浅谈如何使初中生理解数学建模

浅谈如何使初中生理解数学建模

贵溪市实验中学龚平德(15879871251)

把实际问题经过抽象转化,构建数学模型,是解决问题的重要途径,是一种“提出问题——解决问题”的认知过程。随着国家基础课程改革的不断深入,要求学生不仅要掌握必要的科学知识,而且还要具备一定的提出问题、分析问题、解决问题的能力。但数学建模的问题还未引起数学教师们的足够重视,教师们仍然重视传授知识,而忽略数学知识与我们周围现实世界的密切联系。学生由于缺乏解决实际问题的锻炼,面对实际问题往往不知从何着手,不知数学模型为何物,更不知面对错综复杂的实际问题如何建立合理的数学模型。

由于“数学建模”比较抽象,初中学生较难理解,所以在整个初中数学的教材内,并未出现过“数学建摸”一词。只是在义务教育课程标准实验教科书数学(北京师范大学出版社)八年级上册第六章《一次函数》的引言部分提到“函数是刻画变量之间关系的常用模型”;第七章《二元一次方程组》的引言中提到“方程(组)是刻画现实世界中的等量关系的有效模型”;在九年级上册第二章《一元二次方程》中的引言中提到“与一次方程和分式方程一样,一元二次方程也是刻画现实问题的有效数学模型”;第五章《反比例函数》的引言中提到“函数是刻画变量之间关系的数学模型”。“模型”一词着实令学生费解,“建立数学模型”就更让学生困惑了。而实质上,新教材从七年级到九年级的编排里一直渗透着数学建模的思想,尤其是在方程和函数方面。而且,数学建模既可以培养学生良好的数学观和方法论,又可以促进学生树立面向实际的眼光和观念,增强学生解决实际问题的能力。所以笔者认为,教师在教学中应抓好数学建模的启蒙教育,使学生理解什么是数学建模,而不是完全避开。

什么是数学建模?当人们面对一个实际问题时,不是直接就现实材料本身寻找解决问题的办法,而是经过一番必要而且合理的假设和简化,恰当地运用数学语言、方法去近似地刻画实际问题,得到一个数学结构(数学模型),通过数学上的结构揭示其实际问题中的含义,合理地返回到实际中去,这个过程就称为数学建模。

数学模型,按广义理解,一切数学概念、数学理论体系、数学公式、方程以及算法系统都可称为数学模型;按狭义理解,数学模型是指解决特定问题的一种数学框架或结构,如二元一次方程是“鸡兔同笼”问题的数学模型,“一笔划”问题是“七桥问题”的数学模型,等等。在一般情况下数学模型按狭义理解,尤其是在初中阶段。

而数学建模,简单的说,建立数学模型的过程就是数学建模,它是一种数学的思考方法,包括对实际问题进行抽象、简化,建立数学模型、求解数学模型、验证数学模型解的全过程。

数学建模的步骤并没有固定模式,不同的人有不同的看法。现就一般情况给出其步骤:它包括模型准备、模型假设、模型建立、模型求解、模型分析、模型检验、模型应用,即

初中数学的建模显然不能具备以上完整过程。从初中生的年龄特点、接受能力、储备知识等实际情况出发,初中数学的建模应从狭义角度来理解,并且要求不能太高。只要学生能对已成型的数学问题,用已掌握的数学知识,建立合适的数学模型,并且求解即可。在教学中必须坚持以学生为主体,不能脱离学生搞一些不切实际的建模教学。

那么,怎样在初中阶段使学生理解数学建模呢?

教师如果能在平时有意识地寻找一些良好的、适当的切入点,就可以使学生更容易地理解和接受数学建模。比如下面这道生活中的实际问题:

【例1】一汽车以100km/h的平均速度沿京沪高速公路从上海驶往北京,共用12.65h,如果返回时的平均速度是110km/h,那么需要行驶多长时间?

这道题学生很可能会用小学列算式的方法来解:

北京到上海的距离为:100×12.65=1265(km)

所以,汽车返回时行驶的时间为:1265&pide;110=11.5(h)

此时,教师应适时地引导学生:“方程与函数也是刻画数量之间关系的数学模型,如何把一些实际问题引入到一个特定的模型,是问题能否得以解决的关键,而其中的建立数学模型的意识更显得尤为重要。这个实际问题如果用方程来解决,即是建立方程模型;如果用函数思想来解决,即是建立函数模型。这就是数学模型。”

使学生理解数学建模还可以从其它相关学科入手。由于数学是学习其它自然科学和社会科学的工具,而且其它学科与数学的联系也相当密切。因此,我们在教学中应注意与其它学科的呼应,这不但可以帮助学生加深对数学建模的理解,也能培养学生的建模意识。这样的模型意识不仅仅是抽象的数学知识,而且对他们将来用数学建模探讨其它学科知识产生深远影响。比如下面这道与物理有关的问题:

生活中的实际问题还可以建立几何模型来解决,诸如工程定位、边角余料加工、拱桥计算、皮带传动、修复破残轮片、跑道的设计与计算等应用问题,涉及一定图形的性质,常需建立几何模型求解。选一些通过建立几何模型来解决的实际问题,也可以帮助学生更好的理解数学建模。比如下面这道有趣的实际问题:

【例3】如图1,足球赛中,一球员带球沿直线逼近球门AB,他应在什么地方起脚射门最为有利?

建立模型这是几何定位问题,根据常识,起脚射门的最佳位置P应该是直线上对AB张角最大的点,此时进球的可能性最大,问题转化为在直线上求点P.使∠APB最大.为此,过A、B两点作圆与直线相切,切点P即为所求.当直线垂直线段PB时,易知P点离球门越近,起脚射门越有利。可见“临门一脚”的功夫理应包括选取起脚射门的最佳位置。

由此,我们可以看到,运用数学建模解决实际问题,关键是把实际问题抽象为数学问题。我们必须先通过观察分析、提炼出实际问题的数学模型,然后再把数学模型纳入某知识系统去处理,这不但要求学生有一定的抽象能力,而且要有相当的观察、分析、综合、类比能力。

学生的这种能力的获得不是一朝一夕的事情,需要把数学建模意识贯穿在整个中学教学的始终,初中只是管中窥豹,为它打下了一些基础。将来学生升入高中或大学再次接受数学建模教育时会发现,原来数学建模的领域如此广泛、要求如此之高。

生活中存在着许许多多能够通过数学建模解决的问题,只要我们用心寻找,就可以找到帮助学生理解数学建模的实际例子。要使学生充分理解数学建模问题,教师要选择适当的实际问题,创设合理的问题情境,自己动手,因地制宜地收集、编制,改造成适合学生使用、贴近学生生活实际的数学建模问题,同时注意问题的开放性与可扩展性,尽可能地创设一些合理、新颖、有趣的问题情境,不仅要使学生理解数学建模,更要激发学生探索数学建模的好奇心和求知欲。

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