(xué)建模會(huì)加重中學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)

    數(shù)學(xué)建模的過程一般需要學(xué)生整合多門課程的知識(shí),需要查閱文獻(xiàn)資料,需要圍繞問題收集信息,需要咨詢專家行家等等,這些雖然對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)大有好處,但必然會(huì)耗費(fèi)學(xué)生大量的學(xué)習(xí)時(shí)間。真正的數(shù)學(xué)建模問題一般具有情境的新穎性、背景的陌生性、理解的困難性、建模的艱巨性、結(jié)論的開放性等特點(diǎn),它們比數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和數(shù)學(xué)思想的學(xué)習(xí)具有更高難度,在很多中學(xué)生特別是高中學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)都過不了關(guān)的情況下,數(shù)學(xué)建模會(huì)拔高對(duì)數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的要求,也會(huì)加重大多數(shù)中學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。

    4.數(shù)學(xué)建模會(huì)挫傷大多數(shù)中學(xué)生的學(xué)習(xí)信心

    張淑梅等的調(diào)查表明,六個(gè)數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)中數(shù)學(xué)建模平均得分遠(yuǎn)低于其他五個(gè)核心素養(yǎng)的平均得分,數(shù)學(xué)建模對(duì)全體學(xué)生都具有挑戰(zhàn)性,絕大部分學(xué)生的建模能力都是比較低的[10]。數(shù)學(xué)建模較高的教學(xué)要求可能會(huì)給絕大部分學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的信心造成負(fù)面影響,必然會(huì)加重這些學(xué)生的心理負(fù)擔(dān),可能會(huì)遭到這些學(xué)生內(nèi)心深處本能的抵制和反對(duì)。有研究發(fā)現(xiàn),對(duì)較難的數(shù)學(xué)應(yīng)用問題男女生差異顯著[11]。這說明,較難的數(shù)學(xué)應(yīng)用問題對(duì)女生不利,這當(dāng)然會(huì)影響女生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)建模的信心。

    5.中學(xué)數(shù)學(xué)建模的教學(xué)現(xiàn)實(shí)不容樂觀

    “數(shù)學(xué)應(yīng)用問題教學(xué)一直是數(shù)學(xué)教學(xué)的軟肋,教師在數(shù)學(xué)教學(xué)中不重視,學(xué)生在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中不喜歡,教材專家認(rèn)為很重要,教研專家認(rèn)為有必要,第一線教師認(rèn)為教學(xué)中沒有用”[7]。李明振和喻平發(fā)現(xiàn),不少高中數(shù)學(xué)教師數(shù)學(xué)建模能力較為欠缺[12]。姜鳳英等發(fā)現(xiàn),在崗初中數(shù)學(xué)教師和高校畢業(yè)生的數(shù)學(xué)建模能力都比較弱,并且在崗教師的數(shù)學(xué)建模能力更弱[13]。這些調(diào)查說明,教師難以勝任數(shù)學(xué)建模的教學(xué)與指導(dǎo)工作。這就不難理解近年來雖然數(shù)學(xué)建模的調(diào)子唱得很高,但成效卻很低。徐斌艷等發(fā)現(xiàn),在復(fù)雜或較為陌生情境下幾乎沒有學(xué)生能夠識(shí)別并建立數(shù)學(xué)模型[14]。朱婭梅的測(cè)試和統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),對(duì)于一個(gè)看似不難的問題(汽車加油問題),只有1%的學(xué)生能夠正確理解題意[15]。從這個(gè)含有實(shí)際背景的問題測(cè)試結(jié)果來看,學(xué)生能夠正確理解題意是很不容易的。

    三、數(shù)學(xué)建模教學(xué)問題的解決

    1.不宜拔高中學(xué)數(shù)學(xué)建模的學(xué)習(xí)要求

    對(duì)全體學(xué)生而言,了解一點(diǎn)數(shù)學(xué)建模是必要的、有益的,但應(yīng)控制教學(xué)的容量和難度。搞應(yīng)用數(shù)學(xué)或數(shù)學(xué)建模的基礎(chǔ)是具有良好的數(shù)學(xué)思維和堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ),而堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)體現(xiàn)在理解數(shù)學(xué)知識(shí)的“邏輯自洽”。但很多學(xué)生的數(shù)學(xué)思維能力并不強(qiáng),數(shù)學(xué)基礎(chǔ)也不扎實(shí);加之,搞應(yīng)用數(shù)學(xué)的人還應(yīng)具有“思維的靈活性、容錯(cuò)性和廣泛性”[9],這無疑會(huì)拔高中學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的要求。在中學(xué)拔高數(shù)學(xué)建模的學(xué)習(xí)要求是不切實(shí)際的,對(duì)于基礎(chǔ)差的學(xué)生,只需膚淺地了解數(shù)學(xué)建模過程,不宜作具體要求。讓一些(極少數(shù))基礎(chǔ)好的學(xué)生,參與1(或2)次數(shù)學(xué)建?;顒?dòng),經(jīng)歷1次數(shù)學(xué)建模全過程,培養(yǎng)這些學(xué)生的數(shù)學(xué)建模能力和綜合實(shí)踐能力。

    2.數(shù)學(xué)建模不能沖淡對(duì)數(shù)學(xué)本身的學(xué)習(xí)

    數(shù)學(xué)理論知識(shí)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)是數(shù)學(xué)教學(xué)的根本任務(wù)。數(shù)學(xué)建??梢暈闄z驗(yàn)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)后的實(shí)際應(yīng)用能力的一種有效方式,因此,數(shù)學(xué)建模的教學(xué)只是數(shù)學(xué)教學(xué)任務(wù)的一部分。扎實(shí)的數(shù)學(xué)“四基”是數(shù)學(xué)建模的必要條件,但數(shù)學(xué)建模涉及的問題一般不是純粹的數(shù)學(xué)問題,往往還會(huì)涉及到其他學(xué)科知識(shí)、陌生專業(yè)領(lǐng)域以及生產(chǎn)生活經(jīng)驗(yàn)。在學(xué)生數(shù)學(xué)理論知識(shí)不夠系統(tǒng)、不夠扎實(shí)的情況下,如果花大量精力去學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)建模所需要的知識(shí)、方法,在此基礎(chǔ)上去解決數(shù)學(xué)建模問題,那就會(huì)分散系統(tǒng)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)理論知識(shí)的時(shí)間和精力,可能會(huì)沖淡對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)本身的系統(tǒng)學(xué)習(xí)。對(duì)此,應(yīng)把數(shù)學(xué)知識(shí)本身的系統(tǒng)學(xué)習(xí)放在教學(xué)的首要位置,這可增加數(shù)學(xué)建模的有效性,并減少“為數(shù)學(xué)建模而數(shù)學(xué)建?!钡拿?dòng)性和低效性。

    3.數(shù)學(xué)建模不應(yīng)加重大多數(shù)中學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)

    數(shù)學(xué)建模的過程一般需要學(xué)生整合多門課程的知識(shí),需要查閱文獻(xiàn)資料,需要圍繞問題收集信息,需要咨詢專家行家等,這些對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)雖然大有好處,但必然會(huì)耗費(fèi)學(xué)生大量的學(xué)習(xí)時(shí)間。因此,數(shù)學(xué)建模會(huì)加重大多數(shù)中學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。所有中學(xué)生可簡(jiǎn)單地分為三類:第一類是大多數(shù)中學(xué)生將來學(xué)習(xí)和工作都不會(huì)(或不愿意)與數(shù)學(xué)建模打交道,他們對(duì)數(shù)學(xué)建模的過程(環(huán)節(jié))只需了解即可,這些同學(xué)甚至可以不參與數(shù)學(xué)建模的教學(xué)活動(dòng),讓他們多去干一些其它更感興趣事情;第二類是一些將來學(xué)習(xí)和工作都需要數(shù)學(xué)建模知識(shí)的學(xué)生,可以作適當(dāng)?shù)囊?,如參與1次完整的數(shù)學(xué)建模的教學(xué)活動(dòng);第三類是極少數(shù)將來以數(shù)學(xué)建模(應(yīng)用數(shù)學(xué))為職業(yè)的學(xué)生,對(duì)他們的要求應(yīng)該最高,教師可以指導(dǎo)他們以自學(xué)為主,培養(yǎng)和發(fā)展數(shù)學(xué)建模能力。這樣的數(shù)學(xué)建模教學(xué)才真正體現(xiàn)了因材施教、分層教學(xué)、分類指導(dǎo),這就可以把大多數(shù)中學(xué)生在數(shù)學(xué)建模方面的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)降下來。更為積極的做法是,以《數(shù)學(xué)建?!窞閷n},開設(shè)成選修課。

    4.數(shù)學(xué)建模不要挫傷大多數(shù)中學(xué)生的學(xué)習(xí)信心

    數(shù)學(xué)既可以給數(shù)學(xué)家?guī)砜鞓?,也可以給更多的人帶來學(xué)習(xí)上的痛苦。70%以上的網(wǎng)友(新浪網(wǎng))希望數(shù)學(xué)“滾出高考”[16]。中國(guó)的中學(xué)生特別是高中學(xué)生的學(xué)習(xí)壓力(負(fù)擔(dān))可能是世界上最重的,數(shù)學(xué)教學(xué)改革應(yīng)該考慮如何減負(fù)而不是相反。數(shù)學(xué)建模學(xué)習(xí)信心的建立源于數(shù)學(xué)建模的成功體驗(yàn),數(shù)學(xué)建模題或應(yīng)用題的難度太大是影響數(shù)學(xué)建模學(xué)習(xí)信心的關(guān)鍵性因素。提高數(shù)學(xué)建模成功體驗(yàn)的策略有:降低教材難度,對(duì)教材中過于繁難且思維價(jià)值不高的數(shù)學(xué)建模題或應(yīng)用題應(yīng)刪去;控制高考、中考的難度,高考、中考的數(shù)學(xué)建模題(應(yīng)用題)的難度系數(shù)宜控制在0.7左右;減少教材中關(guān)于數(shù)學(xué)應(yīng)用題的數(shù)量,不少一線教師埋怨教材中數(shù)學(xué)應(yīng)用題太多;數(shù)學(xué)建模題不宜涉及太多其他學(xué)科背景。

    5.對(duì)數(shù)學(xué)建模應(yīng)有敬畏之心

    對(duì)中學(xué)的“數(shù)學(xué)建?!焙汀皯?yīng)用數(shù)學(xué)”應(yīng)有敬畏之心。學(xué)生將來真正以“數(shù)學(xué)建?!睘槁殬I(yè)的會(huì)很少,可能占總?cè)丝诘谋壤坏?‰。從羅懋康的報(bào)告和張淑梅等的調(diào)查易知,研究應(yīng)用數(shù)學(xué)、做數(shù)學(xué)建模都是很不容易的。由此教材編寫專家、一線教師、考試命題專家對(duì)數(shù)學(xué)建模都應(yīng)有敬畏之心。對(duì)于數(shù)學(xué)建模題(應(yīng)用題),教材專家編寫簡(jiǎn)單一點(diǎn),一線教師講課簡(jiǎn)單一點(diǎn),考試命題專家命題簡(jiǎn)單一點(diǎn)。學(xué)生就可能學(xué)得輕松一點(diǎn),考得好一點(diǎn),就可能對(duì)“數(shù)學(xué)建?!倍嘁环菥磁c愛。

    參考文獻(xiàn)

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    【責(zé)任編輯 ?郭振玲】

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