黃敬頻,王宏興
(廣西民族大學(xué) 數(shù)學(xué)與物理學(xué)院,廣西 南寧)
黨的十九大以來,教育部推出了“四新”建設(shè)、“六卓越一拔尖計(jì)劃”“雙萬計(jì)劃”以及“課程思政”等一系列重要舉措,我國(guó)高等教育進(jìn)入內(nèi)涵式發(fā)展新階段,高校人才培養(yǎng)能力得到全面提升。在本科教育教學(xué)質(zhì)量全面振興的大背景下,許多教育新思想、新方法不斷出爐,一些陳舊的教學(xué)模式正在更新發(fā)展。針對(duì)當(dāng)前存在的問題,教育部在《2020年度全國(guó)普通高校本科教育教學(xué)質(zhì)量報(bào)告》中指出[1],高校應(yīng)當(dāng)增強(qiáng)主體意識(shí),搭建學(xué)科專業(yè)交叉融合平臺(tái),改革完善人才培養(yǎng)方案、重組課程體系、更新教學(xué)考核和教師評(píng)價(jià)方法,為學(xué)科專業(yè)交叉融合辦學(xué)創(chuàng)造優(yōu)良的環(huán)境條件。
為適應(yīng)時(shí)代變化和社會(huì)對(duì)人才的需求,國(guó)內(nèi)高校已普遍認(rèn)識(shí)到實(shí)踐能力在人才培養(yǎng)中的重要性,并在各專業(yè)課程中制訂了理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方案,并分配有適當(dāng)?shù)膶?shí)踐課時(shí)。高等代數(shù)作為數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)、信息與計(jì)算科學(xué)、金融數(shù)學(xué)等數(shù)學(xué)大類專業(yè)的基礎(chǔ)課,其實(shí)踐能力培養(yǎng)理所當(dāng)然列入教學(xué)計(jì)劃當(dāng)中。然而從教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn),該課程執(zhí)行實(shí)踐教學(xué)的效果并不理想,學(xué)生的學(xué)習(xí)基本停留在對(duì)理論知識(shí)的被動(dòng)接收,所學(xué)的代數(shù)知識(shí)不能較好地與其他課程對(duì)接與融合,造成學(xué)用脫節(jié)、綜合應(yīng)用能力弱化現(xiàn)象。近年來,許多學(xué)者從應(yīng)用型本科發(fā)展[2-3]、大眾教育背景[4]、專業(yè)定位[5]、實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容滲透[6]等角度討論了高等代數(shù)課程教學(xué)改革的思想方法。本文從專業(yè)知識(shí)交叉融合角度出發(fā),進(jìn)一步探討高等代數(shù)實(shí)踐教學(xué)的創(chuàng)新途徑。
以筆者所在教學(xué)單位為例,高等代數(shù)設(shè)置144學(xué)時(shí),分兩個(gè)學(xué)期教學(xué),其中實(shí)踐課時(shí)為16學(xué)時(shí),共計(jì)1個(gè)學(xué)分。但在教學(xué)過程中,實(shí)踐課時(shí)使用效果并不理想,許多學(xué)生直到畢業(yè)也不會(huì)將其知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用到解決實(shí)際問題當(dāng)中,造成這一現(xiàn)象的原因主要有以下情況。
每個(gè)專業(yè)都有其合理的課程體系,各課程之間也存在一定的關(guān)聯(lián)性。以信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)為例,除高等代數(shù)外,還有數(shù)學(xué)分析、解析幾何、Matlab及其應(yīng)用、數(shù)學(xué)模型、數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、運(yùn)籌學(xué)等專業(yè)課程,這些課程與高等代數(shù)都有內(nèi)在聯(lián)系。但學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中,由于缺乏課程交叉融合的案例教學(xué),致使學(xué)用脫節(jié),感受不到高等代數(shù)課程在本專業(yè)中的作用和地位,失去學(xué)習(xí)興趣與動(dòng)力。就目前選用的高等代數(shù)教材來看[7],內(nèi)容具有理論性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、邏輯清晰、概念抽象等特點(diǎn)。盡管該教材已第五版修訂,在應(yīng)用實(shí)例方面增加了一些內(nèi)容,比如第三章增加了平板在熱平衡下的溫度分布,第七章增加了矩陣及其特征值在圖論中的應(yīng)用以及斐波那契數(shù)列等內(nèi)容,但總體還是偏少,尤其缺少課程之間交叉融合的實(shí)踐案例。
從高等代數(shù)的教學(xué)過程及學(xué)生課后練習(xí)了解到,學(xué)生只會(huì)套用課本定理及公式去解答相應(yīng)的習(xí)題,稍微綜合一點(diǎn)的題目就無從下手,由此可見學(xué)生的知識(shí)碎片難以拼接是本課程學(xué)習(xí)的一大障礙,當(dāng)然這與缺少前后知識(shí)交叉融合的綜合實(shí)踐訓(xùn)練項(xiàng)目有關(guān)。教師為了完成理論教學(xué),無暇顧及實(shí)踐訓(xùn)練項(xiàng)目的設(shè)計(jì),失去教師的引導(dǎo),學(xué)生就迷失學(xué)習(xí)方向,直接產(chǎn)生的后果除難以讓學(xué)生的知識(shí)融會(huì)貫通外,也錯(cuò)過激發(fā)學(xué)生探索創(chuàng)新精神的好時(shí)機(jī)。
對(duì)于高等代數(shù)的理論教學(xué),各高校已有很完善的考核保障制度,但其實(shí)踐教學(xué)除人才培養(yǎng)方案中列出實(shí)踐課時(shí)外,沒有具體的考評(píng)制度。由于制度的缺失,一是讓教師覺得實(shí)踐環(huán)節(jié)可有可無,只需按教材內(nèi)容講好每節(jié)課,無須花費(fèi)更多的時(shí)間來設(shè)計(jì)實(shí)踐項(xiàng)目,以至采用理論課頂替了實(shí)踐課;二是使學(xué)生失去了參與實(shí)踐能力訓(xùn)練的良好機(jī)會(huì),助長(zhǎng)學(xué)生的依賴和懶惰行為,嚴(yán)重影響到學(xué)生參與實(shí)踐的積極性與主動(dòng)性。
針對(duì)上述有關(guān)高等代數(shù)實(shí)踐教學(xué)所存在的問題,我們從專業(yè)知識(shí)交叉融合角度出發(fā),給出有效利用實(shí)踐課時(shí)進(jìn)行相關(guān)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)的思想方法和實(shí)踐教學(xué)的創(chuàng)新途徑。
在實(shí)際教學(xué)活動(dòng)中許多教師往往沒有注意到課程之間存在的關(guān)聯(lián)性,這在一定程度上影響到學(xué)生的綜合能力提升。因此,教師要改變自己的角色,堅(jiān)持教師主導(dǎo)原則,引導(dǎo)學(xué)生向綜合能力發(fā)展,教師需要根據(jù)具體專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)來建立起高等代數(shù)與其他課程之間的聯(lián)系,打通相關(guān)的專業(yè)課程,提升知識(shí)的連貫性與動(dòng)態(tài)性,引導(dǎo)學(xué)生有目的地建立好相關(guān)知識(shí)網(wǎng)絡(luò),提升學(xué)生的綜合技能水平。例如,講第二章行列式和第四章矩陣時(shí),教師可以根據(jù)教學(xué)需要設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生利用Matlab等科學(xué)計(jì)算軟件,去體會(huì)一些數(shù)值計(jì)算方法內(nèi)容,讓學(xué)生從高等代數(shù)的學(xué)習(xí)中感悟出更多新思想,同時(shí)學(xué)生的計(jì)算機(jī)操作能力和互動(dòng)溝通交流能力也能夠有所提高,實(shí)現(xiàn)跨課程綜合實(shí)踐訓(xùn)練目的。
此外,同一門課程在不同專業(yè)的教學(xué)應(yīng)有各自的特點(diǎn),高等代數(shù)也不例外。以信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)為例,該專業(yè)要求學(xué)生初步具備在信息科學(xué)與計(jì)算科學(xué)領(lǐng)域從事科學(xué)研究、解決實(shí)際問題及設(shè)計(jì)開發(fā)有關(guān)軟件的能力。因此,課程實(shí)踐案例的設(shè)計(jì)應(yīng)圍繞這個(gè)專業(yè)方向來選材,使得學(xué)生不斷鞏固專業(yè)思想,提高學(xué)習(xí)興趣,也激發(fā)學(xué)生探索專業(yè)問題的熱情。比如學(xué)習(xí)第三章線性方程組時(shí),可設(shè)計(jì)下面一個(gè)交通問題的案例。
案例1. 某城區(qū)四周是井字形街道,其交叉節(jié)點(diǎn)為A,B,C,D,為緩解交通壓力,采用單行方式控制流量,其中A,D為進(jìn)城口,B,C為出城口,車輛流向?yàn)锳,D→B,C并規(guī)定每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入和離開的車輛數(shù)相等。當(dāng)給定某一時(shí)段的車流量,即給出流入或流出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的2個(gè)值后,試計(jì)算四條路段上的交通流量。如果改變一些路段的車流量,那么相應(yīng)方程組的解有何變化呢,并嘗試采用Matlab軟件來求解該問題。
對(duì)于上述案例1,通過列方程組求解,可讓學(xué)生直觀體會(huì)到理論與實(shí)際問題的聯(lián)系。當(dāng)方程組的解出現(xiàn)有自由未知量時(shí),說明四條路段上的車流量可在一定范圍進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,有利于交通部門指揮疏導(dǎo)擁堵的車輛,讓學(xué)生感受到該問題對(duì)分析和改進(jìn)交通網(wǎng)絡(luò)是有實(shí)際意義的。同時(shí)這個(gè)案例加深了學(xué)生對(duì)方程組有唯一解、無解或有多個(gè)解的理解,從涉及的知識(shí)面來看,融合了數(shù)學(xué)模型、運(yùn)籌學(xué)、Matlab及其應(yīng)用等專業(yè)課程的知識(shí)。
矩陣的對(duì)角化在高等代數(shù)中是一個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn),涉及的內(nèi)容有二次型的標(biāo)準(zhǔn)形、線性變換、正交變換等。當(dāng)學(xué)完特征值與特征向量之后,多數(shù)學(xué)生能依照課本方法去將矩陣化為對(duì)角形矩陣,但學(xué)生對(duì)這些矩陣計(jì)算有何實(shí)際意義并不理解,這時(shí)教師設(shè)計(jì)一個(gè)綜合實(shí)踐案例進(jìn)行教學(xué),對(duì)提高學(xué)生的求知欲望是有幫助的。對(duì)此我們給出如下教學(xué)案例。
案例2. 本市有A,B兩家從事人工智能開發(fā)的私營(yíng)企業(yè),A是一家經(jīng)營(yíng)多年現(xiàn)有100名技術(shù)人員的企業(yè),B是一家剛正式運(yùn)營(yíng)僅有20名技術(shù)人員的企業(yè)。由于兩家企業(yè)的人才流動(dòng)原因,A企業(yè)每年可留下60%的技術(shù)人員,而有40%流向B企業(yè);而B企業(yè)每年可留下80%的技術(shù)人員,而有20%流向A企業(yè)。假定兩家企業(yè)每年都按上一年度人數(shù)的10%引進(jìn)新技術(shù)員,試確定2年后兩家企業(yè)的技術(shù)員數(shù)量。進(jìn)一步考慮,20年后這兩家企業(yè)的技術(shù)員數(shù)量有何變化呢。
根據(jù)案例2的題意,我們?nèi)菀椎玫絥年后兩家企業(yè)的技術(shù)人員數(shù)量Xn+1=MXn,這是一個(gè)簡(jiǎn)單的向量序列,其中X0=(100,20)T是初始技術(shù)人員數(shù)量,M是一個(gè)2階方陣,那么2年后兩家企業(yè)的技術(shù)員數(shù)量X2是不難計(jì)算的。但是當(dāng)n=19時(shí),學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)按原來的方法計(jì)算X20變得非常困難了,此時(shí)可給學(xué)生介紹利用矩陣特征值與特征向量計(jì)算矩陣方冪的方法,從而讓學(xué)生了解到矩陣方冪的應(yīng)用[8],此案例融合了數(shù)學(xué)分析中數(shù)列的知識(shí)。
另外,在講解矩陣的特征值與特征向量時(shí),我們也可以引入人臉識(shí)別的應(yīng)用案例[9]。首先指出在計(jì)算機(jī)上顯示的一幅人臉圖像,實(shí)際上是一個(gè)矩陣,一幅清晰度為1024×768的圖像,就是m=1024,n=768的m×n矩陣。如果考慮簡(jiǎn)單的黑白圖像,則矩陣表示的就是該點(diǎn)的灰度值。然后在人臉圖庫中挑選若干個(gè)有代表性的圖像得到一張“平均臉”,并用矩陣A表示出來。取A的最大k個(gè)特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量作為空間基底,于是任意一幅人臉圖像就可用該基底近似表示出來,從而實(shí)現(xiàn)人臉信息成功壓縮并存儲(chǔ)。這個(gè)案例融合了圖像處理、矩陣計(jì)算、數(shù)值分析等專業(yè)課程知識(shí),可加深學(xué)生對(duì)信息與計(jì)算科學(xué)問題的了解,并激發(fā)學(xué)生探索新問題的興趣。
為幫助學(xué)生理解和掌握高等代數(shù)的理論知識(shí),提高學(xué)生綜合分析和探索問題的能力,我們?cè)趯?shí)踐教學(xué)中,有針對(duì)性地布置一些綜合且開放的實(shí)踐問題,以問題為導(dǎo)向,驅(qū)動(dòng)實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的開展。例如,我們?cè)谥v完多項(xiàng)式理論、行列式計(jì)算、線性方程組求解及矩陣運(yùn)算的有關(guān)知識(shí)后,可設(shè)計(jì)如下一個(gè)使課本知識(shí)交叉融合的實(shí)踐訓(xùn)練項(xiàng)目:
項(xiàng)目1. 設(shè)f(x),g(x)是數(shù)域F中的兩個(gè)多項(xiàng)式,構(gòu)造x-矩陣A(x)并作初等變換
試說明f(x),g(x)的最大公因式與f1(x),g1(x)的最大公因式相同且
于是由C(x)可知d(x)是f(x),g(x)的最大公因式且d(x) =u(x)f(x) +v(x)g(x).進(jìn)一步思考,如何用類似的方法求n個(gè)多項(xiàng)式f1(x),f2(x) ,… ,fn(x)的最大公因式呢。
又比如在第五章中正定矩陣的概念是由二次型的正定性所引出,然后指出了正定矩陣的許多性質(zhì),但教材的重點(diǎn)著重介紹這些性質(zhì)和證明,對(duì)于正定矩陣有何用途并不介紹。針對(duì)這一情況,我們可設(shè)計(jì)如下一個(gè)有關(guān)正定矩陣的綜合應(yīng)用項(xiàng)目:
項(xiàng)目2. 設(shè)A是一個(gè)n階正定矩陣,X是n維列向量,b是固定的n維列向量,c是固定的實(shí)數(shù),試討論當(dāng)X取何值時(shí)n元實(shí)二次函數(shù)f(X)=X′AX+b′X+c取得最小值,并給出其結(jié)果。進(jìn)一步思考,當(dāng)A是n階半正定矩陣時(shí),其結(jié)果有何變化[10]。
學(xué)生對(duì)上述項(xiàng)目進(jìn)行研究時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn),項(xiàng)目1可用矩陣的初等變換求幾個(gè)多項(xiàng)式的最大公因式,這比課本的輾轉(zhuǎn)相除法更實(shí)用有效,項(xiàng)目2是把一元二次函數(shù)的最小值問題推廣到n元二次函數(shù)的最小值問題,拓廣了中學(xué)數(shù)學(xué)的內(nèi)容和方法,也聯(lián)系了數(shù)學(xué)分析中多元函數(shù)的極值問題,讓學(xué)生感受到所學(xué)知識(shí)的用途,體驗(yàn)到課本知識(shí)的融合貫通。通過類似的實(shí)踐項(xiàng)目訓(xùn)練,培養(yǎng)了學(xué)生的科研與創(chuàng)新能力。
跨專業(yè)實(shí)踐訓(xùn)練是指多個(gè)專業(yè)圍繞相同項(xiàng)目共同開展實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的一種課程組織形式。高等代數(shù)是數(shù)學(xué)大類專業(yè)的基礎(chǔ)課,目前缺乏實(shí)踐訓(xùn)練平臺(tái)是阻礙該課程開展實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的瓶頸問題。在互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用相當(dāng)普及的今天,應(yīng)充分運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)教學(xué),同時(shí)結(jié)合現(xiàn)代高科技軟件技術(shù),搭建跨專業(yè)實(shí)踐訓(xùn)練平臺(tái)。在平臺(tái)建設(shè)中,首先開發(fā)一個(gè)課程實(shí)踐訓(xùn)練系統(tǒng)是必要的,這個(gè)系統(tǒng)可承擔(dān)多門課程的實(shí)踐訓(xùn)練任務(wù),有項(xiàng)目?jī)?chǔ)存、信息發(fā)布、成果提交、評(píng)價(jià)反饋等功能;其次是發(fā)揮本課程所有任課教師的團(tuán)隊(duì)力量,設(shè)計(jì)好高等代數(shù)每一章的實(shí)踐訓(xùn)練項(xiàng)目,每學(xué)期都添加一定數(shù)量新的項(xiàng)目后,系統(tǒng)就有充足的綜合與開放實(shí)踐問題供學(xué)生進(jìn)行訓(xùn)練。利用跨專業(yè)實(shí)踐訓(xùn)練平臺(tái),既解決因課時(shí)不足而影響理論教學(xué)的進(jìn)度,又解決實(shí)踐教學(xué)考核難的問題,同時(shí)能較大提高學(xué)生參與課程實(shí)踐的主動(dòng)性和積極性。
要提高學(xué)生參與實(shí)踐的主動(dòng)性,首先要讓學(xué)生有充分的感性認(rèn)識(shí),這就需要通過大批的真人實(shí)事加強(qiáng)對(duì)實(shí)踐教學(xué)的宣傳,營(yíng)造良好的自主學(xué)習(xí)氛圍;其次要對(duì)學(xué)生的實(shí)踐活動(dòng)進(jìn)行外在約束,從布置任務(wù)和跟蹤檢查到結(jié)果驗(yàn)收,都要有制度保障,讓課程的實(shí)踐學(xué)分真正落實(shí)到位。現(xiàn)在高等代數(shù)的教學(xué)評(píng)價(jià)基本由學(xué)生平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)兩大部分組成,而平時(shí)成績(jī)主要是看學(xué)生的上課考勤、提交作業(yè)、期中測(cè)驗(yàn)情況,與實(shí)踐教學(xué)關(guān)系不大。所以,為了讓學(xué)生能夠從中獲得更多的知識(shí)和能力,就需要改變這種考核評(píng)價(jià)方法,將實(shí)踐能力的考核融入平時(shí)成績(jī)中。同時(shí)給予教師適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)壓力,目前高校教學(xué)中對(duì)教師的實(shí)踐能力沒有明確的要求,很多教師對(duì)此并不重視,因此通過制訂課程實(shí)踐教學(xué)目標(biāo),加強(qiáng)對(duì)教師實(shí)踐教學(xué)管理等制度,也是提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的重要舉措。
案例素材的選取主要有兩種途徑,一是對(duì)已有的典型案例進(jìn)行改編,使其難易程度與學(xué)生的接受能力相協(xié)調(diào),有利于教學(xué)的順利實(shí)施,比如,向量組線性相關(guān)內(nèi)容可選取混凝土的配比問題;線性變換內(nèi)容可選取計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的應(yīng)用問題,這些實(shí)踐案例涉及的專業(yè)知識(shí)不深,學(xué)生容易理解和接受。二是根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的需要來編寫,這樣既能幫助學(xué)生對(duì)理論知識(shí)理解,又能把理論與實(shí)際問題聯(lián)系起來。有些問題雖然與高等代數(shù)關(guān)系密切,但問題表述與求解過程比較龐雜,不適合選作教學(xué)案例。
從教學(xué)計(jì)劃看,高等代數(shù)的實(shí)踐課時(shí)為16學(xué)時(shí),但在教學(xué)過程中理論與實(shí)踐內(nèi)容交叉進(jìn)行,無法嚴(yán)格分離出實(shí)踐課時(shí)。如果占用過多教學(xué)時(shí)間進(jìn)行實(shí)踐內(nèi)容的講授,勢(shì)必影響教學(xué)任務(wù)中理論部分的完成。因此,除了合理利用課堂教學(xué)外,考慮采用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)踐內(nèi)容的學(xué)習(xí)或?qū)嵺`項(xiàng)目的訓(xùn)練,更符合教學(xué)規(guī)律。
為了讓實(shí)踐教學(xué)落到位,教師在課堂上的案例教學(xué)固然重要,但學(xué)生的主觀能動(dòng)性也不容忽視,在課外如果沒有監(jiān)督和考核,學(xué)生的學(xué)習(xí)就會(huì)變得松散,難以全面提升學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力,因此教師除了引導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐訓(xùn)練外,抓住考核環(huán)節(jié)是關(guān)鍵,我們建議充分利用本單位開發(fā)的實(shí)踐綜合訓(xùn)練系統(tǒng),讓學(xué)生完成指定的實(shí)踐項(xiàng)目,然后按時(shí)提交作品,最后由任課教師評(píng)定實(shí)踐成績(jī),從而獲得相應(yīng)的學(xué)分。
隨著高等教育改革的穩(wěn)步推進(jìn),學(xué)科專業(yè)交叉融合已成為發(fā)展趨勢(shì)。在高等代數(shù)教學(xué)中從專業(yè)知識(shí)交叉融合角度滲透實(shí)踐教學(xué),對(duì)教師教學(xué)理念和學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變都將起到重要的促進(jìn)作用。尤其隨著課程改革與建設(shè)的不斷深入,本文所提實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新途徑對(duì)改革高等代數(shù)課程體系,扎實(shí)推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)并使其良性發(fā)展,凸顯課程的專業(yè)特色,建設(shè)一流本科課程,培養(yǎng)高素質(zhì)專業(yè)人才,具有一定的參考作用。