利用數學建模的思想調動大學生學習高等數學的積極性

熊志平

摘要：眾所周知，高等數學是所有自然學科的基礎，一個大學生要想在以后的工作、學習中大展宏圖，那么就一定少不了堅實的高等數學基礎。如何解決大學生在學習高等數學時碰到的問題？如何調動大學生學習高等數學的積極性？讓學生們了解高等數學的用途，真正愿意靜下心來好好學習高等數學，努力為以后的發展打好數學基礎。一直以來，各所高校的教師們都在努力的想辦法、找對策，一些實用有效的方法已經提出并且在逐步推廣，比如，問題驅動式的教學方法和基于PBL的教學方法等。筆者從所在學校的學生實際學習情況出發，根據幾年來的教學心得和積累，打算提出一種較為實用的教學方法——利用數學建模的思想調動大學生學習高等數學的積極性。該方法在筆者所教授的班級中已經實際應用過幾屆，學生普遍反映效果較好，任課老師也認為該方法確實能極大地調動學生的學習積極性。

關鍵詞：高等數學學習，數學建模思想，案例式教學

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）34-0159-02

提到高等數學，學生們的第一反應往往是：各種公式塞滿黑板，各種運算充斥腦海；定義、定理、推論一個連著一個；極限、連續、可導可積一個涵蓋另一個[1]。和高中數學相比，記憶的負擔輕了（實際上是知識點太多，記不住了），而對思維的要求卻提高了。對大學生來說，每一次的高數課，都是一次大腦的思維訓練，時刻要求精神高度集中，一定要緊跟老師的步劃，一旦走神，后面的內容就不知所云了。這樣的要求短時間可以達到，長久下去學生們會覺得很辛苦，很有壓力，會出現抱怨。筆者碰到過這樣的學生，剛開始時，興致勃勃，雄心萬丈，可到后來興趣索然，馬虎應對。怪學生嗎？誠然學生有責任，但任課老師也該負很大的責任。作為高等數學的老師我們經常要面對學生提的這些問題：（1）我學的專業和高等數學相差甚遠，有可能這一輩子都不會用到高等數學的知識，那我學高等數學的目的何在？（2）老師您天天鼓吹高等數學的強大功能和廣泛用途，但是通過一學期的學習，我發現除了對付考試有用，真不知高等數學可以用在何處？這些問題不及時解決，時間長了一定會影響到大學生對高等數學的學習積極性，甚至有可能會產生厭學的情緒和氛圍。有些極端的學生，期末考試之后，一聽到自己高等數學考過了，立馬將高等數學的課本給撕了，可想而知高等數學對其造成的壓力有多大[2]。如何解決大學生在學習高等數學時碰到的問題？如何調動大學生學習高等數學的積極性？讓學生們了解高等數學的用途，真正愿意靜下心來好好學習高等數學，努力地為以后的發展打好數學基礎。筆者從所在學校的學生實際學習情況出發，根據幾年來的教學心得和積累，打算提出一種較為實用的教學方法——利用數學建模的思想調動大學生學習高等數學的積極性。

一、以實際問題反推解決問題時我們需要的高等數學知識

有這樣一個實際問題：報童每天清晨從報社購進報紙零售，晚上將沒賣掉的報紙退回給報社。假設報紙每份的購進價為b元，零售價為a元，退回價為c元，自然地有a>b>c。這就是說，報童每售出一份報紙賺a-b元，每退回一份報紙賠b-c元，報童每天如果購進的報紙太少，那么會不夠賣，就會少賺錢；如果每天購進的報紙太多，那么會賣不完，將要賠錢。請為報童規劃一下，他該如何確定每天購進的報紙份數，以獲得最大的收入[3]。

現在我們來反推該問題涉及到的高等數學的知識：首先，通過分析題目可知，問題解決的關鍵在于——如何確定每天的報紙需求量，注意每天的報紙需求量是隨機變化的？解決這個關鍵問題的知識我們早就掌握了，分別是數理統計中的頻率連續化、概率論中的概率密度與期望和高等數學中的定積分[4]。

其次，假設每天購進n份報紙，G（n）為報童購進n份報紙時的平均收入函數，再假設每天的報紙需求量r是隨機的，此時r和n的關系有三種r>n，r二、利用高等數學的解決實際問題

由前面的假設可知，每天購進n份報紙，每天的報紙需求量為r份時，報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份報紙全部售光。因為日需求量r是隨機的，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）

現在我們來求f（r），假定報童已經通過自己的經驗和其他渠道掌握了一年（365天）中每天報紙的售出份數，那么在他的銷售范圍內，每天報紙日需求量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。

根據概率論中離散型隨機變量的連續化知識[4]，我們可以將r視為連續型的隨機變量，這樣更便于分析和計算。利用最小二乘擬合[5]，可以將f（r）轉化為連續型隨機變量r的概率密度函數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）

通過上面的分析，可知實際問題歸結為，在p（r）和a，b，c已知時，求n使得G（n）最大。

研究表明G（n）是一個在閉區間上連續的積分上限函數，由閉區間上連續函數的性質可知G（n）的最大、最小值一定存在，而且最大、最小值一定在函數G（n）的駐點（也即使得 =0的n）。計算可得

=-（b-c） p（r）dr+（a-b） p（r）dr. （3）

令 =0，得到 = ，又因為 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一定可以求出n。也即可以確定每天購進的報紙份數，使報童每天獲得最大的收入。

三、利用現實問題，讓學生學會思考，給他們提供創造成就感的機會

通過上面碰到的實際問題，可以很容易地說服同學們靜下心來好好學習高等數學。因為通過實際問題的求解，學生們了解到了，要想解決一個實際問題（哪怕是很小的問題），也需要大量的高等數學知識的儲備；學生們也大概領略到了高等數學的用途與功能。這樣的教學方法簡單、直接，勝過老師課堂上反復的嘮叨與強調。有了這樣的一些實際問題，老師們就可以大膽地將數學建模思想引入高等數學的教學當中，讓學生們在解決實際問題中學會思考，掌握知識，提高能力。

通過訓練后，碰到實際問題，同學們會自然的想到我們的教學方法：（1）這些實際問題涉及到的高等數學知識？那些自己掌握了，那些還沒有弄明白，學要加強學習。（2）知識點找到后，如何建立起數學與實際問題求解之間的關系？也即如何建立數學模型。（3）除了老師給的題目，自己本專業中的實際問題，能否用高等數學的知識去解決？通過思考、分析、解決這些問題，學生們會有一種創造創新的成就感，會愿意自主學習，自然而然其學習高等數學的積極性也會大大提高了。

參考文獻：

[1]同濟大學應用數學系，高等數學[M].北京：高等教育出版社，2007.

[2]孫鳳琪.關于高等數學教學改革的某些探討[J].吉林師范大學學報：自然科學版，2005，26（1）：109-110.

[3]姜啟源，謝金星，等.數學模型[M].北京：高等教育出版社，2003.

[4]盛驟，等.概率論與數理統計[M].北京：高等教育出版社，2008.

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