問(wèn)題驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法在“線性代數(shù)”教學(xué)中的應(yīng)用探析

李艷艷

（文山學(xué)院 人工智能學(xué)院, 云南 文山 663099）

線性代數(shù)的理論和方法在現(xiàn)代工程科學(xué)，社會(huì)科學(xué)研究中具有非常廣泛的應(yīng)用，而且它是理工科專業(yè)的一門(mén)專業(yè)必修課和基礎(chǔ)理論課。通過(guò)該門(mén)課程的學(xué)習(xí)，可以培養(yǎng)學(xué)生用線性代數(shù)的方法分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

在傳統(tǒng)的線性代數(shù)課堂教學(xué)中，涉及的概念、性質(zhì)、定理等問(wèn)題采取的引入方式基本是單刀直入，或是用數(shù)學(xué)問(wèn)題引出數(shù)學(xué)問(wèn)題，很少有用鮮活的現(xiàn)實(shí)生活問(wèn)題作為切入點(diǎn)，這就導(dǎo)致了學(xué)生對(duì)本已高度抽象的、枯燥的線性代數(shù)學(xué)習(xí)望而卻步。有些學(xué)生也常常發(fā)出，學(xué)習(xí)線性代數(shù)到底有什么用？能解決什么問(wèn)題？這些困惑使學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高，學(xué)習(xí)效果不理想。

為了解決學(xué)生學(xué)習(xí)線性代數(shù)的困惑、掌握該門(mén)課程的應(yīng)用價(jià)值，文獻(xiàn)[1-4]對(duì)線性代數(shù)的教學(xué)進(jìn)行了許多研究。

本文重點(diǎn)研究問(wèn)題驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法在該門(mén)課程中的應(yīng)用，例舉向量組的線性表示部分的案例—混凝土調(diào)配問(wèn)題。通過(guò)案例吸引學(xué)生，以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)學(xué)生思考，從而將重點(diǎn)內(nèi)容突出、難點(diǎn)突破。在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，也提高了學(xué)生使用線性代數(shù)的思想方法解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

1 問(wèn)題驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法的應(yīng)用探析——以向量組的線性表示為例

向量組的線性表示是同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)系編寫(xiě)的“線性代數(shù)”第六版第三章第二節(jié)內(nèi)容，概念多，抽象性高是這節(jié)的主要特點(diǎn)。

本部分設(shè)計(jì)了與工程管理專業(yè)相關(guān)度高的混凝土調(diào)配問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中，透徹的掌握數(shù)學(xué)概念和定理的本質(zhì)。

1.1 問(wèn)題給出

一個(gè)混凝土生產(chǎn)企業(yè)甲可以生產(chǎn)出三種型號(hào)不同的混凝土，他們具體的配方比例如表1 所示：

表1 甲生產(chǎn)三種型號(hào)混凝土的配方比例

問(wèn)：現(xiàn)在有用戶要求混凝土中含水，水泥，沙子，石頭，煤炭灰的比例分別為：24，52，73，133，12，那么，能否用這三種混凝土配出滿足其要求的混凝土？

在教學(xué)中可以提出如下問(wèn)題：

每種型號(hào)的混凝土和客戶需要的混凝土可以怎么表示？他們之間的關(guān)系如何建立？

1.2 關(guān)系建立

首先將三種型號(hào)的混凝土分別表示為

然后根據(jù)上述提問(wèn)中的數(shù)據(jù)和向量的表示方法，將客戶需要的混凝土表示為

則客戶要求的混凝土能否被這三種型號(hào)配出的問(wèn)題，就轉(zhuǎn)化成了

簡(jiǎn)記為：b1= k1α1+ k2α2+ k3α3。

由該問(wèn)題的解決過(guò)程，順利的引出線性表示的概念：

定義2.1[5]給定n 維向量組α1, α2,…, αn和一個(gè)n 維向量β，如果存在一組數(shù)k1, k2,…, kn，使得

則稱向量β 可由向量組α1, α2,…, αn線性表示，或者說(shuō)向量β 是向量組α1, α2,…, αn的一個(gè)線性組合.

繼續(xù)提出如下問(wèn)題：

以上表達(dá)式中的k1, k2, k3是否存在？如何判斷？如何求解？

通過(guò)提問(wèn)和引導(dǎo)，學(xué)生們發(fā)現(xiàn)這是線性方程組，解決方法是高斯消元法，具體做法是對(duì)增廣矩陣做初等行變換。

由此得到結(jié)果，剛才用戶的需求能滿足，所用型號(hào)1 ～3 三種混凝土的比例為：0.6∶0.8∶1。

1.3 問(wèn)題的提升

把這個(gè)問(wèn)題處理完后，將問(wèn)題提升。還有一個(gè)混凝土生產(chǎn)企業(yè)乙，也可以生產(chǎn)出三種不同型號(hào)的混凝土，他們具體的配方表如下表所示：

表 2 乙生產(chǎn)三種型號(hào)混凝土的配方比例

分析，第二家生產(chǎn)的這三種混凝土是否可以代替第一家企業(yè)的那三種？

則該問(wèn)題轉(zhuǎn)換為向量組α1, α2, α3能否被向量組γ1, γ2, γ3線性表出的問(wèn)題。

在教學(xué)中可以提出如下問(wèn)題：

向量組α1, α2, α3能否被向量組γ1, γ2, γ3線性表出的意思是什么？該如何解決？

分 別 對(duì)矩 陣(γ1, γ2, γ3, α1)，(γ1, γ2, γ3, α2)，(γ1, γ2, γ3, α3)進(jìn)行初等行變換化為階梯形矩陣。

由此看出向量α1, α2, α3都能被向量組γ1, γ2, γ3線性表出。

所以乙生產(chǎn)的混凝土可以代替甲生產(chǎn)的混凝土。

并且還看到上面的三個(gè)矩陣可以合為一個(gè)：

通過(guò)解決這個(gè)問(wèn)題，引出向量組A 能被向量組B 線性表示的充要條件。

定理2.1[5]向量組B：b1, b2, … , bl能由向量組A: α1, α2, α3, αm線性表示的充要條件是矩陣(α1, α2, …, αm)的秩等于矩陣(α1, α2, …, αm, b1, b2, … , bl)的秩。

至此，通過(guò)解決客戶對(duì)混凝土的需求問(wèn)題，在層層遞進(jìn)的問(wèn)題逐步深入解決的過(guò)程中，不僅使學(xué)生掌握了線性代數(shù)如何用，而且順利的解決了抽象性極高的向量組的線性表示問(wèn)題。

2 總結(jié)

本文以向量組的線性表示為例，通過(guò)選用專業(yè)相關(guān)度高的混凝土調(diào)配案例，使用問(wèn)題驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法，順利地在理解的基礎(chǔ)上引出定義、定理，而且重點(diǎn)掌握了線性代數(shù)思想方法的應(yīng)用。

問(wèn)題驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法，進(jìn)一步體現(xiàn)了學(xué)生是課堂的主體，教師是課堂的設(shè)計(jì)者和引導(dǎo)者，把課堂的主要完成人交給學(xué)生。該教學(xué)法給原本枯燥乏味的數(shù)學(xué)課堂注入了活力，使學(xué)生覺(jué)得數(shù)學(xué)離自己的生活是那樣近，在提高學(xué)生數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)主動(dòng)性的同時(shí)，也學(xué)會(huì)了用數(shù)學(xué)的眼光看待并解決問(wèn)題。