概率论与数理统计的MATLAB实验<sup>*</sup>
概率论与数理统计是研究随机现象及其统计规律的一门学科,它是根据大量同类随机现象的统计规律,对随机现象出现某一结果的可能性作出一种客观的科学判断,对这种出现的可能性大小做出数量上的描述。比较这些可能性的大小、研究它们之间的联系,从而形成一整套数学理论和方法。它的基本概念和方法如:概率、独立性、数学期望、方差、相关性、大数定律、中心极限定理、矩估计、极大似然估计原理等等无不蕴含着独特的数学思想方法。由于它具有思维的灵活性、应用的广泛性,其理论与方法常被人们应用于经济、管理、农业、工业和科学技术中,涉及生产、生活的方方面面。
由于概率论与数理统计的教学内容较多,课时有限,因而在传统教学观念中,存在这样一个误区:让学生记住公式,套用公式来计算。但概率论与数理统计概念繁多,理论抽象,计算繁琐,要记下也不是一件容易的事。这种死记硬背的教学模式导致学生上课感觉枯燥无味,对概念理解不透彻,对其中的思想方法难以掌握,面对实际问题时无从下手,难以培养学生对概率知识和统计思想的应用能力[1-4]。所以,改革概率论与数理统计课程的教学方法,增强课程的实践性、应用性成为一个亟待解决的课题。
1 概率统计中加强实验教学的意义
国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)明确指出:“深化教学改革,支持学生参与科学研究,强化实践教学环节。充分调动学生学习积极性和主动性,激励学生刻苦学习,增强诚信意识,养成良好学风。”加强实验教学,激发学生的学习热情,培养学生的动手能力,既是《纲要》的要求,也是社会对学校的要求。数学实验就是通过动手动脑,在教师的引导下,运用有关工具(计算软件),通过实际操作,学生自己去参与、去实践、去体会、去发现。这种以“做”为支架的教与学的活动方式,是在认知与非认知因素参与下进行的一种发现数学结论、理解数学知识、验证数学结论的数学活动,它改变了学生学习的数学知识形态,改善了学生的数学学习方式,促进了学生素养的全面发展[5]。在概率论与数理统计教学过程中,首先要让学生正确理解概率论与数理统计的基本知识、基本思想方法,培养学生解决实际问题的能力。
曾有位数学家说过:“数学这门科学,需要观察,也需要实验,模型和图形的广泛应用就是这样的例子”。心理学告诉我们,学习一般都需要经过从感性认识到理性认识,从具体问题到抽象理论。数学实验正是连接感性与理性、具体与抽象的桥梁。数学实验通过“问题情境—建立模型—实验演示—猜想推理—解释拓展”的模式展开,让学生经历从直观感知到表象、再到抽象思维的过程。表象就是人们对具体问题的感性认识,是感悟和了解,是进一步深层思维,形成理性认识的基础和根源[6]。 在概率论与数理统计的教学中,如果仅有理论的讲解,没有实际的上机操作,那么学生对理论的掌握只会停留在死记硬背的层面,一旦遇到实际问题,学生就会感到束手无策。所以,若要培养学生能用数学、会用数学解决实际问题的能力,必须把学生带进实验室,让他们自己动手,学习、模仿、变换、创新,自己慢慢地体会,真正意义上做到理论与实践相结合。经过较长时间的训练,逐渐提高数学素养,提升数学应用能力。
如何把理论讲清楚,让学生好理解,又不至于陷入专业数学殿堂中去,这是数学教师应该思索的一个问题。目前大多数教材重视严谨的逻辑体系,强调各知识环节的紧密联系;虽然目前概率论与数理统计教材种类较多,但课程内容变化不大,体系基本相似,教学计划及大纲要求过死,导致教师只对书本负责,难于顾及对学生创新意识的培养,影响了教师教学主动性的发挥[7]。在教学方法上,侧重符号演算和解题技巧的教学,忽视问题背景设计,漠视数学文化修养方面的教育。教学重点放在定理的推导、公式的演算上吗?这样的数学推导、逻辑证明对学生的学业和成长有多大帮助?对于有些问题,如果能给出直观地解释,可能更有利于学生的理解,也能使学生的记忆更加深刻[8]。
2 例说概率统计中的实验教学
概率论与数理统计教学中,适当使用计算软件,使数据处理和数值计算变得简易、精确。既提高了学生的学习兴趣,又降低了计算的难度。计算机技术的快速发展,数学软件的使用会越来越普遍。越来越多的统计分析与计算,譬如参数估计、假设检验、方差分析等,利用数学软件很容易求出,大大降低了人工计算的时间,大量的统计数据很快计算出来[9]。在教学中借助数学实验,加强学生对计算软件的训练,熟练掌握软件的使用方法,也为学生日后工作打下一个良好的基础。MATLAB、EXCEL、SPSS等软件使用简便,具有丰富的概率统计函数,能帮助用户进行各种类型的概率计算。学生在使用时,有些只要借助已有函数,有些只需简单编程,操作简单,容易上手。