初中数学建模及其教学应用的探究

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初中数学建模及其教学应用的探究

【摘 要】数学模型是对客观事物的空间形式和数量关系的一个近似的反映。数学模型可以是方程、函数或其它数学式子,也可以是图表和图形。而数学建模就是把现实世界中的实际问题加以提炼,抽象为数学模型,求出模型的解,验证模型的合理性,并用该数学模型所提供的解答来解释现实问题的全过程。初中数学建模教学的主要目的是要培养学生的数学应用意识、掌握数学建模的方法,为将来的学习和工作打下坚实的基础。因此,加强数学建模教学具有积极的意义。

【关键词】初中数学 数学教学 数学建模 应用

一、问题的提出

九年义务教育阶段的新数学课程标准强调“从学生已有的生活经验出发,让学生亲身经历将实际问题抽象成数学模型并进行解释与应用的过程”和“体验从实际问题抽象出数学问题、建立数学模型、综合应用已有的知识解决问题的过程,并从中加深对相关知识的理解、发展自己的思维能力”。能够解决实际问题是学习数学知识、形成技能和发展能力的结果,也是对获得知识、技能和能力的检验,而“数学建模”是解决实际问题的有效途径。如著名的“哥尼斯堡七桥问题”是众多游客始终未能解决的难题,大数学家欧拉不是到桥上去试走,而是巧妙地运用数学知识把小岛、河岸抽象成“点”,把桥抽象为“线”,成功地构建出平面几何模型,成为数学史上用数学解决实际问题的经典。随着新数学课程标准中对数学应用能力要求的提高,在教学中结合教材内容进行数学建模势在必行。本文就初中数学建模及其教学问题做出探讨。

二、数学建模的内涵

我们把某种事物系统的主要特征、主要关系抽象出来,用数学语言概括地或近似地表述出来的一种数学结构,称为数学模型。数学模型是对客观事物的空间形式和数量关系的一个近似的反映。数学模型可以是方程、函数或其它数学式子,也可以是图表和图形。而数学建模就是把现实世界中的实际问题加以提炼,抽象为数学模型,求出模型的解,验证模型的合理性,并用该数学模型所提供的解答来解释现实问题的全过程。

数学建模是一个“迭代”的过程,可以用一个框图来表示:

(1)模型准备:了解问题的实际背景,明确其实际意义,掌握对象的各种信息,用数学语言来描述问题。

(2)模型化简假设:根据实际对象的特征和建模的目的,对问题进行必要的简化,抽象出主要关系,将实际问题理想化,并用精确的语言提出一些恰当的假设。

(3)模型建立:在假设的基础上,利用适当的数学工具来刻画各变量之间的数学关系,建立相应的数学结构。

(4)模型求解:利用获取的数据资料,对模型的所有参数进行计算(估计)。要结合实际问题,看结果是否合理,以修正可能出现的计算错误,甚至修正上一阶段建模的错误。

(5)模型分析验证:对所得的模型结果进行数学上的分析,将分析结果与实际情形进行比较,以此来验证模型的准确性、合理性和适用性。如果模型与实际较吻合,则要对计算结果给出其实际含义,进行解释,并看它能否应用到更一般的问题中去。如果模型与实际吻合较差,则应该修改假设,再次重复建模过程。

事实上,从方法论角度来看,数学建模是一种数学思想;从具体教学角度来看,数学建模是一种数学活动。数学建模作为问题解决的一种模式,它更完整地表现了学数学和用数学的关系,给学生再现了一种微型的科研过程,这对学生今后的学习大有益处。

三、初中数学建模教学的几个原则

1.教师意识先行原则。在教学活动中起主导作用的教师首先应具有数学建模的自觉意识,从我做起,从小事做起,更新教育观念,不断积累和更新专业知识,不断在教学过程中用自己的数学建模意识去熏陶学生,在看似没有数学建模内容的地方,不满足于表层的感知,挖掘出训练数学建模能力的内容,给学生更多数学建模的机会,使他们形成良好的思维品质。

2、因材施教原则。因材施教原则是教育教学的一条基本原则。在初中数学建模教学中,首先应选择学生身边的实际问题,使学生能建立比较好的、考虑比较周到的数学模型,真正体会到数学的应用;其次数学应用与建模主要应控制在“简单应用”和一部分“复杂应用”的水平上,教师可以通过一些不大复杂的应用问题,带着学生一起来完成数学化的过程,给学生一些数学应用和数学建模的初步体验;最后应根据每个人的原认知结构不同,而以不同的方法施教。

3.近体原则。近体原则是指在教育教学过程中,教与学之间在时间、空间的距离、心理及情感等方面的差异尽量缩小,在有限的时间内,达到满意的教育教学效果。首先,在中学数学建模教学中,师生要不断吸收新知识、新信息和新材料,及时了解社会热点问题,把课本内容引出课堂,把生活实践引入课堂,用课本知识分析解决社会热点问题。如对课本中出现的应用问题,可以改变设问方式、变换题设条件,互换条件结论,拓广类比成新的数学建模应用问题;对课本中的纯数学问题,可以依照科学性、现实性、新颖性、趣味性、可行性等原则,编拟出有实际背景或有一定应用价值的建模应用问题,使学生受到如何将实际问题数学化、抽象为数学问题的训练。适当的选取社会热点、市场经济中涉及诸如成本、利润、储蓄等素材,使学生掌握相关类型的建模方法,为日后能主动以数学的意识、方法、手段处理问题提供了能力上的准备。其次,教师应从实际出发,了解学生的身心发展规律,通过创造性的思维和实际,引起学生的有意注意,诱发学生的思维与探讨,从而达到最佳的教学效果。特别是我们在课堂上要留有适当的时间给学生思考与探讨,让学生自己发现,不但能使数学课堂充满活力,而且能够大大提高学生的学习效率。最后,教师应适时地让学生在自己动手动脑中寻求发展,在实践中体验数学,在活动中学数学、用数学,真正实现从传统的教师中心向学生中心的转变。

4.课内课外相统一原则。和提高学生其它素质一样,培养学生的数学建模能力,也应向课堂要质量,把数学应用和数学建模与现行数学教材有机结合,把应用和数学课内知识的学习更好地结合起来。教师应特别注意向学生介绍知识产生、发展的背景;引导学生了解知识的功能和在实际生活中的作用,引导学生在学中用、在用中学。另一方面,由于数学建模是与实际问题密不可分的,仅仅在课堂上是学不好的,还必须走出教室,利用课外活动时间开展实践活动,把课内课外有机地统一起来。学生能动地参与了建模的各个环节,在问题解决的全过程中得到实际体验,亲身体会到数学探索的愉悦,就会对数学的学习产生浓厚兴趣。

5.科学性原则。首先,实际应用的数学问题有时过难,不宜作为教学内容,有时过易,不被人们重视,因此在中学阶段应介绍哪些数学建模理论和方法,须作科学合理的安排。其次,数学建模非常有用,但我们还应强调数学应用的科学性,使他们能以批判的、慎重的态度对待数学的应用。

四、数学建模在初中数学教学中的一些应用

初中数学中的许多问题,都可以通过建立数学模型,创造性地求解。下面根据建立数学模型所需的数学知识和方法进行分类探究。

1.利用等量关系,建立方程模型

例1 在社会实践活动中,某校甲、乙、丙三位同学一同调查了高峰时段北

京的二环路、三环路、四环路的车流量,三位同学汇报高峰时段的车流量情况如下:甲同学说:二环路车流量每小时为10000辆;乙同学说:四环路比三环路车流量每小时多2000辆;丙同学说:三环路车流量的3倍与四环路车流量的差是二环路车流量的2倍。请你根据他们所提供的信息,求出高峰时段三环路、四环路的车流量各是多少?