应用型人才培养模式下数学分析教学探索

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  摘 要:应用型人才培养模式下,数学分析课程教学改革,要把握人才培养目标定位,研究现代教育的时代特征,提炼教学内容,创新教学模式,强化数学理论与实验的融合,进行学生个性化学习引导,注重学生数学综合应用能力提升。
  关键词:数学分析;转型发展;应用型人才;现代教育技术
  中图分类号:G624文献标志码:A文章编号:2095-9214(2016)07-0084-03
  随着大学教育日趋大众化,新升本的地方高校,近年来已经被推入转型发展的时代大潮之中[1]。数学分析作为数学类专业最重要的基础核心课程,它不仅为学生学习复变函数论、实变函数、泛函分析、微分方程等后继专业课程建立基础,其思想方法,处理问题技巧等,在数学应用和研究中也起着奠基性的作用,对培养基础扎实、知识面广、综合素质强的数学应用型人才至关重要。面对新形势,数学分析教学如何贯彻“应用型人才”培养目标,将传统教学融入时代的脉搏,用先进的教育理念,优化教学内容,改革教学方法,构建课堂教学新模式,是每个数学分析教师义不容辞的担当。本文结合我们数学分析的教学实践,对此进行了一些探索和思考。
  一、把握培养“应用型人才”目标定位,提炼教学内容
  数学类专业新生进入高校,最瞩目的课程是要进行三个学期高强度的数学分析连续学习。从令学生头疼的“ε-δ”极限、一致连续等概念,到能让很多学生崩溃的闭区间套定理、有限覆盖定理等七个描述实数完备性的定理[2,3],很多学生第一感受就是云里雾里,对数学分析产生畏惧心理。作为以工科为主的地方院校,数学各专业录取的学生调剂生较多,本身就有思想不稳定、专业学习动力不足的倾向,数学分析若按传统内容模式教学,会让他们雪上加霜,很快丧失学习信心。鉴于此,我们基于培养应用技能型人才的目标定位,在深入研究课程的基础上,对教学重点、难点进行梳理,重新提炼教材内容,对教学内容进行模块化处理,分为基础模块、应用模块和提高模块三类,将数学分析符号化语言、基本概念和数学思想等相关内容,作为基本知识模块;将数学分析建模、基于数学分析基本理论的论证和计算等内容,作为应用知识模块;将数学分析中偏难的定理和命题的证明、特殊问题的解题技巧等内容,作为提高知识模块。
  针对基础知识模块,在教学过程中,我们紧紧抓住“极限”这个数学分析的主线,突出从有限到无限思想、变量替换思想、以直代曲思想,通过引入知识背景、名人典故等,在不失数学严谨性的前提下,以平易近人的语言,自然的引入概念,使教学内容更通俗,更接地气,强化学生对知识的理解。针对应用知识模块,我们将其作为教学的重中之重,精心研究教学内容,注意几何的形象和直观,注重不同知识理论间的相互渗透,注意相关知识物理、力学等模型的构建,通过精讲例题和案例,训练学生数学计算与应用能力,建立相关知识和其他它学科的联系,突出数学分析应用特色。针对提高知识模块,我们教学过程中则采用分散难点,总结问题解决思路,强化个性化自学引导等教学方式,使一般学生能理解,对数学有兴趣、自学能力强的学生能掌握。
  如应用性广泛的积分“微元法”思想,是数学分析理论的经典,我们从符号∫ 的sum含义,将离散变量的无穷和与连续变量的积分和对应,学生会有一种心领神会的感觉,从而直观感受微分和积分、级数和积分的亲密关系,感受数学理论的神奇。教学中将微分和不定积分对应,不定积分和定积分对应,数项级数与无穷积分对应,函数项级数与含参变量无穷积分对应,一致收敛与一致连续对应,柯西收敛准则、收敛定理等也一一对应,在实现模块化教学的同时,学生也会感受到,让他们望而生畏的高深数学理论,也莫过如此,其蕴含的数学思想、分析方法,已升华为学生的数学素养。
  二、强化数学理论与实验的融合,提升学生数学应用能力
  当今科技都根植于数学,但很多学生对应用型人才“基本素质+特长”的理解有误区,认为数学的应用很抽象。数学分析作为学生最先接触的专业基础课程,在讲授给学生知识的同时,一定要让学生感受到,数学分析中的内容都不是凭空产生的,而是为满足人们的需求与愿望才产生的,在生产、生活、医学、科研等各个领域都有广泛的应用。故此,深挖数学分析理论应用背景,突出其在解决实际问题中的应用,是数学分析教学适应转型发展的重要举措。在教学过程中,我们尽量从实例引入概念,结合教学内容,介绍其在数学建模、挑战杯、ACM竞赛题中的应用,介绍其在一些科研工作中的应用,介绍其自身发展过程中解决物理学、天文学、几何学等方面问题的曲折历程[4],改变数学分析在学生心目中纯数学理论的形象。
  数学分析中很多计算都十分繁杂,在理论分析的基礎上,借助数学软件求解,则可事半功倍。教学中结合教学内容,通过应用案例的设计,开设一定数量的数学实验课程,引导学生借助数学软件,辅助创新学习,进行理论验证,解决实际问题,实现学生数学软件应用意识的加强,数学知识应用能力训练,学生数学专业“特长”的提升。
  例如泰勒公式,是数值计算重要的理论方法之一,但计算很繁。教学设计中,我们从求正态分布的概率入手,引出计算函数f(x)=e-x2定积分的需求,但因求不出其初等原函数,无法简单求解。引导学生借助泰勒公式分析,利用Matlab软件求解,问题会轻松解决,学生也印象深刻。又如积分和多重积分的计算,在工程、物理、科研一些实际问题会中经常遇到,可能计算公式能写出,但求解却很难。教学中我们引导学生用数学软件去求,不仅能快速解决问题,也有效提升了学生的数学应用能力。
  三、研究现代教育的时代特征,构建课堂教学新模式
  信息技术时代,知识大爆炸,各种教育教学新技术不断出现,学生学习、生活模式极大丰富,学生个性化学习需求、习惯被更充分尊重。教学中让学生课前预习,课后认真复习,挤时间做课外练习等对多数学生已不现实。学生对数学分析学习的目标定位趋于多元,动力和激情容易分散,自觉学习难以持久,而周围同学的学习及情绪会对个人影响很大。课堂教学如何适应学生时代新特征?课堂教学如何在知识传承中发挥主阵地作用?我们必须直面以对。   课堂教学的主要特征,就是提供一个老师和学生可以面对面交流的地方,老师可以传授知识,也可以通过营造现场氛围,激发学生的学习兴趣、潜质,引导学生高效学习。我们必须意识到,课堂教学承载的传道授业功能,在现代信息技术不断完善,网上教学资源无限丰富的今天,亦非不可替代。只是由于数学符号电脑输入的瓶颈,数学分析知识抽象、逻辑性强的特征,课堂上老师用肢体对数学思维进程的表现,还不可能由新媒体完全替代[5]。因此,课堂教学模式的改革,必须要突出学生学习的主体作用,摆正教师的知识引导角色,恰当运用教学艺术,为学生营造积极热烈的课堂学习体验,帮助学生深刻理解数学方法,突破难点、掌握重点、融会贯通学习要点。
  微课、慕课是教育信息化时代,适应学生思维和心理特点的一种新的教学形式,其知识离散化、学习个性化、短小精炼、引人入胜等教育理念,是教育教学一道靓丽的新景观[6]。受其教学体验的影响,近年来我们将数学分析教学重点、难点内容,进行大量的离散化处理,改革课堂教学模式。教学过程中,我们对概念引入、定理分析、例题求解、理论应用等,按不同教学模块,都进行认真的教学设计,尽量使其表现形式丰富,讲课有现场效应,有吸引力。在课堂上融合传统教学与现代教育技术,利用启发式、讨论式、问题驱动式等不同教学手段,进行历史典故的品味,理论概念的理解,知识应用的升华,思想方法的提炼,帮助学生融入课堂学习的氛围,提升问题认知能力,树立学生学好数学分析的信心。
  例如“闭区间上连续函数一定存在最大最小值”定理的证明,教学设计浓缩为:用局部到整体的思想,关键工具是极限的局部有界定理和有限覆盖定理,学生一般能很快理解掌握。经典的积分∫+∞0sinxxdx计算问题[3],乍一看很简单,我们在教学中设计了一系列问题:x=0是函数f(x)=sinxx的瑕点吗?函数f(x)=sinxx是否存在原函数?函数f(x)=sinxx是否存在初等原函数?广义积分∫+∞0sinxxdx收敛吗?收敛值是多少呢?这几个问题,已涉及到函数连续延拓思想,原函数存在定理,初等函数概念,狄利克雷收敛判别法等,到最后一个问题,虽然又回到了题目的本意,凸显的则是问题计算不易这个不争的事实。分析时先借助matlab软件绘图、分析、计算,易得到相关提问答案,并求出收敛结果为π2。用理论方法分析呢?进而我们引导学生,运用转化的思想,通过引入收敛因子e-xy(y>0),转化为含参变量积分I(y)=∫+∞0e-xysinxxdx的讨论。讲课过程中,老师将问题及分析过程在PPT上同步显现,不时走近学生,和学生一起讨论,也时而走向讲台,将数学思想、知识要点,用到的重要定理、结论等,在黑板板书,总结解题方法。最后再告诉学生,学习了复变函数,这个问题真的“很简单”,鼓动学生“去看看”的兴趣。至于将其转化为级数∫π20sinxxdx+∑∞n=1∫π20(-1)n1t+πn+1t-πnsintdt求解的方法,由于技巧较高,课堂只做简单概述,将其列入提高知识模块,鼓励热爱数学的同学课后研究,去仔细体会数学分析奇思妙想的乐趣。
  四、重视学生个性化学习引导,改革考核评价体系
  当今社会是一个终生需要学习的社会,大学里学生不仅要学习专业知识,更需要进行自学能力的培育、兴趣特长的释放、综合素质的提高。青年学子有太多的興趣和梦想,有太多的精力张扬个性,对专业学习有着不同的需求和期望。教学不可能像工厂生产一样,把学生教的都一样。作为数学分析教师,针对学生不同的知识需求,要有意识的设计不同层次的教学内容,引导学生正确、高效、有选择性的自主学习,开展讨论合作,科学检索资料,是实现个性化教学习的主要手段。
  微积分理论从诞生到完善历经二百年,背后有牛顿、莱布尼兹开创性的工作,有贝克莱悖论引发的数学危机,有柯西、魏尔斯特拉斯的不断完善[4]。他们在当年遇到的问题,也会是我们在教学、学习中遇到的问题,我们在教材中看到的,是最好的结果整理,很多论证实际上是思维过程的倒叙。在教学过程中,通过多媒体展示,介绍数学家背后的小故事,还原数学思维的本来过程,不仅能活跃课堂氛围,还原相关知识的时代价值,更能消除学生学习数学的畏惧心理,提高学生学习兴趣。同时结合教学内容,介绍相关理论延伸出的如小波分析、有限元方法等现代数学分支,及其对现代科技产生的巨大影响等,引导学生胸怀抱负,自觉投身感兴趣领域的学习。
  及时总结所学知识,提炼学习感悟,对提高学习效果极其重要。每一个单元内容学完之后,我们要求每个学生要绘制一张重要知识构成的脉络图,然后结合自己的情况、兴趣撰写一篇小总结、小心得或小论文。如对单元中一些重要的定理、例题等,列出其条件与结论,总结其证明或解题过程中用到的数学思想,用到的定理、结论等,写成小总结;或者就其中的一个知识点,上网检索资料,进行较深入分析,写成小心得;或就某个知识的应用,进行相关问题的研究,写一篇小论文。特别要灌输学生,数学问题不存在解法唯一的问题。如求y=xx的导数,转化成y=exlnx,可用复合函数法求导,转化成lny=xlnx,可用隐函数法求导,转化成y=uv,u=x,v=x,可用多元复合数法求导。让学生在平时学习中,不去总想着会不会的问题,而是去发现可否还有更佳解法。通过引导学生主动探索思考,发现更多、更好的解法,挖掘他们创新思维的潜能,调动他们学习的信心和热情,让他们不迷信权威,解题从“对不对”向“好不好”的台阶迈进。另外注重更新教学网站,将国内、国外数学分析优秀网络公开课、慕课等资源[7],及时向学生介绍和推荐,给有需求的同学去观摩、学习,对实现个性化学习也很有必要。在考试考核方面,我们将小总结、小心得、小论文、数学实验报告等纳入考核成绩中,强化自学能力、动手能力、知识应用能力等综合素质考核。
  五、几点思考
  数学分析教学内容的整合优化,是数学分析教学改革的难点,也是重点,其尺度难以把握。从近年来的学生情况看,毕业时跨学科就业的学生较多。数学分析教学中,如何保留数学分析的精髓,服务于不同学生的需求,还需要我们更深入的研究。
  数学类专业的学生,学生的课程认知、学习态度、精神风貌,对教学效果影响很大。教学中如何以学生为本,培养专业自信,形成积极向上的学风,使更多学生在数学分析的学习中,体验快乐,享受成功,还有很多艰巨的工作。数学分析教学的关键是教师,教师的专业功底、人格魅力,对教学效果有着至关重要的影响。在当今信息教育技术层出不穷的时代,教师如何科学、合理分配精力,及时把最新教育理念、教育技术,融入自己的教学之中,平衡好教学和科研的关系,对很多教师还是一个挑战。
  在数学建模、ACM、挑战杯等一系列大学生竞赛机制的驱动下,学生对数学方法的重要性认知提升。如何引导社团科学发展、创新发展,将这些精英的荣耀,惠及更广大的学生,转化为一般学生学习数学分析的动力,真正实现教学质量的全面提升,仍是一个非常现实的问题。
  (作者单位:南阳理工学院数学与统计学院)
  国家自然科学基金(批准号:U1504105),河南省科技厅(批准号:142300410107,122102210060)资助课题
  参考文献:
  [1]王萍.新时期理工科大学数学分析课程建设和教学改革探析[J].黑龙江教育学院学报,2014,33 (12):37-39.
  [2]华东师范大学数学系.数学分析[M].4版.北京: 高等教育出版社,2011.
  [3]刘玉莲,傅沛仁,林玎等.数学分析讲义[M].北京: 高等教育出版社,2008.
  [4]卡尔·B·波耶,唐生译.微积分概念发展史[M].上海:复旦大学出版社,2007.
  [5]马戈,杜跃鹏.现代教育技术环境下高等数学教学改革的实践与思考[J].高等数学研究,2004,7(3):11-13.
  [6]杨满福,桑新民.对MOOCs浪潮中微课的深度思考[J].教育发展研究2013(23):1-5.
  [7]额尔敦布和,刘修路,王静宇等.关于“数学分析”课程的教学对策探析[J].大学教育,2013 (5):109-111.
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