試析在“高等數(shù)學(xué)”教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)

試析在“高等數(shù)學(xué)”教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)

論文摘要：“高等數(shù)學(xué)”課程不僅要傳授知識，更要傳授數(shù)學(xué)的精神、思想和方法，以培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和數(shù)學(xué)素養(yǎng)。闡述了數(shù)學(xué)素養(yǎng)的內(nèi)涵及培養(yǎng)數(shù)學(xué)素養(yǎng)的重要性，以及在科學(xué)思維、科學(xué)方法指導(dǎo)下通過“高等數(shù)學(xué)”教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的基本思路。
　　論文關(guān)鍵詞：高等數(shù)學(xué)教學(xué)；數(shù)學(xué)素養(yǎng)；科學(xué)思維能力；啟發(fā)式教學(xué)
　　數(shù)學(xué)的許多理論與方法已經(jīng)廣泛深入地滲透到自然科學(xué)和社會科學(xué)的各個領(lǐng)域之中。隨著知識經(jīng)濟(jì)時代和信息時代的到來，數(shù)學(xué)更是“無處不在，無所不用”。數(shù)學(xué)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用對大專院校的“高等數(shù)學(xué)”教學(xué)提出了更高的要求�！案叩葦�(shù)學(xué)”是非數(shù)學(xué)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程除了使學(xué)生收獲到必要的數(shù)學(xué)知識以外，更重要的是學(xué)生能收獲到讓他們終生受益的良好的數(shù)學(xué)素養(yǎng)和數(shù)學(xué)思維。只有掌握了正確的科學(xué)思維方法和具備了良好的數(shù)學(xué)素養(yǎng)，才能提高應(yīng)變能力和創(chuàng)新能力。
　　一、數(shù)學(xué)素養(yǎng)的內(nèi)涵
　　由經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）領(lǐng)航的國際學(xué)生評測計劃（PISA）對數(shù)學(xué)素養(yǎng)的界定是：數(shù)學(xué)素養(yǎng)是一種個人能力，能確定并理解數(shù)學(xué)對社會所起的作用，得出有充分根據(jù)的數(shù)學(xué)判斷和能夠有效地運用數(shù)學(xué)。這是作為一個有創(chuàng)新精神、關(guān)心他人和有思想的公民，適應(yīng)當(dāng)前及未來生活所必須的數(shù)學(xué)能力。
　　南開大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院顧沛先生認(rèn)為數(shù)學(xué)素養(yǎng)是通過數(shù)學(xué)教學(xué)賦予學(xué)生的一種學(xué)數(shù)學(xué)、用數(shù)學(xué)、創(chuàng)新數(shù)學(xué)的修養(yǎng)和品質(zhì)，也可以叫數(shù)學(xué)素質(zhì)。具體包括以下五個方面內(nèi)容：主動探尋并善于抓住數(shù)學(xué)問題中的背景和本質(zhì)的素養(yǎng)；熟練地用準(zhǔn)確、嚴(yán)格、簡練的數(shù)學(xué)語言表達(dá)自己的數(shù)學(xué)思想的素養(yǎng)；具有良好的科學(xué)態(tài)度和創(chuàng)新精神，合理地提出數(shù)學(xué)猜想、數(shù)學(xué)概念的素養(yǎng)；提出猜想后以“數(shù)學(xué)方式”的理性思維，從多角度探尋解決問題的道路的素養(yǎng)；善于對現(xiàn)實世界中的現(xiàn)象和過程進(jìn)行合理地簡化和量化，建立數(shù)學(xué)模型的素養(yǎng)。
　　二、培養(yǎng)數(shù)學(xué)素養(yǎng)的重要性
　　數(shù)學(xué)與人類文明、人類文化有著密切的關(guān)系。數(shù)學(xué)在人類文明的進(jìn)步和發(fā)展中，一直在文化層面上發(fā)揮著重要的作用。數(shù)學(xué)素養(yǎng)是人的文化素養(yǎng)的一個重要方面，而文化素養(yǎng)又是民族素質(zhì)的重要組成部分。因此，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)，可以為民族素質(zhì)的提高和發(fā)展創(chuàng)造有利的條件。
　　培養(yǎng)數(shù)學(xué)素養(yǎng)還有利于學(xué)生適應(yīng)社會的發(fā)展，有利于今后的可持續(xù)發(fā)展。大多數(shù)非數(shù)學(xué)專業(yè)的學(xué)生在今后的工作中所需要的數(shù)學(xué)知識并不多，如果他們畢業(yè)后沒什么機(jī)會去用數(shù)學(xué)，那么他們很快就會忘掉在學(xué)校所學(xué)的那些作為知識的數(shù)學(xué)，包括具體的數(shù)學(xué)定理、數(shù)學(xué)公式和解題方法。對此，日本著名數(shù)學(xué)教育家米山國藏認(rèn)為：“不管學(xué)生們將來從事什么工作，深深銘刻在心中的數(shù)學(xué)精神、數(shù)學(xué)的思維方法，研究方法、推理方法和看問題的著眼點等，卻將隨時隨地發(fā)生作用，使他們受益終身�！彼�還說：“對科學(xué)工作者來說，所需要的數(shù)學(xué)知識，相對的說也是不多的，然而數(shù)學(xué)的研究精神、數(shù)學(xué)的發(fā)明發(fā)現(xiàn)的思想方法、大腦的數(shù)學(xué)思維訓(xùn)練，卻是絕對必要的�！庇纱丝梢钥吹�，對學(xué)生今后的發(fā)展起到最大作用的并非他們在課堂上學(xué)到的數(shù)學(xué)知識，而是在循序漸進(jìn)的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)過程中獲得的數(shù)學(xué)的精神、科學(xué)的思維方法、分析問題的邏輯性、處理問題的條理性、思考問題的嚴(yán)密性。這些良好的數(shù)學(xué)素養(yǎng)對人的發(fā)展起著不可或缺的作用。
　　三、在“高等數(shù)學(xué)”教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)素養(yǎng)的具體做法
　　1.重視數(shù)學(xué)的靈魂——概念和觀念的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生善于抓住問題本質(zhì)的素養(yǎng)
　　“高等數(shù)學(xué)”中的很多基本數(shù)學(xué)概念，如極限、導(dǎo)數(shù)、積分和級數(shù)等都是從實際應(yīng)用問題中產(chǎn)生并抽象出來的，數(shù)學(xué)概念的提出和完善過程最能反映抽象思維的過程。而且只有深入分析并透徹理解數(shù)學(xué)概念才能指導(dǎo)學(xué)生將其應(yīng)用于解決其他相關(guān)問題，從而提高應(yīng)用能力。如果將教學(xué)的重心放到解題方法和解題技巧上，而忽略了真正的靈魂——概念和觀念的教學(xué)就是本末倒置了。從美國優(yōu)秀微積分教材中對概念的闡述及美國AP（Advanced Placement）微積分計劃中受到啟發(fā)，對重要概念的教學(xué)進(jìn)行了改革。例如，在導(dǎo)數(shù)概念的引入過程中增加一些有趣的新穎的例子，讓學(xué)生體會從實際問題中抽象出數(shù)學(xué)概念的方法。同時在課外練習(xí)中增加很多概念理解型的題目，幫助學(xué)生深刻理解導(dǎo)數(shù)概念的本質(zhì)；在引入偏導(dǎo)數(shù)和全微分概念的時候，通過實例引導(dǎo)學(xué)生思考如何能在一元函數(shù)導(dǎo)數(shù)和微分的定義基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)地修改或做一定的變化得到多元函數(shù)的類似概念；講授微分概念時，著重強(qiáng)調(diào)以直線段代曲線段、以線性函數(shù)代非線性函數(shù)的思想。另外，還簡單地介紹離散化、隨機(jī)化、線性化、迭代、逼近、擬合及變量代換等重要的數(shù)學(xué)方法，讓有興趣的學(xué)生課后查找資料深入學(xué)習(xí)。這樣做可以讓學(xué)生學(xué)會解決實際問題的根本方法即抓住問題的本質(zhì)，并在探究的過程中體會到樂趣和成就感，同時培養(yǎng)學(xué)生抽象的能力，聯(lián)想的能力以及學(xué)習(xí)新知識的能力，有利于提高學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)。
　　2.在課堂教學(xué)中滲透數(shù)學(xué)史，讓學(xué)生感受數(shù)學(xué)精神、感受數(shù)學(xué)美
　　現(xiàn)代數(shù)學(xué)的體系猶如“茂密的森林”，容易使人身陷迷津，而數(shù)學(xué)史的作用正是指引方向的“路標(biāo)”，給人以啟迪和明鑒。數(shù)學(xué)的發(fā)展歷史中，包含了許多數(shù)學(xué)家無窮的創(chuàng)造力。很多數(shù)學(xué)問題并非靠邏輯推理就能一步步解決的，而是起源于某種直覺，某種創(chuàng)造性構(gòu)建，甚至把許多表面不相關(guān)的東西牽連在一起思考，然后再通過嚴(yán)密的邏輯推導(dǎo)過程來完善它。如果在課堂上適時適當(dāng)?shù)匾�用�?shù)學(xué)史的知識作為補充和指導(dǎo)，不但可以活躍課堂氣氛，還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。比如在講授微積分的內(nèi)容時介紹它是人類數(shù)學(xué)史上的重大發(fā)現(xiàn)，介紹牛頓-萊布尼茲定理產(chǎn)生的歷史背景；在講授解析幾何時，將笛卡爾引入坐標(biāo)方法用方程表示曲線并創(chuàng)立解析幾何的思維過程展現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生明白學(xué)習(xí)解析幾何的意義。通過數(shù)學(xué)史可以了解知識的邏輯源頭，理解數(shù)學(xué)概念、結(jié)論產(chǎn)生的背景和逐步形成的過程，體會蘊涵在其中的思想，體驗尋找真理和發(fā)現(xiàn)真理的方法，體會數(shù)學(xué)家的創(chuàng)造性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。另一方面，數(shù)學(xué)的發(fā)展并非一帆風(fēng)順的，數(shù)學(xué)史是數(shù)學(xué)家們克服困難和戰(zhàn)勝危機(jī)的斗爭記錄，是蘊涵了豐富數(shù)學(xué)思想的歷史。了解數(shù)學(xué)史的同時會為數(shù)學(xué)家們的科學(xué)態(tài)度和執(zhí)著追求的精神而感動，這是能夠引領(lǐng)學(xué)生一生的精神食糧。除此之外，數(shù)學(xué)無論是在內(nèi)容上還是在方法上都具有自身的美。數(shù)學(xué)之美體現(xiàn)在多個方面，如微積分的符號集中體現(xiàn)了數(shù)學(xué)的簡潔美，眾多微積分公式體現(xiàn)了數(shù)學(xué)的對稱性和協(xié)調(diào)性，線性微分方程解的結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了數(shù)學(xué)的和諧美。在講授“高等數(shù)學(xué)”的時候引導(dǎo)學(xué)生欣賞數(shù)學(xué)的美，則數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)將不再枯燥，學(xué)生的審美情趣也會在對美的享受過程中逐步提升。 3.采用啟發(fā)式和研究式教學(xué)，提高學(xué)生的思維能力
　　選擇適當(dāng)?shù)膬?nèi)容，有針對性地安排討論課，精心設(shè)計討論的問題，讓學(xué)生各抒己見，可以極大地激發(fā)他們求知和創(chuàng)新的欲望，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識。例如，選擇微分中值定理進(jìn)行討論，這部分內(nèi)容理論性強(qiáng)，對初學(xué)者來說短時間內(nèi)較難理解。選取一些典型的難度適當(dāng)?shù)牧?xí)題，讓學(xué)生認(rèn)真思考后自由討論。通過討論學(xué)生不僅對構(gòu)造輔助函數(shù)的方法有了深刻的印象，而且加深了對抽象數(shù)學(xué)理論的理解，同時還鍛煉了數(shù)學(xué)語言的表達(dá)能力，培養(yǎng)了邏輯推理能力，增強(qiáng)了學(xué)生主動參與課堂的意識和創(chuàng)新的意識。又如，在高階線性微分方程的教學(xué)中，從一階線性微分方程解的結(jié)構(gòu)入手，引導(dǎo)學(xué)生做大膽的猜想，并嘗試對猜想的結(jié)論進(jìn)行分析和論證；接著再從最簡單的二階常系數(shù)齊次微分方程和開始，引導(dǎo)學(xué)生通過觀察找到方程的通解，然后再引導(dǎo)學(xué)生嘗試如何得到一般的二階常系數(shù)齊次微分方程的通解；如此逐步發(fā)現(xiàn)這類方程的通解形式實際上是由特征方程的根決定的，最后歸納出求解二階常系數(shù)齊次微分方程的特征方程法，并將此方法和換元降階的方法對比，討論用哪種方法求解更好。采用啟發(fā)式和研究式相結(jié)合的教學(xué)方法使學(xué)生更樂于積極地思考問題，并從中體會到發(fā)現(xiàn)的快樂，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情及研究興趣，也培養(yǎng)了學(xué)生分析問題解決問題的能力。
　　4.在“高等數(shù)學(xué)”教學(xué)中滲透數(shù)學(xué)建模思想，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)的意識和創(chuàng)新意識
　　數(shù)學(xué)建模是將數(shù)學(xué)思想與方法應(yīng)用到解決實際問題中的有效途徑，是培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的能力、靈活運用數(shù)學(xué)知識處理實際問題的能力，是激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)協(xié)作意識、培養(yǎng)創(chuàng)新能力的最佳手段。建立數(shù)學(xué)模型是數(shù)學(xué)活動中最具有開創(chuàng)性的工作。在各種數(shù)學(xué)新領(lǐng)域的開辟工作中，建立數(shù)學(xué)模型起到了奠定基礎(chǔ)、勾畫藍(lán)圖、提出新思想、新方法的作用。運用數(shù)學(xué)理論解決實際問題也具有較強(qiáng)的創(chuàng)新性。要解決一個問題首先要判斷它是否為數(shù)學(xué)問題，其次要將問題數(shù)學(xué)化，然后才能運用數(shù)學(xué)理論來解答它。實際上，在“高等數(shù)學(xué)”課程中就有很多數(shù)學(xué)建模的實例。如，由LRC串聯(lián)電路建立二階常系數(shù)線性微分方程，為了求流體的流量而引入對坐標(biāo)的曲面積分，根據(jù)條件建立目標(biāo)函數(shù)求最大值和最小值等。在教學(xué)中對這些例子加以剖析，滲透數(shù)學(xué)建模的概念，可以使學(xué)生對數(shù)學(xué)建模有一個初步的認(rèn)識。即將具體問題簡化、一般化，從而得出問題原型的一個數(shù)學(xué)化的抽象，就是數(shù)學(xué)模型。換言之，模型是對原型的抽象，而使用數(shù)學(xué)語言將原型抽象化的結(jié)果，就是數(shù)學(xué)模型。為了配合后繼數(shù)學(xué)建模課程的教學(xué)和數(shù)學(xué)建模競賽，在“高等數(shù)學(xué)”教學(xué)中增加了一定學(xué)時的數(shù)學(xué)實驗，結(jié)合具體實例讓學(xué)生學(xué)會利用計算機(jī)的繪圖和計算功能作出圖形或計算出結(jié)果，使學(xué)生對相關(guān)概念或結(jié)論獲得較直觀的認(rèn)識，既減輕了學(xué)生在接受和理解抽象知識上的困難，也為后期的建模打下基礎(chǔ)。
　　數(shù)學(xué)來源于實踐并應(yīng)用于實踐，在“高等數(shù)學(xué)”教學(xué)中滲透數(shù)學(xué)建模思想可以使學(xué)生充分認(rèn)識到數(shù)學(xué)的應(yīng)用價值，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用意識和創(chuàng)新意識，對于發(fā)展學(xué)生的數(shù)學(xué)思維也是非常重要的。
　　四、結(jié)束語
　　數(shù)學(xué)的應(yīng)用是時時存在，處處存在的，數(shù)學(xué)的影響是潛移默化的。數(shù)學(xué)的精神、思想和方法是數(shù)學(xué)教育的根本目的之所在�！案叩葦�(shù)學(xué)”課程是培養(yǎng)非數(shù)學(xué)專業(yè)大學(xué)生數(shù)學(xué)素養(yǎng)的重要載體。在“高等數(shù)學(xué)”的教學(xué)中要把培養(yǎng)和提高學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)放在重要的位置，不斷地尋找有效的手段使學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)知識的過程中理解數(shù)學(xué)的精神、思想、觀念和意識等；能夠靈活地運用數(shù)學(xué)的思想方法，掌握正確的學(xué)習(xí)方法、工作方法和思想方法，弘揚數(shù)學(xué)研究中的科學(xué)精神；能夠認(rèn)識和欣賞數(shù)學(xué)的美。數(shù)學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成不是一朝一夕的，在教學(xué)中務(wù)必要堅持注重培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的品質(zhì)，讓數(shù)學(xué)素養(yǎng)能夠在每一個學(xué)生身上沉淀和積累，為他們今后的可持續(xù)發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

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