亲历数学建模 优化建构策略

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  一、从体验中感悟,积累模型表象
  数学建模过程包括从现实生活或具体情境中抽象出数学问题。也就是说数学建模的起点是发现问题与提出问题。在模型准备阶段可从生活情境入手,从体验中感悟比较清晰的数学问题,积累模型的表象。教学“鸽巢问题”一课,笔者尝试以“抢椅子”游戏引入。
  【教学片段1】
  猜测
  师:你们玩过抢椅子的游戏吗?4位同学抢3把椅子,如果每个人都必须坐下,会出现什么情况?
  生:总有2名同学坐在同一把椅子上!
  师:还没发生的事,你们居然能猜测出来,这在数学上叫“推测”。你们的推测是否正确让我们一起来验证!请大家闭上眼睛,(教师制造“1 3 0”的坐法现象)好,睁开眼睛!
  推翻
  师:你们说总有一张椅子上坐2名同学,可现在没有出现这种情况啊?像这种坐法(1?摇3?摇0)不就推翻了你们刚才的推测吗?
  思考
  师:说明的推测还不够严谨!思考怎么将其完善。
  生:补上“至少”就行了。
  师:“至少”是什么意思?谁来说说看?
  第一次试上时,笔者发现“总有”与“至少”二词如果直接正向出示,学生对其理解不够深刻,后来调整为以“抢椅子”游戏入手,找准模型与生活的契合点,让学生在“推测→推翻→思考”中自行添加“至少”一词,逆向操作反而能调动学生的主观能动性,较好地理解“至少”“总有”两大关键词,降低了学习难度。
  二、在列举中对比,理清模型组成
  列举法的优点在于它的直观性,以列举法的呈现为素材,通过对比让学生进一步理解“总有”这一存在性问题的关键词,即存在一个抽屉但不知道具体是哪个抽屉;与“至少”这一构造性问题的关键词,即知道大于等于2,但具体不知道是多少。最后通过对比各种摆法之间的联系与区别,凸显出(1 2 1)摆法的特殊性。从而让学生理清鸽巢模型的各部分组成。
  【教学片段2】
  活动一:用列举法证明4放3。
  师:刚才说总有一个抽屉里至少放入2支铅笔,“总有”是什么意思?
  生:一定有。
  师:是不是真的这样?找找看,第一种摆法,在哪?圈出来!
  逐一呈现(1 ③ 0),(④ 0 0),(2 ② 0),(1 ② 1)。
  师:至少2支铅笔是什么意思?
  生:不管怎样都不少于2支,可以是2支也可以大于2支。
  师:(1 2 1)摆法是至少的情况,它相比其他摆法有什么特殊之处?
  小组讨论:(4 0 0)摆法为什么不是至少的情况?
  (1 3 0)摆法相比(4 0 0)摆法优化在哪?
  (1 2 1)摆法相比(1 3 0)摆法怎么样?
  第一次对比各種摆法旨在让学生进一步理解“总有”“至少”二词的含义;第二次对比各种摆法旨在凸显出(1 2 1)摆法的特殊之处。通过“观察→比较→分析”,明确(1 2 1)摆法相对于其他摆法的特殊之处在于每个抽屉都占有资源。
  三、从直观到理性,明晰数学模型
  数学模型的建构是由形象到抽象、由直观到理性的提炼简化的过程。列举法虽直观清晰,但在元素较多的情况下就有一定的局限性,教学时不应只停留在列举法直观层面上,而要将其上升到逻辑思维层面,找出其中蕴含的规律。
  【教学片段3】
  师:刚才我们知道了(1 2 1)这种摆法比较特殊,那么每人都拿出学具摆一摆,感受一下(1 2 1)摆的过程,再与你的同桌互相说一说你是怎么摆的。
  师:谁看清楚他摆的过程?他先在每个盒子各放一根说明什么?(平均分)
  师:为什么要这样摆?
  生■:先让“每个抽屉都占有资源”。
  生■:只有平均分才能将小棒尽可能地分散,保证“至少”的情况。
  师:现在请你们将这种摆法记录到学习单上,想一想,怎么用算式来表达你的思考过程?(图1)
  从实物操作到画图示意,让学生进一步明晰了为什么平均分。从画图示意到用算式表达,是概括与抽象数学模型的过程。通过摆一摆、说一说、画一画、列一列等一系列操作活动,逐步让学生经历由直观走向理性思考的数学建模过程,进而明晰数学模型。
  四、从特殊到一般,逐层建构模型
  只通过一个例子马上提炼出数学模型,是不科学也不严谨的,一个例子具有特殊性,当然不能“以一概全”。厦门市思明区教师进修学校吴伟华老师向笔者建议:鸽巢问题的研究立足点在于找规律,可以通过控制变量的方式逐层建构模型。即先控制“商1余数1”的情况,从小数据入手找规律;再控制“商1余数非1”的情况,让学生尝试运用找规律的方式进行探究;最后放手让学生自主举例研究商非1的情况下是怎样的。三放三收逐层建构鸽巢问题的数学模型。
  【教学片段4】
  教学“商1余数1”环节,学生汇报用算式表达思考过程,板书呈现:
  3÷2=1(支)……1(支)?摇?摇1+1=2(支)
  4÷3=1(支)……1(支)?摇?摇1+1=2(支)
  5÷4=1(支)……1(支)?摇?摇1+1=2(支)
  师:从上往下观察这些算式,你发现了什么规律?
  生1:铅笔比抽屉数都是多1的。
  生:余数都是1支。
  生:“至少数”都是1+1=2支。
  【教学片段5】
  教学“商1余数非1”环节。
  师:这些余数都是1,手气都这么好!如果余数不是1,“至少数”还是1+1吗?四人小组合作,每人选择一个问题,用你喜欢的方法来证明,再小组交流。
  活动二:
  a. 把5支铅笔放入3个抽屉中;
  b. 把7支铅笔放入4个抽屉中;
  c. 把16支铅笔放入12个抽屉中;
  至少有( )支铅笔放入同一个抽屉。
  汇报时呈现:
  5÷3=1(支)……2(支)?摇 ?摇1+1=2(支)
  7÷4=1(支)……3(支)?摇?摇 1+1=2(支)
  16÷12=1(支)……4(支)?摇?摇1+1=2(支)
  同“商1余数1”的探究方式一样,“商1余数非1”也是让学生从小数据入手找规律自主建模。通过引导学生观察算式的特点,发现在“商1余数非1”的情况下,不管剩几根,都得再平均分。所以是“至少数”加1,而不是加余数。
  五、从模仿到举例,深化数学模型
  模仿并不是单纯地模仿解题或机械地训練,而是模仿建模方式。经历了活动一的教结构,活动二的模仿探究,学生已积累了一定的学习经验,这时可以放手让学生自主举例验证“商非1”的情况。从模仿到举例,是对学生逐步放手、开放的过程,同时也是逐步深化鸽巢问题数学模型的过程。
  【教学片段6】
  活动三:举例证明商是3、4、5……的情况下会是怎么样的?
  汇报:
  1. 你举的数据是什么?对应你的算式与图示说一说怎么证明的。
  2. “至少数”与谁有关?有怎样的关系?
  探究前,可先让学生回忆一下前两个活动的探究方法与步骤,再放手让学生自主操作,才能做到有的放矢。从模仿到举例,一方面让学生自主探索,发挥了主观能动性,另一方面释放了教师包办过多的包袱。
  从学科育人价值来看,在数学模型的建构中,不应只关注数学模型的结果,更应重视数学建模的过程。通过从体验中感悟——积累模型表象,在列举中对比——理清模型组成,从直观到理性——明晰数学模型,从特殊到一般——逐层建构模型,从模仿到举例——深化数学模型这五条建构策略,实现数学建模的最终目标:让学生形成模型意识与模型思想,以利于他们的自我数学建模,为他们的后续发展提供内生力。
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