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数学是什么?数学并不只是一个科学工具,数学是文化,是人类文明的重要基础;数学是科学,是哲理思维,蕴涵着深刻而丰富的人文文化.学习数学文化,既要提高数学素质、科学素质,也要提高思维品质和人文素质,促进文理交融与学生全面发展.
数学的素质尤为重要,它在实施素质教育中具有基础的意义.就如体质是从事一切体力劳动的基础一样,数学素质是从事一切脑力劳动的基础.在科学技术成为第一生产力推动社会发展的今天,在人类发展要向可持续方式转变的今天,我们把数学作为文化,作为所有科研工作者和社会工作者的基本素质,是何等的重要.数学思想是数学文化的核心,因为数学文化是数学的形态表现,它可以包括:数学形式、数学历史、数学思想.其中思想是本质的,没有思想就没有文化.
当今世界,无论是国际间的竞争还是社会各行业各领域的竞争等,核心是创新人才的竞争,而创新人才的产生又与教育密不可分.诺贝尔奖获得者杨振宁和朱棣文在谈到中国教育现状时,都认为中国的教育重基础知识的学习,而轻创造能力的培养.那作为大学数学教师的我们,怎样才能以合理有效的教学培养学生的创造能力呢?以数学公共课“概率论与数理统计”的教学为例,有下面一些反思.
非数学专业的学生在学习“概率论与数理统计”之前基本上都是有微积分和线性代数的数学基础,但大多数学生对这些数学知识的印象都是枯燥、繁琐的计算、记不住的公式和不知所以然的推理论证,甚至有些学生对数学有种排斥的心理,认为数学根本就没有用.学数学意味着什么?当然除非你能用它,否则毫无益处.而“概率论与数理统计”是一门研究随机现象及其规律性的科学,有着广泛的实际应用,而且其中用到求导数、求积分等工具,正好可以通过这门课的学习,使学生感受到数学的力量,从而对数学产生兴趣.
j.勒雷说过:“学习科学不是靠读,而是靠理解.科学不是静止呆板的字母,书籍不能保证它永恒的青春.科学是一种有生命的思想,为了对它产生兴趣,进而掌握它,人们必须在精明的人的指导下,用自己的头脑去重新发现它.”
我们教师就应该成为这样精明的人,当然我们的教学不能只是宣读写好的课本或ppt,也不能只是登上讲台发表高见,而要通过对话使学生发现真理.这就要求我们在教学过程中不断渗透数学思想,注重培养学生的自学能力和扩展、发展知识的能力,为学生今后持续创造性的学习打好基础.
数学思想可以归纳为三种基本思想:抽象、推理和模型.下面举个课本[4]第一章中的一个例子:设盒子中有3个白球,2个红球,现从盒中任抽2个球,求取到一红一白的概率.
为了培养学生的创造性,在教学过程中还要培养学生的数学yawp(叫嚷或尖锐的叫声),就是发现一个数学思想或数学论证的美或解决一个问题时所表达的惊奇和愉快.这就要鼓励学生发现,要恢复学生孩子般的好奇心和想象力,教他们提出好问题.例如书本[4]第五章是讲大数定理与中心极限定理,这章其实主要就是回答了四个问题:为何能以某事件发生的频率作为该事件的概率的估计?为何能以样本均值作为总体期望的估计?为何正态分布在概率论中占有极其重要的地位?大样本统计推断的理论基础是什么?在教学过程中,这四个问题不应该是讲到这一章由老师提出,而应该在前面相应各章节的学习时就引导学习自己提出这些问题,学生带着这些问题来学这一章的效果肯定会更好.
概率论与数理统计是一门研究随机现象统计规律性的学科,是从研究必然问题到处理随机问题,其理论和方法的应用几乎遍及所有科学技术领域、工农业生产和国民经济的各个部门。由于它的广泛性应用,大多数高等院校都把它作为一门公共基础课。然而,许多学校对于该课程的教学存在以下问题。
1、概率统计课程教学内容变化不大,课程内容比较抽象,难以理解。
2、概率统计课程教学方法和教学手段落后。
3、概率统计课程考核方式单一。
4、在对知识的应用上存在较大的困难。
二、针对目前教学现状,我们对概率论与数理统计课程教学改革提出以下几点意见。
1、 教学内容改革措施
概率统计课程教学内容的改革要突出学生的主体地位,促使学生主动参与,积极思考。为了对学生直观的讲授该门课程相关的教学内容,特在该课程中按照章节实行模块化教学,以章节为单位,根据具体讲授的内容划分模块,具体模块划分见下表:
2、教学方法和教学手段的改革措施
培养学生对该学科学习的兴趣
概率统计知识体系复杂、严谨,导致许多学生觉得抽象、枯燥、无新鲜感,没有学习的兴趣。针对这种情况教师在讲授相关知识时候选择相关的史料来增强学生学习的兴趣。
采用启发式教学法
教师选一些来自现实生活的教学内容来讲授概率知识,例如,通过故障诊断、医疗专家系统等问题来引出贝叶斯公式,也通过大量独立的现象和重复独立的试验来介绍独立性和二项概率公式等等。像这种采用启发式教学可以更好地开阔学生的思维,发挥学生学习的主体性,有效地引导学生解决问题。
采用案例教学法
教师选择一些具有代表性的案例交给学生阅读、思考,引导学生运用所学的理论进行分析、讨论,以巩固知识,提高学生分析问题、解决问题的能力。如让学生运用古典概率公式解决"鞋子配对问题"、"生日巧合问题"、"赌博问题";运用统计估计与假设检验解决"先尝后买产品促销问题"、"吸烟与患癌症的相关性";运用中心极限定理解决"保险公司盈利与亏损的问题"等等。
④开展第二课堂
从两方面入手,一方面教师引导学生利用课余时间定期组织活动,学习、讨论热点问题难点问题;另一方面教师将学生自主实验纳入该课程的教学活动中,根据不同章节涉及的知识,以课外作业的方式吸引学生自由组队,让学生在课余时间通过实验发现某些偶然性背后所隐藏的必然性,从直观背景中了解某些理论的产生过程,可以使学生深刻理解数学的本质和原貌 ,体味生活中的数学 ,增强学生兴趣 ,培养学生的实际操作能力和应用能力。比如对于讲过的 Poisson分布 可以让学生课余时在校门口,观察每 30s钟通过汽车的数量,检验其是否服从 Poisson分布;而对于已讲授的正态分布,可以让学生统计每学期各课程考试的成绩,看是否符合正态分布,并标准化而后排出名次等等,这样做能有效培养学生独立思考和独立解决问题的习惯,激发学生的学习兴趣,加深他们对理论知识的学习和理解,拓宽知识面,提高学习效果,培养学习兴趣等都会起到重要作用。通过数学实验,发现生活中的统计规律,提高学生学习兴趣,并以小组方式上交实验报告,作为学生平时成绩的一部分。
⑤合理引进多媒体教学
多媒体的动画演示 ,生动形象,可以将一些抽象的内容直观地反映出来,使学生更容易理解,能够化静为动,寓教于乐,能使抽象问题形象化,增强教学趣味性,便于学生对知识点的理解和运用;能节约传统的板书时间,开阔知识面,增加信息量,提高学习效率等.例如借助多媒体可以对概率统计中的一些随机现象进行模拟.对诸如分布的性质、分布之间的关系可以用图形的方式进行演示.改变传统的口授、板书的方式,使题目中静止的内容运动起来,让学生充分观察是由静态到动态过程,增强学生的观察和分析能力。
⑥利用数学建模培养学生的应用能力
对于教学改革我们更应该注重实践性的教学环节,注意加强培养学生观察、分析和解决实际问题的能力。所以教师应该选择具有代表性的有关概率统计的应用案例指导学生去思考、讨论、解答,使学生充分认识到概率统计这门课的实用性,培养学生的实际操作能力及建模能力,鼓励学生通过建立相应的模型来解决一般性的问题。比如,让学生测量本年级男、女同学的身高,看是否符合正态分布;分析学习成绩与性别的关系;分析父亲的身高与儿子的身高有何关系;统计每学期各科考试成绩并标准化后排出名次;考虑传递系统效率问题等。
3、成绩考核改革措施
学校应为艺术教育的实施推出一份完整,有条理可行的规划,规范艺术教育的管理机构的设置,课程的合理安排,开设独立的艺术教育中心,安排专职专人紧抓艺术教育的开展。并且在加大管理力度的同时,也对实行艺术教育的老师的素质进行提高,增加教师进修继续学习的机会,使教师队伍更专业化,同时鼓励教师进行艺术的深入研究,建立校园中浓厚的艺术氛围。在人力、财力、物力上对艺术教育加大支持力度。从根本上转变传统的教育观念,稳中求进,让艺术教育成为常规式教育,潜移默化的融入到教育体制改革中,形成医学院校特有的艺术教育形式。
2.进行课程体制改革
在我校实行艺术教育改革,合理地改变课程设置形式,具体情况具体安排,适当的把艺术教育从选修课中转化到必修课中进行教育,可以针对低年级或者课程安排较少的专业进行艺术教育必修。而且所选择进行艺术类必修的课程可以和医学专业相互连接起来,注重艺术和医学的交集建设,在学习医学知识的同时借助艺术来巩固医学知识的记忆与应用。如艺术类的医学治疗,医学美容学,艺术性的医学康复。在高年级和课程设置繁重的专业依旧实行选修课制度,但是要求学分制,要求每人必修课程数,进行半强制性的艺术教育,为了确保艺术教育的实施具有真实价值,应加强艺术课程建设,丰富艺术教学内容,使艺术教育不再走形式化,而是真正的落实到每一处细节中。
3.发挥学生能动性,促进艺术社团的建立与发展
我们应重视本校的学生艺术社团的发展,对社团的艺术活动和艺术实践大力支持,并对社团的管理和建设进行扶持,完善社团的管理制度,规范社团的运行机制,并在条件允许的情况下创建更多类型的艺术社团。因为学生的艺术社团是最接近学生本身的,它不同于老师的授课形式,不会让学生对艺术产生距离感,让学生对艺术的学习不受时间与空间的限制,使学生对艺术的选择更加自由。在培育艺术社团的过程中,我们应注重从具有艺术特长的学生抓起,以他们为主体,进行集中、更专业化的培训,提升他们的艺术素质,然后把他们作为主力,散发到普通同学中,感染他们身边的每一个人,鼓励大家都参与到艺术社团中。在设计社团活动时,应尽量开展大众化的,灵活多样化的,健康向上的社团活动,让大家都有机会感受到艺术的快乐和魅力,从而带动社团整体的持续性发展,促进艺术教育的普及。实现提高学生的艺术文化素养,培养学生的综合能力。艺术教育在医学院校教育中的开展是社会发展的需求,是教育体制改革的鲜明特点,通过艺术教育的推行,让人们意识到了其重要性,并深刻的理解了艺术教育在医学中扮演着至关重要的角色,所以,我们更应该加快艺术教育的前进步伐,完善艺术教育的体系,加强医学院校的艺术教育。
4.结论
关键词:离散数学;概念教学;APOS理论
离散数学是计算机科学与技术专业的重要专业基础课程。它不仅是许多专业课程如数字逻辑、数据结构、数据库原理、操作系统、编译原理和人工智能等的必备基础,而且对培养学生抽象思维和逻辑推理能力起着重要作用。
离散数学有众多抽象的概念,在离散数学的教学中,几乎每一次课都有新概念的引进。除了直接反映客观事物的空间形式或数量关系外,许多都是在已有的数学概念的基础上,经过多层次的抽象概括而形成的。概念是思维的单位,是整个数学知识结构的基础,是判断p选择p推理的重要依据,直接影响到离散数学教学的成败。从多年的教学实际来看,学生往往出现两种倾向,其一是有的学生认为基本概念单调乏味,不重视它,不求甚解,导致概念认识和理解模糊;其二是有的学生对基本概念只是死记硬背,而不去弄清楚它们的来龙去脉,将繁多的概念形成一个知识体系。这样久而久之,严重影响对数学基础知识和基本技能的掌握和运用。从一定意义上说,数学水平的高低,取决于对数学概念掌握的程度。
基于杜宾斯基的APOS理论,我们提出离散数学概念教学应该采取的策略,并使用大量的实例进行说明。
1APOS学习理论
美国的杜宾斯基等人在数学教育研究实践中,提出了一种APOS理论,即学生学习数学概念,一般要经过四个阶段:操作(Action)阶段、过程(Process)阶段、对象(Object)阶段、模型(Scheme)阶段[1]。
操作活动阶段,是学生理解概念的一个必要条件,通过操作、活动,让学生亲身体验、感知问题的直观背景以及与生活现实之间的联系。
过程阶段,是学生对操作、活动进行思考,经历思维的内化、整合过程,学生在头脑中,对活动进行描述和反思,抽象出概念所特有的性质。
对象阶段,是通过前面的抽象,认识概念的本质,对其赋予形式化的符号定义及符号,使其达到精致化,成为一个具体的对象,在以后的学习中,以此为对象去进行新的活动。
模型阶段,需要经过长期的学习活动来逐步完善,起初建立的概念模型包含反映概念的特例、抽象过程、定义以及符号,经过学习建立起与其他概念、规则、图形等的联系,在头脑中形成综合的心理图式。
APOS理论揭示了数学概念学习的本质,是具有学科特色的学习理论。
基金项目:湖南农业大学东方科技学院教改课题“离散数学概念教学研究”(52030780)。
作者简介:陈义明(1969-),男,副教授,硕士,研究方向为机器学习;李舟军(1963-),男,教授,博士,研究方向为计算机科学理论。
2概念教学策略
对应于APOS理论的四个阶段,我们提出了离散数学概念教学应该采取的策略。
2.1通过直观教学和情景引入,揭示数学概念的来源与背景
由于数学概念本身具有严谨性、抽象性和符号化等特征,我们在教学中往往比较重视培养思维的逻辑性和精确性。如果只注意数学概念的传授,置学生于被动地位,则不利于其创新能力的发展,这也是很多学生觉得离散数学难学的一个重要原因。如果能在教师创设的情景中让学生亲身体验一遍概念的产生过程,即从需要出发,让学生大胆地猜想,体验到数学概念产生是自然的、合理的,而不是人为强加的,有利于学生形成数学直觉,发展数学思维,获得数学发现的基本素质。
新的数学概念的形成,有的来源于现实世界或解决实际问题的需要,有的是对已有数学概念的进一步抽象概括,有的产生于理论发展的需要。无论是何种情形都有鲜活的背景材料为例证。因此,我们必须通过直观事例,把握数学概念的本质特征。如在讲述欧拉路、欧拉回路和欧拉图的概念时[2],笔者先介绍了著名的哥尼斯堡七桥问题,学生很感兴趣,很想给当时人们提出的问题一个解答。接下来介绍数学家欧拉如何将这样一个实际问题抽象为一个图论问题,然后给出那样的回路不存在的结论。从而非常自然地给出上述的三个概念,当时人们要找的路径叫做欧拉回路,如果不要求回到出发点,则那样的路径叫欧拉路,具有欧拉回路的图叫做欧拉图。等价关系、等价类和商集是三个比较难的概念,笔者首先给学生一个等价关系,让学生画出它的关系图,观察这个关系图的特点(集合的所有元素被划分为一些“团”,来自不同团的两个元素不满足关系),从而定义这种特殊的关系叫等价关系。接下来引导学生描述每一个“团”,引出等价类的概念。最后让学生思考如何用等价类描述整个集合,给出商集的概念。整个过程让学生深深的体会到每一个概念都是在解决问题的过程中提出的,是为解决问题服务的。
教师在教学中还应该运用现代教育技术,去体现数学概念在形成过程中的运动性、变化性、过程性,让学生通过活动与操作,获得对数学概念更深入的认识。如我们可以通过动态显示删除图的顶点及关联的边的方式,给出点割集的概念。
2.2准确掌握数学概念的内涵和外延
数学概念的内涵就是被概念揭示的对象的本质属性,而外延则是概念所反映事物的范围(或集合)[3-4]。
在实际教学中,由于对内涵认识不清,学生往往区分不出概念的本质属性,把非本质属性当作内涵。为使学生掌握数学概念的内涵,我们除了从概念外延中挑选正例来说明概念外,还应该选取一些反例来进行对比。反例可以排除与概念无关特征的干扰,作为揭穿错误、伪证的强有力的数学方法,反例传递了最有利于辨别的信息,对概念认识的深化具有非常重要的作用,这是正面例子做不到的。如在学习关系闭包的概念时,我们除了按照自反闭包、对称闭包和传递闭包的概念给出三种闭包的求解方法以及关系图和关系矩阵的特征外,还有意删除闭包中的有序对或者添加不必要的有序对使之成为一个反例,突出闭包概念的本质属性。
外延与内涵是紧密相连的,外延是随着数学活动经验的不断丰富而逐步深入的,因此,学生理解概念的外延往往比内涵更为困难。在后续内容的教学中,要不失时机的提及一些重要概念的外延,如讲图的连通性的时候,我们分析得到图顶点集合上的连通关系是一个等价关系,加深对等价关系的理解。
2.3准确掌握数学概念的定义、名称、符号及正确表述
数学概念的名称、符号、文字和口头表述在学习与运用数学概念中的作用,主要体现在两个方面:第一,数学名称、符号、文字表述和口头表述是交流与传播数学思想的媒介物。第二,数学名称、符号的简明性、直观性等特点有助于启发学生思维[3]。概念定义是从具体―抽象的升华,是概念学习的高级阶段。同时也是通过已有概念与关系建立新概念,揭示事物本质属性的过程。教学中除了原始概念以直观描述的方式引进外,其他数学概念均须在不失严谨性的前提下,要求学生掌握数学概念的本质属性和这些属性结合的规则,以及该概念的名称、符号及正确表述,对该数学概念形成言语的、符号的、图形的不同形式的准确表述,并做到它们之间的互释互译。这是我们进行严密的逻辑推理,构筑离散数学理论体系的必备基础。
“概率论与数理统计”是大学数学一个重要组成部分,对于经济管理类专业的学生来讲更是尤为重要,一方面经济管理的许多领域都要用到概率和统计的一些知识和方法去建立数学模型或对数据进行更深入的分析,另一方面,它也是一些后续课程如“运筹学”、“管理统计学”的基础。
一般来讲,经济管理类专业的学生思维比较活跃,个性比较鲜明,但数学基础参差不齐,尤其是在高中学文科的学生,数学基础尤为薄弱。因此,在讲授这门课程时,怎样提高他们对这门数学课程的学习兴趣,使他们克服畏难心理,能较好掌握一些基本概念和重要方法并能灵活运用所学知识去解决生活的一些实际问题呢?以下就是笔者从几年的教学实践中得出的一些认识。
一、强调应用性,激发学习的浓厚兴趣
提高学生学习《概率论与数理统计》的兴趣,不只是为了本门课程的考试而学习,而是要当做实用的工具去学。笔者从经管类学生实际需求的角度,审视了经管类《概率论与数理统计》课程的教学内容,将经济背景、应用实例和现代化的统计软件融入了《概率论与数理统计》课程的教学。对学生而言:增加了经管类学生必备的统计知识,运用统计软件,结合经济应用的实质,既对后续课程做了更实质的铺垫,也为学生以后的实际需要提供了良好的数学基础。对教师而言:数学教师只要了解简单的专业背景,知道经管类一些基本定义,就能将《概率统计》讲出专业特色,提高上课效率,同时也能达到教学相长的目的。借以突破原有教学内容的局限性,将基础数学课和经管类实际相结合,使学生熟练掌握课堂知识的同时,解决实际问题,提高学生的数学素养、应用能力。
在教学中,笔者都会寻找一些和生活联系非常紧密的知识点,启发大家一起思考与讨论,使课本上的知识生动起来。例如,在讲到指数分布时,指出动物的寿命服从指数分布,然后结合它的概率密度函数图像,将概率密度函数的数学意义和大家从生物学或其他途径获得的关于生物寿命的知识进行比较,发现结论一致,大家觉得非常有成就感,对指数分布和概率密度函数的意义有了更深刻的理解。在讲到连续性随机变量中最重要的正态分布时,首先分析了正态分布的特点,然后列举了许多服从正态分布的例子,如人的身高、体重,考试成绩等等,然后让学生进行讨论和比较。接下来,引导他们运用所学正态分布的知识来解决一些实际问题,如上班路径的选择,根据某地区居民的身高来确定公交车车门的高度等等,大家都觉得非常有趣和实用,对正态分布的重要性和相关的计算方法了解得更加透彻。
二、突出教学重点,有的放矢的完善教学内容
目前,该门课程教学内容以概率部分为主,统计部分只介绍参数估计、假设检验,以及方差分析和回归分析中的单因素试验方差和一元线性回归分析,并且在实际应用方面几乎没有涉及经济领域的内容。而现实是,经管类学生在以后的经济方面要解决的实际问题更多的是依赖统计部分的知识。例如上课没有讲到的双因素试验方差分析和多元线性回归问题。由此可见,我们的教学内容没有体现出《概率论与数理统计》在教学计划中的基础课地位,更谈不到统计这门学科在经济生活领域中收集、整理、分析数据的重要作用。因此,该课程教学内容已不符合大学数学课程改革的要求,与学生的需求现状严重脱节。加之,在笔者学校,该门课程学时比较紧张,所占学时75学时,学时紧,内容多。因此将学生真正需要的统计知识增加到教学内容中,成了迫在眉睫的事情。
针对我校经管类学生的实际需要,根据多年来《概率论与数理统计》的教学经验,结合经济方面对统计的应用,笔者大胆对现有教学内容加以必要的删减、补充和完善。
1.由于课时所限,根据经济类的特点,概率论部分的内容适当减少。例如:定理的证明可以删去,结论会用即可。对于学生在高中就已经学过的内容上课时可以加快速度或者让学生自己复习。例如随机事件部分。
2.对概率部分节省下来的时间重点放在统计部分,除原有的知识点,增加了双因素实验的方差分析和多元线性回归的内容。
3.增加统计软件spss的入门知识,特别是结合方差分析和线性回归部分的应用。
4.搜集相关的经济方面的实际案例,使用spss软件利用统计方法解决。
三、丰富教学方法,多种方式有机结合
一方面现在大学校园里绝大部分教室都配备了各种教学设备,要有机的将现代多媒体工具和传统黑板教学有机的结合以达到较好的教学效果。另一方面增加实例教学。针对经管类专业的学生,教学中可选择一些与该专业接近的案例来讲解,这样学生也会比较感兴趣,自然会取得良好的教学效果。在教学过程中也要时刻注意学生对所学内容的掌握情况,根据具体情况对教学内容和教学手段进行适当的调整,因材施教,由一纲多本向立体化教学方向发展,做到松弛有度,游刃有余。