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利用数学建模的思想调动大学生学习高等数学的积极性

发布时间:2023-12-09 22:44


  众所周知,高等数学是所有自然学科的基础,一个大学生要想在以后的工作、学习中大展宏图,那么就一定少不了坚实的高等数学基础。如何解决大学生在学习高等数学时碰到的问题?如何调动大学生学习高等数学的积极性?让学生们了解高等数学的用途,真正愿意静下心来好好学习高等数学,努力为以后的发展打好数学基础。一直以来,各所高校的教师们都在努力的想办法、找对策,一些实用有效的方法已经提出并且在逐步推广,比如,问题驱动式的教学方法和基于PBL的教学方法等。笔者从所在学校的学生实际学习情况出发,根据几年来的教学心得和积累,打算提出一种较为实用的教学方法——利用数学建模的思想调动大学生学习高等数学的积极性。该方法在笔者所教授的班级中已经实际应用过几届,学生普遍反映效果较好,任课老师也认为该方法确实能极大地调动学生的学习积极性。

  提到高等数学,学生们的第一反应往往是:各种公式塞满黑板,各种运算充斥脑海;定义、定理、推论一个连着一个;极限、连续、可导可积一个涵盖另一个[1]。和高中数学相比,记忆的负担轻了(实际上是知识点太多,记不住了),而对思维的要求却提高了。对大学生来说,每一次的高数课,都是一次大脑的思维训练,时刻要求精神高度集中,一定要紧跟老师的步划,一旦走神,后面的内容就不知所云了。这样的要求短时间可以达到,长久下去学生们会觉得很辛苦,很有压力,会出现抱怨。笔者碰到过这样的学生,刚开始时,兴致勃勃,雄心万丈,可到后来兴趣索然,马虎应对。怪学生吗?诚然学生有责任,但任课老师也该负很大的责任。作为高等数学的老师我们经常要面对学生提的这些问题:(1)我学的专业和高等数学相差甚远,有可能这一辈子都不会用到高等数学的知识,那我学高等数学的目的何在?(2)老师您天天鼓吹高等数学的强大功能和广泛用途,但是通过一学期的学习,我发现除了对付考试有用,真不知高等数学可以用在何处?这些问题不及时解决,时间长了一定会影响到大学生对高等数学的学习积极性,甚至有可能会产生厌学的情绪和氛围。有些极端的学生,期末考试之后,一听到自己高等数学考过了,立马将高等数学的课本给撕了,可想而知高等数学对其造成的压力有多大[2]。如何解决大学生在学习高等数学时碰到的问题?如何调动大学生学习高等数学的积极性?让学生们了解高等数学的用途,真正愿意静下心来好好学习高等数学,努力地为以后的发展打好数学基础。笔者从所在学校的学生实际学习情况出发,根据几年来的教学心得和积累,打算提出一种较为实用的教学方法——利用数学建模的思想调动大学生学习高等数学的积极性。

  一、以实际问题反推解决问题时我们需要的高等数学知识

  有这样一个实际问题:报童每天清晨从报社购进报纸零售,晚上将没卖掉的报纸退回给报社。假设报纸每份的购进价为b元,零售价为a元,退回价为c元,自然地有a>b>c。这就是说,报童每售出一份报纸赚a-b元,每退回一份报纸赔b-c元,报童每天如果购进的报纸太少,那么会不够卖,就会少赚钱;如果每天购进的报纸太多,那么会卖不完,将要赔钱。请为报童规划一下,他该如何确定每天购进的报纸份数,以获得最大的收入[3]。

  现在我们来反推该问题涉及到的高等数学的知识:首先,通过分析题目可知,问题解决的关键在于——如何确定每天的报纸需求量,注意每天的报纸需求量是随机变化的?解决这个关键问题的知识我们早就掌握了,分别是数理统计中的频率连续化、概率论中的概率密度与期望和高等数学中的定积分[4]。

  其次,假设每天购进n份报纸,G(n)为报童购进n份报纸时的平均收入函数,再假设每天的报纸需求量r是随机的,此时r和n的关系有三种r>n,r二、利用高等数学的解决实际问题

  由前面的假设可知,每天购进n份报纸,每天的报纸需求量为r份时,报童每天的平均收入为G(n)元。如果这天的需求量r≤n,则他售出r份,退回n-r份;假如这天的需求量r>n,则n份报纸全部售光。因为日需求量r是随机的,所以我们必须求出每天卖出r份的概率

  f(r)[4]。如果求出了f(r),那么

  G(n)=[(a-b)r+(b-c)(n-r)]f(r)+(a-b)nf(r).(1)

  现在我们来求f(r),假定报童已经通过自己的经验和其他渠道掌握了一年(365天)中每天报纸的售出份数,那么在他的销售范围内,每天报纸日需求量r的概率f(r)为:

  f(r)=,r=(0,1,2,3,…)

  其中k表示为卖出r份的天数。

  根据概率论中离散型随机变量的连续化知识[4],我们可以将r视为连续型的随机变量,这样更便于分析和计算。利用最小二乘拟合[5],可以将f(r)转化为连续型随机变量r的概率密度函数p(r),那么(1)式变成

  G(n)=[(a-b)r+(b-c)(n-r)]p(r)dr+(a-b)np(r)dr.(2)

  通过上面的分析,可知实际问题归结为,在p(r)和a,b,c已知时,求n使得G(n)最大。

  研究表明G(n)是一个在闭区间上连续的积分上限函数,由闭区间上连续函数的性质可知G(n)的最大、最小值一定存在,而且最大、最小值一定在函数G(n)的驻点(也即使得=0的n)。计算可得

  =-(b-c)p(r)dr+(a-b)p(r)dr.(3)

  令=0,得到=,又因为p(r)dr+p(r)dr=1,所以p(r)dr=.(4)

  在等式(4)中,p(r)和a,b,c均为已知,所以利用定积分的知识一定可以求出n。也即可以确定每天购进的报纸份数,使报童每天获得最大的收入。

  三、利用现实问题,让学生学会思考,给他们提供创造成就感的机会

  通过上面碰到的实际问题,可以很容易地说服同学们静下心来好好学习高等数学。因为通过实际问题的求解,学生们了解到了,要想解决一个实际问题(哪怕是很小的问题),也需要大量的高等数学知识的储备;学生们也大概领略到了高等数学的用途与功能。这样的教学方法简单、直接,胜过老师课堂上反复的唠叨与强调。有了这样的一些实际问题,老师们就可以大胆地将数学建模思想引入高等数学的教学当中,让学生们在解决实际问题中学会思考,掌握知识,提高能力。

  通过训练后,碰到实际问题,同学们会自然的想到我们的教学方法:(1)这些实际问题涉及到的高等数学知识?那些自己掌握了,那些还没有弄明白,学要加强学习。(2)知识点找到后,如何建立起数学与实际问题求解之间的关系?也即如何建立数学模型。(3)除了老师给的题目,自己本专业中的实际问题,能否用高等数学的知识去解决?通过思考、分析、解决这些问题,学生们会有一种创造创新的成就感,会愿意自主学习,自然而然其学习高等数学的积极性也会大大提高了。

  作者:熊志平来源:教育教学论坛2016年34期

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