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      利用MATLAB提升高職數(shù)學(xué)教學(xué)效果初探

      2022-10-25 12:08:38王艷艷張彩紅王海龍徐愛華
      關(guān)鍵詞:級數(shù)傅里葉軌跡

      王艷艷 張彩紅 王海龍 徐愛華

      (中國社會科學(xué)院大學(xué),北京 102488;邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北 邯鄲 056005)

      高等數(shù)學(xué)作為高職院校的基礎(chǔ)課程,由于課程內(nèi)容理解難度較大,而學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)又普遍薄弱,課堂教學(xué)效果一直不太理想。教師即使在課堂教學(xué)中使用多媒體來輔助教學(xué),但教學(xué)效果也并不顯著。因此在高職數(shù)學(xué)教學(xué)中如何提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,提升課堂教學(xué)效果,一直是我們探索和研究的課題。

      要使學(xué)生盡快理解高等數(shù)學(xué)中的概念,提升高職數(shù)學(xué)課堂教學(xué)效果,我們有必要運用數(shù)學(xué)軟件進行課堂教學(xué)。MATLAB作為優(yōu)秀的數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件,語法簡單,有利于學(xué)生理解和使用,已經(jīng)成為許多高等院校線性代數(shù)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等高級課程的基本教學(xué)工具。MATLAB軟件在高職數(shù)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用有助于學(xué)生理解高等數(shù)學(xué)中的概念、定理;而MATLAB的計算功能,對學(xué)生在學(xué)習(xí)和今后工作中解決實際問題也大有幫助。

      一、MATLAB在高職數(shù)學(xué)概念講解中的應(yīng)用

      高等數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)是極限,極限概念的理解尤其重要,而極限概念的理解又涉及到對無窮的理解,這對于剛?cè)雽W(xué)的高職學(xué)生來說就太難了。我們給學(xué)生講解《莊子·天下》中的“一尺之捶,日取其半,萬世不竭”,學(xué)生似乎可以理解;我們再給學(xué)生講解“芝諾悖論:阿基里斯跑不過烏龜”,學(xué)生就糊涂了。因此在講解極限的過程中,我們可以借助MATLAB軟件,利用圖形圖像形象地展示教學(xué)內(nèi)容,提升課堂教學(xué)效果。

      同樣,在講解圓的面積求法時,我們可以將古代數(shù)學(xué)家所采用的“割圓術(shù)”通過MATLAB展示出來,隨著圓的內(nèi)接正多邊形邊數(shù)不斷增加,其面積越來越接近圓的面積,使學(xué)生能更直觀理解圓的面積是其內(nèi)接正n邊形面積(邊數(shù)無限增加時)的極限。在講解定積分概念時,我們也可以使用MATLAB來動態(tài)演示如何求曲邊梯形的面積。

      高等數(shù)學(xué)是以運動的、變化的觀點來研究問題,其概念也以運動的面貌出現(xiàn),是動態(tài)的產(chǎn)物,因此要使學(xué)生盡快理解這些抽象的概念,借助數(shù)學(xué)軟件是一種可行的探索。

      二、MATLAB在解決高職數(shù)學(xué)問題中的應(yīng)用

      在高等數(shù)學(xué)教學(xué)中,我們給學(xué)生講解了基本的計算方法,但在解決實際問題的過程中,往往涉及很多復(fù)雜函數(shù)和繁瑣計算,學(xué)生很難完成計算,因此也無法真正解決實際問題。因此我們在教學(xué)中可以教學(xué)生使用MATLAB來求極限、導(dǎo)數(shù)、積分等,使學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)和工作中更好地解決實際問題。例如導(dǎo)數(shù)計算問題:海島城市A離海岸120千米,海濱城市B離C點160千米,已知汽車速度是輪船速度的2倍,要使A、B兩城市之間運輸時間最少,轉(zhuǎn)運碼頭D建在何處最佳(見圖7)?

      圖7 運輸時間問題

      設(shè)碼頭D距C點距離為x千米,輪船速度為1,則汽車速度為2。此時運輸時間為:

      利用MATLAB求解(如圖8所示):

      圖8 MATLAB程序代碼

      我們很容易就可以得到,轉(zhuǎn)運碼頭D建在離C為40 3千米處,所用時間最少。因此我們可以在學(xué)生理解基本計算方法的基礎(chǔ)上,教學(xué)生學(xué)會使用MATLAB,提高求解能力和效率,為學(xué)生在學(xué)習(xí)工作中應(yīng)用數(shù)學(xué)知識解決實際問題提供幫助。

      導(dǎo)數(shù)在優(yōu)化問題中的應(yīng)用廣泛,我們在講解導(dǎo)數(shù)時可以借助MATLAB給學(xué)生講解大自然中的優(yōu)化問題:自然界一般會趨向于體系能量最低的存在,因此露珠是球狀;蜜蜂的巢房采用正六邊形建造方法;山體自然塌落的形狀,是一條下凹曲線,也就是最速曲線。我們以最速曲線問題為例:一個質(zhì)點在重力作用下,從一點到不在它垂直下方的另一點,如果不計摩擦力,問沿著什么曲線滑下所需時間最短?科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn):最速降線就是一條擺線,也叫旋輪線。所謂擺線,它是一個圓沿著一條直線滾動(無滑動)時,圓周上任意一點的軌跡。我們可以利用MATLAB畫出動畫圖形,使學(xué)生較快理解這一點(見圖9—圖12)。

      圖9 旋輪線軌跡1

      圖10 旋輪線軌跡2

      圖11 旋輪線軌跡3

      圖12 旋輪線軌跡4

      三、MATLAB在擴展高職數(shù)學(xué)知識中的應(yīng)用

      高職數(shù)學(xué)的教學(xué),不僅要教會學(xué)生課本知識,還要進一步擴展課本知識,使學(xué)生了解知識的用處,真正體會到學(xué)習(xí)的樂趣。MATLAB在擴展高職數(shù)學(xué)知識中可以起到重要作用,我們以傅里葉級數(shù)的應(yīng)用為例。傅里葉級數(shù)是重要的數(shù)學(xué)發(fā)現(xiàn),在很多領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用,但傅里葉級數(shù)對于高職學(xué)生來說,是不好理解的,學(xué)生僅僅看那些抽象的復(fù)雜公式就頭疼,往往放棄了學(xué)習(xí)的信心。因此,我們有必要在教學(xué)中借助MATLAB輔助教學(xué)。

      從傅里葉級數(shù)知道,任何周期函數(shù)都可以用正弦函數(shù)和余弦函數(shù)構(gòu)成的無窮級數(shù)來表示,我們可以通過MATLAB作圖來解釋方波是由無窮多個正弦波和余弦波疊加而成的,學(xué)生可以更形象地理解。在這一知識的擴展中,我們可以利用傅里葉級數(shù)來畫圖:傅里葉級數(shù)的指數(shù)形式,其實就是圓的旋轉(zhuǎn)疊加,因此可以用無限個圓的運動軌跡疊加來描繪函數(shù)的圖像。以方波為例,n為疊加圓的個數(shù)(見圖13—圖16):

      圖13 n=1時的圖形

      圖14 n=2時的圖形

      圖15 n=4時的圖形

      圖16 n=6時的圖形

      我們可以進一步擴展傅里葉級數(shù)到傅里葉變換,通過無限個圓的運動的疊加來描繪萬物。以描繪字母π為例,n為疊加圓的個數(shù)(見圖17—圖19):

      圖17 n=3時的圖形

      圖18 n=5時的圖形

      圖19 n=7時的圖形

      我們發(fā)現(xiàn)n越大,即疊加的圓越多,所繪圖像就越接近字母π。通過讓同學(xué)們利用MATLAB軟件來描繪其他圖形,可以大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)樂趣,同時對傅里葉級數(shù)有更深的理解。

      結(jié)語

      利用MATLAB軟件教學(xué),操作簡便,使得數(shù)學(xué)課堂生動化、形象化,提高了高職學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和理解能力,教學(xué)效果有了較大提高。

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