注重概念生成，融合生物學(xué)的數(shù)學(xué)建模教學(xué)設(shè)計(jì)

劉園年 吳鐘華

摘 要：數(shù)學(xué)建模是當(dāng)前教學(xué)研究的熱點(diǎn)，新課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)概念教學(xué)要求注重生成的過(guò)程.本文以“對(duì)數(shù)函數(shù)的概念”教學(xué)設(shè)計(jì)為例，將數(shù)學(xué)建模融入概念教學(xué).以生物學(xué)問(wèn)題為研究對(duì)象，注重?cái)?shù)學(xué)建模的過(guò)程和對(duì)數(shù)函數(shù)概念的生成過(guò)程.讓學(xué)生更好的感受對(duì)數(shù)函數(shù)的實(shí)際應(yīng)用和理解概念的本質(zhì).

關(guān)鍵詞：數(shù)學(xué)建模;對(duì)數(shù)函數(shù);教學(xué)設(shè)計(jì);生物學(xué)

一、教學(xué)內(nèi)容的認(rèn)識(shí)

“對(duì)數(shù)函數(shù)的概念”是新教材人教版必修第一冊(cè)第4.4節(jié)“對(duì)數(shù)函數(shù)”的第一節(jié)課，是在學(xué)習(xí)完指數(shù)函數(shù)和對(duì)數(shù)概念后進(jìn)行的研究.與指數(shù)函數(shù)的抽象概括得到不同，教科書(shū)是通過(guò)演繹推理獲得對(duì)數(shù)函數(shù)的概念的.這一獲得的過(guò)程對(duì)同學(xué)們來(lái)說(shuō)非常新穎，是非常重要的數(shù)學(xué)過(guò)程和體驗(yàn).

基于以上分析，確定本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)：認(rèn)識(shí)對(duì)數(shù)函數(shù)，建立對(duì)數(shù)函數(shù)與指數(shù)函數(shù)的聯(lián)系;教學(xué)難點(diǎn)：（1）數(shù)學(xué)模型的建立（2）對(duì)數(shù)函數(shù)概念的生成

二、教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

1. 從生物學(xué)出發(fā)構(gòu)建模型

課堂開(kāi)始，首先回顧4.2.1的問(wèn)題2：

問(wèn)題：當(dāng)生物死亡后，其機(jī)體內(nèi)原有的碳14含量會(huì)按確定的衰減比率（簡(jiǎn)稱(chēng)衰減率）衰減，大約每經(jīng)過(guò)5730年衰減為原來(lái)的一半，這個(gè)時(shí)間稱(chēng)為“半衰期”.按照上述變化規(guī)律，生物體內(nèi)碳14含量與死亡年數(shù)之間有怎樣的關(guān)系？

師生回顧：

師：如果你就是考古學(xué)家，你覺(jué)得你對(duì)它的死亡時(shí)間感興趣嗎？有沒(méi)有什么辦法可以得知生物體的死亡時(shí)間？

生：感興趣，可以通過(guò)測(cè)出碳14含量來(lái)計(jì)算生物體的死亡時(shí)間.

師：是的，我們可以根據(jù)死亡時(shí)間推測(cè)該生物體生成所處的年代，如果是墓地還可根據(jù)墓地的形狀以及陪葬品，進(jìn)一步確認(rèn)主人的身份，推知當(dāng)時(shí)的科學(xué)工藝水平等等.這對(duì)過(guò)去的歷史與科學(xué)文化的研究具有十分重要的意義.

【設(shè)計(jì)意圖】以“科學(xué)考古”為話題代入課堂學(xué)習(xí)中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情. 從另一個(gè)角度繼續(xù)研究碳14衰減問(wèn)題，讓學(xué)生在認(rèn)識(shí)對(duì)數(shù)函數(shù)時(shí)也能感受到對(duì)數(shù)函數(shù)的實(shí)際背景，同時(shí)也讓學(xué)生進(jìn)一步感受其中的函數(shù)模型.

師：作為考古學(xué)家的你，現(xiàn)在已經(jīng)利用儀器，測(cè)出了死亡生物體內(nèi)碳14的含量，那如何得知它死亡了多長(zhǎng)時(shí)間呢？例如， 死亡生物體內(nèi)碳14的含量為，那么死亡時(shí)間是？死亡生物體內(nèi)碳14的含量為，那么死亡時(shí)間是？那么如果死亡生物體內(nèi)碳14的含量為y，那么死亡時(shí)間是？

生：當(dāng)y=，x=5730，當(dāng)y=，，對(duì)任意.

【設(shè)計(jì)意圖】通過(guò)前兩個(gè)具體數(shù)例，幫助學(xué)生抽象概括出生物體內(nèi)碳14的含量y與死亡時(shí)間x之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型. 體驗(yàn)數(shù)學(xué)模型的建立過(guò)程.

2. 對(duì)數(shù)函數(shù)概念的生成

師：這樣我們就從原來(lái)的碳14含量y是死亡時(shí)間的函數(shù)，建立了死亡時(shí)間和碳14含量y間的一種對(duì)應(yīng)關(guān)系.那么這種對(duì)應(yīng)關(guān)系是函數(shù)關(guān)系嗎？

生：是

師：目前還不知道，我們需要如何去判斷呢？

學(xué)情預(yù)設(shè)：學(xué)生回答：只要判斷對(duì)于任意的一個(gè)y是否會(huì)有唯一確定的x和它對(duì)應(yīng)

（在實(shí)際課堂中，學(xué)生對(duì)這一問(wèn)題基本回答不上來(lái)，沒(méi)有頭序）

師：很好，大家說(shuō)了一部分，判斷它是否是函數(shù)，應(yīng)當(dāng)從函數(shù)的概念出發(fā).

師生活動(dòng)：（共同回顧函數(shù)概念）設(shè)A、B是非空實(shí)數(shù)集，如果對(duì)于集合A中的任意一個(gè)數(shù)x，按照某種確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系f，在集合B中都有唯一確定的數(shù)y和它對(duì)應(yīng)，那么就稱(chēng)f：A→B為從集合A到集合B的一個(gè)函數(shù)，記作y=f（x），x∈A.

師：回到剛剛的問(wèn)題，對(duì)照函數(shù)的定義，該如何判斷其是否是函數(shù)關(guān)系？

生：“任意一個(gè)數(shù)x，要有唯一的y和它對(duì)應(yīng)”，“對(duì)應(yīng)法則”等等，

師（引導(dǎo)回答）：需要驗(yàn)證兩個(gè)方面①兩個(gè)非空實(shí)數(shù)集A和B ②確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系（“確定的”即是“任意一個(gè)數(shù)x，都有唯一的y和它對(duì)應(yīng)”）

師（總結(jié)剛才的判斷過(guò)程）：判斷一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系是否是函數(shù)關(guān)系，應(yīng)當(dāng)根據(jù)定義條件進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證.

師生活動(dòng)（共同歸納，并板書(shū)）：

師：集合A、B確實(shí)是非空實(shí)數(shù)集滿足①.那么如何判斷②確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系？

學(xué)情預(yù)設(shè)：學(xué)生：對(duì)任意一個(gè)數(shù)y∈A，看是否都有唯一的x∈B和它對(duì)應(yīng).

（在實(shí)際課堂中，大多學(xué)生的反應(yīng)符合預(yù)設(shè)）

師：對(duì)的，我們可以利用函數(shù)圖象，先畫(huà)出函數(shù)的圖象，再過(guò)y軸正半軸上任一點(diǎn)作x軸的平行線，與該函數(shù)的圖象有且只有一個(gè)交點(diǎn)，這就說(shuō)明，對(duì)于任意一個(gè)，通過(guò)對(duì)應(yīng)關(guān)系，在上都有唯一確定的數(shù)x與它對(duì)應(yīng)，所以x也是y的函數(shù).

另一方面，由指數(shù)函數(shù)是單調(diào)的這一特點(diǎn)也可以進(jìn)行判斷.

師：通過(guò)以上可以得知對(duì)應(yīng)關(guān)系：也是函數(shù)關(guān)系，函數(shù)，y∈（0，1]刻畫(huà)了時(shí)間x隨碳14含量y的衰減而變化的規(guī)律.

【設(shè)計(jì)意圖】回顧函數(shù)概念后，學(xué)生從毫無(wú)頭序到找到思路，加強(qiáng)了對(duì)概念的理解和重視.在判斷的過(guò)程中對(duì)所需條件進(jìn)行分析和一一驗(yàn)證，也培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯孔黠L(fēng). 其中利用指數(shù)函數(shù)圖像來(lái)判斷“確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系”， 可以感受圖像的直觀，讓學(xué)生感受數(shù)形結(jié)合的思想方法. 而從指數(shù)函數(shù)的單調(diào)性出發(fā)，則可以更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f(shuō)明這一問(wèn)題.

師：那么對(duì)于一般的底數(shù)a（教師板書(shū)：）和正數(shù)y，其得到的新的對(duì)應(yīng)關(guān)系：x=logay是函數(shù)關(guān)系嗎？

師生（教師板書(shū)，共同回答）：由 y=ax（a>0且a≠1）可以得到x=logay（a>0且a≠1），x也是y的函數(shù).習(xí)慣上，將寫(xiě)x為自變量，寫(xiě)y為因變量，即寫(xiě)為y=logax，這就是今天要學(xué)習(xí)的對(duì)數(shù)函數(shù).

一般地，函數(shù)叫做對(duì)數(shù)函數(shù)，其中x是自變量，定義域是（0，﹢∞）.

【設(shè)計(jì)意圖】讓學(xué)生經(jīng)歷“特殊到一般”的研究過(guò)程，體會(huì)“特殊到一般”的研究方法.

3. 對(duì)數(shù)函數(shù)概念的理解

師：回到對(duì)數(shù)函數(shù)的定義中，對(duì)數(shù)函數(shù)對(duì)它的底數(shù)有這樣的限制：，這是為什么呢？

學(xué)情預(yù)設(shè)：學(xué)生回答：因?yàn)閷?duì)數(shù)函數(shù)是從指數(shù)函數(shù)中變化得來(lái)，所以也要與指數(shù)函數(shù)對(duì)底數(shù)的要求一致.

（實(shí)際課堂中，符合預(yù)設(shè)）

師：最后要說(shuō)的定義域，也是通過(guò)轉(zhuǎn)換為x=ay 得到的，那你能通過(guò)這個(gè)轉(zhuǎn)化，說(shuō)出對(duì)數(shù)函數(shù)的值域嗎？

生：值域?yàn)镽.

師：從對(duì)數(shù)函數(shù)的定義域和值域上，我們還可以發(fā)現(xiàn)y=logax的值域等于y=ax的定義域，y=logax的定義域等于y=ax的值域，對(duì)數(shù)函數(shù)和指數(shù)函數(shù)有如此有趣、緊密的聯(lián)系，后面我們會(huì)繼續(xù)學(xué)習(xí).

【設(shè)計(jì)意圖】通過(guò)理解概念，挖掘出對(duì)數(shù)函數(shù)和指數(shù)函數(shù)定義域和值域的關(guān)系，為之后反函數(shù)的講解鋪墊.

4. 例題

課本例1，例2

5.作業(yè)

校本作業(yè)

參考文獻(xiàn)：

[1]陳林.基于“數(shù)學(xué)建模理論”的高中生物學(xué)教學(xué)實(shí)踐研究[D].四川師范大學(xué)，2017.

[2]沈小軍，馮莉莉.數(shù)學(xué)模型在中學(xué)生物教學(xué)中的應(yīng)用分析[J].讀寫(xiě)寫(xiě)（教教學(xué)刊），2019（01）.

[3]王穎喆.關(guān)于中學(xué)數(shù)學(xué)建模教與學(xué)的思考[J].數(shù)學(xué)通報(bào)，2020（59-11）.

基金項(xiàng)目：福建省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度教育教學(xué)改革專(zhuān)項(xiàng)課題 “基于‘?dāng)?shù)學(xué)建模理論’的高中生物新教材教學(xué)實(shí)踐研究”（課題編號(hào)Fjjgzx20-002）

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