數(shù)學(xué)建模的思想和方法的應(yīng)用

1、    數(shù)學(xué)建模的思想和方法的應(yīng)用    郭勝紅摘 要：本文中，筆者首先結(jié)合我國(guó)高數(shù)教學(xué)現(xiàn)狀，分析了建模思想在高等數(shù)學(xué)教學(xué)中的重要性，并且闡述了數(shù)學(xué)建模思想應(yīng)用到教學(xué)中應(yīng)遵循的相關(guān)原則，并結(jié)合具體問題探究建模思想的應(yīng)用價(jià)值，以其能夠產(chǎn)生一定的實(shí)際意義。關(guān)鍵詞：數(shù)學(xué)建模思想；高等數(shù)學(xué)；教學(xué)原則；重要性前言：眾所周知，高等數(shù)學(xué)是高校理工科學(xué)生重要的必修課之一，而且高數(shù)這一學(xué)科往往抽象性強(qiáng)、理論程度深、數(shù)學(xué)規(guī)律和定律較多，在教學(xué)時(shí)比較枯燥乏味，致使學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性不高。并且很多學(xué)生認(rèn)為，高等數(shù)學(xué)是一門“無用”的課程，生活中難以讓高等數(shù)學(xué)產(chǎn)生一定的實(shí)用價(jià)值。作為

2、高等數(shù)學(xué)教學(xué)及解題過程中的重要思想和方法，數(shù)學(xué)建模思想對(duì)于高效的解決各類復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題至關(guān)重要。常見的微積分、導(dǎo)數(shù)等數(shù)學(xué)概念往往都比較抽象，運(yùn)用建模思想則可以讓其具象化。在解決實(shí)際數(shù)學(xué)問題的應(yīng)用過程中，建模思想的作用更加突出。一、建模思想在高等數(shù)學(xué)教學(xué)中的重要性建模，顧名思義就是建立模型，在高等數(shù)學(xué)教學(xué)過程中，建模的過程往往是對(duì)一個(gè)具體的對(duì)象，為了達(dá)到某種目的，遵照其內(nèi)外規(guī)律，對(duì)復(fù)雜的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)做出進(jìn)一步的簡(jiǎn)化，提出假設(shè)，并利用合理的數(shù)學(xué)工具或者公式，通過正確的運(yùn)算，來構(gòu)建成為一種數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)單的說，建模就是通過數(shù)學(xué)公式或者圖形等數(shù)學(xué)語(yǔ)言來對(duì)數(shù)學(xué)問題和現(xiàn)象進(jìn)行的描述。隨著高校高數(shù)教育教學(xué)的發(fā)

3、展，高數(shù)建模思想也在不斷發(fā)展。但是從實(shí)際情況來看，我國(guó)高數(shù)教學(xué)創(chuàng)新理念不高，教學(xué)方式單一，枯燥無聊的數(shù)學(xué)課堂讓學(xué)生們提不起興趣，最終影響了學(xué)生思維的靈活性和個(gè)性化成長(zhǎng)。因此，新時(shí)期的高數(shù)教學(xué)中，需要不斷增加和融入了數(shù)學(xué)建模思想，對(duì)于學(xué)生思維活性和數(shù)學(xué)創(chuàng)新能力的發(fā)揮作用明顯。學(xué)生在數(shù)學(xué)教師的引導(dǎo)下，積極進(jìn)行數(shù)學(xué)創(chuàng)新，并主動(dòng)發(fā)現(xiàn)、分析和處理相應(yīng)的實(shí)際問題，大大提高了高等數(shù)學(xué)的教學(xué)效率和質(zhì)量水平。建模思想對(duì)于高等數(shù)學(xué)整體教學(xué)水平的提升具有深遠(yuǎn)的意義。二、數(shù)學(xué)建模思想應(yīng)用到教學(xué)中應(yīng)遵循的原則1.實(shí)例要簡(jiǎn)明易懂在實(shí)際的數(shù)學(xué)教學(xué)過程中，雖然模型建立至關(guān)重要，但是對(duì)于模型實(shí)例來講，應(yīng)當(dāng)是簡(jiǎn)明易懂的。由于數(shù)學(xué)

4、學(xué)習(xí)具有較強(qiáng)的理論性、規(guī)律性和邏輯性，甚至有些定理比較晦澀，因此教師應(yīng)當(dāng)積極借助相關(guān)的生活實(shí)例來展開教學(xué)，簡(jiǎn)明的生活實(shí)例能夠幫助學(xué)生深入淺出的進(jìn)行學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生們對(duì)數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)熱情，循序漸進(jìn)的引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)際問題分析入手，探究其中的數(shù)學(xué)內(nèi)涵與奧妙，并深刻理解和掌握知識(shí)。尤其是對(duì)于微積分和該類方面，教師要深化學(xué)生的學(xué)習(xí)理念，提高學(xué)生的建模意識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的重要性，并展開深入的學(xué)習(xí)。2.堅(jiān)持因材施教任何學(xué)科的教學(xué)都應(yīng)當(dāng)注重因材施教，針對(duì)學(xué)生特點(diǎn)進(jìn)行個(gè)性化的、有針對(duì)性的教育，而且由于各個(gè)學(xué)校教學(xué)都有其自身特征，對(duì)于理工科專業(yè)和文史專業(yè)而言，高數(shù)教學(xué)的模式和方法應(yīng)當(dāng)是有所差異的。為了提高數(shù)學(xué)建

5、模思想在教學(xué)中的應(yīng)用，高數(shù)教學(xué)應(yīng)當(dāng)做到因材施教，提高教學(xué)的實(shí)效性，并在教學(xué)過程中積極開展科研工作，不斷發(fā)現(xiàn)、分析、處理和解決問題，提高教學(xué)質(zhì)量。3.教師應(yīng)編寫可以融入的教學(xué)單元在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的今天，教師可以借助互聯(lián)網(wǎng)資源或技術(shù)，積極分析高數(shù)課程教學(xué)實(shí)際問題，并建立和挖掘數(shù)學(xué)建模的素材，對(duì)高數(shù)教學(xué)從問題陳述、建模、求解、驗(yàn)證等過程進(jìn)行研究與思考，并將其與現(xiàn)有的教學(xué)單元有效融入，幫助教師進(jìn)行教學(xué)與科研，進(jìn)而提升單元教學(xué)水平，促進(jìn)教師教學(xué)風(fēng)格的塑造與教學(xué)水準(zhǔn)的提高。4.對(duì)新生要進(jìn)行重點(diǎn)教學(xué)對(duì)于新入學(xué)的學(xué)生，即大一秋學(xué)期的學(xué)生應(yīng)當(dāng)積極開展數(shù)學(xué)建模思想意識(shí)強(qiáng)化，幫助學(xué)生建立并形成數(shù)學(xué)建模的正確思維模式，由

6、易到難的引導(dǎo)學(xué)生利用建模實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行分析與探究，引導(dǎo)學(xué)生理解高數(shù)對(duì)生活的重要作用，并結(jié)合一定的理念強(qiáng)化和理論知識(shí)灌輸，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到建模思維在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中的重要性。三、建模思想在高等數(shù)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用1.在概念教學(xué)中運(yùn)用建模思想高數(shù)中的概念較多，這無形中增加了學(xué)生對(duì)高數(shù)學(xué)習(xí)的難度。加上概念本身所具有的抽象性，讓學(xué)生理解起來較為困難，其記憶的難度也同樣予以增加。很多學(xué)生在學(xué)習(xí)高數(shù)的概念的時(shí)候往往會(huì)出現(xiàn)畏難情緒，容易讓其本身的學(xué)習(xí)積極性受到打擊。教師在進(jìn)行概念教學(xué)時(shí)候融入建模思想，則可以讓學(xué)生的學(xué)習(xí)更加形象化、具體化，有助于學(xué)生對(duì)概念的進(jìn)一步了解和認(rèn)識(shí)。比如，筆者在講授定積分概念的時(shí)候，便建立了兩

7、個(gè)模型。（1）求變速直線運(yùn)動(dòng)的路程；（2）變力沿直線做功。對(duì)于問題（1）的求解，其可以利用公式：路程=速度×時(shí)間進(jìn)行求解，但是此時(shí)問題的關(guān)鍵便在于速度的可變性。于是，教師在進(jìn)行教學(xué)的時(shí)候便可以考慮“化整為零”，將時(shí)間段進(jìn)行小區(qū)間劃分，將其進(jìn)行足夠小時(shí)的分割，讓每一個(gè)小區(qū)間段的速度接近一個(gè)常數(shù)，用這一小段的時(shí)間乘以速度。這樣可以將每個(gè)小段內(nèi)的路程相加得到路程的相似值。當(dāng)然，如果想要得到更加精準(zhǔn)的數(shù)值，則需要將時(shí)間進(jìn)行更加精細(xì)的分割，其劃分越細(xì)得到的數(shù)值越精確。通過計(jì)算我們可以得到路程的表達(dá)式為：此表達(dá)式中v（t）是速度函數(shù)， fi是分割后的小段時(shí)間間隔，ti-1，ti 上任意選取一個(gè)時(shí)

8、刻，ti則是各個(gè)小段時(shí)間長(zhǎng)， 是各個(gè)小段時(shí)間間隔中最大者。由此，可以得到問題（2）的表達(dá)式：學(xué)生通過這兩個(gè)表達(dá)式可以對(duì)定積分的定義有所認(rèn)識(shí)，也能夠通過自我總結(jié)了解到定積分的概念。2.課外習(xí)題中對(duì)建模思想的應(yīng)用簡(jiǎn)單課堂中的教學(xué)難以讓學(xué)生真正認(rèn)識(shí)到建模思想的重要性，教師還需要將課堂踐行延伸，讓學(xué)生能夠在進(jìn)行習(xí)題練習(xí)的時(shí)候?qū)Ｋ枷脒M(jìn)行靈活應(yīng)用，一方面讓學(xué)生能夠?qū)λ鶎W(xué)習(xí)的知識(shí)進(jìn)行鞏固，另一方面還能夠讓學(xué)生感受到高數(shù)學(xué)習(xí)的樂趣，同時(shí)還能夠讓學(xué)生感受到高數(shù)在解決實(shí)際問題方面的重要價(jià)值。比如，教師在進(jìn)行微積分教學(xué)的時(shí)候便可以運(yùn)用“嫌疑犯確定”的習(xí)題讓學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到提升。某晚7：30分，發(fā)現(xiàn)一名被害者尸

9、體，法醫(yī)于晚上8：20趕到案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)，測(cè)得被害者體溫為32.6；1小時(shí)候后，該尸體被抬走，此時(shí)尸體溫度為31.4，室內(nèi)溫度在此過程中始終保持在21.1。經(jīng)排查，嫌疑最大者為李某，但是李某辯稱自己無罪，并提供了證人說“下午李某一直和其在一起，5：00時(shí)候接到一個(gè)電話才離開”。而李某到被害人處僅需要5分鐘時(shí)間，通過以上條件，請(qǐng)判斷李某是不是殺人犯？此題目能夠最大化的激發(fā)學(xué)生好奇心，能夠讓學(xué)生將所學(xué)習(xí)的知識(shí)與問題結(jié)合在一起。通過牛頓冷卻定律，我們可以知道，系統(tǒng)與環(huán)境的溫差不大的情況下，系統(tǒng)溫度變化率與系統(tǒng)溫度和環(huán)境溫度之差成正比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：其中t為系統(tǒng)溫度，t0為環(huán)境溫度，t為客觀時(shí)間，k為散熱系數(shù)。我們將尸體看成一系統(tǒng)，環(huán)境為死者的家，那么尸體的溫度變化就會(huì)服從牛頓冷卻定律。晚上8：20則成為t=0時(shí)刻，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以得出：t（0）=32.6，t（1）=31.4如果死者死亡時(shí)候的體溫正常，那么t（t0）=37，確定死者的死亡時(shí)間t0，即求t（t）=37的解。如果李某在t0時(shí)間范圍內(nèi)沒有與證人在一起，那么李某的嫌疑則不能夠被排除。高數(shù)的計(jì)算題轉(zhuǎn)變成為一道有趣的懸疑題，可以讓學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣高漲，可以讓學(xué)生溫習(xí)所學(xué)習(xí)的知識(shí)，可以讓學(xué)生們認(rèn)識(shí)到建模思想的作用。結(jié)語(yǔ)：建模思想的應(yīng)用讓學(xué)生們的學(xué)習(xí)思維予以拓展，讓學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣得到提升，有助于學(xué)生們對(duì)高數(shù)的靈活應(yīng)