数学建模能力是一项综合能力,其中核心是数学化问题情境并构建数学模型。当然,除了关心核心环节以外,我们也需要关注其他环节,比如“提出问题”和“汇报结果”,只有把整个建模过程环节都充分考虑到了,数学建模课程才更加完整。笔者基于上述理解,采用模块课程之初与学生进行相关主题的头脑风暴,引导学生基于自己的生活或兴趣提出自己的建模问题,在模块课程进行过程中,学生不断利用新知识来尝试处理和解决模块学习之初提出的问题,在模块学习告一段落时,要求学生基于自己所学习的知识和技能对自己当初提出的问题进行解决,写成小论文的形式。
常见的数学建模教学组织方式是基于不同模型知识的,按照数学模型的划分可以分为“评价模型”“优化模型”“预测模型”等等,把这些模型相关的知识作为一个模块,讲完一个模块然后继续下一模块。模块内会含有相关模型的理论知识、案例分析、编程实现和写作等内容。教师可能对模型划分方法倾向不同,有的倾向于基于方法进行划分,比如微分方程方法、线性规划方法等,也有的教师倾向于基于问题类型进行划分,比如“评价问题”“预测问题”等。笔者倾向于后者,主要考虑到基于问题的划分更贴近问题的发现过程,同时不拘泥于特定的方法。
第一步:教师举例介绍学习模块的大概知识,重点列举相关模块知识可处理的案例。以评价模型模块为例,介绍综合评价模型是从各个备选方案中对其进行打分、排名或排序的数学方法。例如学生成绩排名、大学排行榜、最优暑期兼职、最安全城市评选等。可以具体介绍某个案例的解决过程。
第二步:引导学生回顾自己的校园生活或日常生活,提出类似案例。教师尽可能在学生思考的基础上进行延伸,即使学生所举案例并不恰当,也不要轻易否定,可以让学生进一步解释他为何认为该案例可用于这个模型,言之有理即可。因为本身对于模型划分教育界也没有太明确的标准,学生可能在解释的过程中否定自己先前的划分,也可能进一步强化认识,教师只需对于自己有把握的案例进行延申即可。
第三步:提出问题。引导学生在所选案例或其他案例中提出一个目前最想要解决的该类问题,并描述大致思路。学生常常会担心自己尚未学习该类知识,无法进行求解。这里可以从两个角度进行回应:1. 这个阶段只需提出问题即可,不必担心后续解决方案; 2. 数学建模始于想法,将自己的想法数学化可能就是一个很好的数学模型,未来所学习的内容也仅仅是一些参照,说不定自己现在的想法就是很创新的,未来称为某个理论,也有可能自己的想法与别人提出的理论相同,“英雄所见略同”。
第四步:布置作业,要求学生重新叙述自己课堂上提出的问题,并将问题进行分解,罗列要解决的子问题。在这一点上,可以参考上海数学建模联校活动的比赛要求https://mp.weixin.qq.com/s/WXmqAc-F2iBxQIvyOIGMVA。
第五步:模块知识教学的同时,介绍论文写作相关知识,不断沟通学生初始提出的问题的新的想法和研究进展,及时去除障碍或指引方向。学生及时将新想法补充到论文中。
第六步:完善数学建模论文。对学生的论文提出修改意见,督促学生对论文进行“升级改造”,完善论文结构,对具体章节删繁就简、补充关键内容等。
在学习评价模型的过程中,学生提出如何评估各个城市应对疫情的效果。在教学过程中,几次作业任务中都涵盖对论文内容的更新(比如更新背景介绍、研究方法等),期间回答学生关于写作工具、编程工具和模型理论的问题,学生最终的解决方案中结合已有的模型构建了混合评价模型(具体是TOPSIS方法和熵值法)对问题进行了顺利解决,完成了7页左右的建模小论文,作为自己的第一个建模作品。
从提出问题至汇报论文的模块教学设计中,我认为有三点需要额外关注:
参考资料