05.31 21世紀的核心競爭力——數學建模

21世紀的核心競爭力——數學建模

傳統的數學教育中,數學建模和具體問題的數學處理是高等數學的內容。中小學數學中即使有一些實際應用的數學問題,也只是成為一種典型題的解題訓練,從而失去了從數學模型的角度處理實際問題的教學要求。這既是教材中存在的問題,也是數學教學觀念上的問題。在日益重視素質教育的今天,更應當格外注意中小學數學與實際生活相聯的數學模型問題的教學,把學生從公式,定理的邏輯推演中引導到注重解決現實具體問題上來。

事實上,現實的生活中存在著大量的與中小學數學相聯繫的具體問題,學會把具體問題構建成數學模型,然後應用學到的數學知識把它解決。這樣的數學教學效果要遠遠勝過機械地記憶數學公式和重複性地題海訓練。

下面舉個現實生活中地具體問題轉化為中小學數學模型地典型例子。

某飯店各房間地室內溫度由控制室統一調整。一位施工師傅發現,控制室內儀表指示的溫度與室內溫度有差異而始終調整不好。後來查出原因,是因為從高層房間到控制室的距離很長,三相電的三根電線因轉彎處折轉不同,有長有短,造成三根電線的電阻不同,結果儀表上就出現了偏差,任何萬用表都不能把一頭放在十幾層樓房間裡的a1處,另一頭放在底樓控制室的a2處,那麼如何來測量這三根線的電阻呢?

21世紀的核心競爭力——數學建模

一位學過代數的青年師傅想出了辦法,他假設x,y,z分別是a1a2,b1b2和c1c2的電阻,這是三個未知量,電錶不能直接測量出這三個數。然後可以把a2b2連接起來,在a1和b1處量得電阻x+y為l,然後將b2和c2連接起來,在b1和c1處量得y+z為m,同理連接a2和c2,可量得x+z為n,這樣得到三個變元的聯立方程式

X+y=l

Y+z=m

X+z=n

於是解出x,y,z儀表就調整好了。

這顯然是把一個具體的問題構建成了一個三元一次方程的數學模型。傳統的三元一次方程的教學只要求記住代入法,加減法等解題技巧,然後列出方程解應用題,可以看出,這樣的數學教學無法解決前面提到的問題。那麼這個問題的核心是,要把現實中的具體問題構建成一個數學模型,然後再去解方程,從而解決實際問題。

上面的問題寫成應用題則是:如果我們可以量的a1a2和b1b2兩線串聯後的電阻為l, b1b2和c1c2串聯後的電阻為m,c1c2和a1a2串聯後的電阻為n,試問三線的電阻各是多少?。相信遇到這樣的表述形式,凡是學過三元一次方程的學生都應該會做。但是,又有什麼意義呢?

相比之下,我們會認識到,把一個具體問題構建成三元一次方程的數學模型,遠遠難於解三元一次方程組,因為建構數學模型,是用數學的思想,數學的方法去思考和分析問題,是一種有自己創造性思維的工作(21世紀核心競爭力),它顯然勝過讓學生在題海中學習數學的解題方法。應當承認,由於應試提分的現實要求,我們的中小學數學教學中,在教學生用數學模型的思想觀念認知,解決現實問題的教學方面還存在著很大的不足。

對於中小學數學模型方法的教學,應當注意以下幾點。

1. 通過對數學模型的構造,能夠深入地認識和理解數學的本質特徵。

數學從人類創造發明時開始,就是一種不斷建立各式各樣符號,運演方式的過程。這個過程在建立數學模型的意義上,可以看作是一個不斷建立數學模型的過程。人類創造符號,運演方式直到用這些符號去解決具體問題,這不僅是數學理論的發展,而且是數學模型的不斷髮展。

例如,對數學圖形的認識和理解,應當注意它的數學模型意識。把各種數量關係,圖形的獲得或抽象過程告訴學生,而不是僅僅把結果告訴學生。就幾何圖形而言,正是現實生活中的直線,三角形,圓等結合圖形才構成了初等幾何的數學模型。如果脫離現實中的幾何構建模型的過程,初等幾何就變成純粹的邏輯推理,從而失去了現實意義。

2. 運用數學模型的直觀,形象作用,強化學生的數學感受能力

在中小學數學教學中,應運用數學模型方法把具體問題轉化為數學問題,運用典型的數學模型方法把實際問題給予解決。在這一過程中,要善於突出數學模型的作用,運用直觀,形象的數學模型來強化學生感受數學,運用數學的能力。

舉個例子,證明:任何6個人之間或者有3個人互相認識,或者有3個人互相不認識。

顯然,這是一種邏輯判斷式推導型問題,我們可以用數學模型的方法來給予直觀,形象的說明,從而強化學生的感受數學的能力。

這個題是圖論的一個應用,可用"網絡圖"的直觀模型進行論證說明(是否似曾相識?沒錯,"成績暫時差點沒關係"中有關會議安排中也用到過圖論的數學模型)。

設6個人抽象為平面上的6個點,記為A1,A2,A3,A4,A5,A6,兩人認識兩點間用實線表示,不認識用虛線表示。以A1為出發點向其餘5點連線,有三人認識有三條實線存在,三人不認識有三條虛線存在。我們不妨設為三條實線段,如下圖:

21世紀的核心競爭力——數學建模

此時,A2A3A4它們的邊哪怕皆為虛線,結論都自然成立。

此題的分析,還可以從考慮以下三種情況開始:A1與其他五人都認識;A1與其中四人都認識;A1與其中三人都認識。如下圖:

21世紀的核心競爭力——數學建模

在(1)中,若A2,A3,A4,A5,A6互不認識,則結論成立;若A2,A3,A4,A5,A6中至少有兩人認識,結論也成立。

在(2)中,若A2,A3,A4,A5互不認識,則結論成立,A2,A3,A4,A5至少兩人認識,結論也成立。

在(3)中,若A2,A3,A4互不認識,結論成立,A2,A3,A4間至少兩人認識,結論也成立。

3. 引導學生學會運用典型的數學模型方法,解決具體問題

通常的數學教育要求學生能夠學會分析問題,列出算式再運算求解。但從數學模型的角度分析,就需要要求學生了解掌握實際問題中的數量關係,並且能夠把它構建成一個數學模型,進而解決這個數學模型。

數學的重要內容之一,就是創設一種情境,給出一個實際的具體的問題,讓學生在這個具體情境中,按照學過的數學知識構造成一個數學模型,然後再去解決這個數學模型中的數學問題。

舉個初等數學中常見的例子。

例:在行程問題的路程,時間,速度三個因素中,如果路程固定,則時間隨速度變化。同樣,如果時間固定,則路程隨速度變化,等等。

一輛汽車從甲地開往乙地,3小時行駛了180千米,按這樣的速度5小時到達乙地,求甲乙兩地的距離。

分析:此題中有路程,速度,時間三個量,速度不變,顯然時間與路程變化,由於路程與時間相對應的兩個數的比值(速度)固定,路程與時間成正比例。

解:設甲乙兩地相距X千米,則有

X/5=180/3,所以X=300千米

以上的方法是按照應用題方式解題的一種傳統的教學形式,乾癟枯燥,沒有任何現實體驗。如果在學習了數學模型的解題方法之後,通過創設情境(PBL),讓學生自己把生活中的具體問題構建成一個行程,工程等方面的比例問題,那就會使學生體會到數學學習的樂趣及實用性,也會使他們增長自信.......。這樣的數學教學效果才是今天我們素質教育所要追求的目標。

同時,中小學的數學教育是一個打基礎的階段,良好的積極的數學模型方法教育,不僅僅是教會學生如何去處理數學問題,而且對學生以後的數學學習,對以後其他自然科學學習甚至步入社會處理工作,生活,人際交往,認識世界等方方面面,都會產生積極的作用,讓孩子們活得更加精彩。


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