以实践和应用为特征的高等数学课程体系的构建

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  高等教育必须把培养高素质创新型人才作为根本目标。而数学作为一门最基础的学科,所取得的成就与当代科学技术的高度融合,已成为社会赖以进一步发展的重要基础。因此,全面提高学生的数学素质、加强对数学综合应用能力的培养,是新世纪实现高等教育根本目标的重要内容和高等数学改革的基本方向。
  
  一、实践与应用特征的内涵与要求
  
  现代社会中现代数学的重要作用为我们揭示了现代数学的基本特征——数学理论、数学实验、数学技术。其中,理论是核心,反映了基础性;实验是方法,代表了实践性;技术是目的,体现了应用性。
  1.实践性特征内涵与要求
  发展学生的数学能力,重要的不是记住一些技巧,而是在学习过程中贯穿着创造、构造、发现数学的学习精神。数学作为研究抽象的科学,依靠逻辑而不是观测结果作为其真理的标准,但同时也使用观测、模拟等实验作为发现真理的手段。数学来源于实际,实践是形成数学理论的基础,数学主要是为解决各领域产生的各类实际问题的需要而产生和发展的。反过来,数学为解决实际问题提供了思想方法、计算工具和精确论证。这充分说明实践性是数学所具有的重要特征之一。
  因而,通过计算机的应用,使学生在实践中将抽象的数学内容与计算机应用软件结合起来,使得学生能够不孤立地、更直观地学习高等数学,有利于发挥学生在教学过程中的主动参与性,并使学生能够以几何直观、数值分析和符号推演的结合来加深对概念的理解,以提高应用能力,增强学习效果。同时,数学教学中不仅要有课堂教学,习题课教学,还要合理增加实践类教学课时。课程体系与内容要充分体现实践性,在理论与实践中找到一种合理的平衡。
  2.应用性特征内涵与要求
  数学的应用性应当包括两个层面:一是数学精神、数学思想、数学观念的广泛应用,二是数学技术本身的应用。数学在自身领域之外起着应用科学的作用,数学的生命力就在于其应用的广泛性。毫无疑问,现实生活中存在着丰富多彩的与数学相关的问题,然而多数学生对这些认识肤浅,甚至没有认识。帮助学生理解现实生活中的问题,形成解决这些问题的意识和能力,同时将信息技术与之更广泛地结合,正是高等数学课程所要体现的应用性特征。
  
  二、高等数学课程新体系框架的构建
  
  人们早就注意课程体系设置问题对教学效果及人才培养目标的影响。1995年,国家教委高教司在《面向21世纪教学内容和课程体系改革》计划中特别指出,要重点解决大学数学课程体系和内容更新问题,使学生掌握现代数学的内容和计算,努力加强数学教学中的实践环节。在此基础上,许多学校相继开设了数学实验、数学建模等课程,以加强数学的实用性与实效性。人们对数学教育理念达成共识,即:人人需要数学;人人都应学有用的数学;不同的人应当学不同的数学。因此,高等数学课程体系改革应本着高瞻远瞩,整体优化,分层次培养,着重基础,加强应用的原则来进行。
  1.课程体系和内容的基本框架
  课程体系和内容的基本框架可构建如下:(1)基础部分——微积分和微分方程;(2)工具部分——数学软件与实验;(3)应用部分——数学模型。既强调微积分的经典内容,又重视现代数学思想的渗透,也注意到了数学知识的横纵向之间的联系及后续课的衔接,同时又将数学知识与数学软件结合在一起,体现了注重基本概念、突出基本方法、强化基本应用的原则,有助于学生打好数学基础,增强数学素质,培养自我知识更新的能力。课程体系中计算机软件应用与算法等信息技术内容的介入有利于改变传统的、落后的数学观念和数学教育观念。
  2.课程内容与目标的要求
  在课程内容方面,要求与实际生产、生活相结合,把应用性知识渗透其中。从课程目标来讲,要求掌握微积分的基本概念和基本理论,熟练掌握其基本运算,能对基本方法、基本理论进行简单的应用,能对基本知识进行综合应用,具有利用数学软件处理微积分问题的能力,掌握使用数学软件的能力,对简单的实际问题进行数学建模,利用数学软件进行求解的能力。
  
  三、配套的教学内容、方法和手段的革新
  
  在教学改革过程中我们并不一定要追求内容或形式的更新,原有的内容可以用新观点、新角度去考察,原有的教学方式可以用新手段、新技术来进行。目前,在一些大学中存在高等数学课程被认为不适合专业要求的情况,更加证实了我们需要不断探索反思课程的教学内容及方式、手段。
  1.教学内容革新
  (1)来自于生产生活中的数学模型
  在日常生活和工作中数学有着相当广泛的应用。这些应用实例经过抽象归纳后成为了数学模型,而数学模型就是现实与数学之间互动的一座桥梁。在弥补数学知识远离生活实际的方面,数学模型是一个极好的学习题材,通过适当设置数学实验内容,将有助于学生创新能力和实践应用能力的培养。
  (2)有专业代表性的实际问题
  高等数学教材都是按学科类别编写的,在实际教学中,教师应充分了解学生在专业课学习中会遇到的有代表性的实际数学问题,并充实到相应的数学教学内容中去,为学生用数学知识解决实际问题提供经验和示范,不仅使学生为今后的专业学习打好了基础,而且了解了建立数学模型的思想方法,认识了学习数学知识的重要性、提高了学习积极性,促进知识向能力转化。
  (3)数学发现与发展过程、前沿成果
  在课程中适时适量地引入数学史的发展过程、数学家的思维过程及现代数学的最新研究情况等数学文化内容,将给学生以很强的示范性和启迪性,使之体味到数学创造过程中的乐趣,以一种高涨的情绪来学习和思索,从而达到良好的教学效果。
  (4)开放性问题
  自20世纪70年代日本数学教育家提出“开放性问题”(open ended problem)后,在国际上引起了广泛注意。美国J.Becker教授指出,问题答案的开放是第一步,其次是问题解决方法的开放,即方法的多样性。最后是问题本身的开放,一个问题可以衍生出许多新的问题。在课程中引入开放性问题,将极大地开拓学生整合知识、举一反
  三、应用数学的能力。
  2.教学方法革新
  (1)注重知识背景
  在高等数学教学中,应让学生理解数学的思想方法,开阔思路、启发思维,培养学生提出问题、分析问题、解决问题的能力。对重要的概念要讲清楚,注意从联系实际当中引入、了解概念的背景。例如,从物理上的瞬时速度和几何上的切线斜率引入导数定义后,还可以根据不同的专业,引申到求物理上的冷却速度,交流电的电流强度,化学上的反应速度,经济中的边际成本等。从而将实际中的一些问题归结为导数与微分问题,实际问题也就不那么神秘了。
  (2)教学过程要有趣味性
  高等数学课程由于受自身逻辑性强的特点,难以较快地引起学生的兴趣。教师要讲好课程,必须以通俗易懂、准确、生动的语言,并以直观形象的方式来描述它的特性。同时,教学中不可避免地要出现许多枯燥难懂的算式推导,它不仅束缚了思想、丧失了创造性,而且损伤了大多数学生学习数学的积极性。所以,应尽可能注意避免陷入高难度的运算证明,要以应用为中心,强调概念解决问题的功用,使不同程度的学生都能意识到数学的真义,从中领略到自己需要的东西。从而使原本枯燥乏味的内容变得生动有趣,使复杂的难题变得一目了然,力争达到教学内容与形式的完美统一。
  (3)发挥学生主体意识
  高等数学应用教学所涉及的内容宽广,教师不可能在教学中面面俱到。在教学中应该做到以教师为主导、以学生为主体,采取灵活多样、生动有趣的教学方式,来充分调动学生的自主性,激发学生的学习兴趣。比如,成立课外兴趣小组、讨论班、建模队、数学软件协会,开展数学应用讲座等,使学生能更多地接触到高等数学应用方面的一些实例,进而使学生能更深入、更全面地了解高等数学的应用方法和它的发展趋向,同时,也可弥补教材的不足之处,缓解内容多、课时紧的矛盾。
  3.教学手段的革新
  (1)计算机与多媒体的应用
  钱学森教授在1989年就指出了计算机对数学教学的深刻影响,提出了理工大学的数学课要改造一番,要实现计算机与课程教学的紧密结合,提倡计算机的模拟与实验。中国科学院王元院士也强调,计算机和数学软件使用对培养工科学生的数学学习能力十分重要。
  高等数学教学中计算机不仅能做计算和代数运算,还是基于微机的实验室,可将以往的函数图形表示为计算机上的模拟运动,从而使公式表示、图形表示和现象可以相互对照,微积分的学习具有了形象化特征。通过开发多媒体教学软件、计算机辅助教学系统和电教录像系统等,可提升教学效果,在教学过程中起到良好的辅助作用。
  (2)网络技术的应用
  网络教学通过集中优秀的教学资源为教学服务,以多媒体形式优化了教学环境。网上传输信息量大,灵活、稳定、质量高,可实现人机交互,具有可持续性,学生可利用网络信息建构自己的知识体系。网络教学易形成非线性知识结构,改变了教师的教学观与学生的学习观,有利于高素质人才培养。同时与远程教育网相结合,可达到优势互补,资源共享,确保教学质量。
  计算机技术的应用在数学的传播与教学中起到越来越重要的作用,可以预计数学教育必将是与计算机及网络的连体。
  
  四、与课程体系配套的教材改革
  
  1987年美国国家科学基金会(NSF)宣布启动微积分计划。建议应着重于“培养学生概念性的理解能力、解决问题的技巧、分析与举一反三的技能。同时要通过实行新方法减少冗长乏味的计算”。NSF投入大量资金用于推动改革,特别是Harvard微积分联盟编著的教材在很多方面富有创意,引入了所谓的“4规则”:“每个概念都要用图形、文字、数值、代数的方式加以呈现”。
  由此我们得到启发,教材应该具有应用性、启发性、现代性、人文性。可以百花齐放,满足不同层次、不同需求、不同发展方向的学生使用的需求。要面向现代,加大教材知识密度,扩充信息容量,优化教材结构;重视基础,加强应用,适当引入新科技和近代数学思想;淡化严格推理,削弱运算技巧,加强计算机应用教学。
  1.增加数学软件与实验的内容
  数学软件的使用能大量减少计算,可以把教师和学生从繁重的数学运算中解放出来,把更多的精力用于思考解决问题的方法上。因此,教材中可以适当删减、调整一些教学内容。例如,微积分在近似计算中的应用、函数图形的描绘、微积分的计算方法与技巧等内容都可以简化,主要讲清楚解题思路即可。掌握了基本思路后就可利用数学软件与实验完成相应的计算。同时在教材中穿插一些利用数学软件进行计算与作图的问题,对增加学生的学习兴趣是有益的。
  2.提高教材的趣味性和人文性
  数学归根到底是客观世界的一种反映,它一直融合在人们的日常生活和生产活动中,教材中的所有概念都是从实际生活中提炼出来的。在教材内容的编排上,应当给出更多的形象化的例子,将数学的知识性和趣味性有机地结合在一起。从数学史中精选出一些与之相关的案例,配备一些从易到难的习题,激发学生的求知欲。从而使学生在学习中由被动转为主动,由枯燥乏味变得兴趣盎然,使其较大地调动学生的学习积极性。
  3.注重应用性和启发性
  国外教材的突出特点是应用性强,内容紧密结合生产和生活实际,涉及物理、生物、经济、金融、建筑、医学、军事、政治等,信息量大。通过精选一些只涉及较为初等的数学,又能体现数学建模教学的习题,教会学生如何应用数学解决实际问题。国外教材同时也注重启发性,有大量的思考内容和讨论内容。而国内教材的应用题也基本上限于微积分在物理、几何中的传统应用,缺乏应用性和趣味性。
  4.配备形式新颖、内容丰富的习题
  国外经典的Thomas 微积分教材大约有5 000 道练习题,包括概念题、计算、证明题和应用题及讨论与探索题。每章的习题包括指导复习题、实践题、附加题。一些设计新颖、风格各异的习题,可服务于特定的教学目的,满足不同能力培养的需要。而且有很多习题来自生产生活当中。而我们目前使用的教材中,结合实际问题、数值计算、借助于计算机作图及一些探索性、研究性的习题几乎没有。这是教材改革中必须注意到的问题。
  
  五、结论
  
  将高等数学与工程数学有机融合,渗透现代数学观点、内容和方法,加强应用和实践方面的内容,构成新体系,生成新的教学模式和教学方法,使得高等数学具备了更多的教育形态,更为丰富的教学形式、手段,更加系统的合理的课程体系。最终达到这样的目的:使学生掌握基本理论和方法;具有一定的逻辑推理、归纳演绎和运算能力;接触一些重要的数学思想、方法及应用数学解决实际问题的案例;培养学生从定性到定量的抽象能力、举一反三能力,体会用数学模型描述并解决各种实际问题的方法;切实掌握专业所需的数学知识,同时对数学的现状有一个概括的了解,并有意识地培养学生对数学的自学能力。
  在教育工作者们展望2010年中国数学教育时,我们注意到这样的描述,“会更多地看到学生的自主探索、合作交流、动手操作与创新思考……数学建模、数学技术和电脑技术等将会形成新的个体的数学学习方式……课堂教学将会从师、生二元交往过渡到师、生、电脑的三元交往……”而今时间迫近,而我们的改革也是需要紧迫起来的。
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