利用數(shù)學(xué)建模的思想調(diào)動(dòng)大學(xué)生學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)的積極性

熊志平

摘要：眾所周知，高等數(shù)學(xué)是所有自然學(xué)科的基礎(chǔ)，一個(gè)大學(xué)生要想在以后的工作、學(xué)習(xí)中大展宏圖，那么就一定少不了堅(jiān)實(shí)的高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。如何解決大學(xué)生在學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)時(shí)碰到的問(wèn)題？如何調(diào)動(dòng)大學(xué)生學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)的積極性？讓學(xué)生們了解高等數(shù)學(xué)的用途，真正愿意靜下心來(lái)好好學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)，努力為以后的發(fā)展打好數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。一直以來(lái)，各所高校的教師們都在努力的想辦法、找對(duì)策，一些實(shí)用有效的方法已經(jīng)提出并且在逐步推廣，比如，問(wèn)題驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)方法和基于PBL的教學(xué)方法等。筆者從所在學(xué)校的學(xué)生實(shí)際學(xué)習(xí)情況出發(fā)，根據(jù)幾年來(lái)的教學(xué)心得和積累，打算提出一種較為實(shí)用的教學(xué)方法——利用數(shù)學(xué)建模的思想調(diào)動(dòng)大學(xué)生學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)的積極性。該方法在筆者所教授的班級(jí)中已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用過(guò)幾屆，學(xué)生普遍反映效果較好，任課老師也認(rèn)為該方法確實(shí)能極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

關(guān)鍵詞：高等數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)，數(shù)學(xué)建模思想，案例式教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）34-0159-02

提到高等數(shù)學(xué)，學(xué)生們的第一反應(yīng)往往是：各種公式塞滿黑板，各種運(yùn)算充斥腦海；定義、定理、推論一個(gè)連著一個(gè)；極限、連續(xù)、可導(dǎo)可積一個(gè)涵蓋另一個(gè)[1]。和高中數(shù)學(xué)相比，記憶的負(fù)擔(dān)輕了（實(shí)際上是知識(shí)點(diǎn)太多，記不住了），而對(duì)思維的要求卻提高了。對(duì)大學(xué)生來(lái)說(shuō)，每一次的高數(shù)課，都是一次大腦的思維訓(xùn)練，時(shí)刻要求精神高度集中，一定要緊跟老師的步劃，一旦走神，后面的內(nèi)容就不知所云了。這樣的要求短時(shí)間可以達(dá)到，長(zhǎng)久下去學(xué)生們會(huì)覺(jué)得很辛苦，很有壓力，會(huì)出現(xiàn)抱怨。筆者碰到過(guò)這樣的學(xué)生，剛開始時(shí)，興致勃勃，雄心萬(wàn)丈，可到后來(lái)興趣索然，馬虎應(yīng)對(duì)。怪學(xué)生嗎？誠(chéng)然學(xué)生有責(zé)任，但任課老師也該負(fù)很大的責(zé)任。作為高等數(shù)學(xué)的老師我們經(jīng)常要面對(duì)學(xué)生提的這些問(wèn)題：（1）我學(xué)的專業(yè)和高等數(shù)學(xué)相差甚遠(yuǎn)，有可能這一輩子都不會(huì)用到高等數(shù)學(xué)的知識(shí)，那我學(xué)高等數(shù)學(xué)的目的何在？（2）老師您天天鼓吹高等數(shù)學(xué)的強(qiáng)大功能和廣泛用途，但是通過(guò)一學(xué)期的學(xué)習(xí)，我發(fā)現(xiàn)除了對(duì)付考試有用，真不知高等數(shù)學(xué)可以用在何處？這些問(wèn)題不及時(shí)解決，時(shí)間長(zhǎng)了一定會(huì)影響到大學(xué)生對(duì)高等數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)積極性，甚至有可能會(huì)產(chǎn)生厭學(xué)的情緒和氛圍。有些極端的學(xué)生，期末考試之后，一聽到自己高等數(shù)學(xué)考過(guò)了，立馬將高等數(shù)學(xué)的課本給撕了，可想而知高等數(shù)學(xué)對(duì)其造成的壓力有多大[2]。如何解決大學(xué)生在學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)時(shí)碰到的問(wèn)題？如何調(diào)動(dòng)大學(xué)生學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)的積極性？讓學(xué)生們了解高等數(shù)學(xué)的用途，真正愿意靜下心來(lái)好好學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)，努力地為以后的發(fā)展打好數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。筆者從所在學(xué)校的學(xué)生實(shí)際學(xué)習(xí)情況出發(fā)，根據(jù)幾年來(lái)的教學(xué)心得和積累，打算提出一種較為實(shí)用的教學(xué)方法——利用數(shù)學(xué)建模的思想調(diào)動(dòng)大學(xué)生學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)的積極性。

一、以實(shí)際問(wèn)題反推解決問(wèn)題時(shí)我們需要的高等數(shù)學(xué)知識(shí)

有這樣一個(gè)實(shí)際問(wèn)題：報(bào)童每天清晨從報(bào)社購(gòu)進(jìn)報(bào)紙零售，晚上將沒(méi)賣掉的報(bào)紙退回給報(bào)社。假設(shè)報(bào)紙每份的購(gòu)進(jìn)價(jià)為b元，零售價(jià)為a元，退回價(jià)為c元，自然地有a>b>c。這就是說(shuō)，報(bào)童每售出一份報(bào)紙賺a-b元，每退回一份報(bào)紙賠b-c元，報(bào)童每天如果購(gòu)進(jìn)的報(bào)紙?zhí)伲敲磿?huì)不夠賣，就會(huì)少賺錢；如果每天購(gòu)進(jìn)的報(bào)紙?zhí)啵敲磿?huì)賣不完，將要賠錢。請(qǐng)為報(bào)童規(guī)劃一下，他該如何確定每天購(gòu)進(jìn)的報(bào)紙份數(shù)，以獲得最大的收入[3]。

現(xiàn)在我們來(lái)反推該問(wèn)題涉及到的高等數(shù)學(xué)的知識(shí)：首先，通過(guò)分析題目可知，問(wèn)題解決的關(guān)鍵在于——如何確定每天的報(bào)紙需求量，注意每天的報(bào)紙需求量是隨機(jī)變化的？解決這個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的知識(shí)我們?cè)缇驼莆樟耍謩e是數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的頻率連續(xù)化、概率論中的概率密度與期望和高等數(shù)學(xué)中的定積分[4]。

其次，假設(shè)每天購(gòu)進(jìn)n份報(bào)紙，G（n）為報(bào)童購(gòu)進(jìn)n份報(bào)紙時(shí)的平均收入函數(shù)，再假設(shè)每天的報(bào)紙需求量r是隨機(jī)的，此時(shí)r和n的關(guān)系有三種r>n，r二、利用高等數(shù)學(xué)的解決實(shí)際問(wèn)題

由前面的假設(shè)可知，每天購(gòu)進(jìn)n份報(bào)紙，每天的報(bào)紙需求量為r份時(shí)，報(bào)童每天的平均收入為G（n）元。如果這天的需求量r≤n，則他售出r份，退回n-r份；假如這天的需求量r>n，則n份報(bào)紙全部售光。因?yàn)槿招枨罅縭是隨機(jī)的，所以我們必須求出每天賣出r份的概率

f（r）[4]。如果求出了f（r），那么

G（n）= [（a-b）r+（b-c）（n-r）]f（r）+ （a-b）nf（r）.（1）

現(xiàn)在我們來(lái)求f（r），假定報(bào)童已經(jīng)通過(guò)自己的經(jīng)驗(yàn)和其他渠道掌握了一年（365天）中每天報(bào)紙的售出份數(shù)，那么在他的銷售范圍內(nèi)，每天報(bào)紙日需求量r的概率f（r）為：

f（r）= ，r=（0，1，2，3，…）

其中k表示為賣出r份的天數(shù)。

根據(jù)概率論中離散型隨機(jī)變量的連續(xù)化知識(shí)[4]，我們可以將r視為連續(xù)型的隨機(jī)變量，這樣更便于分析和計(jì)算。利用最小二乘擬合[5]，可以將f（r）轉(zhuǎn)化為連續(xù)型隨機(jī)變量r的概率密度函數(shù)p（r），那么（1）式變成

G（n）= [（a-b）r+（b-c）（n-r）]p（r）dr+ （a-b）np（r）dr.（2）

通過(guò)上面的分析，可知實(shí)際問(wèn)題歸結(jié)為，在p（r）和a，b，c已知時(shí)，求n使得G（n）最大。

研究表明G（n）是一個(gè)在閉區(qū)間上連續(xù)的積分上限函數(shù)，由閉區(qū)間上連續(xù)函數(shù)的性質(zhì)可知G（n）的最大、最小值一定存在，而且最大、最小值一定在函數(shù)G（n）的駐點(diǎn)（也即使得 =0的n）。計(jì)算可得

=-（b-c） p（r）dr+（a-b） p（r）dr. （3）

令 =0，得到 = ，又因?yàn)?p（r）dr+ p（r）dr=1，所以 p（r）dr= .（4）

在等式（4）中，p（r）和a，b，c均為已知，所以利用定積分的知識(shí)一定可以求出n。也即可以確定每天購(gòu)進(jìn)的報(bào)紙份數(shù)，使報(bào)童每天獲得最大的收入。

三、利用現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，讓學(xué)生學(xué)會(huì)思考，給他們提供創(chuàng)造成就感的機(jī)會(huì)

通過(guò)上面碰到的實(shí)際問(wèn)題，可以很容易地說(shuō)服同學(xué)們靜下心來(lái)好好學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)。因?yàn)橥ㄟ^(guò)實(shí)際問(wèn)題的求解，學(xué)生們了解到了，要想解決一個(gè)實(shí)際問(wèn)題（哪怕是很小的問(wèn)題），也需要大量的高等數(shù)學(xué)知識(shí)的儲(chǔ)備；學(xué)生們也大概領(lǐng)略到了高等數(shù)學(xué)的用途與功能。這樣的教學(xué)方法簡(jiǎn)單、直接，勝過(guò)老師課堂上反復(fù)的嘮叨與強(qiáng)調(diào)。有了這樣的一些實(shí)際問(wèn)題，老師們就可以大膽地將數(shù)學(xué)建模思想引入高等數(shù)學(xué)的教學(xué)當(dāng)中，讓學(xué)生們?cè)诮鉀Q實(shí)際問(wèn)題中學(xué)會(huì)思考，掌握知識(shí)，提高能力。

通過(guò)訓(xùn)練后，碰到實(shí)際問(wèn)題，同學(xué)們會(huì)自然的想到我們的教學(xué)方法：（1）這些實(shí)際問(wèn)題涉及到的高等數(shù)學(xué)知識(shí)？那些自己掌握了，那些還沒(méi)有弄明白，學(xué)要加強(qiáng)學(xué)習(xí)。（2）知識(shí)點(diǎn)找到后，如何建立起數(shù)學(xué)與實(shí)際問(wèn)題求解之間的關(guān)系？也即如何建立數(shù)學(xué)模型。（3）除了老師給的題目，自己本專業(yè)中的實(shí)際問(wèn)題，能否用高等數(shù)學(xué)的知識(shí)去解決？通過(guò)思考、分析、解決這些問(wèn)題，學(xué)生們會(huì)有一種創(chuàng)造創(chuàng)新的成就感，會(huì)愿意自主學(xué)習(xí)，自然而然其學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)的積極性也會(huì)大大提高了。

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[5]劉書華，文良起，瞿建武.非圓曲線的最小二乘擬合法[J].新技術(shù)藝，2001，（7）：12-14.