基于數(shù)學建模問題的高階抽象思維能力培養(yǎng)探析

顧鋒

摘 要：數(shù)學高階抽象思維能力的培養(yǎng)是中學數(shù)學的重要目標之一，對學生的數(shù)學學習和發(fā)展具有重要的作用和價值.本文旨在探討高中數(shù)學建模問題的數(shù)學高階抽象思維能力的培養(yǎng)方法，介紹了高階抽象思維能力在高中數(shù)學學科中的重要性和在教學中所面臨的挑戰(zhàn)，提出了具體的培養(yǎng)方法和措施.

關(guān)鍵詞：高中數(shù)學建模；抽象思維；培養(yǎng)方法；提煉與提升

在新課程背景之下，數(shù)學高階抽象思維能力已成為現(xiàn)代教育的重要目標之一.尤其在高中數(shù)學建模的教學中，學生需要運用抽象思維解決實際問題，這對培養(yǎng)學生的高階抽象思維能力提出了更高要求.然而，目前學術(shù)界對于基于高考數(shù)學建模問題的數(shù)學高階抽象思維能力的培養(yǎng)方法研究還相對不足.如何有效培養(yǎng)學生的數(shù)學高階抽象思維能力已成為教育界的研究重點.

1 培養(yǎng)數(shù)學高階抽象思維能力的重要性

1.1 數(shù)學高階抽象思維的概念和定義

數(shù)學高階抽象思維是指學生在數(shù)學學習和問題解決過程中，能夠超越具體情境和具體概念，運用抽象的思維方式來分析、推理和解決數(shù)學問題的能力.它不僅包括對數(shù)學概念的理解和運用，還涉及到抽象化、推廣化、歸納化和演繹化等思維過程.數(shù)學高階抽象思維能力的培養(yǎng)是數(shù)學教育的重要目標之一.

1.2 數(shù)學高階抽象思維在數(shù)學學科中的作用和價值

數(shù)學高階抽象思維能力的培養(yǎng)對學生的數(shù)學學習和發(fā)展具有重要的作用和價值.它使學生能夠從具體的數(shù)學問題中抽象出通用的概念和原理，并能夠運用這些概念來解決不同的數(shù)學問題，從而提高學習效率和應用能力.它能培養(yǎng)學生的邏輯思維和推理能力，使他們能夠進行深入的問題分析和解決，發(fā)現(xiàn)問題之間的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，培養(yǎng)批判性思維和創(chuàng)新能力，使學生能夠?qū)?shù)學知識應用于實際問題的建模過程中，發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì)和關(guān)鍵因素，提出合理的數(shù)學模型并進行分析和求解，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新思維.數(shù)學高階抽象思維能力使學生能夠?qū)?shù)學與其他學科知識進行整合和應用，促進跨學科綜合能力的培養(yǎng)，培養(yǎng)學生的綜合素養(yǎng)和綜合思維能力.

2 指向高中數(shù)學建模問題的數(shù)學高階抽象思維能力的方法與策略

高中數(shù)學建模問題作為一種綜合性的數(shù)學問題，由于其問題的復雜性，需要學生正確理解和運用一些實際問題的數(shù)據(jù)，并能夠?qū)@些數(shù)據(jù)進行合理的處理和分析，提取有用的信息，將其應用于問題的求解過程中，通過構(gòu)建合適的數(shù)學模型，使學生具備一定的抽象思維和問題轉(zhuǎn)化能力，同時需要學生能夠?qū)嶋H問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學語言和符號，并建立起合理的模型方程或不等式組來解決問題，這給學生和教師帶來了一些挑戰(zhàn)和困惑.

在高中數(shù)學建模問題中，如何培養(yǎng)數(shù)學高階抽象思維能力，從而提升學科的核心素養(yǎng)呢？下面本文將結(jié)合實例提出具體的培養(yǎng)方法和措施.

2.1 為了提高學生的抽象思維能力，首先需要加強他們的數(shù)學理論基礎

教師可以通過課堂教學、輔導班和自主學習等方式，幫助學生掌握數(shù)學的基本概念、原理和方法.此外，教師還應鼓勵學生多讀相關(guān)的數(shù)學文獻，擴大他們的數(shù)學知識儲備，從而加深對數(shù)學的理解和抽象能力.

例1 人工智能是研究用于模擬和延伸人類智能的技術(shù)科學，被認為是21世紀最重要的尖端科技之一，其理論和技術(shù)正在日益成熟，應用領域也在不斷擴大.人工智能背后的一個基本原理：首先確定先驗概率，然后通過計算得到后驗概率，使先驗概率得到修正和校對，再根據(jù)后驗概率做出推理和決策.基于這一基本原理，我們可以設計如下試驗模型：有完全相同的甲、乙兩個袋子，袋子里有形狀和大小完全相同的小球，其中甲袋中有9個紅球和1個白球；乙袋中有2個紅球和8個白球.從這兩個袋子中選擇一個袋子，再從該袋子中等可能摸出一個球，稱為一次試驗.若進行多次試驗直到摸出紅球，則試驗結(jié)束.假設首次試驗選到甲袋或乙袋的概率均為?（先驗概率）.

（1） 求首次試驗結(jié)束的概率；

（2） 在首次試驗摸出白球的條件下，我們對選到甲袋或乙袋的概率（先驗概率）進行調(diào)整.

① 求選到的袋子為甲袋的概率；

② 將首次試驗摸出的白球放回原來袋子，繼續(xù)進行第二次試驗時有如下兩種方案：方案一，從原來袋子中摸球；方案二，從另外一個袋子中摸球.請通過計算，說明選擇哪個方案第二次試驗結(jié)束的概率更大.

解：設“選到甲袋”為事件A₁，“選到乙袋”為事件A₂，“摸到紅球”為事件B₁，“摸到白球”為事件B₂，

這個問題，首先需要學生對人工智能中先驗概率和后驗概率的概念有所了解，再結(jié)合條件概率的知識進行求解，師生最后一起探索原理說明了根據(jù)結(jié)果來調(diào)整對某些事物判斷的概率，并不斷根據(jù)結(jié)果來優(yōu)化判斷，從而做出更好的決策的道理.

2.2 問題解決是培養(yǎng)抽象思維能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

教師可以設計一系列的數(shù)學問題，要求學生通過分析、歸納、推理等思維過程，找到解決問題的方法和策略.同時，教師還應引導學生從多個角度思考問題，培養(yǎng)他們的多元思維能力，提高問題解決的靈活性和創(chuàng)造性.

例如，在學習“二面角”時，教師不直接講解二面角的平面角定義，而是先提出問題：怎樣用平面內(nèi)的角來度量二面角？

啟發(fā)學生找一個能正確反映二面角大小的平面角.學生通過思考、討論、歸納出的幾個思路：思路一，在二面角的棱上任取一點，過這一點作一個平面和這條棱垂直，這個平面和二面角的兩個平面相交于兩條射線，得到一個角；思路二，在二面角的一個面內(nèi)任取一點，過這點作另一個平面及棱的垂線，連接兩個垂足，得到一個角；思路三，在二面角的棱上任取一點，過這一點分別在兩個半平面內(nèi)作垂直于棱的兩條垂線，得到一個角.

針對上述結(jié)果，進一步提問：這三種角有什么區(qū)別和聯(lián)系？哪個角是要找的角？

學生思考，歸納總結(jié)出：三種方法得到的角都是要找的角，其本質(zhì)是相同的，即都可以用來度量二面角，但思路三最好，并以它作為二面角的平面角定義.

通過這樣一環(huán)一環(huán)的啟發(fā)引導，學生就能夠較深刻地把握二面角的平面角定義的本質(zhì).

2.3 促進學生的合作與交流

合作與交流是培養(yǎng)抽象思維能力的重要手段.教師可以組織學生之間的小組討論和合作，讓他們共同探討數(shù)學問題，分享解題思路和方法.通過互相交流和合作，學生可以從不同的觀點和思維方式中獲得啟發(fā)，拓展自己的思維空間，提高抽象思維的靈活性和深度.

2.4 教師角色的轉(zhuǎn)變和指導方式的優(yōu)化

為了有效地培養(yǎng)學生的抽象思維能力，教師需要轉(zhuǎn)變角色，從傳統(tǒng)的知識傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑д吆图钫?教師可以設計具有挑戰(zhàn)性的學習任務，激發(fā)學生的探索欲和求知欲.這些任務可以涉及真實世界的問題，需要學生運用抽象思維來分析和解決.通過讓學生面對復雜的問題，教師可以激發(fā)他們的思維活力，幫助他們發(fā)展高階抽象思維能力.同時，教師應該引導學生的思維過程，幫助他們在解決問題時運用抽象思維.教師可以輔之以適當?shù)臄?shù)學模型，提出問題，引導學生思考解決問題的不同路徑和方法.同時，教師應鼓勵學生提出問題、提供解決方案，并通過問問題和提供反饋來引導學生的思考和推理過程.在教師創(chuàng)設的積極、包容和鼓勵的學習氛圍中，學生也感到安全和自由，積極地去表達自己的觀點和想法.通過鼓勵學生分享思考過程和解決問題的思路，教師可以促進學生之間的合作和交流，共同探索數(shù)學的抽象世界.

例2 鼎是古代烹煮用的器物，它是我國青銅文化的代表，在古代被視為立國之器，是國家和權(quán)力的象征.圖①是一種方鼎，圖②是根據(jù)圖①繪制的方鼎簡易直觀圖，圖中四棱臺ABCD-A₁B₁C₁D₁是鼎中盛烹煮物的部分，四邊形ABCD是矩形，其中AD=40cm，AB=30cm，A₁B₁=20cm，點A₁到平面ABCD的距離為18cm，則這個方鼎一次最多能容納的食物體積為（ ）

（假定烹煮的食物全在四棱臺ABCD-A₁B₁C₁D₁內(nèi)）

A. 10400cm³B. 14000cm³

C. 14800cm³D. 15200cm³

老師引導學生思考，如何求四棱臺ABCD-A₁B₁C₁D₁的體積？可以先求出A₁D₁，利用相似，求出點O分別到平面ABCD和平面A₁B₁C₁D₁的距離.

最后抽象出此題求棱臺體積的方法：利用分割法，大棱錐體積減去小棱錐的體積.

3 結(jié)束語

高中數(shù)學建模問題的學習和實踐可以有效地培養(yǎng)學生的抽象思維能力.通過參與建?；顒?，學生可以面對真實的問題情境，進行抽象和建模，運用數(shù)學知識解決實際問題，提高他們的數(shù)學思維和創(chuàng)造力.可以深入研究數(shù)學建模教學的有效性和實施策略.通過比較不同的建模教學方法和實踐案例，分析其對學生抽象思維能力的影響，從而為教師提供更加科學和有效的教學指導.

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