发布时间：2023-09-25 11:51:12
绪论：一篇引人入胜的数学与基础数学，需要建立在充分的资料搜集和文献研究之上。搜杂志网为您汇编了三篇范文，供您参考和学习。
【基金项目】本文系钦州学院科研项目“师范专业学生数学学习习惯与方法研究”（编号：2011XJKY-38C）的阶段性成果。
中图分类号：G623.5 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2017）09-0008-02
数学教育作为我国基础教育中的一门基础性学科内容，在我国数学基础教育改革的发展进程中，不断汲取和吸纳国内外的成功教育经验，对数学基础教育的教学理论进行研究，还对教学方法进行了创新和变革。同时，在不断创新和改革的时代变化中，将数学基础教育与网络新媒体相结合，在大数据下实现对数学基础教育的创新，在一定程度上推动了数学基础教育的改革与发展。
一、数学基础教育改革的现状分析
我国的数学基础教育改革在历经很长时间的磨砺之后，获得了较为丰富、宝贵的教学理论知识和教学实践经验，并培育出较多的数学竞赛的佼佼者。他们在数学基础知识的学习过程中，不仅基本功扎实，具有较为突出的优点，而且还受到了国内外学者的瞩目。然而，尽管我国的数学基础教育改革发生了翻天覆地的变化，却仍旧存在数学实际应用能力相对薄弱的现象，相对于国外数学基础教育改革成功的国家而言，还具有一定的差距。主要表现为以下几个方面：
1. 数学课程教育呈现出枯燥单调、深奥抽象的现象
受应试教育“指挥棒”的影响，学生大多处于数学基础知识学习中的被动状态。固态的数学教学思维和模式，在一定程度上压抑了学生的学习热情，加之数学知识自身的抽象性和枯燥的内容，导致学生难以摆脱机械性教育的困境和束缚。以考试成绩作为衡量学生学习效果的大环境，使得数学基础教育难以摆脱传统教学模式，因而在具体的教学中，难以增进学生的科学精神，对于数学思想和方法的理解也无法得到升华。
2. 过于追求数学教学的学习数量
在数学基础教育中，依据旧知导入新知的教学方式可以较好地引导学生学习数学基础知识。然而，为了不断地接受新的数学知识，学生总是依靠强记硬背的方法来达到对数学相关知识的掌握与学习，对新的数学知识进行记忆，数学知识并没有真正渗入到学生的脑海中，出现快速遗忘的现象和问题。这就使数学基础教育成了应付考试的途径，并没有使学生真正意识到数学基础教育的应用价值和功能。
3. 教师压力大
教师往往要花费极大的心血和精力，使学生理解相对抽象和枯燥的数学知识内容，这对于数学教师而言，无疑是一个巨大的挑战。教师为了提高学生的考试成绩，常常采用传统的“题海”战术，让学生沉浸于数学的习题解答过程之中，通过大量的数学习题训练，让学生解答各种难题和偏题，而对学生数学思想和方法的培养却较少关注，难以真正实现数学基础教育的价值。
二、数学基础教育的改革发展与反思
我国的数学基础教育与国外相比还存在着较大的差距，大多数学生可以较为熟练地掌握相应的数学基本技能，对于数学基础知识的实际应用却显得较为滞后，因而难以真正体现数学知识的应用价值。为此，我们要进一步推动我国的数学基础教育改革，在此过程中，不断反思并获得更为深刻的启迪。
1. 全面落实数学基础教育的课程标准
要全面落实数学课程标准，必须在转变数学基础教育的理念前提下，以学生为数学学习的主体，培养学生良好的数学思维能力和正确的行为习惯。因此，教师要全面、深入地了解学生思维活动中的既有知识和经验，鼓励学生积极参与实践探索，培养其直观、理性的思维能力。
2. 注重数学基础教育教学内容和教学体系的深化变革
在数学基础教育的课程教学中，需要对数学基础教育教材进行创新性变革，在转变应试教育的传统观念之下，克服单纯以数学理论教学为主体的教学状态，适当增添数学应用型实例的教学内容，把数学基础教学与生活现实相契合，使学生充分理解数学思想和精神。同时，还可以引入“一课研究”的研究和教育架构，这是一种创造性数学基础教育架构和模式，主要涵括以下几个方面的维度和内容：
（1）数学的知识维度。包括小学、初中、高中、大学阶段中的数学相关知识。
（2）课程标准维度。
（3）教材比较维度。即教师对一节课的教材内容进行纵、横向比较性的研究和教育。
（4）理论指导的维度。这主要是指教师在数学基础教育的教学中，可以努力探索数学基础教育的理论，并将其应用于数学课堂的具体教学实践当中，充分体现出数学基础理论的价值和意义。
（5）学生起点维度。在数学基础教育之中，教师要围绕一节课的教学，充分了解学生的起点，并以此为依据完成教学设计。
（6）教学设计维度。教师可以对一节课的教学设计加以明确，再根据不同的学情，设计出具有针对性、个性化的教学过程。
（7）课堂教学的维度。即教师要对课堂教学情况全面观察和分析、评价，从而更好地体现出数学基础教育教学的实效性。
（8）课后评价的维度。指教师在数学基础教育中的情感态度和“四基”等方面，实现对学生的测试和评价。
（9）校本教研维度。指的是教师要紧紧围绕一节课的热荩进行全面、系统地设计，完成校本教研活动方案。
3. 完善数学基础教育的专业课程设计
在数学基础教育之中，要完善对学生的专业课程设计内容，具体包括有：
（1）必修基础课程。这主要包括代数、几何、数学分析三大部分。
（2）必修应用类课程。这主要是指数学基础教育中的概率论教学、数理统计教学、数学建模、模糊数学应用等内容，但它们之间各有其侧重点。
（3）数学教育类课程。这主要包括数学问题研究、数学教学论、数学文化等内容，要在这个内容中培养学生的综合能力，培养学生的自主学习能力，从而更好地提升学生的数学思想、方法和技术。
综上所述，在数学基础教育的过程中，要坚持以学生为主体，转变原有的教学观念和意识，努力夯实学生的数学基础知识，不断培养学生潜在的数学能力，激发学生主动探究的热情，并在数学问题的发现、分析、反思和解决的过程中，更好地提升学生的数学思维创新能力。除此之外，教师还要根据学生的具体学情和知识，以及既有实践经验，完善和优化数学基础教育内容和体系，稳步持续地推进我国的数学基础教育改革。
参考文献：
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摘要：结合fMRI数据处理方法，介绍相关的数学基础，阐述如何完成认知实验及数据处理，实现理论与实践相结合的教学方法。
关键词 ：脑与认知科学；功能磁共振；数据分析方法；基础数学
基金项目：国家自然科学基金项目( 61472()58, 61173035)；新世纪优秀人才计划（NCET-11-0861）。
第一作者简介：刘洪波，男，教授，研究方向为认知计算及大数据，thb@dlmu．edu．cn。
1 背景
脑与认知科学课程是智能科学与技术专业的主干课，涉及心理学、神经科学、计算机科学与技术等，学习这门课程不仅能启发智能系统设计模式，更有利于脑机接口、生物医学等方面的应用。在这门课程的教学过程中，容易忽略其中的数学基础。特别的，随着fMRI、EEG等无损影像技术的发展，如何利用其中的影像数据提取其中的丰富信息已成为人们关注的焦点，而其中的数学基础起到重要的作用。
fMRI成像是20世纪90年代初出现的研究工具，其原理是基于血氧水平依赖(blood oxygenation level dependent，BOLD)信号。由于大脑在活动期间，血流变化很小，在1.5T的磁场强度下，灰质发生的血液动力学信号变化通常为2%～5%，而且还受呼吸、心跳等生理活动的影响。因此，fMRI数据集是受到系统噪声影响的时间序列数据集。由于是观测型数据，这就需要借助合理数学的方式来进行处理，所以在脑与认知科学的课程中需要强化这方面的基础。
2 数学基础
2.1 相关分析
相关分析法是一种简单的用于分析脑功能连接的方法。它是通过计算基于感兴趣区(ROI)间的Pearson相关系数得到以ROI为节点的边的强度。当相关系数达到某一阈值时，就认为这两个脑区之间存在功能连接。
2.2 广义线性模型
Friston提出的统计学参数映射方法(statistical parametric mapping，SPM)6-8]是一种有效提取脑激活区且具有鲁棒性的方法。该方法本质上是利用广义线性模型( general linear model，GLM)克服系统误差。GLM的模型假设如式(2)所示。
式中：Y表示待分析的fMRI信号；X表示设计好的参考矩阵；β表示待估计的参数；ε表示误差。
β的估计根据度量准则的不同而不同。特别的，当度量准则为欧式距离时，β的无偏估计量可由式(3)完成对β的估计后，就可以利用t检验对得到的线性模型进行逐像素的分析，并以此给出大脑激活图像。
2.3 独立成分分析
独立成分分析( independent component anal-ysis，ICA)是一种无监督的学习方法。该方法首先由McKeown[9-10]应用于fMRI数据集中。ICA假设为观测信号是由源信号经过未知的线性规则叠加而成。考虑一个M维观测向量X= (x1，X2，…，XM)T，则ICA的模型假设可由式(4)表示。
X=AS (4)
式中：S=(s1，s2…，，SN)T表示N维源向量；A表示未知的线性混合矩阵，通常来说M≥N，且A为满秩。
独立成分的目的就是估计一个解混矩阵WN×M，使得由式(5)得到的Y接近真实源信号S。易见式(5)等价于式(4)。
Y= WX (5)
因此ICA又可以被归为优化问题，目前主要求解方法分为不动点（fix-point）算法和自适应。
ICA的自适应算法也称作基于梯度的自适应算法，可以通过优化判据对待估参数进行逐步优化，最终得到稳定的输出结果。其中一种优化判据是基于Infomax准则的优化判据，它可以写为
式中：gi(yi)表示一个合适的非线性函数；ri＝gi（Yi）；H(x)是输入信号的熵，它与W的选择无关与Informax等梯度算法相比，固定点算法对待独立成分的处理方式则不同。固定点算法一般分为两步：第一步先把每个观测分量Xk白化为Zk；第二步则寻求Zk的最优投影方向。
固定点算法首先由式(4)和式(5)可知，y= WAS=VS。若假定S=（S1，S2，…，SN）T的各分量同分布且为非高斯的，则根据中心极限定理可知，yj比每个si更加接近高斯分布。当且仅当yi=Sk，k={1，2，…，N}时，Yi的非高斯性最大。而衡量非高斯性的理想度量即负熵，负熵的定义如式(7)所示，由Edgeworth级数展开，得到由高阶统计量近似表示的形式(8)。其中Z的每个分量由X零均值切方差归一，即经过白化后的矩阵Z=（Z1，Z2…，ZN）T。k4为高阶统计量，
3 教学实践
上述介绍几种比较常用的基于fMRI的数据分析方法，这些方法不仅可以用于构建大脑功能网络，也可以用于考察脑激活与外界刺激的联系。其中，相关分析作为一种朴素的统计方法，由于fMRI自身信噪比不佳，若直接应用于fMRI信号分析，效果相对一般。但是一些配合小波分析等其他特征提取方法，依然可以取得相对理想的效果。目前主要用于静息态数据的分析，应用工具包包括rest、dparsf等。广义线性模型的应用则比较广泛，并且SPM自身的功能也比较完善，可以作为多种分析策略的特征提取手段。独立成分分析则是一种较新的分析方法，与前两个模型一样也有相应的软件实现，如GIFT、MICA等。其实验结果的生理学含义有待于进一步验证。
3.1 基于E-prime的脑与认知科学实验设计
E-Prime软件是由美国PST( PsychologySoftware Tools，Inc．)公司开发的一套针对心理与行为科学研究的实验设计、生成和运行软件，以其易学易用、计时精度高等特点在国内外心理学界得到了广泛应用，已经成为全球通用的标准化认知心理实验生成系统。在学生学习了脑与认知科学相关理论并具备基础的数据库相关知识之后向学生传授如何利用E-Prime软件编制脑与认知科学实验程序，具有很强的实践性。本实验以上机编程操作为主，首先练习利用E-Prime软件在GUI界面下开发一个脑与认知科学实验程序，然后练习如何利用E-Basic语言编写脚本实验程序以实现GUI环境下难以实现的部分实验功能，最后采用E-Prime软件行为数据分析模块练习行为数据的统计与分析。经过本实验的训练后，学生熟练地掌握了脑与认知科学实验设计的方法，更深入地领会脑与认知科学研究方法的底层逻辑。
实验目的在于训练学生利用E-Prime软件开发脑与科学实验程序，以提高其从事脑科学与认知科学领域研究的能力。实验教学中鼓励学生自主设计实验程序，以达到提高实验程序开发技巧、培养动手能力及科研能力的目的。此外，还要注意不断深化和扩展教学内容，注意向学生介绍近年来出现的新的实验范式及如何利用E-Prime编程实现，以加强本实验课对于学生以后从事脑科学与认知科学研究的实用性。
3.2 基于SPM的脑功能成像数据分析实验
SPM是由英国神经科学领域、统计领域、图像处理领域的科学家Friston等人在通用数学软件包Matlab上开发的软件系统，具有非常强大的统计功能。SPM指的是统计参数图像，也就是这个软件的最终输出。它对所有成像数据的每一个体素点都分别计算，得出包含有每个体素点参数值的图像，这个参数图像是许多单次扫描图像所包含信息的精简和压缩。目前SPM通用的版本为SPM8，以前的版本主要有SPM94、SPM96、PM99、SPM2和SPM5，它们在进行脑功能图像初步分析方面基本是一致的。SPM对脑功能成像数据的处理包括预处理、建模和统计推论三个步骤。
实验分为两步，首先让学生参加fMRI实验，每人完成一个简短的脑与认知实验程序并采集个人的功能成像数据，然后上机基于SPM系统分析自己的脑成像数据，最终获取个人在进行认知任务时大脑的激活示意图。经过本实验的训练后，学生掌握了脑功能成像数据分析处理的思路和方法，在成功获得了自己进行认知任务时大脑的活动模式后极大激发了他们对于脑科学与认知科学研究的兴趣。在教学过程中注意介绍基于脑功能成像技术的脑与认知科学研究的最新成果，以及脑功能成像技术的最新进展，实验中详细介绍SPM处理数据每一步的目的和原理，加强学生对于脑功能成像技术和功能数据分析处理的理解，从而提高其从事脑功能成像领域研究的能力。
3.3 基于Matlab的脑功能连通模式构建实验
Matlab是由美国Mathworks公司的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境，它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，在医学图像分析处理领域得到了广泛应用。实际上SPM系统就是基于Matlab平台的程序包，本实验不依赖SPM系统，基于预处理完成后的脑功能成像数据和Matlab编程平台，采用相关分析方法分析大脑激活区活动的关联模式。
当前的脑功能成像研究已经不像以前那样着重于脑区功能定位，即单纯确定哪些脑区参与了研究任务，现在大都从整体和动态角度研究任务过程中参与的脑区以及脑区间的反应模式和时空关系，并建立脑内信息加工的相关网络与模型。基于相关分析的功能连接分析是近期兴起的一种脑功能成像分析技术，即分析脑区间的相互作用和协同竞争的关系，在获得感兴趣区和脑激活图的基础上，进行了功能连接分析。实验首先对成像数据进行预处理，目的是尽可能地消除个体差异，并把所有被试的数据统一到一个标准下测量，预处理过程和SPM处理是一致的；其次基于SPM处理结果，确定大脑感兴趣区中t值最强点以及它所在的簇，所谓的簇是指以t值最强点为中心的27个体素；第三，根据体素点坐标位置提取信号值，即提取t值最强点所在的簇27个体素信号的平均值；第四，采用相关分析方法，感兴趣区信号值之间两两求相关系数，即得感兴趣区之间的有效性连接程度。
本实验对于Matlab编程基础要求较高，因此实验分段进行，先练习基础变量的设置和计算，然后练习几个主要函数（如fopen、fseek、fread和corrcoef等）的分析处理功能，最后整合成完整的程序。数据分析完成后，鼓励学生发挥想象力，构画脑功能连通模式图。通过本实验，学生掌握了Matlab处理脑功能成像数据的基本原理和方法，进一步加强了其在脑功能成像领域进行研究的能力。
4 结语
脑与认知科学课程中的数学基础强化与实践，在智能科学与技术专业课程体系中具有重要作用，学生需要这些知识作为专业基础，掌握其基本知识、基本理论、基本方法及基本技能，还需要注重思维能力的培养。但是对于以计算机科学为基础的智能科学与技术专业本科生来说，脑与认知科学有专业跨度，比较难掌握。发挥理工科的数学与计算优势，结合实验及数据处理、获取第一手的具体实践的教学方式方法值得我们去研究和探索。我们在数学基础、课程教学与实践及专业特色的基础上，阐述强化理论基础、实验创新教学实践相结合的观点；根据大连海事大学智能科学与技术专业2012级和2013级的教学实际，探索新的教学方法，不断提高教师自身的素质和专业能力，注重学生理论学习和实践能力的培养，为国家和社会培养出更多基础扎实的创新性人才。
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数学的基本概念、定义、公式，数学知识点之间的联系和基本的数学解题思路与方法，是第一轮复习的重中之重。在复习课中放低起点，回归课本，对知识点进行梳理，引导学生把教材上的基础例题重做一遍，确保基本概念、公式、基本方法等牢固掌握，做到扎扎实实，不盲目攀高。
二、课堂教学过程中遵循四个原则：低，小，勤，细
“低”是指以课本例题为起点，以课本练习题为起点，以资料上的中档题为起点，在高三第一轮复习中，从选择、填空、较简单的解答题入手，让学生在中低档题中得到相对较多的分数。
“小”是指以基本知识点为单位复习，由高三备课组统一进行命制“小体系”练习题，坚持每周一练。第一阶段以章节为单位选题；第二阶段几个章节下来后，以滚雪球方式选题。
“勤”是指引导学生课后要多反思，要经常想想这节课到底学到了什么知识和方法，除了老师课上讲的题，还有哪些以前做过的题也可以归结到这种方法上来，是简洁了还是复杂了，等等。
“细”是指审题答题要细致，答题要规范。每次考试下来，都有学生感叹这个题做错了，那个题草稿纸上做对了，抄到答卷上却错了，等等。“一看就会，一做就错”是很多学生的通病，这是因为审题不细致，是思维还没有达到应有的层次造成的。所以在平时的教学中，应引导学生一定要看清题意后再下手。答题中的“细”主要是指解题的规范性，要防止学生自我练习时只看不做、不算、不求甚解、似是而非的不良习惯。
三、贯彻师生互动，提高课堂上课质量
数学教学是思维活动教学的发展，高三复习课容量大，节奏快，要提高复习效率，必须使学生的思维与老师的思维同步，再紧也不能紧学生参与课堂活动的时间。课堂教学中必须把学生卷入课堂中来，教师要做好每一章、每一节的统筹，认真设计好每一节课的组织和安排，做到高容量、高质量。衡量复习课的容量不是看教师在一节课中讲了多少例题，而是看这节课学生的有效活动量，有效思维量，有效训练量有多少。衡量复习课的任务完成与否，不仅要看课程是否讲完，更重要的是看在学生身上真正落实了多少。
四、提高学生课堂听课效率
首先要让学生做好课前预习。学生没有预习去听老师讲课，会感到老师讲的都重要，抓不住老师讲的重点，而预习了之后，一定要有自己的思考，再听老师讲课，就会在记忆上对老师讲的内容有所取舍，把重点放在自己还未掌握的内容上，从而提高复习效率。
其次是让学生在老师讲课之前，把手中复习资料的例题做一遍，做题中发现的难点，就是听课的重点。在听课中对预习中遇到没有掌握好的知识和方法进行补缺，把自己理解了的东西与老师的讲解进行比较、分析，提高自己思维水平；体会分析问题的思路和解决问题的思想方法，举一反三，从而达到提高思维和解决问题的能力。此外还要特别注意老师讲课中的提示，作好笔记。笔记不是全程记录，而是将上述听课中的要点、思维方法等作出简单扼要的记录，以便复习、消化、思考。例习题的解答过程要让学生在课后自己完成，并写出自己的解题感悟。
五、做好每一章知识的系统总结
做好每一天的复习小结。上完课的当天，必须做好当天的复习小结。复习小结的有效方法不是一遍遍地看书或笔记，而是采取回忆式的复习：先把书，笔记合起来回忆上课老师讲的内容、例题，分析问题的思路、方法等（也可边想边在草稿本上写一写）尽量想得完整些。然后打开笔记与书本，对照一下还有哪些没记清的，把它补起来，就使得当天上课内容巩固下来，同时也就检查了当天课堂听课的效果如何，也为改进听课方法及提高听课效果提出必要的改进措施。我们可以简记为“一分钟的回忆法”。
做好单元复习小结。学习一个单元后应进行阶段复习小结，复习小结方法也同每一天的复习小结一样，采取回忆式复习小结后与书、笔记相对照，使其内容完善。单元小结内容应包括以下部分：
