GeoGebra輔助線性規(guī)劃教學(xué)實踐研究

◇宿遷職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王榮亮

線性規(guī)劃課程具有較強的實踐背景，對數(shù)形結(jié)合有較高的要求，學(xué)生普遍感覺求解枯燥無味。如何利用現(xiàn)代化手段，提高線性規(guī)劃教學(xué)，提升學(xué)生的興趣，促進教學(xué)質(zhì)量更進一步，是職業(yè)院校數(shù)學(xué)教學(xué)須面對的一個問題。結(jié)合具體案例，討論了GeoGebra在線性規(guī)劃教學(xué)過程中的應(yīng)用和實踐效果。結(jié)果表明：GeoGebra的強大繪圖功能和動態(tài)呈現(xiàn)功能，有利于提升數(shù)學(xué)教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

線性規(guī)劃是運籌學(xué)中研究較早、發(fā)展較快、方法較為成熟、應(yīng)用也較為廣泛的一個重要分支。線性規(guī)劃主要研究如何將有限資源的進行最佳分配，即如何對有限的資源作出最佳的配置和最有利的使用，以便最充分的發(fā)揮資源的效能去獲得最佳的經(jīng)濟效益。學(xué)習(xí)線性規(guī)劃的一些基礎(chǔ)知識，用線性規(guī)劃方法解決一些簡單的實際問題，可以培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)建模意識和動手能力，提升學(xué)生對“數(shù)形結(jié)合”思想的理解與應(yīng)用，這對于職校學(xué)生是必要的。同時，職校學(xué)生基礎(chǔ)相對薄弱，自主學(xué)習(xí)能力不強以及線性規(guī)劃知識本身對圖形繪制和求解過程可呈現(xiàn)性不強等特點給職校線性規(guī)劃教學(xué)帶來了極大的挑戰(zhàn)。

顯而易見的是，數(shù)學(xué)可視化教學(xué)有利于知識呈現(xiàn)、學(xué)生接受和師生互動。楊海麗[1]指出可視化方式主要有文本表格、圖式和視頻等；廖彩云[2]將可視化工具分為外在表征工具和心理表征工具，其中心理表征工具包括背景、故事、模擬實驗等通用工具和數(shù)學(xué)史、數(shù)學(xué)實驗等專門工具；司業(yè)佳[3]借助GeoGebra構(gòu)造了輔助函數(shù)教學(xué)三個案例，有助于學(xué)生概念理解。周后卿、徐幼專[4]將MATLAB引入復(fù)變函數(shù)教學(xué)，通過大量的代碼，實現(xiàn)了復(fù)變函數(shù)可視化教學(xué)，促進學(xué)生對知識的深入理解；李昌志等人[5]運用MATLAB和幾何畫板構(gòu)建了函數(shù)和幾何兩個模塊的教學(xué)案例，提升課堂趣味性，引起學(xué)生的興趣，提高課堂效率；努爾色曼·買買提[6]編寫了相對應(yīng)代碼，展示了MATLAB在函數(shù)及其極限中的應(yīng)用；高芹[7]將GeoGebra貫徹在備課設(shè)計、課上設(shè)計和測試反饋三個環(huán)節(jié)，對中職課堂教學(xué)優(yōu)化顯著；王潔丹[8]利用GeoGebra對數(shù)學(xué)概念教學(xué)進行深化設(shè)計；張茜[9]將MATLAB應(yīng)用到高等數(shù)學(xué)原理探究、數(shù)值計算和數(shù)學(xué)三大模塊，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)效果；袁蘭蘭[10]利用GeoGebra進行數(shù)學(xué)問題、數(shù)學(xué)猜想和數(shù)學(xué)概念可視化設(shè)計，更利于學(xué)生理解概念，實現(xiàn)知識遷移。韋美成[11]指出GeoGebra具有功能齊全、操作方便、動態(tài)交互、易安裝、網(wǎng)上直接使用等優(yōu)點，也開展了數(shù)學(xué)教學(xué)探究，顯著提高了學(xué)生的及格率、優(yōu)秀率。

可見，MATLAB輔助數(shù)學(xué)教學(xué)可視化對編程要求較高，而GeoGebra具有交互性能，更易于操作。采用GeoGebra輔助教學(xué)，呈現(xiàn)尋找線性規(guī)劃問題中最優(yōu)解的動態(tài)過程，可深化學(xué)生對線性規(guī)劃問題的認識，使學(xué)生對線性規(guī)劃理解更直觀、更深刻，進一步體會“數(shù)形結(jié)合”思想。本文通過三個案例展示了GeoGebra輔助線性規(guī)劃的教學(xué)，凸顯了GeoGebra的動態(tài)功能在教學(xué)中的重要作用，為線性規(guī)劃教學(xué)提供一種思路和參考。

1 設(shè)計原則

1.1 注重應(yīng)用性

線性規(guī)劃最大的特點就是具有廣泛的應(yīng)用性。注重線性規(guī)劃教學(xué)的應(yīng)用性，有利于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)解決實際問題的能力和素養(yǎng)。在進行線性規(guī)劃教學(xué)可視化設(shè)計過程中，秉持數(shù)學(xué)教學(xué)貼近生活的教學(xué)理念，充分考慮線性規(guī)劃的應(yīng)用性，列舉一些生活中常見的問題，通過數(shù)學(xué)建模方法，將這些實際問題抽象為一般數(shù)學(xué)表達式，即建立線性規(guī)劃模型，求出對應(yīng)的最優(yōu)解。

1.2 體現(xiàn)直觀性

線性規(guī)劃問題的求解往往涉及圖像法、表格法等，對學(xué)生幾何繪畫能力和動態(tài)思維提出了較高的要求。在進行線性規(guī)劃教學(xué)可視化設(shè)計過程中，應(yīng)該充分考慮采取何種方式來呈現(xiàn)線性規(guī)劃求解的動態(tài)化要求，讓學(xué)生直觀感受到求解過程的動態(tài)性，理解線性規(guī)劃如何動態(tài)過程中尋找最優(yōu)解及尋找最優(yōu)解的本質(zhì)。

1.3 突出主體性

在教學(xué)可視化設(shè)計過程中要突出學(xué)生主體性的原則。興趣是學(xué)習(xí)最好的動力，影響學(xué)生獲得正常學(xué)習(xí)成就的最主要原因就是學(xué)生對所學(xué)知識沒有興趣。突出學(xué)生主體性，就是在教學(xué)可視化設(shè)計過程中讓學(xué)生參與教學(xué)，與學(xué)生產(chǎn)生互動，將課堂交還學(xué)生，營造一個學(xué)生主動參與、獨立思考的環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)知識的興趣。

1.4 強調(diào)可操作性

可操作性原則是保證設(shè)計的案例能被教師移植、學(xué)生參與的一個重要原則。在教學(xué)可視化設(shè)計過程中，要在保證邏輯性和正確性的基礎(chǔ)上，充分考慮案例是否能被其他教師所用，是否易于學(xué)生接受并參與操作。

2 可視化案例

線性規(guī)劃教學(xué)一般通過列舉一些常見的實際問題，通過數(shù)學(xué)建模方法建立線性規(guī)劃模型，引入決策變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件等部分。再介紹如何通過圖像法求解二元線性規(guī)劃問題。概念教學(xué)是基礎(chǔ)，注重數(shù)學(xué)建模過程。圖像法求解是重點，注重培養(yǎng)學(xué)生數(shù)形結(jié)合思想。利用GeoGebra輔助線性規(guī)劃教學(xué)，通過文字呈現(xiàn)、圖片導(dǎo)入和動態(tài)演示等，更有利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題能力，更具體展示求解過程。

（1）線性規(guī)劃問題概念教學(xué)。

在引入線性規(guī)劃中的一些基本概念的教學(xué)可視化設(shè)計中，主要選擇了四種常見的類型：產(chǎn)品安排問題、物資調(diào)運問題、下料問題和人力調(diào)配。具體的過程主要包括問題導(dǎo)入、建模過程、數(shù)學(xué)表達式和基本概念四個部分。

點擊“問題導(dǎo)入”按鈕，將通過文字呈現(xiàn)需要探究問題的實際背景，如圖1所示。

點擊“建模過程”，將一步步引導(dǎo)學(xué)生按照探究問題的要求建立對應(yīng)的方程，如圖2所示。

當(dāng)建模過程完成后，點擊“數(shù)學(xué)表達式”按鈕，將建模過程中建立的方程進行重新書寫，轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)表達式，如圖3所示。

圖3 數(shù)學(xué)表達式

點擊“基本概念”按鈕，將對前面的數(shù)學(xué)表達式各個部分進行概念化，如圖4所示。

圖4 基本概念

（2）圖解法求解案例。

圖解法是求解二元線性規(guī)劃問題最為基本的一種方法。圖解法首先要確定可行域，然后通過平移目標(biāo)函數(shù)尋求最大值。

進行可行域教學(xué)時，采用類似如圖5所示的可視化案例。主要步驟如下：①在平面內(nèi)畫一條直線，如x-3y-4=0；②在平面內(nèi)取一點A，并將點A的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)帶入x-3y-4中，判斷與0的關(guān)系；③移動點A的位置，觀察x-3y-4與0關(guān)系的變化情況；

圖5 可行域案例

通過移動點A的位置，學(xué)生可清晰的發(fā)現(xiàn)直線x-3y-4=0將平面分為三個區(qū)域：x-3y-4>0、x-3y-4=0和x-3y-4<0。同時，學(xué)生可用操作軟件更改直線的方程，繼續(xù)觀察即使直線方程不一樣，但是直線都可以把平面區(qū)域分割為三個部分，故而在實際操作中可以通過特殊點是否滿足不等式來確定可行域。

進行二元線性規(guī)劃問題的圖解法教學(xué)時，主要采用類似如圖6的可視化案的步驟如下：①在平面內(nèi)畫出符合條件的可行域，如；②在①確定的可行域內(nèi)取一點A，并將點A的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)帶入2x+3y，并求出其值；③移動點A的位置，觀察2x+3y值變化情況，可以發(fā)現(xiàn)在（4,2）點處取得最大值。

圖6 二元線性規(guī)劃求解案例

通過移動A的位置，可以觀察到過A的一系列斜率相同的直線在y軸上的截距是不斷變化的，并且在（4,2）處截距最大，而此時2x+3y也取得最大值。這也進一步解釋了在實際過程中往往將目標(biāo)函數(shù)處理成斜率相同的直線，然后不斷進行平移，觀察直線在y軸上的截距變化情況，再確定目標(biāo)函數(shù)取得最值的點。

3 實踐效果分析

為了檢驗GeoGebra輔助線性規(guī)劃教學(xué)的有效性，討論該軟件是否可以提升學(xué)生對數(shù)學(xué)的興趣，增強學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的動力，選取了宿遷科技學(xué)校兩個平行班，一個為實驗班，一個為對照班。實驗班的教師采用GeoGebra輔助線性規(guī)劃教學(xué)，對照班主要采用黑板進行講解線性規(guī)劃的知識。

對比兩個班級學(xué)習(xí)線性規(guī)劃前后的兩次月考成績，如表1所示。兩個班級在實驗前成績沒有顯著差異，但是經(jīng)過實驗過后可以發(fā)現(xiàn)實驗班相對對照班成績有較大差異。這說明GeoGebra輔助數(shù)學(xué)教學(xué)相較于傳統(tǒng)的板書式教學(xué)更有利于學(xué)生對知識的掌握。

表1 兩個班級學(xué)習(xí)線性規(guī)劃前后的兩次月考成績的對比

對實驗班40名學(xué)生進行問卷調(diào)查，問卷內(nèi)容包括2個主題，6個選擇題，回收有效問卷40份，統(tǒng)計分析的結(jié)果如表2所示。調(diào)查結(jié)果顯示100%的學(xué)生希望使用GeoGebra輔助線性規(guī)劃教學(xué)，100%的學(xué)生認為在線性規(guī)劃教學(xué)過程中GeoGebra使用可以提高學(xué)習(xí)興趣，87.5%的學(xué)生認為GeoGebra使用有助于專注度的提升，95%的學(xué)生認為GeoGebra的動態(tài)呈現(xiàn)功能可以幫助對概念的理解，97.5%學(xué)生認可GeoGebra的互動性并認為這樣可以提升學(xué)生的探究能力，87.5%的學(xué)生認為GeoGebra的使用可以降低知識難度。

表2 GeoGebra輔助數(shù)學(xué)教學(xué)效果分析

綜上，GeoGebra輔助線性規(guī)劃教學(xué)有助于學(xué)生對概念的理解和知識的掌握，提高學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的興趣。

4 結(jié)束語

線性規(guī)劃是職業(yè)院校數(shù)學(xué)課程中比較重要的知識點，對數(shù)形結(jié)合要求較高，在教學(xué)過程中應(yīng)理論性和實踐性相結(jié)合。GeoGebra強大的繪圖功能和動態(tài)呈現(xiàn)功能，有助于數(shù)學(xué)教學(xué)的可視化，降低知識難度，幫助學(xué)生更好的理解概念，提升學(xué)生對數(shù)學(xué)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力。在職業(yè)院校數(shù)學(xué)教學(xué)實踐過程中，應(yīng)當(dāng)不斷拓展其應(yīng)用，更好的提高教學(xué)質(zhì)量。