浅谈高等数学中的数学建模思想
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作者: 唐文峰
[摘要] 本文首先提出了在高等数学中数学建模的重要性,然后着重探讨了如何在高等数学教学中利用数学建模的思想和方法。
[关键词] 高等数学 数学建模 创新能力
数学建模,就是用数学语言去描述或模拟实际问题中的数量关系,一旦数学模型建立起来,实际的问题就转化成了等价(或基本等价)的数学问题。数学建模活动是一个多次循环、反复验证的过程,是应用数学的语言和方法解决实际问题的过程,也是一个创造过程和培养创新能力的综合过程。20世纪六七十年代西方国家的一些大学开始设置数学建模课程,80年代初数学建模课程开始进入我国大学的课堂。1985年美国大学生数学建模竞赛开始举办,1989年起我国部分高校选派代表队参加这项竞赛。1992年开始由中国工业与应用数学学会(CSTAM)举办我国自己的全国大学生数学建模竞赛(CMCM)。1994年改由国家教委高教司和中围工业与应用数学学会共同举办。实践表明,数学建模是对大学生进行创新教育的有效途径之一。
一、数学建模的过程及步骤
为把数学建模的思想和方法渗透到高等数学的教学中去,通常应该在学习高等数学的过程中增加一些关于数学建模的概述,也可以平行地开一门关于数学建模与数学实验的课程,让学生熟悉数学建模的全过程。通常在教学和科研中常常使用的是八步建模法,主要包括以下八个步骤:
1.问题的提出。提出问题是解决问题的关键一步,很多问题没有得到很好解决,其原因是问题没有提好。问题的提出是在面对实际的研究对象时,能够很快弄清楚问题的来龙去脉,抓住问题的本质,确定问题的已知和目标。
2.量的分析。数学的一项主要任务就是研究数量之间的关系,数学建模过程就是要搞清楚这些量之间的关系。
3.模型假设。模型假设是建立数学模型的前提和已知条件。为了准确把握实际问题的本质属性,必须将问题理想化、简单化,抓住问题的本质和主要因素,进行必要的假设。
4.模型建立。在前三步的基础上,根据某种规律,依据模型假设,建立变量和参数间的函数关系。
5.模型求解。建模是为了解决实际问题,所以还要对上述建立的数学模型进行数学上的求解,包括计算机技术的应用。
6.模型分析。根据建模的目的要求,对模型求得的结果进行数学上的分析,利用相关知识结合研究对象的特点进行模型合理性分析。
7.模型检验。建模是否正确,还必须进行模型的检验。模型检验有两种方法:一是实际检验,就是回到客观实际中对模型进行检验;二是逻辑检验,这一检验法主要是找出矛盾,否定模型。究竟选用哪种检验方法,应视具体情况而定。
8.模型应用。模型应用是数学建模的宗旨,也是对模型的最客观、最公正的检验。
二、培养数学建模思维
数学建模中关键的思想方法就是通过对现实问题的观察、归纳和假设,将其转化为一个数学问题,得到所求的解。但这还只是完成了数学建模的一方面,在实际问题中看能否解释实际问题,能否与实际经验或数据相吻合,若吻合数学建模过程就完成了,否则还需要修正假设并重新提出经修正的数学模型。因此数学建模中数学建模思维能力特别重要,如果不能把实际问题用数学语言翻译出来,那么,整个数学建模就无法进行。如果不能把数学建模的结果用普通人能懂的语言表述出来,那就可能大大地降低它的应用价值。对于现实中的实际问题,如何抓住问题的实质进行一定的抽象、简化,用数学语言表达出来,是解决问题的首要步骤,这种翻译能力在高等数学的教学中是有要求的,从而也是学生易于掌握的。但是对于后一种翻译能力却要求甚少,因此,对应用数学方法推理或计算得到的结果,不仅要重视解释、检验、讨论,更重要的是能用语言表达出来,或能结合实际解释其意义。
三、数学建模思想在教学中的渗透
大量的实践表明,人们一旦掌握了数学建模的思想和方法,将会在处理实际问题中如虎添翼,受益无穷。因此,教师在教学中就更应该注重数学建模思想的渗透以及数学方法的介绍,强调数学知识的应用性。培养学生自觉运用数学建模的思想和方法去解决实际问题的应用意识与能力。在高等数学中,涉及其相关内容的教学有:导数的应用、定积分的应用、重积分的应用、曲线与曲面积分的应用、微分方程的应用等。这些都是不容忽视的,教学中要力求讲清建模的思路及求解方法,使学员感受到数学应用有前景有趣味,数学是帮助人们解决实际问题的必不可少的一种工具,从而提高兴趣,增强信心,养成自觉地建立数学模型解决实际问题的习惯。
四、强调数学概念与实际问题的联系
数学概念一般来源于社会实践,概念产生后又反过来为社会实践服务。在介绍概念的含义后,要重视概念与实际结合,突出应用价值。例如,在学习导数的概念时,我们提到导数是一个十分重要的数学模型。它虽然由瞬时速度而导人,但它的意义远远超出了力学的范围,而渗透到科学技术的各个领域。这里可以举些简单例子如:速度、加速度、电流强度、线速度、角速度等。然后可以这样提问:“你能举出其他的例子吗?”这时,全班同学纷纷举手要求发言。“种群的生长率和死亡率”、“放射性物质的衰变率”、“战争中物质和战斗力的损耗率”、“冷却过程的温度变化率”……同学们想出了许多种不同的例子,显示出思维非常活跃。这时教师要不失时机地给出总结――数学上统称为函数的变化率,都与导数有不解之缘。这样学生不仅体会到数学概念的实际意义与应用价值,同时他们也会为导数的巨大魅力而倾倒。
五、培养教师的创造性思维和数学建模思想
在教学中融合数学建模的思想,改进教学方式。当前高等院校有些基础理论课程还基本停留在“填鸭式”、“满堂灌”的教学方式,因此,利用数学建模这个强有力的工具,就可以在实际的教学中增加一些实践的环节,并且引导学生掌握“发动机”式的学习方法。在大学教育中融合数学建模的思想,要求教师掌握“发动机”式的教学方法,学生掌握“发动机”式的学习方法,逐步培养大学生自主创新学习,让学习由心而发,摆脱被动学习模式。还可以参加全国大学生数学建模竞赛为契机,逐步建立大学创新教育课程体系。比如在数学基础理论课程中可以增加一些应用型和实践类的课程,例如“运筹学”、“数学模型”、“数学实验”以及“计算方法”等等课程;在其余与数学相关的各门课程的教学中,也要尽量使数学理论与应用相结合,增加实际应用方面的内容,从而使教学内容得到更新。
创新有着丰富的内涵,包括敢于竞争、敢于冒险的精神,脚踏实地、勤奋求实的务实态度,锲而不舍、坚定执着的顽强意志,不畏艰难、艰苦创业的心理准备,良好的心态、自控能力、团队精神与协作意识等多方面的品质。高校人才培养的质量和成果价值最终都取决于教师。具有较高创造性思维修养和创造精神的教师,才能培养出具有质疑精神和思考能力的学生,学生才敢于冒险、敢于探索,才会突破常规,进行创造性的研究性学习。没有一支创造性的教师队伍,就不可能培养出具有创新创业品质的学生。实践表明,数学建模教学可以为高校顺利开展大学生创新教育奠定一个良好的师资基础。
参考文献:
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