本教材是作者在多年教学改革和教学研究的基础上,总结以前主编、参编教材的经验教训,结合TOPCARES教学改革的探索与实践而编写的。内容包括一元微积分基础、线性代数基础、概率论与数理统计基础和离散数学基础。本教材主要针对以培养应用型人才为目的的IT类院校开设的计算机数学基础课程编写的,也可作为其他类或文史类学生相应课程的教材或教学参考书。
赫尔巴特说:“数学是我们时代有势力的科学,它不声不响地扩大它所征服的领域,那种不用数学为自己服务的人将会发现数学被别人用来反对他自己。”怀特海说:“如果文明继续发展,那么在今后两千年,人类思想压倒一切的新特点就是数学悟性占主导地位。”可以说,数学素养是现代人综合素质的重要组成部分。
本教材以TOPCARES教学理念为指导,以TOPCARES教学模式和教学方法为指引,以能力培养为目标,以项目导向为方法,以“做中学”为手段,进行了一体化设计。教学内容体现“五多五少二充分一注重”,即多一点思想方法,少一点死记硬背;多一点归纳引入,少一点演绎证明;多一点事例论证,少一点理论推导;多一点概念强化,少一点计算技巧;多一点项目渗透,少一点特殊题型;充分体现够用实用的原则,充分体现TOPCARES的改革思想;注重自学能力和应用数学知识解决实际问题能力的培养。
在数学教学过程中,应该主动采取措施,鼓励并推动学生解决一些理论或实际的问题。这些问题没有现成的答案,没有固定的方法,没有特定的参考书,没有规定的数学工具,甚至也没有成型的数学问题。主要靠学生独立思考,反复钻研,并相互切磋,去形成相应的数学问题,进而分析问题的特点,寻求解决问题的方法,得到有关的结论,并判断结论的对错与优劣。总之,应该让学生亲口尝一尝梨子的滋味,亲身去体验一下数学的创造过程,以期取得在课堂里和书本上无法替代的宝贵经验。库勒在《数学是什么》一书中提到:教育应该使人了解数学在人类认识自己和认识自然中所起的作用,而不只是学一些数学理论和公式。对学生而言,“知识的应用比知识的拥有更重要”。本教材从学生的实际出发,以TOPCARES教学理念为指导,合理编排教材结构,每一节包括知识目标、能力目标、案例引入、知识正文、能力训练及教学效果评估,教学效果评估一般分成A、B、C三个层次,A为基本要求,B为提高要求,C为能力评估;每一章前有项目导学,末有单元评估。在精选教学内容的基础上,注意以实际案例引入概念,讲解理论,用理论知识解决实际问题,逐步渗透数学模型思想,尽可能再现知识的归纳形成过程,使抽象问题具体化,复杂问题简单化,同时培养学生的创造性思维能力。针对学生基础、理解能力等掌握数学知识能力的差异性和人们认识规律的差异性,分层配备例题和习题,例题难度逐步递进。
本教材由李连富任主编,严维军和陈昊任副主编。李连富统筹规划教材的整体结构,并对教材进行了统稿。参与教材编写的有李连富、严维军、陈昊、赵仓梅、张黎丽、肖业亮、王淑娟、郑志静、刘佳和杨航。
由于编者水平有限,对基础课进行TOPCARES改革又没有丰富的经验,再加上时间仓促,错误和不足在所难免,恳请同行专家和读者不吝赐教,笔者将不胜感激。
编者2023年6月教材简介
一、教材基本信息
1.适用对象
本教材是编者在多年教学改革和教学研究的基础上,结合TOPCARES教学改革的探索与实践编写而成。本教材可作为计算机类学生的基础课《计算机数学基础》的教材,也可作为高职高专学生数学基础类课程的教材或教学参考资料。
2.需具备的知识与能力基础
使用本教材的读者要求具备高中数学教学大纲所要求的知识和能力基础,记忆基本初等函数的概念,理解基本初等函数的性质,理解实数的性质,能运用实数理论进行基本运算。
3.总体知识与能力目标
通过本教材的学习,使学生掌握一元微积分、线性代数、概率论与数理统计和离散数学的基本概念、基本理论和基本计算,为后续课程的学习奠定必要的数学基础;通过运用所学的上述知识来解决实际问题,培养学生应用数学知识、数学思想和数学工具解决专业领域相关基本数学问题的能力。
通过本教材的学习,可培养学生抽象思维、逻辑推理、空间想象等数学思维能力,培养学生具有综合运用所学知识分析问题和解决问题的创造性思维能力,养成终生学习、自主学习的习惯,同时还培养书面表达和团队协作的基本能力。
4.编写团队
本教材由李连富任主编,严维军和陈昊任副主编,参加编写的人员还有赵仓梅、张黎丽、肖业亮、王淑娟、郑志静、刘佳和杨航。
第1篇一元微积分基础
项目导学3
第1章函数、极限与连续6
11函数及其特性6
11.1函数的概念7
112函数的表示方法8
113函数的图形8
114函数的几种特性10
12初等函数14
121反函数和复合函数15
122初等函数16
123函数与数据拟和16
13函数极限的概念与性质20
131自变量趋于有限值时函数的极限22
132单侧极限22
133自变量趋于无穷大时函数的极限24
134函数极限的性质25
14初等函数的极限26
141初等函数在其定义区间内的极限27
142初等函数在其定义域外的极限28
15函数的连续性与间断点31
151函数的连续性32
152函数的间断点33
单元训练一36
第2章一元函数微分学及其应用38
21导数的概念38
211导数定义41
212单侧导数43
213函数可导与连续之间的关系44
214导数的几何意义44
22导数的基本公式与运算法则48
221导数的四则运算法则49
222反函数的求导法则50
223复合函数的求导法则51
224初等函数的求导法则52
23导数的应用55
231函数的单调性56
232利用一阶导数判断极值58
233利用导数求函数的最大值最小值59
24函数的微分及其应用63
241微分的定义63
242微分的运算64
25洛必达法则67
25100型和∞∞型未定式68
252其他类型未定式(0·∞,∞-∞,00,1∞和∞0)69
26*微分中值定理71
261罗尔定理72
262拉格朗日中值定理73
263柯西中值定理75
单元训练二77
目录第3章一元函数积分学79
31定积分的概念79
311定积分的定义82
312定积分的几何意义83
313定积分的性质83
32不定积分87
321原函数的概念88
322不定积分的概念88
323基本积分表89
324不定积分的性质90
33微积分基本定理93
331可变上限的定积分94
332牛顿莱布尼茨公式94
34基本积分法97
341定积分的换元积分法97
342定积分的分部积分法99
35定积分的应用103
351微元法104
352定积分在几何学上的应用104
36广义积分110
361无穷区间上的广义积分110
362无界函数的广义积分112
单元训练三115
第2篇线性代数基础
第4章行列式与矩阵122
41行列式的概念122
411二阶行列式123
412三阶行列式124
413余子式及代数余子式124
414n阶行列式125
42行列式的性质127
43克莱姆(Cramer)法则131
44矩阵及其运算133
441矩阵的定义134
442几种特殊矩阵134
443矩阵的运算135
45逆矩阵140
451逆矩阵的概念141
452矩阵可逆的条件141
453逆矩阵的性质142
454矩阵方程143
单元训练四145
第5章线性方程组148
51矩阵的初等变换与矩阵的秩148
5.11矩阵的初等变换149
512增广矩阵149
513阶梯形矩阵150
514矩阵的秩151
515初等矩阵152
5.1.6利用初等行变换求逆矩阵154
5.2利用矩阵的初等变换解线性方程组155
52.1齐次线性方程组的解法156
52.2非齐次线性方程组的解法158
5.3n维向量组及其线性关系162
5.3.1n维向量的定义162
5.3.2向量间的线性关系164
5.3.3向量组的秩166
5.4线性方程组解的结构168
54.1齐次线性方程组解的结构168
54.2非齐次线性方程组解的结构170
单元训练五174
第3篇概率论与数理统计基础
第6章概率论基本概念179
61随机事件及其概率180
611随机事件180
612事件间的关系与运算182
613概率的定义及其性质183
6.2古典概型186
6.3条件概率188
631条件概率189
632乘法定理190
633全概率公式和贝叶斯公式191
6.4事件的独立性195
单元训练六197
第7章随机变量的分布及其数字特征200
71随机变量201
711随机变量的定义202
712引入随机变量的意义203
7.2离散型随机变量及其分布204
7.21离散型随机变量及其概率分布204
7.22常用的离散型随机变量的分布205
7.3随机变量的分布函数210
7.31随机变量的分布函数211
7.32离散型随机变量的分布函数211
7.4连续型随机变量及其分布214
7.41概率密度函数215
7.42常用的连续型随机变量的分布216
7.5数学期望及其性质220
7.51离散型随机变量的数学期望221
7.52连续型随机变量的数学期望222
7.5.3数学期望的性质223
7.6方差及其性质225
7.61方差的概念226
7.62方差的性质227
7.6.3常用分布的方差227
单元训练七230
第8章数理统计的基础知识233
81统计的基本概念233
811总体与样本234
812统计量234
813常用统计量的分布235
82常见统计的方法介绍及应用238
821点估计239
822区间估计242
单元训练八247
第4篇离散数学基础
第9章集合与关系251
91集合的概念与运算252
911集合的表示252
912集合的运算255
9.2关系的概念258
921关系258
92.2关系的表示259
9.3关系的运算与性质261
9.31关系的运算262
9.3.2关系的性质264
9.4等价关系与划分267
9.41等价关系267
9.4.2等价类268
9.4.3等价关系与划分269
单元训练九271
第10章图论273
101图的基本概念274
1011图的定义274
1012结点的度数276
1013图的同构277
102图的连通性279
1021通路与回路280
1022图的连通性281
1023欧拉图282
1024哈密顿图283
103图的矩阵表示285
1031邻接矩阵286
1032关联矩阵287
104树及其应用290
1041无向树与生成树290
1042根树及其应用292
单元训练十295
第11章数理逻辑初步297
111命题逻辑的基本概念298
111.1命题298
1112命题联结词299
1113命题公式及真值表302
112命题逻辑的等值演算306
1121公式等值306
1122等值演算307
113命题逻辑的基本推理309
单元训练十一313
附录A1常用数学用表315
附录A2学习知识要点及能力要点323
参考文献326
2016年6月,中国成为国际本科工程学位互认协议《华盛顿协议》的正式会员,这是中国工程教育国际化进程的重要里程碑。“回归工程”、培养学生的“大工程观”是当今国际工程教育的主流理念。《华盛顿协议》对毕业生提出的12条素质要求中,不仅要求工程知识、工程能力,还强调通用能力和品德伦理;在实践上,以学生为中心,以产出为导向,注重对目标达成的支撑及持续改进,与CDIO工程教育实质等效。
CDIO工程教育是近年来国际工程教育改革的最新成果,以“预期学习结果”集合来驱动课程内容、教学方法、教育文化的设计,重视营造工程教育文化,其注重工程能力培养和基于工程项目全生命周期的一体化设计思想,对于国内工程类和相关专业的建设具有重要的实施价值。
作为承载了教学改革思想的载体,融入CDIO工程教育理念的高品质教材,东软CDIO工程教育教材在注重理实结合的同时,也注重对学生八大能力的培养,即:技术知识与推理能力,开放式思维与创新,个人职业能力,沟通表达与团队合作,态度与习惯,责任,价值观,实践构思、设计、实现和运行对社会的贡献。
CDIO工程教育教材是 CDIO教育教学改革在教学实施过程中的集中体现,它不仅承载着课程和项目的教学内容,而且贯穿和体现了CDIO工程教育的理念、思想与方法,是在系统化理论的指导下,将知识、能力、素质培养进行一体化设计,有机融合在教材体系中。教材的编写以能力培养为主线,以案例教学为引导,以项目为载体,充分体现“做中学”和“学中做”的思想,具有以下优势:
(1)以能力培养为主线,培养学生专业知识学习能力和工程实践能力。
(2)以案例为驱动,在做案例的过程中学习新知识,充分体现了“做中学”。
(3)以项目为载体,基于工程化教育方法,按照分析、设计、实施、运行展开项目及知识点的讲解。
(4)围绕专业知识结构和能力体系设计教材,实现同一专业下不同教材紧密的关联性。
(5)内容编排循序渐进,符合人的认知规律。
(6)适应柔性化教学变革,构建一体化、立体化教学资源。
CDIO工程教育教材可供以应用型人才为培养目标的高等院校以及职业培训机构作为教材使用。
目前,CDIO工程教育教材的建设还处于探索阶段,是一项创造性的工作,尚需要通过改革的实践不断加以深化和持续改进,任重而道远。