在我们尝试提出有关数学教学中结合技术的问题和课程改革的问题时,我们致力于发展一门线性代数的导引性课程.在进展的所有阶段,我们都根据下述基本信念来改进这门学科的基本原理:学习数学的学生必须享受、理解、吸收,并且运用他们所学的技巧和概念.学习数学应当是值得花时间的经历,而不是使人灰心的事情.使用这本教科书的学生将在以实验、探索和发现为特征的交互环境里学习线性代数的概念和应用.学生扮演基本的和主动的角色,而不是走过学习进程的过客.
下面是在整个教材发展中影响我们的指导因素:
·线性代数是一门融合理论、应用和计算的完美课程.
·线性代数的应用是多种多样的和可以理解的.
·线性代数的概念和应用能够在包括实验、探索和发现的生动环境中学习.
·来自各种各样的学科,例如计算机科学、图论、自然科学、商业经济和人口流动等的应用问题使这门学科更加有趣.
·线性代数的计算方面是与一些学科,例如计算科学的形成有关的.
·一个统一的主题(线性方程组的可解性)把这门课程的各个单元联系在一起.
·计算机代数系统(CASs),例如MapleV能够被有效地用于发展一个交互式自我测试的电子教师系统.
·有效地利用技术通过图形表示和动画片可以增强对线性代数的理解.
·实验和应用给学生提供了多样化的学习方案,它鼓励合作学习、试验和发现.
·一个适应测试系统使学生准确地衡量他们的进步.
·较少强调抽象的非形式的描述风格可能改进记忆的比率.
教材的内容
交互式教材由6个单元组成:
·第一单元线性方程组
·第二单元矩阵代数
·第三单元线性空间
·第四单元 内积空间
·第五单元线性变换
. ·第六单元 特征空间
我们包括了一些导引性的线性代数课程通常排斥的材料.例如,LU—分解包含在第二单元;最小二乘法、广义逆和OR—分解包含在第三单元;SVD—分解包含在第六单元.
教材的组成部分
在《用Maple V学习线性代数》一书中,每个单元的主要组成部分是自动函数库,交互式计算机课文,指导实验,应用以及理论,同时有一个单独设置的适应测试系统与它配套.
这些组成部分由图示用户界面(GUl)支持,它被设计成允许用户平稳地通过教材的各个组成部分.这个界面的主屏提供通向教材的六个单元、自动函数的索引、目录表和一般帮助的通路.每个单元的屏幕包括从它能够进入的教材的索引.例如,一旦一个单元被挑选,用户可以卡嗒卡嗒地敲课文、实验、应用、理论,或者自动函数.课文、实验和应用的屏幕包括线性代数概念的动画片.GUI提供了通向CASMAPLEV的直接通路.
自动线性代数函数库
一个自动函数是用计算机代数系统(CAS)写的程序,它有能力进行数值的和符号的输人,并且它的输出可以包括数值的、原文的、和(或)图形的成分,在《用MapleV学习线性代数》里的函数描述这门课程的各种各样的概念的自动化.这些函数的界面被仔细地设计并标准化,以便使用起来直观而且简便.这些函数不强调学习CAS的句法,允许用户集中精力花更多时间学习这门课程的概念.此外,作为重复使用这些函数的结果,学生可学习CAS的有关命令和语法.
在我们的文库里的自动函数大部分与MapleV的Linalg包有相同的名字,以便相容.这些函数具有三种职能:
1.它们是学习工具:论证程式显示为学习特殊的概念或算法所需要的中间步骤.
2.它们是测试工具:交互程式允许学生交互式回答一组指定的问题.这些问题被设计来保证突出一个算法或一个概念的主要面貌.这些函数不仅能克服费力的计算,而且使学生加强对过程的学习和对概念的理解.这将鼓励在学习过程中有意义的积极参与和实验.
3.它们能被缩短:无步骤程式产生所要求的没有中间步骤的输出.
每一个自动函数有在线帮助,它包括概念或算法的评论、例子,以及这个函数引出的结果.也包括几个其他的对于用户便利的选择和特色,例如差错的复原和清除.这个软件包括一个手册,它说明如何使用自动函数,学生能够按照自己的进度通过这些函数的论证程式,来学习理解概念的细节;然后通过交互程式来检查他们是否懂了这概念.论证程式和交互程式在某种程度上起看“聪明的电子教师”的作用.自动函数能够从主菜单进入或者从每个单元的菜单进入.主菜单包括所有函数的索引.每个单元的菜单包括与这个单元有关的自动函
数.作为组成部分的例子和函数的使用能够从主菜单或每个单元的菜单进人.下列软件包被包括在内:
· Linsys: gausselim, rref, backsub, solveqns, graph
· Linmat: LUdecomp, inverse, trainnet, commute, trsum, trproduct, trinverse, transtrans, matrixmul, Geometry
· Linspace: Lincomb, Lindep, basis, subspace, graphvectadd, graph-scalarmulti, graphlincomb
· Linpdt: GramSchmidt, QRdecomp, leastsqrs, lsqrdemo
· Lintran: Lineartran, matrixrep, kernel, range, changebasis, Basis-Geometry
· Lineign: eigenvals, eigenvects, diagonalize, SVdecomp, hermitian, evplot
交互式计算机课文
每篇课文包括:目标、动力、例子、练习、测验、概念的总结和讨论的事实.课文是非正式地发展,不包括形式的证明.事实的证明能够从界面GUI的理论部分进入.大部分课文包括一节学习过程,学生可以从中选择他们喜欢的例子来理解程序.学生能够在某种程度上发展他们自己的笔记本.每篇课文被仔细设计与有关的自动线性代数函数相结合.交互式计算机课文允许学生按自己的进度学习,并且充当电子教师.
每篇课文包括一组练习.练习的解答也在软件包里提供.
每篇课文包括测验.在测验的末尾提供一份报告,包括学生的得分、正确答题的数目,以及没有正确回答的问题.
指导实验
实验的目的是加强在课文中学到的概念和技巧.每个实验包括一、二个主要作业和一、二个额外的挑战性的进一步探索的问题.着重于数值领域.实验的全部工作需要自动函数.
应用
应用表明在课文和实验中学习的概念和算法的效用.应用对于来自各个学科中的问题(例如,差分和微分方程,自然科学,计算机科学,网络,经济学,人口流动和工程学)建立模型.
理论
理论部分包括线性代数事实的证明.我们建议指导教师挑选特别的证明,并且鼓励学生再读一遍这些证明.在MapleV的释放装置4里,证明也被连接到课文中.
适应测试系统
适应测试系统是单独设置的,它与《用Maple V学习线性代数》一书配套.它包括学生用的软件包和教员用的软件包.使用者有权挑选一个适应测试或者非适应测试形式.测试界面包括计算表,到MapleV的通路,提示,说明,确认按钮,以及到一般帮助的通路.适应测试形式的目的是给学生在学习特定的概念或算法的进展一个直接反馈.在适应测试形式中问题的难度是根据正确回答的次数.非适应测试形式提供随机挑选的问题.在非适应形式中,使用者必须指定试图解答的问题的数目,共有400多道多重选择题,其中每一道题按照难度打分.
在测试的最后提供一份报告,包括学生的得分、正确回答的数目、没有做的题,以及对于没有正确回答的问题的解释.教员的软件包包括在测试中允许教员增加的新的问题,修改现有的问题,以及保持学生的详细记录.通往教员的软件包的口令是bed.
关于212具的建议
《用MapleV学习线性代数》是由教科书和与之配套的光盘一起提供的.教科书编辑成交互式课文、指导实验、应用以及理论的版式.我们建议教员在与学生第一次见面的时候,使学生晓得学习数学时使用技术的重要性:在教育中使用技术的过程所蕴含的是,时间因素,评估和评分方法,以及他们的努力所得到的奖赏和利益.交互式课文能够被教员用于突出课文的主要想法,或者被学生在由教员管理的课内时间使用,或者被学生在课外时间使用.指导实验是由每一位学生跟着这个单元的课文完成的.实验被设计成在教员的管理下一节课内完成.我们建议至少完成6个实验,应用是分组活动(每组两个学生),在课外时间完成(1至2周).我们建议至少完成4个应用.频繁的适应测试被建议用于检查学生的学习情况,进度和重新评估训练方法.
感谢
作者深深感激他们的家庭在这本教材的准备和各个发展阶段中给予的持续的鼓励、忍耐、支持和理解.我们感激我们的父母所给予的启蒙和指导.我们感谢用这本教材的初稿的学生的评论、建议和耐心.我们感谢一个非常出色的学生Carlos Uribe在界面上的工作和交流想法.我们也感谢另一位学生BinhPhan为发展适应测试系统所花的时间和努力.我们感谢英语系的同事ChrisBirehak编辑这本教材的初稿.最后但不是最少,我们想感谢纽约施普林格出版社的JerryLyons,休斯敦城商业区大学计算机和数学科学系的Vicky Evarretta,Karen Phillips和Ken Dreyhaupt,以及美国数学协会交互式数学教材项目(IMTP)的支持.
作者将感谢这本交互式教材的使用者的任何建议、评论或指正,并且希望和我们联系.
埃利斯·狄巴(Deeba@dt.ah.edu)
安南德·古纳瓦得那(Guna@pitt.edu)