摘要:在提倡素质教育的今天,数学建模能力的培养显得尤为重要。2003年,数学建模作为高中数学的教学内容已经正式写入《普通高中数学课程标准(实验稿)》中,标准中明确要求高中阶段至少各应安排一次较完整的数学建模、数学探究活动。本文通过收集大量资料,了解数学建模在国内外中学的教学研究现状,并对数学模型及数学建模相关问题进行了阐述。
关键词:数学建模 数学模型 数学应用
一、国内中学数学建模的研究现状
随着时代的进步和科技的发展,人们越来越觉得数学素质是一个人的基本素质的重要方面之一,而掌握和运用数学模型方法是衡量一个人数学素质高低的一个重要标志。受西方国家的影响,20世纪80年代初,数学建模课程引入到我国的一些高校,短短几十年来发展非常迅速,影响很大。1989年,我国高校有4个队首次参加美国大学生数学建模竞赛。现在这项竞赛已经成为一个世界性的竞赛。在美国大学生数学建模竞赛的影响下,1992年11月底,中国工业与应用数学学会举行了我国首届大学生数学建模联赛。从那以后,数学应用、数学建模方法、数学建模教学的热潮也迅速波及到中学,使得我国有关中学数学杂志中,讨论数学应用数学建模方法、数学建模教学的文章明显多了起来。1996年9月北京市数学会组织了一部分中学生参加了“全国大学生数学建模大赛”,取得了意想不到的好成绩,赢得了评审人员、教师等有关人士的一致好评。这些竞赛与常规的数学竞赛很不一样,题目内容与生产和生活实际紧密相连,可以使用参考书和计算工具,都是要通过建立数学模型来解决实际应用问题。这也说明中学生能否进行数学建模并不在于是否具备高等数学知识,运用初等数学知识仍然可以进行数学建模,甚至有时能把问题解决得更好。
在我国,中学真正开展数学建模的时间并不长。最早进行中学数学建模的城市是上海市。1991年10月,由上海市科技局、上海工业与应用数学学会、上海金桥出口加工联合有限公司联合举办了“上海市首届‘金桥杯’中学生数学知识应用竞赛”的初赛,并于1992年3月举行了决赛。以后每年进行一次,主要对象是高中学生。这项竞赛参加者最多时达到了四千多人,在培养中学生数学应用意识和数学建模能力方面起到了重要作用,也为我国其他地区举办中学生数学应用与建模竞赛起了一个带头作用。
北京市于1993年到1994年也成功举办了“北京市首届‘方正杯’中学生数学知识应用竞赛”,有两千多人参加了竞赛。与此同时,举办者开始尝试让中学生写数学建模的小论文,学生所写的小论文让举办者和教师大为吃惊。到1997年北京市教委从中学数学教育改革,特别是从应试教育向素质教育转变的角度出发,批准恢复了一年一度面向高中学生的竞赛。北京市成立了由北京市数学会、北京市教委科教院、人民教育出版社、北京师范大学、首都师范大学联合组织的“高中数学应用知识竞赛”咨询委员会和组织委员会,由北京数学会作为具体承办单位,并于1997年12月举办了“第一届北京市高中数学知识应用竞赛”初赛,并于1998年3月进行了决赛,至今成为惯例,已成功举办了十一届。
2000年8月,第七届全国数学建模教学与应用会议在郑州召开。会议安排了有关中学数学应用和建模的报告。比如,北京理工大学的叶其孝教授和北京师范大学的刘来福教授分别作了题为“深入开展中学生数学知识应用活动”和“北京中学生数学知识应用竞赛”的报告。特别值得提出的是,在这次会议上,第一次有中学教师参加。
2001年7月29日至8月2日,第十届国际数学建模教学与应用会议在北京举行。会议的研讨包括“中学数学知识应用竞赛和中学数学教育改革”的报告和研讨会。部分中国与会者还就“大、中学数学建模教学活动和教育改革”,“美、中大学生数学建模竞赛赛题解析”进行了交流。我国的一些中学教师在会上作了有关中学数学建模的报告,引起了与会者的强烈反响。所有这些都为进一步推动我国的数学建模教学活动创造了良好的条件。
教育部2003年颁布的《普通高中数学课程标准(实验稿)》把数学建模纳入了内容标准中,明确指出“高中阶段至少应为学生安排一次数学建模活动”,这标志着数学建模正式进入我国高中数学,也是我国中学数学应用与建模发展的一个里程碑。
二、国内中学数学建模教学的特点
中学数学建模教学在国内的研究现状,概括起来有以下几大特点:
1.数学课程标准中对数学建模已经有了明确的要求:(1)在数学建模中,问题是关键。数学建模的问题应是多样的,应是来自于学生的日常生活、现实世界、其他学科等多方面的问题。同时,解决问题所涉及的知识、思想、方法应与高中数学课程内容有联系。(2)通过数学建模,学生将了解和体会解决实际问题的全过程,体验数学与日常生活及其他学科的联系,感受数学的实用价值,增强应用意识,提高实践能力。(3)每一个学生可以根据自己的生活经验发现并提出问题,对同样的问题,可以发挥自己的特长和个性,从不同的角度、层次探索解决的方法,从而获得综合运用知识和方法解决实际问题的经验,发展创新意识。(4)学生在发现和解决问题的过程中,应学会通过查询资料等手段获取信息。(5)学生在数学建模中应采取各种合作方式解决问题,养成与人交流的习惯,并获得良好的情感体验。(6)高中阶段应至少为学生安排一次数学建模活动。还应将课内与课外有机地结合起来,把数学建模活动与综合实践活动有机地结合起来。
2.在各大师范院校为本科生、研究生开设选修或必修的“中学数学建模”课程的同时,奋战在一线的中学数学教师也开始投身中学数学建模的实践和研究中。
苏州大学数学科学学院的徐稼红教授从1997年开始,为师范毕业班开设了“中学数学建模”选修课,该课受到学生的普遍欢迎和重视,学生反映这门课开得及时,是将中学数学与实际应用紧密联系的一门好课。期间,还为中学数学教师开设“中学数学建模”讲座,也得到了中学老师的充分肯定与好评,对促进中学数学应用的教学起到了积极的推动作用。徐稼红教授还就开设“中学数学建模”课程的意义、教学方法和教学基本内容作了深入探讨和研究。并且在实践中得出结论:“高师数学系设置中学数学建模课程既是必要也是可行的,它是提高高师学生的数学素养,培养未来合格教师的一条重要途径,也是加强高初结合值得探索的一个方向。”
河北师范大学的张硕和杨春宏运用循序渐进的教学原则将中学数学建模能力的培养分为初级、中级和高级三个阶段,对应建模能力将建模题目也分为了三个层次。并指出:“建模能力和建模题目的等级划分不是绝对的,在一定条件下是可以相互转换的。因此,不同类型的中学应该根据各自学校的具体情况,努力研究数学建模教育自身的发展规律,让不同能力阶段的学生,通过开展数学建模活动,得到学数学、用数学的实际体验,培养学生勤于思考,勇于探索的勇气与敢为人先的精神,从而达到全面提高学生素质、增长学生才干的目的”。
北京市数学会从1994年起,组织了“中学数学教学改革和数学建模”讨论班,每两周活动一次,参加讨论班的有不少大学的教授、研究生和几十位中学教师。在市教委教研部和教材编审部的支持和组织下,讨论班的教师开设了多次全市范围的数学建模的公开课和专题讲座,正式出版了数学知识应用的课外活动教材。首都师范大学的数学教育的研究生课程班和一些区县的教师进修学校的数学教师继续教育班,也把数学建模作为必修课。
我国部分中学数学教师也在孜孜不倦地对数学应用与建模的实践进行着有益的探索。比如,北大附中的张思明老师从1993年开始在所教的班的数学教学中渗透数学建模的思想和方法。主要做法是:在课堂教学中,让学生了解所学知识的应用背景,让学生接触并解决一些有真实感的应用问题。在课外活动中为学生介绍一些数学建模的实例,设计了多种形式的数学活动,引导各种水平的学生进行用数学解决生活中实际问题的实践。张思明著的《中学数学建模教学的实践与探索》(1998年)和《数学课题学习的实践与探索》(2003年)两本书,就中学数学建模的内容、意义、开展方法和实例分析作了深入探讨,为一线教师提供了有力参考。2000年,四川省邻水二中在苏州大学武茂庆的指导下,以冯永明、张启凡和刘凤文为代表的数学教师开展了中学数学建模教学与应用的研究和实践。他们以教材为载体,以改革活动方法为突破口,以小组为单位开展建模活动,从生活中的数学问题出发,强化应用意识;从社会热点问题出发,介绍建模方法;通过实践活动或游戏中的数学,从中培养学生的应用意识和数学建模应用能力;以数学建模为手段,激发了学生学习数学的积极性、相互合作的工作能力;以数学建模为核心,培养了学生的动手能力和创新精神,取得了较好的成绩。并在数学通讯和数学教育学报上发表多篇文章总结经验。还有不少教师就中学数学建模的教学原则、教学策略、常见模型、作用和意义等方面进行深入的研究。
3.中学数学建模教学的具体实施困难重重。主要原因有:(1)数学课程标准没有对数学建模的课时和内容作具体安排,也没有统一的教材和规定,这就让一线教师在具体实施过程中漫无边际,无从下手。(2)专门针对中学数学建模的研究起步比较晚,一大批的中学教师在大学期间并没有接受过这方面的教育,对数学建模概念、建模意识、建模意义都很模糊。(3)相应的评价体系并没有建立,在高考的压力面前,学生也不愿花费精力进行建模。
参考文献:
1.严士健,张奠宙,王尚志.普通高中数学课程标准(实验)解读[M].南京:江苏教育出版社,2004.
2.徐稼红.开设“中学数学建模”课程的实践与认识[J].数学教育学报,2000.
3.张硕,杨春宏.谈谈数学建模能力培养的阶段性与题目的层次性[J].数学教育学报,2000.