陳 燕
(閩江師范高等??茖W(xué)校,福建 福州 350117)
小學(xué)數(shù)學(xué)建模:概念解讀、現(xiàn)狀分析與未來(lái)展望
——基于課題研究與數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)培養(yǎng)的分析與思考
陳 燕
(閩江師范高等??茖W(xué)校,福建 福州 350117)
人類社會(huì)正全面步入定量化、數(shù)量化和數(shù)字化的時(shí)代,未來(lái)將屬于數(shù)學(xué)建模的時(shí)代。當(dāng)下小學(xué)數(shù)學(xué)建模存在流于應(yīng)試的數(shù)學(xué)教育模式,對(duì)數(shù)學(xué)建模存在理解誤區(qū),并未引起社會(huì)的廣泛重視與參與。為此,未來(lái)小學(xué)數(shù)學(xué)建模要朝如下幾個(gè)方向努力:讀懂、讀透新課標(biāo)與教材,注重培養(yǎng)數(shù)學(xué)模型意識(shí)和數(shù)學(xué)建模能力;以課堂教學(xué)為主線,課堂教學(xué)活動(dòng)始終不離數(shù)學(xué)建模;大膽拓展,積極推進(jìn)課外數(shù)學(xué)建模系列活動(dòng);改進(jìn)數(shù)學(xué)教學(xué)評(píng)價(jià)體系,促進(jìn)數(shù)學(xué)建??茖W(xué)化。
數(shù)學(xué)建模;模型思想;數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)
今天的數(shù)學(xué)憑借現(xiàn)代化電子信息技術(shù)手段,使得各種自然與社會(huì)現(xiàn)象得以更加精準(zhǔn)地模擬和詮釋。數(shù)學(xué)建模更是讓數(shù)學(xué)從工具學(xué)科迅速蛻變成為核心技術(shù),并以空前的廣度、深度和速度,向自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域滲透。人類社會(huì)正全面步入定量化、數(shù)量化和數(shù)字化的時(shí)代,從這個(gè)意義上說(shuō),未來(lái)將是屬于數(shù)學(xué)建模的時(shí)代。
數(shù)學(xué)建模(又稱數(shù)學(xué)模型方法),就是指把要解決的實(shí)際問(wèn)題,先進(jìn)行必要的抽象、簡(jiǎn)化以及恰當(dāng)?shù)募僭O(shè),再通過(guò)刻劃各變量、常量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)(即數(shù)學(xué)模型),然后利用各種算法求解這個(gè)數(shù)學(xué)模型,并將求解結(jié)果返回到實(shí)際問(wèn)題中去檢驗(yàn),最后使得實(shí)際問(wèn)題得到解決或解釋,乃至進(jìn)一步拓展與推廣的過(guò)程。以上是較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)建模過(guò)程,簡(jiǎn)單的說(shuō),數(shù)學(xué)建模就是通過(guò)“建立數(shù)學(xué)模型”——“求解數(shù)學(xué)模型”——“應(yīng)用數(shù)學(xué)模型”的過(guò)程來(lái)解決問(wèn)題的一種方法、手段和途徑。這里所說(shuō)的“數(shù)學(xué)建?!辈坏韧凇敖?shù)學(xué)模型”,“建立數(shù)學(xué)模型”是數(shù)學(xué)建模中最為關(guān)鍵、最為困難的一個(gè)環(huán)節(jié),它是把紛繁復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為合理數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)的過(guò)程。比如歐拉把七橋問(wèn)題抽象、簡(jiǎn)化成能否一筆畫的問(wèn)題的過(guò)程就是“建立數(shù)學(xué)模型”的過(guò)程。通過(guò)數(shù)學(xué)建??梢耘囵B(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)建模能力,主要包括:閱讀理解、數(shù)學(xué)化、邏輯推理、計(jì)算、寫作、語(yǔ)言表達(dá)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作以及自我監(jiān)控的能力等。
何謂模型思想?模型思想就是指通過(guò)數(shù)學(xué)建模當(dāng)然也應(yīng)包括直接應(yīng)用數(shù)學(xué)模型來(lái)解決問(wèn)題的一種思維方式。模型思想作為《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》唯一的一個(gè)在十大核心概念中提出的數(shù)學(xué)思想,足以看出模型思想的一般性與重要性。史寧中教授在《數(shù)學(xué)思想概論》一書中從數(shù)學(xué)產(chǎn)生、數(shù)學(xué)內(nèi)部發(fā)展、數(shù)學(xué)外部關(guān)聯(lián)這三個(gè)維度概括出對(duì)數(shù)學(xué)發(fā)展影響最大的思想有:抽象、推理、模型這三個(gè)。數(shù)學(xué)建模與這三大基礎(chǔ)思想之間的關(guān)系如下圖所示:
數(shù)學(xué)建模發(fā)端于1978年前后的英國(guó),現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為世界大學(xué)數(shù)學(xué)建模聯(lián)賽。我國(guó)每年一屆的全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽參賽規(guī)模,也以年平均25%以上的速度增長(zhǎng)。盡管世界各國(guó)越來(lái)越意識(shí)到數(shù)學(xué)建模的重要性,目前我國(guó)乃至世界范圍內(nèi)的小學(xué)階段進(jìn)行數(shù)學(xué)建模專項(xiàng)研究的還是少之又少。
基于筆者主持在研的省級(jí)課題“高職師范專業(yè)數(shù)學(xué)建模階梯式內(nèi)容體系研究”的需要,主要面向福建省的省、市、區(qū)、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學(xué)發(fā)放的1269份有關(guān)小學(xué)數(shù)學(xué)教師的數(shù)學(xué)建模現(xiàn)狀的調(diào)研結(jié)果顯示:有62.73%的教師走上崗位之前沒(méi)有上過(guò)數(shù)學(xué)建模課程,而只有8.35%的教師參加過(guò)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模比賽。59.18%的教師聽過(guò)數(shù)學(xué)建?;蚰P退枷氲闹v座。摘錄其中第11題、12題,分別就答題情況分析如下:
第11題:您對(duì)以下哪些概念比較了解?[多選題]
第12題:您清楚上一題中這些概念之間的區(qū)別和聯(lián)系嗎?[單選題]
調(diào)查數(shù)據(jù)還表明:73.92%的教師時(shí)常有意識(shí)地從學(xué)生的實(shí)際情況去設(shè)計(jì)教學(xué);77.15%的教師教學(xué)中會(huì)注重挖掘數(shù)學(xué)與生活的聯(lián)系;而55.08%的教師會(huì)因?yàn)檎n時(shí)緊,壓縮講解新知識(shí)的時(shí)間,也就是減少過(guò)程,直接告訴學(xué)生概念、原理、公式,然后通過(guò)較多的練習(xí)來(lái)訓(xùn)練學(xué)生掌握解題技能。有65.25%的教師在實(shí)際教學(xué)中往往因?yàn)檎n時(shí)緊無(wú)法兼顧結(jié)果與過(guò)程;只有42.24%的教師在教學(xué)中有意識(shí)引導(dǎo)學(xué)生感悟數(shù)學(xué)思想方法。
綜合各方面的調(diào)查研究,當(dāng)下我國(guó)小學(xué)數(shù)學(xué)建模的現(xiàn)狀主要有:
(一)流于應(yīng)試的數(shù)學(xué)教育模式,培養(yǎng)出來(lái)的學(xué)生依然高分低能
從調(diào)研分析可以看出,我省基礎(chǔ)教育課程改革取得不小的成效,但是我們同時(shí)也看到,受應(yīng)試教育的影響,當(dāng)前我省小學(xué)數(shù)學(xué)教育仍然存在片面追求高分的急功近利現(xiàn)象。課時(shí)緊、難以兼顧過(guò)程與結(jié)果,重記憶輕理解、重知識(shí)輕方法、重理論輕應(yīng)用的教、學(xué)以及評(píng)價(jià)模式影響根深蒂固,造成我省學(xué)生(包括小學(xué)生)普遍擅長(zhǎng)求解數(shù)學(xué)模型與機(jī)械套模,卻欠缺主動(dòng)尋找問(wèn)題、建立數(shù)學(xué)模型以及運(yùn)用數(shù)學(xué)模型解決實(shí)際問(wèn)題的能力的主要原因之所在。
(二)對(duì)數(shù)學(xué)建模相關(guān)概念、理念認(rèn)識(shí)模糊,對(duì)數(shù)學(xué)建模存在理解誤區(qū)
調(diào)研表明,不少小學(xué)數(shù)學(xué)教師包括教研員在內(nèi),對(duì)模型、數(shù)學(xué)模型、建立模型、數(shù)學(xué)建模、模型思想等相關(guān)、相近概念認(rèn)識(shí)模糊、相互混淆,對(duì)數(shù)學(xué)建模也存在兩種比較極端的片面理解,現(xiàn)分析解讀如下:
誤區(qū)一:有些教師認(rèn)為,數(shù)學(xué)建模與解應(yīng)用題無(wú)關(guān)。
應(yīng)用題一:15條金魚,每個(gè)魚缸里放5條,要用幾個(gè)魚缸?——實(shí)際問(wèn)題
想15里面有幾個(gè)5?——數(shù)學(xué)化
15÷5——數(shù)學(xué)模型
=3(個(gè))——數(shù)學(xué)模型的解
答:要用3個(gè)魚缸?!獙?shí)際問(wèn)題的解
“麻雀雖小,五臟俱全”,每一道應(yīng)用題的解答都濃縮著數(shù)學(xué)建模的過(guò)程。解應(yīng)用題是培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)建模能力的最好載體,應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生從數(shù)學(xué)建模角度解讀每一道應(yīng)用題,感悟、體驗(yàn)?zāi)P退枷耄e累與數(shù)學(xué)建?;顒?dòng)相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)。
誤區(qū)二:有的教師認(rèn)為數(shù)學(xué)建模就是解應(yīng)用題。
應(yīng)用題二:某水果種植戶從采摘回來(lái)的總質(zhì)量為若干千克的某類水果中隨機(jī)抽取了若干個(gè),并稱出其質(zhì)量。第一個(gè)問(wèn)題是估計(jì)這批水果單個(gè)的平均質(zhì)量;第二個(gè)問(wèn)題是給出該水果評(píng)定為優(yōu)級(jí)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),試估計(jì)這批水果中優(yōu)級(jí)水果的占比以及總質(zhì)量。
像這樣僅僅給數(shù)學(xué)披上一件現(xiàn)實(shí)外衣的冷冰冰的應(yīng)用題,即使再做上1000道也無(wú)益于提升解決生活實(shí)際中問(wèn)題的能力。如果嘗試將這道題還原到現(xiàn)實(shí)生活中,比如:某水果種植戶采摘了一批水果,現(xiàn)在有一家水果公司要全部買走這批水果,該種植戶應(yīng)該如何來(lái)定價(jià)呢?請(qǐng)給出一個(gè)合理的解決方案。這樣的問(wèn)題呈現(xiàn)就是基于現(xiàn)實(shí)意義適合中小學(xué)生建模的有溫度、有一定難度的好素材了。而通過(guò)對(duì)實(shí)際問(wèn)題的求解過(guò)程,也就能很好地理解原先的那道應(yīng)用題所設(shè)置的兩個(gè)小問(wèn)題的意義和價(jià)值之所在。
實(shí)際教學(xué)中所呈現(xiàn)的問(wèn)題往往是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化處理,呈現(xiàn)出來(lái)的情境簡(jiǎn)約、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單、語(yǔ)言精練,能一目了然地知道已知條件與所求的問(wèn)題,這樣的問(wèn)題與實(shí)際問(wèn)題相距甚遠(yuǎn)。教師應(yīng)當(dāng)適當(dāng)改變問(wèn)題呈現(xiàn)方式或換個(gè)角度思考問(wèn)題,使得問(wèn)題設(shè)計(jì)與解決能夠真正體現(xiàn)數(shù)學(xué)建模的核心價(jià)值——通過(guò)解決一道題從而解決一類題。
(三)小學(xué)數(shù)學(xué)建模并未引起社會(huì)的廣泛重視與參與
相關(guān)調(diào)研還表明,大多數(shù)小學(xué)數(shù)學(xué)教師沒(méi)有職前參加數(shù)學(xué)建模的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),職后的培訓(xùn)也通常只局限于常識(shí)性的了解,所以自身指導(dǎo)開展數(shù)學(xué)建?;顒?dòng)的能力有限,再加上由于小學(xué)階段學(xué)生的認(rèn)知水平、心理素質(zhì)以及現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用能力有限等因素,決定了小學(xué)數(shù)學(xué)建模的形式、內(nèi)容、程度要與更高層次的初高中、大學(xué)生開展數(shù)學(xué)建模區(qū)分開來(lái)。而目前在小學(xué)數(shù)學(xué)建模可行性的教學(xué)模式探索、適用性教材編寫以及小學(xué)生數(shù)學(xué)建模實(shí)用工具包的開發(fā)、小學(xué)數(shù)學(xué)建模師資的培訓(xùn)等方面的研究與投入更是少之又少。當(dāng)前小學(xué)數(shù)學(xué)建模缺乏專家引領(lǐng),缺少經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與交流的平臺(tái)等也都是阻礙小學(xué)數(shù)學(xué)建模推進(jìn)的因素??傊?,小學(xué)數(shù)學(xué)建模并沒(méi)有引起社會(huì)相關(guān)領(lǐng)域的廣泛重視與參與。
但是從調(diào)查中(如下表所示),也可喜地看到隨著當(dāng)前高校數(shù)學(xué)建模課程的普及,越來(lái)越多年輕的小學(xué)數(shù)學(xué)教師對(duì)數(shù)學(xué)建模課程的了解也越來(lái)越深入,這些都為將來(lái)更好地推進(jìn)小學(xué)數(shù)學(xué)建模帶來(lái)師資儲(chǔ)備。
史寧中教授在《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》“十大核心概念”的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)。他認(rèn)為數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)就是具有數(shù)學(xué)基本特征的、適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的人的、具有數(shù)學(xué)特征的關(guān)鍵能力與思維品質(zhì);其終極目標(biāo)就是讓學(xué)生學(xué)會(huì)用數(shù)學(xué)的眼光觀察現(xiàn)實(shí)世界,會(huì)用數(shù)學(xué)的思維思考現(xiàn)實(shí)世界,會(huì)用數(shù)學(xué)的語(yǔ)言表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界。因此,數(shù)學(xué)建模有關(guān)的能力與思維品質(zhì)就是當(dāng)前數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)的重要組成部分?;诖?,推動(dòng)小學(xué)數(shù)學(xué)建模可以考慮從以下幾個(gè)方面加以落實(shí):
1.讀懂、讀透新課標(biāo)與教材,注重培養(yǎng)數(shù)學(xué)模型意識(shí)和數(shù)學(xué)建模能力
與傳統(tǒng)教材相比,新課改之后的教材(以人教版2011版為例,下同)顯著變化之一就是改變了應(yīng)用題呈現(xiàn)方式與設(shè)計(jì)意圖,從“集中”到“分散”再到“分散+局部集中”,從單純的解應(yīng)用題模式訓(xùn)練到分散到各個(gè)領(lǐng)域經(jīng)歷完整的問(wèn)題解決的過(guò)程,也就是倡導(dǎo)從機(jī)械的套模、用模到經(jīng)歷數(shù)學(xué)建模的全過(guò)程。教材每一章配套的問(wèn)題解決模塊從第一學(xué)段“知道了什么?——怎樣解答?——解答正確嗎?”到第二學(xué)段“閱讀理解——分析解答——回顧反思”逐步深入、螺旋上升。從一年級(jí)開始就有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生從讀懂圖意到讀懂題意,再到排除干擾因素、去掉多余條件,逐步培養(yǎng)從現(xiàn)實(shí)、具體的問(wèn)題情境中解讀、提取有效的數(shù)學(xué)信息,發(fā)展運(yùn)用多種方法和策略解決問(wèn)題的能力,并在檢驗(yàn)解答是否正確之余,還注重引導(dǎo)學(xué)生適時(shí)對(duì)解題思路、方法策略進(jìn)行回顧與反思,進(jìn)一步感悟數(shù)學(xué)思想、積累相關(guān)活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)。這些無(wú)一不與數(shù)學(xué)建模能力培養(yǎng)以及模型思想的感悟與應(yīng)用有關(guān)。
從“雙基”——“四基”,從“兩能”——“四能”,從“解決問(wèn)題”——“問(wèn)題解決”,教師要讀懂新課標(biāo)相關(guān)理念,理清、讀透教材的編排意圖。同時(shí)建議在第二學(xué)段的教材中適當(dāng)設(shè)置一些涵蓋多方信息的實(shí)際應(yīng)用仿真開放題,做好數(shù)學(xué)建模小初銜接,從“小學(xué)”到“大學(xué)”實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)建模一貫式培養(yǎng)。
2.以課堂教學(xué)為主線,課堂教學(xué)活動(dòng)始終不離數(shù)學(xué)建模
教師一方面應(yīng)有意識(shí)地讓學(xué)生在廣義的數(shù)學(xué)模型(數(shù)學(xué)概念、公式、規(guī)律、法則、方程式和算法系統(tǒng)等)學(xué)習(xí)的過(guò)程中,多經(jīng)歷“問(wèn)題情境——抽象、簡(jiǎn)化或猜想——建立模型——驗(yàn)證與解釋——應(yīng)用模型”(有時(shí)還要經(jīng)歷“拓展模型——再建模型”)的教學(xué)模式,充分體驗(yàn)數(shù)學(xué)建模過(guò)程,掌握數(shù)學(xué)建模相關(guān)的方法和技巧,積累數(shù)學(xué)建模經(jīng)驗(yàn)。另一方面應(yīng)重視經(jīng)典數(shù)學(xué)模型(如雞兔同籠、植樹問(wèn)題、鴿巢問(wèn)題等)的教學(xué),著重圍繞數(shù)學(xué)建模與模型思想進(jìn)行深入挖掘和設(shè)計(jì),除了讓學(xué)生經(jīng)歷數(shù)學(xué)建模的全過(guò)程,也應(yīng)重視為學(xué)生提供用模的機(jī)會(huì),實(shí)現(xiàn)通過(guò)一道題解決一類題,感悟、體驗(yàn)數(shù)學(xué)模型思想,體會(huì)數(shù)學(xué)建模以及模型思想的意義和價(jià)值。
3.大膽拓展,積極推進(jìn)課外數(shù)學(xué)建模系列活動(dòng)
可以嘗試從以下幾個(gè)方面進(jìn)行:(1)圍繞特定知識(shí)點(diǎn)同步設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)建模題目,初步體驗(yàn)數(shù)學(xué)建模全過(guò)程。例如在學(xué)了《圓的周長(zhǎng)》之后,可以組織學(xué)生開展用“滾圈法”估測(cè)學(xué)校操場(chǎng)環(huán)形跑道外圈長(zhǎng)度的活動(dòng)。(2)圍繞生活中的實(shí)際問(wèn)題開展數(shù)學(xué)建模活動(dòng)。例如可以利用周末或假期嘗試形成諸如“水果商堆積水果中的學(xué)問(wèn)”等有價(jià)值的調(diào)查報(bào)告。(3)以“數(shù)學(xué)步道”為主題面向全校師生開展數(shù)學(xué)建模活動(dòng)。讓學(xué)生甚至家長(zhǎng)一起參與挑戰(zhàn)數(shù)學(xué)步道闖關(guān)游戲,還可以通過(guò)提供圖片及數(shù)據(jù)進(jìn)行校園吉尼斯師生、家校數(shù)學(xué)步道設(shè)計(jì)大比拼等活動(dòng),培養(yǎng)師生發(fā)現(xiàn)、提出、分析、解決實(shí)際問(wèn)題的意識(shí)與能力。(4)結(jié)合綜合實(shí)踐活動(dòng),開設(shè)不同主題的數(shù)學(xué)建?;顒?dòng)。福州臺(tái)四小葉武平老師主持的課題組曾面向1至6年級(jí)的師生開展園藝種植綜合實(shí)踐活動(dòng),從科學(xué)、數(shù)學(xué)、信息技術(shù)等多學(xué)科視角切入并嘗試跨學(xué)科融合。該團(tuán)隊(duì)示范的《厘米的認(rèn)識(shí)》《認(rèn)識(shí)時(shí)間》《復(fù)式條形統(tǒng)計(jì)圖》《向日葵中的數(shù)學(xué)問(wèn)題》等課就通過(guò)科學(xué)觀察收集有用數(shù)據(jù),提煉園藝種植中的數(shù)學(xué)問(wèn)題,挖掘數(shù)學(xué)建模素材,結(jié)合不同年級(jí)教材內(nèi)容進(jìn)行整合并借助現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì),為我省乃至全國(guó)多學(xué)科整合教學(xué)研究提供不可多得的非常有價(jià)值的案例。
4.改進(jìn)數(shù)學(xué)課程教學(xué)評(píng)價(jià)體系,促進(jìn)數(shù)學(xué)建??茖W(xué)化
在小學(xué)數(shù)學(xué)課程實(shí)施評(píng)價(jià)過(guò)程中,我們既要評(píng)價(jià)教師的教也要評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué),還應(yīng)該對(duì)學(xué)校的管理以及配套措施是否到位進(jìn)行評(píng)價(jià)。參考國(guó)際學(xué)生評(píng)價(jià)項(xiàng)目(PISA)(PISA評(píng)價(jià)的內(nèi)容之一是學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)),以及國(guó)家教育質(zhì)檢命題精神,進(jìn)一步促進(jìn)多元化、多面化、多樣化、綜合化的課程教學(xué)評(píng)價(jià)體系形成與完善,促進(jìn)數(shù)學(xué)建??茖W(xué)化。
結(jié)語(yǔ):我們期待更多的師范院校、教育研究機(jī)構(gòu)、專家團(tuán)隊(duì)、相關(guān)職能部門能夠參與進(jìn)來(lái)共同推動(dòng)小學(xué)數(shù)學(xué)建模課程建設(shè)。以數(shù)學(xué)建模為突破口,徹底改變教師、學(xué)生、課堂,有效促進(jìn)小學(xué)數(shù)學(xué)課程“教”“學(xué)”與“評(píng)價(jià)”模式的改革,真正實(shí)現(xiàn)從高分低能到基于核心素養(yǎng)人才培養(yǎng)模式的根本性轉(zhuǎn)變。
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G622.0
A
1673-9884(2017)08-0074-04
2017-07-15
2015年福建省教育廳中青年科研項(xiàng)目一般課題(JA15808)
陳 燕,女,閩江師范高等??茖W(xué)校副教授。
福建教育學(xué)院學(xué)報(bào)2017年8期