利用数学建模的思想调动大学生学习高等数学的积极性

　　众所周知，高等数学是所有自然学科的基础，一个大学生要想在以后的工作、学习中大展宏图，那么就一定少不了坚实的高等数学基础。如何解决大学生在学习高等数学时碰到的问题？如何调动大学生学习高等数学的积极性？让学生们了解高等数学的用途，真正愿意静下心来好好学习高等数学，努力为以后的发展打好数学基础。一直以来，各所高校的教师们都在努力的想办法、找对策，一些实用有效的方法已经提出并且在逐步推广，比如，问题驱动式的教学方法和基于PBL的教学方法等。笔者从所在学校的学生实际学习情况出发，根据几年来的教学心得和积累，打算提出一种较为实用的教学方法——利用数学建模的思想调动大学生学习高等数学的积极性。该方法在笔者所教授的班级中已经实际应用过几届，学生普遍反映效果较好，任课老师也认为该方法确实能极大地调动学生的学习积极性。

　　提到高等数学，学生们的第一反应往往是：各种公式塞满黑板，各种运算充斥脑海；定义、定理、推论一个连着一个；极限、连续、可导可积一个涵盖另一个[1]。和高中数学相比，记忆的负担轻了（实际上是知识点太多，记不住了），而对思维的要求却提高了。对大学生来说，每一次的高数课，都是一次大脑的思维训练，时刻要求精神高度集中，一定要紧跟老师的步划，一旦走神，后面的内容就不知所云了。这样的要求短时间可以达到，长久下去学生们会觉得很辛苦，很有压力，会出现抱怨。笔者碰到过这样的学生，刚开始时，兴致勃勃，雄心万丈，可到后来兴趣索然，马虎应对。怪学生吗？诚然学生有责任，但任课老师也该负很大的责任。作为高等数学的老师我们经常要面对学生提的这些问题：（1）我学的专业和高等数学相差甚远，有可能这一辈子都不会用到高等数学的知识，那我学高等数学的目的何在？（2）老师您天天鼓吹高等数学的强大功能和广泛用途，但是通过一学期的学习，我发现除了对付考试有用，真不知高等数学可以用在何处？这些问题不及时解决，时间长了一定会影响到大学生对高等数学的学习积极性，甚至有可能会产生厌学的情绪和氛围。有些极端的学生，期末考试之后，一听到自己高等数学考过了，立马将高等数学的课本给撕了，可想而知高等数学对其造成的压力有多大[2]。如何解决大学生在学习高等数学时碰到的问题？如何调动大学生学习高等数学的积极性？让学生们了解高等数学的用途，真正愿意静下心来好好学习高等数学，努力地为以后的发展打好数学基础。笔者从所在学校的学生实际学习情况出发，根据几年来的教学心得和积累，打算提出一种较为实用的教学方法——利用数学建模的思想调动大学生学习高等数学的积极性。

　　一、以实际问题反推解决问题时我们需要的高等数学知识

　　有这样一个实际问题：报童每天清晨从报社购进报纸零售，晚上将没卖掉的报纸退回给报社。假设报纸每份的购进价为b元，零售价为a元，退回价为c元，自然地有a>b>c。这就是说，报童每售出一份报纸赚a-b元，每退回一份报纸赔b-c元，报童每天如果购进的报纸太少，那么会不够卖，就会少赚钱；如果每天购进的报纸太多，那么会卖不完，将要赔钱。请为报童规划一下，他该如何确定每天购进的报纸份数，以获得最大的收入[3]。

　　现在我们来反推该问题涉及到的高等数学的知识：首先，通过分析题目可知，问题解决的关键在于——如何确定每天的报纸需求量，注意每天的报纸需求量是随机变化的？解决这个关键问题的知识我们早就掌握了，分别是数理统计中的频率连续化、概率论中的概率密度与期望和高等数学中的定积分[4]。

　　其次，假设每天购进n份报纸，G（n）为报童购进n份报纸时的平均收入函数，再假设每天的报纸需求量r是随机的，此时r和n的关系有三种r>n，r二、利用高等数学的解决实际问题

　　由前面的假设可知，每天购进n份报纸，每天的报纸需求量为r份时，报童每天的平均收入为G（n）元。如果这天的需求量r≤n，则他售出r份，退回n-r份；假如这天的需求量r>n，则n份报纸全部售光。因为日需求量r是随机的，所以我们必须求出每天卖出r份的概率

　　f（r）[4]。如果求出了f（r），那么

　　G（n）=[（a-b）r+（b-c）（n-r）]f（r）+（a-b）nf（r）.（1）

　　现在我们来求f（r），假定报童已经通过自己的经验和其他渠道掌握了一年（365天）中每天报纸的售出份数，那么在他的销售范围内，每天报纸日需求量r的概率f（r）为：

　　f（r）=，r=（0，1，2，3，…）

　　其中k表示为卖出r份的天数。

　　根据概率论中离散型随机变量的连续化知识[4]，我们可以将r视为连续型的随机变量，这样更便于分析和计算。利用最小二乘拟合[5]，可以将f（r）转化为连续型随机变量r的概率密度函数p（r），那么（1）式变成

　　G（n）=[（a-b）r+（b-c）（n-r）]p（r）dr+（a-b）np（r）dr.（2）

　　通过上面的分析，可知实际问题归结为，在p（r）和a，b，c已知时，求n使得G（n）最大。

　　研究表明G（n）是一个在闭区间上连续的积分上限函数，由闭区间上连续函数的性质可知G（n）的最大、最小值一定存在，而且最大、最小值一定在函数G（n）的驻点（也即使得=0的n）。计算可得

　　=-（b-c）p（r）dr+（a-b）p（r）dr.（3）

　　令=0，得到=，又因为p（r）dr+p（r）dr=1，所以p（r）dr=.（4）

　　在等式（4）中，p（r）和a，b，c均为已知，所以利用定积分的知识一定可以求出n。也即可以确定每天购进的报纸份数，使报童每天获得最大的收入。

　　三、利用现实问题，让学生学会思考，给他们提供创造成就感的机会

　　通过上面碰到的实际问题，可以很容易地说服同学们静下心来好好学习高等数学。因为通过实际问题的求解，学生们了解到了，要想解决一个实际问题（哪怕是很小的问题），也需要大量的高等数学知识的储备；学生们也大概领略到了高等数学的用途与功能。这样的教学方法简单、直接，胜过老师课堂上反复的唠叨与强调。有了这样的一些实际问题，老师们就可以大胆地将数学建模思想引入高等数学的教学当中，让学生们在解决实际问题中学会思考，掌握知识，提高能力。

　　通过训练后，碰到实际问题，同学们会自然的想到我们的教学方法：（1）这些实际问题涉及到的高等数学知识？那些自己掌握了，那些还没有弄明白，学要加强学习。（2）知识点找到后，如何建立起数学与实际问题求解之间的关系？也即如何建立数学模型。（3）除了老师给的题目，自己本专业中的实际问题，能否用高等数学的知识去解决？通过思考、分析、解决这些问题，学生们会有一种创造创新的成就感，会愿意自主学习，自然而然其学习高等数学的积极性也会大大提高了。

　　作者：熊志平来源：教育教学论坛2016年34期