在概率統(tǒng)計(jì)中融入數(shù)學(xué)建模思想的教學(xué)探索

摘要：本文結(jié)合概率統(tǒng)計(jì)課程和數(shù)學(xué)建模的特點(diǎn)，從課堂教學(xué)、課后作業(yè)、考核方式三個(gè)方面就如何將數(shù)學(xué)建模思想融入到概率統(tǒng)計(jì)教學(xué)中進(jìn)行了深入的探討，以期激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：概率統(tǒng)計(jì)；數(shù)學(xué)建模思想；教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1674-9324（2012）11-0036-02

概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)是一門(mén)研究隨機(jī)現(xiàn)象及其統(tǒng)計(jì)規(guī)律的數(shù)學(xué)學(xué)科，它是高等院校各專業(yè)開(kāi)設(shè)的重要的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)課程之一。該課程的最大特點(diǎn)是其應(yīng)用特色，其理論與方法已被廣泛應(yīng)用于自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、工程技術(shù)、軍事科學(xué)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域。因此，如何運(yùn)用該課程的理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題具有非常重要的研究意義。每年一次的全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽是目前各高校的規(guī)模較大的課外科技活動(dòng)之一。數(shù)學(xué)建模是一門(mén)運(yùn)用數(shù)學(xué)工具和計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)解決現(xiàn)實(shí)中各種實(shí)際問(wèn)題的新學(xué)科。它通過(guò)調(diào)查，收集數(shù)據(jù)、資料，觀察和研究其固有的內(nèi)在規(guī)律，提出假設(shè)，經(jīng)過(guò)抽象簡(jiǎn)化，建立反映實(shí)際問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，即將現(xiàn)實(shí)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問(wèn)題。縱觀歷年數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽試題，像高等教育的學(xué)費(fèi)問(wèn)題、北京奧運(yùn)會(huì)人流分布、DNA序列分類(lèi)問(wèn)題、DVD在線租賃問(wèn)題及醫(yī)院病床的合理安排等問(wèn)題都不同程度地涉及到了概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)的相關(guān)知識(shí)。筆者多年來(lái)一直為理工科的本科生講授概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)課程，并每年輔導(dǎo)和指導(dǎo)全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽，所以與同事們一直都在探索如何深化概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)這門(mén)課程的教學(xué)改革，使其與數(shù)學(xué)建模思想能有機(jī)結(jié)合。本文將從以下幾方面進(jìn)行探討研究。

一、概率統(tǒng)計(jì)教學(xué)中融入數(shù)學(xué)建模思想的重要性

傳統(tǒng)的概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)課程的教學(xué)，可以簡(jiǎn)單地歸納為：數(shù)學(xué)知識(shí)+例子說(shuō)明+解題+考試。這種模式雖然使學(xué)生在一定程度上掌握了基礎(chǔ)知識(shí)，提高了計(jì)算能力，也學(xué)會(huì)了運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決課后作業(yè)和應(yīng)付考試。但也不難看出，這種教學(xué)方式與實(shí)際嚴(yán)重脫節(jié)，學(xué)生學(xué)會(huì)了書(shū)本知識(shí)，但卻不知在所學(xué)專業(yè)中該如何運(yùn)用，這不僅與素質(zhì)教育的宗旨相違背，也極大地削弱了學(xué)生學(xué)習(xí)這門(mén)課程的能動(dòng)性，從而也影響了教學(xué)效果。數(shù)學(xué)建模的指導(dǎo)思想恰恰在于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)來(lái)解決現(xiàn)實(shí)實(shí)際問(wèn)題。這不僅僅是這門(mén)課程對(duì)學(xué)生的教育問(wèn)題，更是順應(yīng)當(dāng)前素質(zhì)教育和教學(xué)改革的需要問(wèn)題。

二、在課堂教學(xué)中融入數(shù)學(xué)建模思想

對(duì)于講授概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)這門(mén)課程的教師來(lái)說(shuō)，有著非常重要的任務(wù)，那就是如何教好這門(mén)課程，即如何使學(xué)生通過(guò)對(duì)這門(mén)課程的學(xué)習(xí)而增強(qiáng)其對(duì)概率統(tǒng)計(jì)方法的理解與實(shí)際應(yīng)用能力。

1.教學(xué)內(nèi)容上數(shù)學(xué)建模思想的滲透。眾所周知，教師對(duì)教學(xué)內(nèi)容的把握起著不容忽視的作用。有效的教學(xué)是依賴于教師對(duì)該課程的內(nèi)容有著全面的和深刻的理解。概率統(tǒng)計(jì)中的一些概念、性質(zhì)、模型的應(yīng)用確實(shí)有些難度，在日常教學(xué)中可以通過(guò)精選例題、切近現(xiàn)實(shí)生活，使學(xué)生逐漸深化對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解，即講課的內(nèi)容生活化、趣味化，生活中的概率統(tǒng)計(jì)問(wèn)題模型化。在概率統(tǒng)計(jì)里這些趣味性的例子比比皆是！比如摸球、投擲骰子等常見(jiàn)的游戲，“父母的身高對(duì)子女的影響”、“男女生人數(shù)的均衡對(duì)一個(gè)班級(jí)學(xué)習(xí)效果的影響”等發(fā)生在身邊的事。在概率統(tǒng)計(jì)這門(mén)課程中數(shù)學(xué)模型的影子也隨處可見(jiàn)！比如像降雨概率、人體舒適度指數(shù)、超市銀臺(tái)處的等待服務(wù)時(shí)間等這樣的隨機(jī)現(xiàn)象問(wèn)題都需要將實(shí)際問(wèn)題數(shù)量化，然后對(duì)研究對(duì)象做出判斷，從而解決問(wèn)題。教學(xué)內(nèi)容中也可插入一些反映社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活的背景與熱點(diǎn)問(wèn)題，使課堂教育跟上時(shí)代步伐。如有獎(jiǎng)促銷(xiāo)問(wèn)題、保險(xiǎn)賠償金確定問(wèn)題、交通事故問(wèn)題等，這樣的內(nèi)容都旨在培養(yǎng)學(xué)生利用數(shù)學(xué)工具分析解決實(shí)際問(wèn)題的意識(shí)和能力，也就是培養(yǎng)學(xué)生的建模能力。

2.教學(xué)方法中融入數(shù)學(xué)建模思想。在教學(xué)中，教師的責(zé)任更大地體現(xiàn)在對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)能力，通過(guò)引導(dǎo)使學(xué)生運(yùn)用自己的能力來(lái)解決相關(guān)的問(wèn)題。這樣使學(xué)生不但能夠?qū)W到嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撝R(shí)，同時(shí)也提高了學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。在教學(xué)中，我們主要采用精講與導(dǎo)學(xué)相結(jié)合的方法，同時(shí)在課堂教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中也可恰當(dāng)運(yùn)用討論式、啟發(fā)式、歸納類(lèi)比式等教學(xué)方法。在運(yùn)用各種教學(xué)方法中都要充分關(guān)注學(xué)生的參與性，在與學(xué)生的互動(dòng)中挖掘出課本內(nèi)容中的數(shù)學(xué)建模思想，使其“顯化”出來(lái)。比如在講解隨機(jī)事件和古典概型中，可以講解摸球問(wèn)題、生日巧合及配對(duì)問(wèn)題、確診率及血清化驗(yàn)問(wèn)題等，這樣既活躍了課堂氛圍，又培養(yǎng)了學(xué)生愛(ài)思考的習(xí)慣。必須提及的是“案例教學(xué)法”，它是概率統(tǒng)計(jì)課程融入數(shù)學(xué)建模思想的有效而常用的教學(xué)方法之一。在教學(xué)中可以直接給出案例，然后從求解具體問(wèn)題中找出相應(yīng)的理論和方法。此方法縮短了數(shù)學(xué)理論與實(shí)際應(yīng)用的距離，不僅可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，同時(shí)也使學(xué)生明白概率統(tǒng)計(jì)是建立在現(xiàn)實(shí)生活基礎(chǔ)上的一門(mén)課程。比如在隨機(jī)變量的數(shù)字特征中，可以給出“報(bào)童的收益問(wèn)題”案例；在參數(shù)估計(jì)中，可以給出“湖中魚(yú)的數(shù)量估計(jì)”案例；在大數(shù)定律和中心極限定理中，可以給出“保險(xiǎn)公司的收益問(wèn)題”案例；等等。由于受到課時(shí)限制，可能不能充分有效地對(duì)案例進(jìn)行完整講解，通常將“案例分析法”和“現(xiàn)代教育技術(shù)法”相結(jié)合進(jìn)行教學(xué)，利用多媒體教學(xué)手段可以將案例中出現(xiàn)的大量統(tǒng)計(jì)計(jì)算均由統(tǒng)計(jì)軟件（如Spss，SAS，R等）來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣既易于被學(xué)生接受，也有助于學(xué)生掌握統(tǒng)計(jì)方法和實(shí)際操作能力。

三、發(fā)揮課后作業(yè)作為課堂教學(xué)的補(bǔ)充與延伸作用

作為數(shù)學(xué)課程，課后作業(yè)是十分重要的組成部分，是進(jìn)一步理解、消化和鞏固課堂教學(xué)內(nèi)容的重要環(huán)節(jié)。

1.課后試驗(yàn)。在概率統(tǒng)計(jì)這門(mén)課程中有很多隨機(jī)試驗(yàn)，并且很多統(tǒng)計(jì)規(guī)律也都是在隨機(jī)試驗(yàn)中獲得的。比如通過(guò)投擲均勻的硬幣和均勻的六面體骰子，可以很好地理解頻率與概率之間的關(guān)系；雙色球的有（無(wú)）放回抽樣，有助于理解隨機(jī)事件的相互獨(dú)立性；統(tǒng)計(jì)某書(shū)上的錯(cuò)別字，并判斷是否服從泊松分布等。通過(guò)讓學(xué)生們親自做實(shí)驗(yàn)，不僅使他們能夠探索隨機(jī)現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性，還能幫助他們更深刻的理解、鞏固和深化理論。

2.課后作業(yè)。除常規(guī)概率統(tǒng)計(jì)練習(xí)題目外，可以增加一些有趣的、與日常生活中密切相關(guān)的概率統(tǒng)計(jì)題目。比如在給出了摸彩票規(guī)則和中獎(jiǎng)規(guī)則后，解決下面三個(gè)問(wèn)題：（1）中獎(jiǎng)概率與摸彩票的次序有關(guān)系嗎？（2）假設(shè)發(fā)行了100萬(wàn)張彩票，中一、二等獎(jiǎng)的概率是多少？（3）若你打算摸彩票，在什么條件下中獎(jiǎng)概率會(huì)大一些？

3.課外實(shí)踐。針對(duì)概率統(tǒng)計(jì)實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，有目的地組織學(xué)生參加社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)，深入實(shí)際，調(diào)查研究，收集數(shù)學(xué)建模的素材。只有將某種思想方法應(yīng)用到實(shí)踐中去，實(shí)際解決幾個(gè)問(wèn)題，才能達(dá)到理解、深化、鞏固和提高的效果。教師可以從現(xiàn)實(shí)中尋找素材，選擇具有豐富現(xiàn)實(shí)背景的學(xué)習(xí)材料，可以讓學(xué)生自由組隊(duì)，深入實(shí)際，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法調(diào)查、觀察和收集一些數(shù)據(jù)，在教師指導(dǎo)下運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，分析解決一些實(shí)際問(wèn)題，寫(xiě)出書(shū)面報(bào)告。比如利用閑暇時(shí)間觀察校門(mén)口某路公交車(chē)各時(shí)段乘車(chē)人數(shù)，根據(jù)觀察數(shù)據(jù)，為該線路設(shè)計(jì)一個(gè)便于操作的公交車(chē)調(diào)度方案：包括發(fā)車(chē)時(shí)刻表；共需多少輛車(chē)；以怎樣的程度能夠照顧乘客和公交公司雙方的利益。

四、改變傳統(tǒng)單一的考核方式

考核是教學(xué)過(guò)程中不可缺少的一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，是檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)情況，評(píng)估教師教學(xué)質(zhì)量的手段。傳統(tǒng)的概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)課程均采用期末閉卷考試，教師通常都會(huì)按照固定的內(nèi)容和格式出題，學(xué)生為了應(yīng)付考試，往往把過(guò)多的精力花費(fèi)在對(duì)公式和概念的死記硬背上，而忽略了所學(xué)知識(shí)在實(shí)際中的應(yīng)用。雖然綜合成績(jī)是由平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)的各占比例計(jì)算而成，但平時(shí)成績(jī)的考核主要看課后習(xí)題所做的作業(yè)，而學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性對(duì)作業(yè)的態(tài)度差異性是很大的。為此，有必要改革傳統(tǒng)單一的考核方式，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。考核結(jié)果包括兩部分：一部分是閉卷考試，占60%，主要考察學(xué)生對(duì)概率統(tǒng)計(jì)的基本知識(shí)、基本運(yùn)算和基本理論的掌握程度；另一部分是開(kāi)放性考核，由各占20%的平時(shí)成績(jī)和課后試驗(yàn)、課外實(shí)踐構(gòu)成，其中平時(shí)成績(jī)主要考查學(xué)生的作業(yè)情況、考勤情況、課堂表現(xiàn)情況等方面；課后試驗(yàn)、課外實(shí)踐主要考核學(xué)生對(duì)概率統(tǒng)計(jì)知識(shí)的應(yīng)用能力，可以給學(xué)生一些實(shí)際問(wèn)題，或者讓學(xué)生參加社會(huì)實(shí)踐調(diào)查收集數(shù)據(jù)，學(xué)生可以自由組隊(duì)也可單獨(dú)完成，通過(guò)運(yùn)用概率統(tǒng)計(jì)知識(shí)建立數(shù)學(xué)模型并借助計(jì)算機(jī)處理大量數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)際問(wèn)題得到解決，最后提交一份書(shū)面研究報(bào)告。如此靈活多變的考核機(jī)制，才能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，才有利于學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

通過(guò)在各個(gè)環(huán)節(jié)中融入數(shù)學(xué)建模思想，不但充分體現(xiàn)了概率統(tǒng)計(jì)的實(shí)用價(jià)值，搭建起概率統(tǒng)計(jì)知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的橋梁，而且也使得工科類(lèi)學(xué)生對(duì)概率統(tǒng)計(jì)這門(mén)課程的理解、認(rèn)識(shí)增強(qiáng)了，數(shù)學(xué)的應(yīng)用能力也得到了提高。

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基金項(xiàng)目：天津城市建設(shè)學(xué)院教改項(xiàng)目（JG-1169）

作者簡(jiǎn)介：閆曉紅（1978-），講師，博士研究生，從事數(shù)學(xué)和非參數(shù)計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)的研究。