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高中数学教学设计:简单线性规划问题解析

时间:2023-10-26 理论教育 版权反馈
【摘要】:探究式教学是新课程改革课堂教学的主要方式之一,我们通过“简单的线性规划问题”教学案例,对探究活动中的问题进行讨论。此时,教师巡堂,及时发现问题,加强个别指导。自我总结,提炼升华:让学生回忆并小结、提炼本节课学习内容:①线性规划问题的图解法步骤。③解决线性规划问题的相关结论。

高中数学教学设计:简单线性规划问题解析

探究式教学是新课程改革课堂教学的主要方式之一,我们通过“简单的线性规划问题”教学案例,对探究活动中的问题进行讨论。

问题的提出:

新课程必修5课本第91页的“阅读与思考”——错在哪里?

实数x,y满足1≤x+y≤3①,-1≤x-y≤1②,求4x+2y的取值范围。

错解:由①②同向相加可求得0≤2x≤4,即0≤4x≤8③,

由②得-1≤y-x≤1,然后与①同向相加得0≤2y≤4④,

则③+④得0≤4x+2y≤12。

以上解法正确吗?为什么?

质疑:引导学生阅读、讨论、分析。

辨析:通过讨论,上述解法中,0≤4x≤8及0≤2y≤4是对的,但用x的最大(小)值及y的最大(小)值来确定4x+2y的最大(小)值却是不合理的。x取得最大(小)值时,y并不能同时取得最大(小)值。由于忽略了x和y的相互制约关系,故这种解法不正确(其中有小部分学生仍处于迷惑之中)。

激励:此例有没有更好的解法?怎样求解?

提问1:辨析中的描述能否从形(即几何)方面直观得到解释?请同学们想一想,已知的两个不等式组成的不等式组的几何意义是什么?

(许多同学心头一亮,跃跃欲试)

教师趁机把动手的机会让给学生,要求他们打开几何画板进行探究。

(教师巡视、指点,并注意收集信息的反馈)

最后利用展示台交流,达成共识:不等式组表示的平面区域是一个以A(1,0),B(2,1),C(1,2),D(0,1)为顶点的正方形区域,而由不等式组得到的0≤x≤2,0≤y≤2表示的区域是一个以O(0,0),E(2,0),F(2,2),G(0,2)为顶点的正方形区域,显然由原不等式组导出x、y范围,使得区域变大了。确定的0≤4x≤8及0≤2y≤4独立表示时是对的,但合起来求其交集时所表示的可行域的范围明显变大了,在错误的可行区域求4x+2y的取值范围,难怪做错了。

(学生沉浸在做数学的快乐中)

此时趁热打铁,继续探究:

提问2:既然我们已经完成了把不等式组从数向形的转化,那么这个问题能不能从数形结合上得到完整的解决呢?也就是说,问题转化为求4x+2y在约束条件不等式组下的值域。

(学生开始寻找4x+2y的几何意义)

有些同学做了这样的尝试:f(x,y)=4x+2y是关于x和y的二元一次函数,函数在直角坐标系里又表示什么呢?学过的有关二元一次的只有二元一次方程表示直线了。

终于,经过学生的一番思考探究之后,找到了条件与结论之间的内在联系,把问题提问2转化为:求z=4x+2y在约束条件不等式组下的最大值和最小值。

,此时z的几何意义是直线z=4x+2y的纵截距的一半,故截距越大,z的值越大。有些思维比较活的学生,省去了f(x,y)=4x+2y这一步的思考,有些基础比较差的学生虽想到了f(x,y)=4x+2y这一步,却无法更进一步。此时,教师巡堂,及时发现问题,加强个别指导。

探究到此,后面的解答过程学生通过平移直线不难得到。

例题:某工厂有A、B两种配件生产甲、乙两种产品,每生产一件甲产品使用4个A配件耗时1h,每生产一件乙产品使用4个B配件耗时2h,该厂每天最多可从配件厂获得16个A配件和12个B配件,按每天8h计算,该厂所有可能的日生产安排是什么?

(1)用不等式组表示问题中的限制条件。

(2)画出不等式组所表示的平面区域。(www.xing528.com)

(3)若生产一件甲产品获利2万元,生产一件乙产品获利3万元,采用哪种生产安排利润最大?

教师巡视,引导:把实际问题转化为数学问题,并确定未知变量决策变量)。之后,文字语言转化为符号语言(建立线性规划模型),运用图解法求解。

利用实物投影显示列不等式组中的各种错误,由学生找出,并指正,如学生易忽视x≥0和y≥0的关系。

变式:

探究:课本第89页的探究活动。

(1)在上述问题中,如果生产一件甲产品获利3万元,生产一件乙产品获利2万元,应当如何安排生产才能获得最大利润?在换几组数据试试。

(2)由上述过程,你能得出最优解与可行域之间的关系吗?

教师引导学生利用几何画板来进行自我探究。学生在换了好几组a,b的值之后,都得到了在多边形(可行域)的顶点处取到最值。于是,有些学生得出了这样的结论:当a﹥0,b﹥0时,最优解在表示可行域的多边形顶点处取到,且唯一。

但不用多久,马上有同学指出不全面,因为当目标函数的斜率和顶点直线平行时,最优解有无穷多个。教师抓住机会,表扬了这两位学生的优点,鼓励学生继续探索。最终,经过交流讨论,得出下列结论:

第一,可行域就是二元一次不等式组所表示的平面区域,可行域可以是封闭的多边形,也可以是一侧开放的无限大的平面区域。

第二,如果可行域是一个多边形,那么一般在其顶点处使目标函数取得最大值或最小值,最优解一般就是多边形的某个顶点。到底哪个顶点为最优解,可有两种确定方法:一是将目标函数的直线平行移动,最先通过或最后通过的顶点便是;当表示线性目标函数的直线与可行域的某条边平行时,其最优解可能有无数个。

最后,教师观察到有个学生欲言又止,就问他怎么了,他说他在探索过程中,发现似乎与可行域的边界直线的斜率有关,只是还没有搞清楚。

教师对提出问题的同学表扬了一番,并顺其意布置了课外思考题:能否通过比较围成可行域的直线的斜率与目标函数的斜率大小关系来判断最优解?

教师让全班同学回去继续探索,可以多找些资料。

自我总结,提炼升华:

让学生回忆并小结、提炼本节课学习内容:

①线性规划问题的图解法步骤。

②解决实际问题时注意隐含条件的挖掘。

③解决线性规划问题的相关结论。

作业:

课后探究:①留意周围的生产问题,能否转化为线性规划问题进行优化?②能否通过比较围成可行域的直线的斜率与目标函数的斜率大小关系来判断最优解?

课后反思:

探究式教学是建构主义学习理论的一种教学实践模式。探究式课堂的特点是学生通过合作交流、自主探究获得新知识。本课在“问题的提出”部分通过对课本“‘阅读与思考'——错在哪里?”一文的探究,让学生在获得探究体验的基础上,通过合作交流形成共识。

在例题及变式探究中,利用“几何画板”创设了一个动态的数学实验室,让学生自己通动鼠标操作,来改变a,b值,探究出一般性的结论。探究式教学与传统的接受式教学和训练式教学相比,更具问题性、实践性和开放性,将学生置身于动态、开放、生动的学习环境中,有利于学生的自主学习和自主探索,对培养他们的数学素养和创新精神,无疑具有深远的意义。

本课利用了信息技术,如“PowerPoint 2003”“几何画板”等来设计探索情境,创造开放性学习环境,满足了不同学生的需要,体现了个性化的学习,目的是努力使每一位学生都能得到成功的体验,有效地促进不同层次学生的发展,培养学生做数学的能力、总结归纳的能力,同时让学生体会到主动探究的重要性与趣味性。

为了体现以学生发展为本的理念,本课的最后抛出一个课后探究性问题,既是对本节课有关内容的延伸、拓展,回应了本节课内容,又是为下节内容做些铺垫、蓄势,让学生有“意犹未尽”之感。

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