研究線性代數中的數學建模

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一、線性代數教學中融入數學建模的必要性

線性代數是高職院校機電、信息、經濟管理等專業的一門重要基礎課程和工具課程．學生學習這門課程就是要用相應的數學方法解決實際問題，而數學建模就是培養數學實踐能力的最有效最實用的方法．目前眾多高校在線性代數教學中，教學內容更新緩慢，過多追求邏輯的嚴密性和理論體系的完整性，缺乏對學生動手能力和應用能力的培養，不利于與其它課程和所屬專業的銜接，造成了學生“學不會，用不了”的局面．因此，在線性代數中融入數學建模思想是非常必要，也是勢在必行的．

二、在線性代數教學中融入數學建模思想的有益嘗試

1數學建模思想在線性代數理論背景中的滲透線性代數中諸多概念和定理都是對相關實際問題的抽象和概括．如果不介紹實際背景直接講解，對高職生而言難以接受，他們往往靠機械記憶．因此在教學過程中，可借助于線性代數理論產生的來源和背景，通過對實際問題進行抽象、概括、分析和求解的過程，可讓學生切實體會到由實際問題到數學理論的思想方法，從中滲透數學建模的思想方法．矩陣是課程各部分內容的紐帶．在講解矩陣和矩陣運算概念時，可引入此實例．三個煉油廠I、II、III生成甲、乙、丙、丁四種油品，現要統計此三個分廠2010年與2011年生產四種油品的總產量．為了使學生體會數學建模思想，教學過程可如下進行．(1)問題分析與模型建立:教師可以提問一年中各煉油廠生產各油品的數量如何表示?可以提示產品統計量按煉油廠與油品排成行與列，以數表的形式表示．經學生思考后，教師給出肯定答案．同時指出在數據上加上括號就得到了矩陣的定義．(2)模型求解:用矩陣A、B分別表示2010、2011年三個煉油廠所生產的四種油品的產量，引導學生思考若要求兩年各工廠生產各油品的總產量的計算方法，通過師生之間的分析討論，從而水到渠成地引出矩陣運算A+B．通過這個實例，學生既了解到矩陣和矩陣運算產生的背景和在實際中的應用，又體會到了數學建模的過程，增強了學習的興趣，也為后面學習打下良好的基礎．

2針對學生專業特點，融入相應的數學模型在線性代數教學中，對于不同的專業，可以有所側重地補充相應的數學模型．而且確保融入的每一個數學模型都能反映出線性代數知識的本質，讓學生通過這些模型對線性代數的知識點有充分的認識和理解，激發他們學習的積極性．在講授面向專業的數學模型時，應遵循專業實際問題→數學模型→數學解答→應用于專業問題的教學過程．即通過案例分析，篩選變量要素，強調如何用數學語言描述和簡化實際問題，進而揭示其內在規律，利用線性代數知識建立線性代數模型，然后引導學生運用所學知識求解模型和應用模型分析實際問題．當然，不同的模型，突出的重點也需要作適當的調整．如在講解線性方程組解的問題時，對電信專業可以適當融入電路網絡方面的數學模型;對于信息專業可以融入計算機圖形處理模型;對經濟類專業可以融入投入產出模型等等．教師引導學生分析和解決問題，使學生體會到線性方程組與專業課的結合，激發學生學習課程的積極性．由于課堂時間有限，我們可選用比較小的數學建模問題，難易程度可參考如下案例所示．投入產出模型:某地區有三個重要企業:一個煤礦，一個發電廠和一條鐵路．開采1元的煤，煤礦要支付0．25元的電費及0．25元的運輸費．生產1元的電力，發電廠要支付0．65元的煤費、0．05元的電費及0．05元的運輸費．創收1元的運輸費，鐵路要支付0．55元的煤費及0．1元的電費．在某一周內，煤礦接到外地50000元的訂貨，發電廠接到外地金額為2500元的訂貨，問三個企業在一周內生產總值各位多少?三個企業互相支付多少金額?(1)模型假設與變量說明．假設該地區三個產業間需要的資金完全由該地區提供．設本周內煤礦的總產值為x1，電廠的總產值為x2，鐵路總產值為x(2)模型的分析與建立．煤的產值=訂貨值+(發電+運輸)所需要煤的費用;同理，電廠的產值=訂貨值+(開采煤+運輸+發電);鐵路的產值=訂貨值+(開采煤+發電)所需要的運輸費用．

3立足數學建模思想的有效融入，多種教學手段有機結合線性代數教學可以嘗試采用多種教學手段相結合，以期達到很好的教學效果．(1)平衡多媒體教學與傳統教學．多媒體教學有很好的輔助作用．在教學中引入數學模型時，需要利用多媒體課件呈現實際問題，以及引導學生對模型的分析與求解，使教學內容生動形象．例如，在基礎理論教學中，對于比較抽象的概念，如矩陣的特征值、特征向量等，可以利用多媒體課件展示它們的幾何意義，使學生從直觀上加深對概念的理解，起到事倍功半的效果．可見，多媒體教學可以增加教學容量，擴大教學空間，延長教學時間．但是，傳統的黑板教學在把握數學思維的發展、形成過程和知識反饋等方面，要技高一籌，教師所表現出的藝術感染力和魅力不是多媒體所能替代的．因此，我們要逐步找到傳統教學手段與多媒體教學有機結合的平衡點，充分發揮多媒體對教學內容的補充和延伸優勢，同時體現傳統教學的邏輯性，不斷提高教學質量．(2)增設適當的數學實驗．根據線性代數計算程序化和獨特的計算特征，增加數學軟件的上機操作和數學實驗，訓練學生用計算機解決問題．首先在多媒體課件中添加了Matlab界面下矩陣生成、運算以及線性方程組各情形下的相應解法．而且，在課程中融入數學模型的求解過程也是利用數學軟件完成的，這樣可以用來引導學生學習數學軟件．其次，在每章節加入了相關的實驗內容，幫助學生能借助簡單的Excel程序和Matlab軟件進行科學計算，以增強學生科學計算能力．這樣可以更好的提高學生應用線性代數的實踐能力．(3)充分利用網路教學．當將數學模型融入課堂時，會出現學時少與信息量大的矛盾，而且由于學生的認知水平不同，對數學建模思想的領會程度也會有較大差異．為此，我們可以利用校園網建立課程網站，作為課堂教學的補充，為學生提供多層次、多方位的教學資源．網站中的教學資源除包括課堂教學內容外，還提供豐富的與專業相關的數學模型和數學實驗，可以利用網上答疑和學生進行數學模型的討論，算法的研究等．這樣縮短了學生與數學建模的距離，而且學生還可以根據需要自由地選擇學習內容和形式，靈活安排自己的學習時間，有利于培養學生應用線性代數解決實際問題和其創新能力．

4重視教師隊伍高素質化建設教師是課堂教學的主導者，能否在教學中順利向學生滲透數學建模思想，教師的素質起著重要作用．這就給我們教師隊伍提出了較高的要求，無論是從教育理念上，還是從教學內容、教學方法和教學手段上，都應有新的突破．教學過程中，要求教師對自身的知識體系和知識內容進行及時更新，以適應信息化社會的需求，并應由傳統的課堂主導者轉變為以學生為主體，通過現代化教學手段，積極調動學生學習的積極性和學習熱情．教師要積極參與數學建模競賽的培訓和指導，積極主動地學習和掌握數學建模知識，親身體會建模的全過程．同時，教師也要結合自己的研究方向，將專業知識運用到實際問題中，進而不斷提高自己的數學建模能力和水平．幾年的實踐表明將數學建模思想融入線性代數教學中的探索與嘗試，旨在使學生領悟數學精神的實質、思想方法及其應用，從而培養學生的數學實踐能力和創新能力．在這個長期系統的工程里，課程教學所涉及的教材建設、教學內容、教學手段和方法等方面，還是需要不斷地進行探索與改革的．這是需要廣大教育工作者的繼續努力，以適應培養應用型人才目標的需要．

作者：唐帥郝祥輝單位：濟源職業技術學院