引言:数学学科是高中阶段的基础课程,具有逻辑严密、抽象度较高、应用广泛等特点。数学建模作为数学学科的六大核心素养之一,是将抽象的数学知识与现实世界联系在一起的重要工具。随着教育改革的不断深化,建模教学越发重要,因此,对于新高考背景下的高中数学建模教学策略研究有着鲜明现实意义。
一、高中数学建模教学及其开展的重要性
数学建模是数学学习活动中较为重要的数学能力之一,主要是通过数学建模将现实中的实际问题进行数学抽象化,并通过相应的数学语言表达此类问题,以此完成数学模型的构建,然后借助数学知识和数学方法对数学模型进行求解,最后根据所得结果解决现实中的实际问题。数学建模对于学生的综合素质要求较高,具有较强的数学学科应用性和广泛性。高中数学建模教学环节主要由教师根据教学进度创建实际问题情境,并逐步引导学生认识、了解问题情境的实质内容并应用数学语言进行具体描述,然后根据相应描述抽象简化为数学模型,利用自身所学数学知识解答数学模型,最终解答实际问题,完成检验和完善数学模型。
在高中阶段开展数学建模教学活动,是我国高中教育工作的一项重要改革措施,也是培养学生综合能力的重要举措。首先,数学建模教学活动在锻炼学生的发散性思考模式和逻辑思维能力方面具有重要意义,可帮助学生建立缜密的思维方式,为学生的未来生活方式打下良好基础。其次,在数学建模过程中,不断应用信息化技术可以提升学生的信息技术能力,促进学生多方面发展。最后,数学建模解决实际问题,强化了数学学习活动对于学生的吸引力,提升了学生的学习热情,有效促进其进行自主学习。
二、新高考背景下的高中数学建模教学策略
(一)融入课堂,以概念体系推动深度关联
课堂是培养建模素养的第一场所,准确分析教材中与建模相关的教学资源是进行概念体系设计的前提,教师要善于从各类情境中发现建模素材和资源。课堂作为数学建模培育的主阵地,教学设计、概念生成、习题讲解、拓展阅读等都将数学建模作为良好契机融入课堂。高中数学教材中包含的知识面较为广泛,零散的知识难以培育核心素养,因此教师要充分挖掘与集合、函数、等差数列、不等式等多个数学知识相关联的生活问题,引导学生运用数学建模开展探究学习、小组学习、调查学习等,增强学生的数学学科素养。
以数学建模专题为例,其中“乐音频率与等比数列”与“易拉罐的优化设计”属于函数体系,“冰川融化模型”属于几何与代数体系,“体重与脉搏的数据拟合模型”属于概率与统计体系。统计表明,新教材中有关建模问题解决所采用的模型主要是指数函数模型、线性模型和三角函数模型,因此,教师要善于通过概念体系化,让学生了解认知目标,在不断整合细碎和零散的建模过程中降低学习难度,并逐渐形成系统的概念体系。
(二)注重情境,提升学生的学习兴趣
数学建模课程的展开需要以现实生活问题为情境,注重提高学生团队协作和解决实际问题的能力。教师要善于组织形式多样的课题研究,以真实情境为基础,将学生的生活经验与教学活动实现有效联结。从发现问题、确定研究对象、构建模型,到完成建模环节,学生应自主组建团队,分工合作,在建模、写作、计算等方面协同合作,寻求解决问题的最优方案,并通过高阶思维训练提高数学建模的意识和素养。
以数学建模校本课程为例,其中有一个章节将“图书馆购书计划”的实际问题作为项目主题。在这一教学过程中,教师可引导学生切实思考本校图书馆购书模型。学生通过分析学校图书馆历年购书数据,综合考虑读者数量、兴趣特点以及图书价格等在购书过程中的影响因素,建立采购经费分配与选择决策模型,利用Python开发出图书馆购书决策软件。Python等技术的学习至关重要,数学建模中数据的处理、模型的求解离不开计算机,学生一定要提前选择性地掌握Spss、Excle、Mathematical等软件的使用和Python编程语言。建立模型利用Python开发出来的软件往往具有最终完成性,决策者只需要根据设置好的权重计算公式,输入学校采购图书中相关的影响数据(包括投资金额、重点学科、常用书籍、教辅用书、技能类图书等),系统就会在综合分析各种影响因素的基础上,给出优化分配方案,为学校购书优化提供数据决策参考。通过让学生切实参与到学校图书馆的购书模型的设计,有效提高了学生的学习效率,促进了学生建模素养的培养。
(三)迁移应用,强化跨学科问题解决能力
“迁移应用”的学习可有效帮助学生掌握此类知识,提高学生跨学科解决问题的能力。数学建模对结构不良问题的解决具有独特优势,教师要根据学生学情,准确把握各类数学模型问题的深度和难度。在充分理解数学模型的基础上,教师要引导学生学会“迁移”学习,善于从一类问题、情境、模型迁移到另一类。在这个过程中,学生的逻辑推理思维、数学运算思维、数据分析思维将得到有效锻炼,学生的独立思考能力和自主学习能力也明显提升。以“人口增长对城市房价走势的预测”建模项目为例,通过梳理文献可知,此类问题可以参考的模型有很多,比如随机森林模型、多元线性、神经网络及机器学习等。因此,教师可引导学生将已学过的模型知识运用到“城市房价走势的预测”的问题解决上。在具体的教学过程中,教师须结合本校学生的知识水平进行适当改进,比如简化问题情境、预备理论知识等,要求学生快速确立模型,完成“家乡的房价走势预测”的任务要求,并启发学生进行自我评价,以自主反思引导自主学习。
结论:高中数学建模在培养学生数学思维、提升学习能力、强化学科素养等方面有很大帮助,因此得到了广大教育工作者的高度重视。但受传统教育环境的影响,高中数学建模教学模式的推广还存在一定的障碍,因此,改进高中数学建模教学效率逐渐成为当前教育改革工作的重点内容。为培养学生的数学建模素养,在实际教学中不仅要注重丰富学生的知识经验,而且要提倡创新学习方式。与此同时,还要引导学生提高信息技术的运用,逐步唤醒学生的建模意识,激发其参与数学建模的动机。总之,多措并举才能有效推进高中数学建模教学的有效展开。
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