高等職業教育數學課程教學中數學建模的應用研究

陳戰勝

摘要：針對高等職業教育亟需培養高素質、高技能、高能力應用型人才的需求，面對高職學生生源數學基礎差、應用能力欠缺的現狀，將數學建模的思想和方法融入高等數學課程教學中，以案例激發學生求知欲，培養學生數學應用的意識，輔以數學實驗和競賽加強學生的實踐動手能力。多年的研究實踐證明，數學建模在高等職業教育數學課教學中的應用不僅提高了學生的數學知識水平和數學應用能力，還進一步提升了學生團隊協作和創新精神。

關鍵詞：高等職業教育；數學建模；數學實驗；競賽

中圖分類號：G712 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）16-0213-02

隨著社會進步、科技創新和經濟產業結構的不斷調整，我國對高素質高技能應用型人才的需求正在不斷擴大，高等職業教育的高規格人才培養顯得尤其重要。社會上各行各業的工作人員，需要善于運用數學知識和數學思維方法來解決實際問題，方能為公司贏得經濟效益和社會效益。面臨新教育態勢的壓力，面對數學基礎薄弱的學生，如何在有限教學期限內快速提升高職數學課的教學品質，成為高職高等數學教學改革的焦點。

一、高等職業教育數學課教學現狀與分析

經過查閱大量文獻資料、學生學情調研和教師座談研討，可以將目前高等職業教育數學課教學現狀歸因為課程特點、教師和學生三個方面。

1.數學課的特點。數學是一門與現實世界緊密聯系的科學語言和基礎的自然學科，其形式極為抽象。學生學到數學概念、方法和結論，并未掌握數學學科精髓，未使數學成為解決實際問題的利器。

2.教師方面。課堂上，教師賣力的教授“有用”的理論和方法，但學生學得吃力且效果不佳。現在，部分教師將實際生活中的鮮活例子融入數學課的教授，打破了數學教學體系和內容自我封閉的僵局，但有些教師將“數學教育是一種素質教育”阻礙為抽象、深奧的課程，嚴重挫傷了學生學習的積極性。

3.學生方面。就高職生學情而言，生源大多來自高考第五批等錄取批次，普遍不曉得數學理性思維對人思維能力培養的重要性，高職生學習目標不明確，學習習慣尚未養成，學習動力不足。此外，面對大量抽象符號和邏輯推理，形象思維強的高職生極易產生抵觸心理。上述分析表明，要想實現“數學教育本質上是一種素質教育，數學的教學不能完全和外部世界隔離開來”，就需要改變數學教育按部就班的靜態教學現狀，創新教學模式，激發學生的主體參與意識，方能形成生動、活潑、有趣的數學課堂。

二、數學建模在高等職業教育人才培養過程中的意義和作用

從公元前3世紀的歐幾里得幾何，開普勒的行星運動三大規律到近代的流體力學等重要方程，數學建模的悠久歷史可見一斑。

1.數學建模的橋梁作用。隨著大數據時代的到來，大量數據爆炸性的涌入銀行、超市、賓館、機場的計算機系統，都需要進行歸納整理、去偽存真、分析和匯總。因此，需要在實際問題和數學方法兩者之間架設一個橋梁，這個橋梁就是數學模型。實際問題與數學模型的關系，如圖1所示。

如圖1所示，對于生產和科研中的實際問題，如果需要給出定量分析和解答，就可確立為數學建模的范疇。針對實際問題，需要深入了解問題背景、目的以及問題對象的特征信息等，這一步稱為建模準備。數學建模過程中，首先對反映問題本質屬性的形態、量和關系抽象簡化，找出變量和參數進行建模假設；然后，根據建模假設區分變量和參數間的關系，選擇恰當的數學工具和模型方法進行模型構建；接著，結合模型特點和已知條件，選擇相應數學方法和算法，借助計算機程序完成模型求解，模型求解之后對模型進行穩定性、誤差和靈敏度等分析，若分析結果不合格，返回至模型假設重新建模直至符合要求；最后，需要以實際數據和現象對模型進行檢驗，若不符合客觀實際需重新建模，直至模型可以投入運用。

2.數學建模思想融入高職數學課堂的意義。鑒于高等職業教育數學課教學現狀與分析，結合數學建模進入高等院校數學課堂時機的日漸成熟，以及高等職業教育旨在培養高職生如何“用數學[1]”而非“算數學[1]”的目標，將數學建模思想融入高職數學課堂有著積極肯定的意義。（1）時機成熟。隨著大型快速計算機技術及數學軟件的快速發展，早期大型水壩的應力計算、航空發動機的渦輪葉片設計等數學模型中的數學問題迎刃而解，數學建模與科學計算的完美結合成為數學科學技術轉化的主要途徑。計量經濟學、人口控制論等新興的交叉學科為數學建模提供了廣闊的應用新天地。（2）目標明確。數學建模的切入搭建了數學和外部世界的橋梁，解開了數學課堂教學的困境，讓高職生以數學為工具去分析、解決現實生活中實際問題的目標切實可行。面對工程技術、經濟管理和社會生活等領域中的實際問題，擁有敏銳洞察力的高職生面對現實問題的挑戰，主動好奇的參與到資料收集、調查研究過程中來，能夠擺脫慣性思維模式，敢于向傳統知識挑戰，嘗試多樣解題方式，不僅激發了學習動機，提升了數學知識水平，更有助于學生創新精神和能力的培養，讓其在體會數學建模魅力和實用性的同時，滲透數學應用能力。

三、數學建模在高等數學教學中的應用實踐

學生走上工作崗位后，無形中會利用數學建模思想來解決實際問題。那么，如何有效的將數學建模“植入”高數課程教學，則需要一系列科學合理有序的教學改革方可取得成效。（1）融入數學建模思想的高職特色教材[2]。作為教學載體，高職數學教材應從應用性職業崗位需求出發，以專業為服務對象，以實踐操作為重點，以能力培養為本位，以素質培養為目的撰寫情境式案例驅動的高職特色教材。（2）構建服務專業的高職數學教學模式。以學校專業需求為服務出發點，制定專業特色鮮明的數學課程教學新體系，搭建課程的“公有”模塊和“選學”模塊，加強專業針對性。與服務專業類似，對于不同年級、不同數學基礎學生的需求，提供個性化、分層化、系列化的教學內容，顯得尤為關鍵。（3）培養數學應用意識的案例教學方法。歷屆全國大學生數學建模競賽參賽數量和規模的擴張使我們懂得：以熱點案例出發，能夠激發學生的求知欲，在求解過程中自然引出系列數學知識點，通過數學建模，讓學生體會數學是刻畫現實世界的數學模型，品味數學樂趣，趣化學習過程，強化數學知識應用意識，樹立學生主體意識并培養學生創新意識和能力。（4）營造數學應用意識的數學實驗氛圍。利用數學軟件，通過寥寥數行代碼解決曾經無從下手的復雜問題，必會吸引學生從耗費時間的復雜計算轉移到數學建模思想、數學方法的理解和應用，培養以數學和計算機分析和解決實際問題的能力，提高數學應用意識。（5）指導學生參加全國大學生數學建模競賽。歷屆數學建模競賽從內容到形式，都是一場與真實工作環境接近的真刀真槍的歷練，要求學生團隊綜合運用數學及其他學科知識、使用計算機技術通過數學建模來分析、解決現實問題。從“乘公交，看奧運”、“世博會影響力的定量評估”到“SARS的傳播”、“飲酒駕車”，這些開放、挑戰性問題，必然會提高學生的洞察力、想象力、創造力和協作精神。

四、數學建模在高等數學教學中的實踐效果

自2010伊始，將數學建模和數學實驗引入高職數學課程教學中以來，學生主動學習意愿增強，學習效果顯著提升。效果主要表現實際問題求解的多樣性和開放性使得學生思維得以激活和解放，解題的自由使得互聯網應用達到最優化。學院連續多年組織學生參加北京市高職高專大學生數學競賽多次獲得一、二、三等獎，在全國大學生數學建模競賽中獲得多項北京市一等獎，近兩年獲得國家二等獎2項、國家一等獎1項的佳績。經過共同努力，應用數學基礎獲批為國家精品資源共享課。需要強調三點：首先，案例教學中要科學合理的訓練學生的“雙向翻譯[3]”能力，要培養學生應用數學語言把實際問題翻譯為明確的數學問題，再把數學問題的解翻譯成常人能理解的語言。其次，所有教學活動要以學生為中心，并且離不開教師煞費苦心精心設計的教學活動，因為數學建模、指導數學實驗和輔導學生參加競賽需要教師掌握算法、優化、統計、數學軟件、計算機編程等綜合能力，因而教師尤為關鍵。再者，學院領導對數學建模、數學實驗在人才培養過程中的重要性要有清晰充分的認識，才會有力度的支持數學教學改革。

五、結語

將數學建模思想和方法融入高職數學課程教學是一種先進的教育教學改革理念，是提升高職數學教學品質的關鍵，需要廣大教師踏踏實實的鉆研和工作，真正講好每一個案例，為培養具備數學應用意識的高規格人才而努力。

參考文獻：

[1]姜啟源，謝金星.一項成功的高等教育改革實踐——數學建模教學與競賽活動的探索與研究[J].中國高教研究，2011，（12）：79-83.

[2]孟津，王科.高職高專數學教學改革的必由之路——將數學建模的思想和方法融入高等數學課程教學中[J].程度電子機械高等專科學校學報，2007，38（1）：41-45.

[3]葉其孝.把數學建模、數學實驗的思想和方法融入高等數學課的教學中去[J].工程數學學報，2003，20（8）：3-13.