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刊名: 教师教育研究
主办: 北京师范大学;华东师范大学;高等学校教资培训交流北京中心
周期: 双月
出版地:北京市
语种: 中文;
开本: 大16开
ISSN: 1672-5905
CN: 11-5147/G4
邮发代号: 2-418

历史沿革:
曾用刊名:高等师范教育研究
期刊荣誉:核心期刊 CSSCI来源期刊来源期刊;国家新闻出版总署收录;Caj-cd规范获奖期刊;中国期刊网来源刊;百种重点期刊;社科双百期刊;全国优秀社科期刊
创刊时间:1989

数学建模思想在概率论教学中的应用探究

【作者】 关 艺

【机构】 陕西陆军边海防学院

【摘要】
【关键词】
【正文】  摘 要:为提高学员利用所学知识解决实际问题的能力,充分考虑将数学建模思想融入到概率论教学的重要性,并依托实例解释说明学员在模型构建中创造性思维的形成,以达到理论联系实际的目的,通过案例式教学可帮助学员将抽象的知识形象化、简单化、具体化,培养学习兴趣的同时实现育人目标。
  关键词:数学建模;课堂教学;概率论;应用案例
  一、引言
  概率论是我院本科学历教育必修的一门公共基础课程,该课程本身就具有一定的抽象性和复杂性。受课时少内容多的限制,教员在课中很难将所学知识与实际应用展开讲解,使得部分学员在学习该门课程时,普遍觉得困难不易理解,学习自信心和热情不高的现状还非常明显。加之当前的考试依然以考知识为主,没有更多的转向考能力考素质,因此在教学中急需寻找新的教学方式来弥补当前教学存在的不足。当前各大院校将数学建模融入教学,给数学课程的教学提供了全新的思路和有力的抓手,大力推动将数学理论与实践紧密结合,只有将数学建模的思想融入教学,让学员充分领悟此思想并能真正解决军事及生活中的实际问题,通过将所学知识不断的应用到实践中,才能提高学员的实践能力和知识运用能力。
  二、将数学建模思想融入教学的重要性
  (一)帮助学员建立理论与实践间的桥梁。将数学建模思想充分融入课程教学中,可以帮助学员将复杂抽象的问题变的简单化、形象化、具体化,通过对问题求解的过程,加深对理论知识的学习理解,并在解题过程中提升了自身的问题分析能力、模型建立能力和自主创新能力,激发学习兴趣调动学习的积极性、主动性和创造性,将所学理论与实际应用充分联系,并在实际问题的求解中进一步提高理论的学习与研究。
  (二)数学建模是辅助教学的最好工具。传统的概率论教学注重定义、定理、性质和推论的理论讲授,在单一传授知识的过程中忽视了其应用性,导致学习该课程的学员普遍感觉知识枯燥无趣,学习难度大、热情低、困难多。然而如何巧妙的将数学建模思想融入教学应该引起教员足够的重视,最大限度将抽象的理论与实际的案例结合起来,将讲授内容更多的贴近生活实际,用所学知识解决实际问题,才能更好的提高授课质量,有效增强课堂的学习氛围。
  (三)为课程考核提供全新的参考。概率论是理论性和实用性非常强的一门课程,传统的考试依然是以考知识为主,考学员对常见客观题型的求解,没有主观题无形中抑制了学员创造性思维的发挥。为了更好激发学习热情,教员在最终的考试中特别布置了开放性题目,学员可以自行查资料,写一些关于解题的小论文。此形式不仅考查了学员对所学知识的掌握程度,更体现了学员如何将所学的理论转化到实践的运用,有助于提高学员分析问题和解决问题的综合能力素质,也为全方面的考核评价学员提供了全新的参考。
  (四)数学建模是加强学科融合的助推器。当前信息技术的飞速发展,人们生产、生活均与计算机的使用密切相关,而数学学科是基础学科,如何发挥基础学科的最大作用,就是要将数学与其它领域深度融合。学员在进行数学建模的过程中,需要使用很多数学软件,软件的使用可以把学员的思考转化为清晰直观的图片和表格,通过对图片和表格的分析可以快速解决问题,由此可见计算机在数学建模过程中所发挥的巨大作用,数学建模在加强学科融合方面扮演着重要角色。
  三、将数学建模思想融入教学的实例分析
  (一)当讲述条件概率时,教员可以引入当前新冠肺炎疫情的案例,激发学员求知欲,提高学习兴趣。
  比如某地居民的新冠肺炎发病率为0.0004,现用核酸检测进行普查。医学研究表明,化验结果是存在错误的。已知患有新冠肺炎的人其化验结果99%呈阳性(有病),而没有患新冠肺炎的人其化验结果99.9%呈阴性(无病)。现某人的检查结果呈阳性,问其真的患有新冠肺炎的概率是多少?此案例能够紧贴当前的国际国内形势,也是众人们普遍关注的问题,此问题难易程度适中,还能紧贴本节课所学的条件概率,有效的帮助学员将所学知识与实际应用紧密结合,达到了学以致用的教学效果。以下带领学员共同完成问题提出、问题分析、问题解决、模型反思等步骤。
  问题提出:为加深学员对条件概率的理解和掌握,将某人检查结果为阳性且确实患有新冠肺炎作为研究对象。
  问题分析:根据题中信息,合理确定事件,记A为事件“化验结果为阳性”、B为“患新冠肺炎”。
  问题求解:依题意有










  模型反思:经过此例的解决,帮助学员进一步了解了当前新冠肺炎席卷全球的紧张局势,提高自身防护意识,同时通过案例的求解,深化理解掌握条件概率、全概率公式、贝叶斯公式的运用,提升教学质效。
  (二) 当讲解事件的独立性时,教员引入紧贴军校学员实际的射击案例,提高学员参与课堂热情,并且明白团结就是力量,团结合作才能共克难关,才能无往而不胜。
  比如我甲、乙两高射炮手轮流向同一敌机炮击,他们击中敌机的概率分别为0.6、0.7,求敌机被击中的概率。
  问题提出:为帮助学员理解事件独立性的定义并能灵活计算相关题目,经分析知甲、乙射击相互独立,可把两名炮手轮流射击作为研究对象。
  问题分析:由题中信息,可记事件A:甲击中敌机;事件B:乙击中敌机。
  问题求解:敌机被击中的概率为
  P(A∪B) = P(A) + P(B)- P(AB)
  = P(A) + P(B) P(A) P(B) = 0.6 + 0.7 - 0.6×0.7 = 0.88.
  通过此例的学习,学员可以清楚的发现,虽然每人命中目标的概率并不高,但是经过轮流射击后,敌机被击中的概率明显提高,帮助学员强化对于团结的认识,在学习、讨论和参加数学建模竞赛中,转换思路充分发挥好团队协作的力量,实现更大的目标。
  模型反思:请用概率论知识解释为什么三个臭皮匠顶一个诸葛亮?加大学员对知识的理解和掌握程度,进一步提高学习兴趣,培养其逻辑思维和创新思维,更好解决实际问题。
  (三)对于军校学员,更应该培育胜不骄、败不馁、不言败、永攀登的意志品质。在日常的教育中加强思想上的引导,在概率论的教学中同样可以培育其过人的素质。
  比如某人做一次试验获得成功的概率仅为0.2,他持之以恒,不断重复试验,求他做10次试验至少成功一次的概率?
  问题提出:通过此案例的学习,可以告诉学员失败并不可怕,只要不放弃继续坚持,始终保持昂扬的斗志,最终一定会成功的。此例也可强化对德摩根律、事件独立性的运用。
  问题分析:设做k次试验至少成功一次的概率为pk , Ak = {第k次试验成功}, k = 1, 2,….
  问题求解:该人做10次试验至少成功一次的概率为





  模型反思:某人虽然做一件事成功的概率很低,但只要有咬定青山不放松的定力,坚持不懈不甘放弃,经过多次实验后至少成功一次的概率将会逐步变大,引导学员坚定信心,不畏艰险勇往直前。
  (四)军校学员采用军事化集中管理的模式,每年报到的新学员都要面临分配宿舍的问题,那么如何按照指示要求将学员分配到相应的宿舍中去呢,对于这种实际问题也可以用概率论知识进行解决。
  比如将n个学员随机地分配到N(n≤N)间宿舍中的每一间房中,求下列各事件的概率:A:某指定n间宿舍中各有一名学员;B:恰有n间宿舍,其中各有一名学员;C:某指定宿舍中恰有m名学员。
  问题提出:此问题是典型的等可能概型,充分引入学员常见常思的分宿舍案例,进而引入所学内容,同时强化巩固学员已掌握的排列组合相关知识。
  问题分析:事件A指定n间宿舍,说明宿舍已有,只需分配学员即可;事件B恰有n间宿舍,需先考虑从N间宿舍中选n间宿舍,有多少种选法;事件C需考虑从n个学员中任选m名学员,有多少种选法。
  问题求解:对于事件A,固定n间宿舍,第一人分配到其中任一间,有n种分法;第二人可分配到余下的n-1间中的任一间,共有n?1种分法;…,知样本空间所含基本事件总数为n! .
  将n个人随机地分配到N间宿舍共Nn 种分法,故





















  四、结语
  将数学建模思想融入概率论课程的教学中,不仅可以增强课堂的趣味性,还能很大程度激发学员的学习兴趣和热情,通过案例的求解,学员可以把抽象的理论与具体实践结合起来,培育学员的创造性思维。将建模思想真正殖入学员的头脑,还是一个长期性系统性的大工程需要常抓不放,在教学中融入建模思想引入应用案例,可以改变绝大多数学员对数学最初的认识,帮助学员重拾学习数学的信心,重获学习数学的兴趣,打开思路开拓视野,提高理论分析能力、问题求解能力和软件运用能力。在今后的教学中还要勇于实践善于创新,将数学建模的思想方法与教学内容环环相扣,真正让学员拿起数学武器攻克每一个难关,力争把我们的学员培养成为军中之栋梁。
  参考文献:
  [1]丁海峰.建模思想在概率论教学中的应用意义研究[J].实践·探索,2018(11):60-62.
  [2]张爱华,杨冬香.数学建模思想融入“概率论与数理统计”的教学改革研究[J].科教文汇,2019(3):80-81.
  [3]席进华.数学建模方法在概率论与数理统计教学中的应用[J].黑龙江科学,2020(23):52-53.
  [4]曹建美,王凤翔.概率论与数理统计课程教学中融入数学建模思想的策略[J].高等教育,2020(6):166-167.
  基金项目:2021年陆军边海防学院教学成果立项项目
  作者简介:关艺(1989-),男,陕西西安人,讲师,硕士,研究方向:代数学、数学建模、工程数学。