Методика изучения элементов математического моделирования в курсе математики 5-6 классов (стр. 8 из 13)

Решение. Математическая модель представляет собой следующее уравнение:

. Нужно найти и . Никакие известные пятиклассникам правила преобразования не помогают найти ответ. Авторы предлагают подобрать решение «экспериментально», так называемым методом проб и ошибок.

Нам надо найти такое число х, чтобы значение выражения х (x – 9) было равно 90. Попробуем подставить в это выражение, например х = 13:

13 (13 - 9)=52

Мы видим, что полученное значение выражения слишком мало. Возьмем теперь х = 14:

14 (14 - 9)=70

И снова выбранное значение мало, хотя и ближе к искомому.

Далее возьмем х = 15. Получим:

15 (15 - 9)=90

Эта попытка оказалась удачной, при х = 15 имеем 15 (15 - 9)=90. Казалось бы, что задача уже решена, но это не так: ведь может оказаться, что есть другие x, при которых это выражение тоже равно 90. Допустим, что х > 15, тогда х – 9 > 6, следовательно произведение будет больше 90. Пусть х < 15, тогда х – 9 < 6, получим, что 15 (15 - 9)<90.

Нам требуется найти стороны прямоугольника. Получаем, х =15 и

. Ответ: 15 см и 6 см.

Данный метод служит мощным средством при решении еще неизвестных уравнений, неравенств и систем уравнений. Однако он очень трудоемкий и нужно добиваться от учащихся поиска более рационального метода решения, если это является возможным в данной ситуации.

При решении задач методом проб и ошибок учитель должен объяснить школьнику, что простой подбор одного неизвестного числа не дает уверенности в том, что найдены все искомые значения. Поэтому для обоснования полноты решения требуются дополнительные иногда очень непростые рассуждения, а, значит, метод проб и ошибок имеет недостаток, который, в свою очередь не имеет другой метод – метод перебора.

Метод полного перебора. При поиске неизвестного числа полным перебором автор поясняет, что следует рассматривать «все мысленные возможности: если мы упустим хотя бы одну, то может оказаться, что именно она и дает решение задачи» [11].

Полный перебор требует, как правило, больших усилий и большого времени. Но следует обратить внимание учащихся на анализ условия, тем самым сократить систему перебора. Рассмотрим задачу.

Задача. Задумано двузначное число, которое на 66 больше произведения своих цифр. Какое число задумано? (Cм. № 181 (1), [11]).

Решение. После составления модели получаем следующую задачу:

Для цифр х и y двузначного числа выполняется равенство 10x + y = xy + 66. Найти это число.

Полный перебор можно провести, рассматривая последовательно все значения х от 1 до 9 и подбирая в каждом случае соответствующее значение y от 0 до 9. Однако этот перебор можно сократить, если заметить, что правая часть равенства больше 66. Значит, и левая его часть, то есть задуманное число больше 66. Поэтому неизвестное число х не меньше 6, и можно рассматривать только четыре значения х – от 6 до 9.

При х = 6 наше равенство имеет вид 60 + y = 6y + 66, а этого быть не может, так как левая часть получилась меньше правой при любых значениях y от 0 до 9.

При х = 7 имеем 70 + y = 7y + 66. Если мы от каждой части этого равенства отнимем одно и то же число y, то получим 70 = 6y + 66, откуда 6y = 4, что для натурального числа не возможно.

При х = 8 имеем равенство 80 + y = 8y + 66. Снова, вычитая из каждой части y, получим, 80 = 7y +66, 7y = 14, y = 2. Таким образом, для чисел х = 8 и y = 2 равенство выполняется, и число 82 удовлетворяет условию задачи:

82 = 8 · 2 + 66.

Следует обратить внимание учащихся, что нельзя считать задачу полностью решенной, поскольку перебор еще не закончен, и среди не рассмотренных случаев могут найтись решения.

Выполняя аналогичные преобразования, имеем при х = 9:

90 + y = 9y + 66,

90 = 8y +66,

8y = 24,

y = 3.

Показывая учащимся, что получилось еще одно решение, число 93, которое удовлетворяет 93 = 9 · 3 + 66, мы подчеркиваем важность полного перебора.

Авторы также советуют проводить перебор с помощью таблицы:

X	Уравнение	Упрощенное уравнение	Y
6	60 + y = 6y + 66	невозможно
7	70 + y = 7y + 66	6y = 4	невозможно
8	80 + y = 8y + 66	7y = 14	y = 2
9	90 + y = 9y + 66	8y = 24	y = 3

После того, как произведен полный перебор, важно научить школьников формулировать ответ в соответствии вопросу исходной задачи. В данном случае ответ будет таков: задумано либо число 82, либо 93.

К методу проб и ошибок и к методу перебора авторы еще раз возвращаются уже в 6 классе (§ 3, глава 3, [15]).

В 6 классе продолжается обучение методу математического моделирования. При изучении темы «Решение уравнений» рассматриваются различные по сюжету задачи, которые решаются с помощью уравнений. Но прежде чем приступить к решению задач, авторы учебника пытаются дать ответ на вопрос: «Для чего решают задачи?» и приходят к выводу, что, решая задачи, мы учимся строить математические модели реальных ситуаций. Далее выделяются три этапа математического моделирования:

1) построение модели;

2) работа с моделью;

3) практический вывод.

Распространенным видом математических моделей являются уравнения. В соответствии с этапами моделирования решение задач с помощью уравнений состоит также из трех этапов:

1) составление уравнения;

2) решение уравнения;

3) ответ на вопрос задачи.

Учащиеся обучаются выбирать переменные, составлять уравнения, решать их и анализировать результат.

Система задач, приведенная в учебниках [11 – 15] позволяет достаточно полно раскрыть методы исследования математических моделей, большое внимание уделяется решению задач с помощью уравнений, так как уравнения – это основной вид моделей, изучаемых в 5 – 6 классах. На основе этих упражнений учащиеся должны научиться понимать ценность решения сюжетных задач, видеть их практическую значимость, а также понимать значение математической модели, уметь строить ее, искать наиболее рациональный способ ее исследования и правильно делать вывод о проделанной работе, в том числе правильно формулировать ответ на задачу.

2.3. Анализ учебников Г. В. Дорофеева, Л. Г. Петерсон «Математика-5», «Математика-6» с точки зрения наличия задач для формирования умений, характерных для математического моделирования

Известно, что процесс математического моделирования осуществляется в три этапа:

1) формализация;

2) решение внутри модели;

3) интерпретация.

Следует отметить, что в школе больше внимания уделяется работе над вторым этапом моделирования, в то время как формализация и интерпретация остаются недостаточно раскрытыми. Необходимо организовать обучение учащихся элементам моделирования, относящимся ко всем трем этапам. Важным средством обучения элементам моделирования, относящимся к этапам формализации и интерпретации, являются сюжетные задачи, но этап формализации при решении школьных сюжетных задач оказывается представлен слишком узко. Учащимся, как правило, сразу предъявляется словесная модель задачи, поэтому представления о характере отражения математикой явлений, описываемых в задачах, часто оказываются весьма примитивными, то есть нет условий для содержательного раскрытия деятельности, проходящей на этом этапе математического моделирования. Поэтому надо искать пути содержательного раскрытия и конкретизации этапов формализации и интерпретации математического моделирования. Уже в 5 – 6 классах целесообразно использовать задачи, которые позволяют учить школьников действиям, характерным для этапов формализации и интерпретации.

Моделирование включает в себя большое число составных элементов, поэтому большую роль в успешности работы по математическому моделированию играет выявление элементов математического моделирования. В. А. Стукалов [28] выявляет следующие элементы:

1) замена исходных терминов выбранными математическими эквивалентами;

2) оценка полноты исходной информации и введению при необходимости недостающих числовых данных;

3) выбор точности числовых значений, соответствующей смыслу задачи;

4) оценка возможности получения числовых данных для решения задачи на практике.

На основе перечисленных элементов математического моделирования, характерных для этапов формализации и интерпретации, можно выделить умения, которыми должны овладеть учащиеся для успешного освоения методом математического моделирования:

1) умение заменять исходные термины математическими эквивалентами;

2) умение оценивать полноту исходной информации;

3) умение выбирать точность числовых значений;

4) умение оценивать возможность получения числовых данных для решения задачи.

Проанализируем учебники [11 – 15] Г. В. Дорофеева, Л. Г. Петерсон с точки зрения наличия задач, применяемых для формирования у учащихся 5 – 6 классов выделенных умений.

Выполнение действия замены исходных терминов выбранными математическими эквивалентами основывается прежде всего на жизненном опыте учащихся, то есть знании терминов, встречающихся в быту или при изучении других предметов, которые могут быть заменены математическими понятиями и отношениями. Из этого следует, что в системе задач школьных учебников должно быть больше задач, содержащих термины из различных научных областей, но не требующих длительного и громоздкого объяснения их сущности. Кроме этого, задачи расширяют словарный запас учащихся, знакомят с новыми интересными фактами из разных наук, вооружают учащихся навыками самостоятельной работы, способствуют сознательному применению имеющихся знаний к жизни, знакомят их с новыми приемами решения, развивают математическое мышление и практическую смекалку.