【摘要】在當(dāng)前的高中數(shù)學(xué)教學(xué)實(shí)踐中,部分學(xué)生難以將抽象的數(shù)學(xué)知識(shí)與現(xiàn)實(shí)生活中的問(wèn)題有效結(jié)合,導(dǎo)致數(shù)學(xué)應(yīng)用能力不足.針對(duì)這一問(wèn)題,文章對(duì)數(shù)學(xué)建模的完整流程進(jìn)行細(xì)致的拆解,并結(jié)合湘教版高中數(shù)學(xué)必修第二冊(cè)“6.4數(shù)學(xué)建模案例(二):曼哈頓距離”這一知識(shí)點(diǎn),詳細(xì)闡述將數(shù)學(xué)建模活動(dòng)融入高中數(shù)學(xué)課堂的具體策略:一是創(chuàng)設(shè)情境,提出具有現(xiàn)實(shí)意義的建模問(wèn)題;二是引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題,構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型;三是指導(dǎo)學(xué)生求解模型,并檢驗(yàn)?zāi)P偷挠行?;四是將模型?yīng)用于實(shí)際,解決具體的數(shù)學(xué)問(wèn)題,力圖提供一套可操作性強(qiáng)、注重實(shí)效的數(shù)學(xué)建模教學(xué)策略,從而豐富高中數(shù)學(xué)課堂、培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決復(fù)雜問(wèn)題的能力.
【關(guān)鍵詞】數(shù)學(xué)建模;高中數(shù)學(xué);“曼哈頓距離”
引 言
在當(dāng)今快速變化的信息時(shí)代,數(shù)學(xué)教育的目標(biāo)早已超越單純的知識(shí)傳授,轉(zhuǎn)向培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、問(wèn)題解決能力和實(shí)踐應(yīng)用能力.然而,傳統(tǒng)的高中數(shù)學(xué)教育存在側(cè)重于公式的記憶與應(yīng)用,忽視數(shù)學(xué)與現(xiàn)實(shí)世界的緊密聯(lián)系的問(wèn)題,導(dǎo)致學(xué)生難以體會(huì)到數(shù)學(xué)的實(shí)際價(jià)值與魅力.這種理論與實(shí)踐之間的鴻溝,不僅限制了學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)的深層次理解,也降低了學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的能力,使其在面對(duì)跨學(xué)科挑戰(zhàn)時(shí)顯得力不從心.為了彌補(bǔ)這一教育短板,近年來(lái),數(shù)學(xué)建模作為一種有效的教學(xué)手段,逐漸受到了教育工作者的重視.《普通高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》也指出,通過(guò)高中數(shù)學(xué)的系列課程學(xué)習(xí),學(xué)生應(yīng)能夠在現(xiàn)實(shí)世界中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題,學(xué)會(huì)通過(guò)數(shù)學(xué)建模來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題,以落實(shí)核心素養(yǎng)的培養(yǎng).此處的“數(shù)學(xué)建?!?,就是將現(xiàn)實(shí)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)語(yǔ)言的過(guò)程,它要求學(xué)生不僅要掌握數(shù)學(xué)知識(shí),還要學(xué)會(huì)運(yùn)用這些知識(shí)去理解和解決實(shí)際問(wèn)題.這一過(guò)程不僅能夠鍛煉學(xué)生的邏輯思維和創(chuàng)新能力,還能提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作與溝通能力,為其未來(lái)的學(xué)術(shù)研究和職業(yè)生涯打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).
一、數(shù)學(xué)建模流程拆解
數(shù)學(xué)模型是對(duì)一類(lèi)實(shí)際問(wèn)題或?qū)嶋H系統(tǒng)發(fā)生的現(xiàn)象運(yùn)用數(shù)學(xué)符號(hào)體系表示的一種(近似的)描述.在正式展開(kāi)數(shù)學(xué)建模之前,首先要對(duì)需要解決問(wèn)題的實(shí)際背景和內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行深刻的了解,即“通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)查和研究所解決的問(wèn)題是什么?所要達(dá)到的主要目的是什么?”在此基礎(chǔ)上,將數(shù)學(xué)建模流程拆解為假設(shè)、建立、求解、分析與檢驗(yàn)、應(yīng)用等核心環(huán)節(jié),以實(shí)現(xiàn)對(duì)問(wèn)題的深入剖析和精確求解.數(shù)學(xué)建模流程如圖1所示.
模型準(zhǔn)備完畢后,通過(guò)對(duì)問(wèn)題本質(zhì)的深入挖掘,找出問(wèn)題的核心要素,以篩選出對(duì)問(wèn)題解決起到關(guān)鍵作用的主要因素.針對(duì)問(wèn)題的具體特點(diǎn),進(jìn)行合理的抽象處理,去除不必要的細(xì)節(jié),并運(yùn)用數(shù)學(xué)語(yǔ)言提出恰當(dāng)?shù)募僭O(shè).隨后,緊密貼合問(wèn)題特征,區(qū)分常量與變量、已知與未知,使用數(shù)學(xué)工具將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)語(yǔ)言,量化各個(gè)變量之間的關(guān)系.
構(gòu)建數(shù)學(xué)模型之后,再針對(duì)不同類(lèi)型的數(shù)學(xué)模型,采用相應(yīng)的求解方法.模型求解的目標(biāo)是找到問(wèn)題的最優(yōu)解或滿意解,為實(shí)際問(wèn)題的解決提供理論依據(jù).為了驗(yàn)證所建模型的有效性,結(jié)合實(shí)際數(shù)學(xué)問(wèn)題,對(duì)模型求解的數(shù)值結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)分析.如果發(fā)現(xiàn)模型預(yù)測(cè)與實(shí)際情況存在顯著偏差,而建模和求解步驟又都正確無(wú)誤,那么問(wèn)題往往出在模型的假設(shè)環(huán)節(jié).此時(shí),就需要回溯到建模的早期階段,對(duì)那些可能不夠準(zhǔn)確或不切實(shí)際的假設(shè)進(jìn)行重新審視和修正.通過(guò)這樣反復(fù)驗(yàn)證、分析和修正,逐步剔除模型中的不合理因素,增強(qiáng)其適用性和可靠性,使數(shù)學(xué)模型不僅能夠在理論上自洽,更能夠在實(shí)踐中有效地指導(dǎo)問(wèn)題的解決,為實(shí)際問(wèn)題的決策提供科學(xué)、精確的支持.
二、高中數(shù)學(xué)課堂融入數(shù)學(xué)建?;顒?dòng)的具體策略———以“曼哈頓距離”模型為例
(一)創(chuàng)設(shè)情境,提出建模問(wèn)題
在高中數(shù)學(xué)課程中,空間幾何部分因其抽象性和復(fù)雜性,常常成為學(xué)生學(xué)習(xí)的“攔路虎”.部分學(xué)生在面對(duì)空間幾何問(wèn)題時(shí),往往束手無(wú)策,只能死記硬背公式和定理.為了改變這一現(xiàn)狀,教師在教學(xué)過(guò)程中創(chuàng)設(shè)情境顯得尤為重要.而創(chuàng)設(shè)情境的目的在于,讓學(xué)生在解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中,自然而然地運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí),而不是單純地記憶公式和定理.通過(guò)這樣的教學(xué)策略,學(xué)生不僅能夠掌握“曼哈頓距離”這一數(shù)學(xué)概念,更重要的是,學(xué)生能夠意識(shí)到將數(shù)學(xué)應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)世界的意義,增強(qiáng)數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的趣味性和意義感.
為了讓學(xué)生更好地理解幾何概念,教師可以從日常生活中尋找素材,創(chuàng)設(shè)一個(gè)生動(dòng)且貼近學(xué)生經(jīng)驗(yàn)的情境,讓“曼哈頓距離”的概念自然而然地浮現(xiàn).例如,教師可以構(gòu)建一個(gè)城市規(guī)劃的情境:假設(shè)學(xué)生被邀請(qǐng)參與設(shè)計(jì)一座未來(lái)城市的交通網(wǎng)絡(luò),其中一條街道系統(tǒng)采用了曼哈頓網(wǎng)格布局,即所有街道都是正交的,要么南北向,要么東西向.
考慮到高中生已經(jīng)具備一定的抽象思維能力和操作技能,教師可以靈活利用地圖軟件或地理信息系統(tǒng)(GIS)工具,讓學(xué)生在電子地圖上自主標(biāo)記出起點(diǎn)和終點(diǎn),并通過(guò)拖動(dòng)、縮放等操作,細(xì)致地研究每一條路徑的走向.“曼哈頓距離”示意圖如圖2所示.
通過(guò)在電子地圖上直觀地觀察不同路徑的走向,學(xué)生能夠更加深刻地理解路徑規(guī)劃背后的數(shù)學(xué)原理.在這個(gè)過(guò)程中,學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn),假設(shè)普通人要從一個(gè)街區(qū)A走到另一個(gè)街區(qū)B,那就只能繞著建筑物走.那么,學(xué)生就會(huì)自然而然地思考:“如何計(jì)算從一個(gè)街區(qū)A到另一個(gè)街區(qū)B的步行距離?”這時(shí),教師就可以適時(shí)引入“曼哈頓距離”這一概念,通過(guò)將抽象的數(shù)學(xué)概念嵌入具體的生活場(chǎng)景中,使學(xué)生更為直觀地理解“曼哈頓距離”的含義,即兩點(diǎn)之間的水平和垂直距離之和.隨后,教師可以進(jìn)一步深化情境,引入城市緊急救援服務(wù)等實(shí)際問(wèn)題,引導(dǎo)學(xué)生思考“在發(fā)生緊急情況時(shí),救護(hù)車(chē)需要從醫(yī)院出發(fā)前往事故現(xiàn)場(chǎng),如何選擇最短路線?”這一問(wèn)題.這種情境的設(shè)定,不僅能夠引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)提出建模問(wèn)題,還可培養(yǎng)其解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合技能.
(二)分析問(wèn)題,構(gòu)建數(shù)學(xué)模型
在數(shù)學(xué)建模過(guò)程中,當(dāng)教師拋出一個(gè)具體的建模問(wèn)題,如計(jì)算兩點(diǎn)間沿網(wǎng)格行進(jìn)的最短距離時(shí),接下來(lái)就需要細(xì)致地指導(dǎo)學(xué)生如何運(yùn)用精確的數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)描述這個(gè)問(wèn)題.具體而言,學(xué)生需要將現(xiàn)實(shí)生活中復(fù)雜的街區(qū)布局抽象化,將其轉(zhuǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型.換言之,就是將每個(gè)街區(qū)看作平面直角坐標(biāo)系中的一個(gè)獨(dú)立點(diǎn),而連接這些街區(qū)的街道則對(duì)應(yīng)于坐標(biāo)軸上的線段.
通過(guò)這樣的轉(zhuǎn)化,原本紛繁復(fù)雜的街區(qū)距離問(wèn)題變得清晰起來(lái).學(xué)生現(xiàn)在面對(duì)的是一個(gè)在坐標(biāo)系中計(jì)算兩點(diǎn)之間距離的問(wèn)題.在這個(gè)過(guò)程中,學(xué)生需要深入理解坐標(biāo)系的構(gòu)建原理,明確每個(gè)點(diǎn)在坐標(biāo)系中的位置,以及如何通過(guò)坐標(biāo)軸上的距離來(lái)表示實(shí)際街區(qū)之間的距離.這樣一來(lái),原本看似難以入手的實(shí)際問(wèn)題,就變成了一個(gè)可以通過(guò)數(shù)學(xué)方法精確求解的數(shù)學(xué)問(wèn)題.
例如,教師可以為學(xué)生提供一道例題:“某地三個(gè)新建居民區(qū)的位置分別位于三點(diǎn)D(3,20),E(-10,0),F(xiàn)(14,0),計(jì)劃在x軸上方區(qū)域(包括x軸)內(nèi)的某一點(diǎn)M處修建一個(gè)體育館,試確定點(diǎn)M的位置,使其到三個(gè)居民區(qū)的‘曼哈頓距離’最小.”在學(xué)生閱讀完題目后,教師需要適時(shí)引導(dǎo)學(xué)生回顧平面直角坐標(biāo)系的相關(guān)知識(shí),并鼓勵(lì)學(xué)生繪制本道例題的坐標(biāo)系配圖,將居民區(qū)D,E,F(xiàn)的位置在圖上標(biāo)出,思考體育館M可能的位置.坐標(biāo)系配圖如圖3所示.
接下來(lái),教師指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)問(wèn)題特點(diǎn),構(gòu)建數(shù)學(xué)模型.首先,讓學(xué)生明確“曼哈頓距離”的定義:在平面直角坐標(biāo)系中,兩點(diǎn)之間的“曼哈頓距離”等于這兩點(diǎn)在x軸方向上的距離與y軸方向上的距離之和.然后,教師引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)際問(wèn)題中的街區(qū)坐標(biāo)代入“曼哈頓距離”公式.設(shè)體育館的位置為M(x,y),居民區(qū)到體育館的距離為Z,得到式(1),從而建立數(shù)學(xué)模型.
在這個(gè)過(guò)程中,教師要注意以下幾點(diǎn):(1)強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)模型的合理性,確保模型能夠準(zhǔn)確地反映實(shí)際問(wèn)題;(2)引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注模型中的變量和參數(shù),理解它們?cè)趯?shí)際問(wèn)題中的意義;(3)鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí),如坐標(biāo)系、距離公式等,進(jìn)行模型構(gòu)建.通過(guò)這樣的教學(xué)策略,學(xué)生不僅能夠掌握“曼哈頓距離”的數(shù)學(xué)模型,還能夠?qū)W會(huì)如何將實(shí)際問(wèn)題抽象化,用數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行分析和解決.
(三)求解模型,檢驗(yàn)?zāi)P托Ч?/p>
進(jìn)一步,教師就可以引導(dǎo)學(xué)生利用絕對(duì)值的性質(zhì)來(lái)求解X和Y的最小值.由此,學(xué)生可以推導(dǎo)出在水平方向上,當(dāng)M點(diǎn)的橫坐標(biāo)x等于D點(diǎn)的橫坐標(biāo)3時(shí),水平距離X達(dá)到最小值;同理,在垂直方向上,當(dāng)M點(diǎn)的縱坐標(biāo)y等于0時(shí),垂直距離Y達(dá)到最小值.通過(guò)一步步的引導(dǎo)和計(jì)算,教師可鼓勵(lì)學(xué)生總結(jié)出本題的答案:當(dāng)體育館的位置設(shè)定在點(diǎn)M(3,0)時(shí),它到三個(gè)居民區(qū)的“曼哈頓距離”是最小的.
在完成模型的求解步驟后,教師應(yīng)當(dāng)指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模型效果的驗(yàn)證.學(xué)生需要將求得的點(diǎn)M(3,0)代入最初建立的“曼哈頓距離”模型中,通過(guò)計(jì)算得出該點(diǎn)到三個(gè)居民區(qū)的最小“曼哈頓距離”為44.為了進(jìn)一步驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,學(xué)生可以隨機(jī)選取其他幾個(gè)坐標(biāo)點(diǎn),如(4,0),(3,1),(8,8)等,然后分別計(jì)算這些點(diǎn)到三個(gè)居民區(qū)的“曼哈頓距離”,并將計(jì)算結(jié)果與點(diǎn)M(3,0)的距離進(jìn)行比較.
在這個(gè)過(guò)程中,教師可以引導(dǎo)學(xué)生記錄下每一步的中間結(jié)果,以及最終得到的“曼哈頓距離”,這樣的記錄有助于在后續(xù)的驗(yàn)證環(huán)節(jié)中復(fù)查計(jì)算過(guò)程,確保沒(méi)有遺漏或錯(cuò)誤.通過(guò)比較這些計(jì)算結(jié)果,如果學(xué)生發(fā)現(xiàn)無(wú)論是M點(diǎn)附近的坐標(biāo)還是較遠(yuǎn)位置的坐標(biāo),其“曼哈頓距離”都無(wú)一例外地大于44,那么就表明最初求解得到的點(diǎn)M(3,0)確實(shí)是使得“曼哈頓距離”最小的點(diǎn),從而驗(yàn)證了模型的正確性和求解過(guò)程的準(zhǔn)確性.
(四)結(jié)合實(shí)際,解決數(shù)學(xué)問(wèn)題
模型分析與檢驗(yàn)完成后,教師應(yīng)當(dāng)把握這個(gè)契機(jī),繼續(xù)拓展學(xué)生思維的深度和廣度,不讓教學(xué)活動(dòng)就此停滯.具體而言,教師可以引導(dǎo)學(xué)生將模型的視角從課堂延伸至更加廣闊的生活領(lǐng)域,提出與學(xué)生日常生活緊密相關(guān)的新問(wèn)題.
一方面,教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生采用之前所構(gòu)建的模型,來(lái)解決新的、類(lèi)似的數(shù)學(xué)問(wèn)題.例如,教師可以提出以下問(wèn)題:“考慮到城市綠化帶的布局,我們有一片綠化區(qū)域需要定期進(jìn)行維護(hù).該區(qū)域有三個(gè)維護(hù)站點(diǎn)P(2,8),Q(6,-4),R(-3,-2),以及一個(gè)資源中心S(0,0),現(xiàn)需要確定一條從資源中心出發(fā),經(jīng)過(guò)所有維護(hù)站點(diǎn)的最短巡回路徑,以便高效地進(jìn)行資源配送.請(qǐng)利用‘曼哈頓距離’模型來(lái)規(guī)劃這條路徑.”在這個(gè)問(wèn)題中,學(xué)生不僅需要計(jì)算兩點(diǎn)在同一象限內(nèi)的距離,還要思考不同象限的正負(fù)坐標(biāo)如何影響距離的計(jì)算.通過(guò)這種坐標(biāo)點(diǎn)的變化,讓學(xué)生更為直觀地認(rèn)識(shí)到,“曼哈頓距離”實(shí)際上是由橫向和縱向距離的絕對(duì)值之和構(gòu)成的,從而更深刻地領(lǐng)悟到“曼哈頓距離”的本質(zhì),以及在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)如何靈活運(yùn)用這一知識(shí)點(diǎn).
另一方面,教師可以進(jìn)一步拓展學(xué)生的思維,鼓勵(lì)學(xué)生考慮現(xiàn)實(shí)問(wèn)題中的多重變量.例如,教師可以引導(dǎo)學(xué)生探討:“若要在城市中規(guī)劃一條新的緊急救援路線,應(yīng)如何考慮道路的寬窄、交通信號(hào)的設(shè)置,以及可能的障礙物等因素,以確保救援車(chē)輛能夠快速且安全地到達(dá)目的地?”這要求學(xué)生在規(guī)劃路徑時(shí),不僅要考慮最短距離,還要將安全因素納入模型,考慮交通事故多發(fā)區(qū)域、易滑路面或施工區(qū)域等潛在的安全隱患,進(jìn)而進(jìn)行更為復(fù)雜的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和路徑規(guī)劃.這種逐步深入的方式能夠在提升學(xué)生數(shù)學(xué)應(yīng)用能力的基礎(chǔ)上,幫助學(xué)生樹(shù)立正確的數(shù)學(xué)意識(shí)———在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí),必須采取多角度、多模型的分析方法,這樣才能得出更加全面和合理的解決方案,從而支持學(xué)生在未來(lái)的學(xué)習(xí)中,更加熟練地通過(guò)數(shù)學(xué)建模來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題.
結(jié) 語(yǔ)
綜上所述,數(shù)學(xué)建?;顒?dòng)的融入,使得高中數(shù)學(xué)教學(xué)更加貼近實(shí)際,讓學(xué)生在解決具體問(wèn)題的過(guò)程中,自然而然地掌握數(shù)學(xué)知識(shí),實(shí)現(xiàn)從知識(shí)傳授到能力培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變.然而,要全面推廣數(shù)學(xué)建模活動(dòng),使之成為高中數(shù)學(xué)教育的常態(tài),仍要克服諸多挑戰(zhàn).高中數(shù)學(xué)教育應(yīng)繼續(xù)深化數(shù)學(xué)建?;顒?dòng)的融入,不斷完善教學(xué)體系,創(chuàng)新教學(xué)方法.一方面,教師應(yīng)繼續(xù)提升自身對(duì)數(shù)學(xué)建模的認(rèn)識(shí),加強(qiáng)教學(xué)研究,積累更多成功案例;另一方面,學(xué)校和教育部門(mén)應(yīng)加大對(duì)數(shù)學(xué)建模教學(xué)資源的投入,建立與之相適應(yīng)的評(píng)價(jià)體系,為數(shù)學(xué)建?;顒?dòng)的深入開(kāi)展提供保障.相信通過(guò)持續(xù)的努力與創(chuàng)新,高中數(shù)學(xué)教育將迎來(lái)一個(gè)更加充滿活力與創(chuàng)造力的新篇章,讓學(xué)生在數(shù)學(xué)的廣闊天地里自由翱翔,用數(shù)學(xué)的語(yǔ)言描繪世界的無(wú)限可能.
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