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教育國的核心是培養創新型人才。全國大學生數學建模競賽是高校中參加人數最多、影響最廣泛的學科競賽之一,此項賽事由教育部高教司和中國工業與應用數學學會聯合主辦,迄今已舉辦21屆,它對創新型人才的培養起到了不可估量的作用,未來也將日益顯現它這方面的作用。長春理工大學從1996年開始參賽,成績斐然,已累計獲得國家級獎40余項,年均3項,2013年我校共有51隊153人參加全國賽,是吉林省除吉林大學外參賽隊數最多的高校。其中9隊獲得國家一等獎,11隊獲得省一等獎,21隊獲省二等獎,8隊獲省三等獎,獲獎率位居吉林省參賽高校前列。這主要歸益于以下幾方面:
一、賽前的動員及組織情況
賽前周密的宣傳組織工作是本次大賽取得成功關鍵因素之一。我校一直把組織數模競賽作為一項重要的教學活動納入了全年工作日程,專門成立了數學建模競賽領導小組,協調、督促、組織數學建模競賽各項準備活動。通過海報、課堂、網站等多種形式宣傳開展數學建?;顒?,鼓勵各學院學生踴躍報名。
二、競賽具體過程管理和實施情況
由專人統籌負責競賽工作。從每年四、五月份開始采取校級、省級競賽層層選拔的制度,把最優秀、最渴望參賽、最有能力的隊員吸納進來組成國家賽參賽隊伍。對于國賽隊員將認真組織賽前培訓和輔導工作。
三、本年度競賽獲獎情況分析
今年我校共有51個隊參加了全國大學生數學建模競賽,獲得國家獎9項,省級獎40項,獲獎率幾近100%。
四、競賽過程中存在的問題及擬解決的措施
1.競賽過程中存在的主要問題還是數學軟件使用和寫作兩方面,在今后的培訓和其他級競賽中應加強這兩方面的訓練。另外宣傳力度也有待加強。
2.今年全國賽我校51隊中有35支代表隊選擇了A題,此題是交通占道問題對城市交通能力的影響問題,實質是利用數學方法建立模型,需要學生有較好的微積分、常微分方程、運籌學等課程基礎,正是由于我校平時對大一大二的數學基礎課的精心講解和嚴格要求才使得我校學生有信心也有能力作出此題并取得了如此好的成績,今后我們將繼續加強數學基礎科的教學工作,同時注意在教學中滲透數學建模的思想、方法,培養學生參加建模的興趣。并希望以數學建模工作為平臺,通過多種形式大力開展數學建模教學與研究活動,以賽促學、以賽促教,以競賽推動教學研究,以教學研究提高競賽質量。B題選擇隊數相對較少,原因主要是該題是關于碎紙文字的拼接復原模型,需要隊員熟悉算法,精于編程,大多數同學不敢碰此題原因就是編程能力過弱。
3.國家賽獲獎結果反映出理學院、計算機科學與技術學院、光電工程學院、電子信息工程學院的學生獲獎人數占到98%,創新實驗班參賽人數并不多,僅占總人數的33%,特別是計算機科學與技術學院的創新實驗班僅有8人參加,不及總人數的6%。
五、對學校的建議和意見
1.認真組織各級數學建模競賽,建議提前到3月中旬組織校數學建模競賽,改進選拔方式,通過評審、教師推薦、答辯精選國賽參賽隊員,加大對數學軟件、算法的培訓;5月下旬到7月中旬,利用周六對選拔出的學生進行實戰培訓,建議全體隊員模擬實戰,完成3-4道往年的競賽題目,并提交論文,指定專門教師負責指導。
2.進一步宣傳發動,動員更多的學生參加數學建模競賽,特別是加大對計算機學院的宣傳力度,爭取更多的計算機科學與技術學院,特別是動員計算機科學與技術學院創新實驗班的同學參賽。
3.繼續舉辦大學生數學建模培訓,切磋技藝,交流經驗,提高水平。組織教師精講獲國家獎的學生論文。同時每年選派2至3名指導教師參加建模交流會議及理論學習,也讓更多教師參與數學建模類教改科研項目,將數學建模作為一件可持續發展的項目開展。
4.抓好數學建?;亟ㄔO,定期做講座和研討,打造一支高素質建模指導教師隊伍。
眾所周知,21世紀是知識經濟的時代。所謂知識經濟,是以現代科學技術為核心,建立在知識和信息的生產、存儲、使用和消費之上的經濟;是以智力資源為第一生產力要素的經濟;是以高科技產業為支柱產業的經濟。知識創新和技術創新是知識經濟的基本要求和內在動力,培養高素質、復合型的創新人才是時展的需要。創新型人才是指具有較強的創新精神、創新意識和創新能力,并能夠將創造能力轉化為創造性成果的高素質人才。而數學建?;顒觿t旨在培養學生的創新意識和創新能力、應用意識和應用能力。[1]為此,國外在20世紀80年代就開始舉辦數學建模競賽,我國也于1994年開始由中國工業與應用數學學會和教育部高教司聯合舉辦一年一次的全國大學生數學建模競賽,極大地推動了高校數學教學的改革。隨著全國大學生建模競賽進入二十個年頭,參賽學校越來越多。到2011年,有來自全國33個省/市/自治區(包括香港和澳門特區)及新加坡、美國、伊朗的1251所院校、19490個隊(其中本科組16008隊、??平M3482隊)、58000多名大學生報名參加本項競賽。在組織和培訓學生參賽過程中,積累了一些經驗,但還存在許多問題,特別是數學建模教學的目標與短期利益要求不一致的問題,需要相關人員繼續努力,推動數學建模教學,提高學生應用數學解決實際問題的能力和素質。
一、高職院校數學建模教學現狀
2003年,湖北省數學建模競賽組委會在襄樊職業技術學院召開全國大學生數學建模研討會,各高職院校派教師參加了會議。會后,經過學院領導的批準,湖北職業技術學院(以下簡稱“我院”)選派了兩個代表隊參加全國數學建模競賽,以后每年都自己組織選拔學生參加這項競賽。開始的幾年,數學建模教學實際上只停留在賽前培訓上。由于硬件原因,培訓過程仍然是上理論課多,學生實際動手的少,加之每年參賽隊數的限制,使得數學建模教學變成只是為競賽培訓而進行,學生受益面很有限,在學生中的影響也很小。參加競賽開始的幾年,由于領導重視,指導教師的努力,同時我院在2005年投資建立了應用數學實驗室,為數學建模提供了一定的硬件基礎,使得數學建模教學能夠實現培養學生動手能力的目標。再加上學生的勤奮,因此,在2005年前取得了四個全國二等獎和三個湖北省一等獎、一個湖北省二等獎的好成績;但是隨著我院工作重心的轉移,數學課程教學時數的大幅壓縮,招收學生的數學素質的逐步下降,加之數學建模競賽實際上賽的是學生的應用數學的能力和素質,僅靠短期的培訓往往收效不大,所以近幾年競賽成績都不太理想,和同類院校相差較大,也直接影響到數學建模教學的發展。
為了改變這種不利的局面,根據專業計劃的調整進行數學教學改革,進一步推動數學建模教學,在相關專業開設數學建模與數學實驗選修課程,實現真正意義上的數學建模教學。為了進一步擴大影響和學生的受益面,鼓勵學生成立數學建模協會,我院每年舉辦一次應用數學知識校內競賽,使得數學建模教學大大地前進了一步。
二、高職院校數學建模教學中存在的問題
隨著高職院校參加各種專業技能競賽的增加,數學建模競賽在高職學生中的影響漸漸下降,學生參加數學建模競賽的積極性也逐漸下降。同時,數學建模教學存在的問題仍然很多。首先是競賽成績與數學建模教學目標之間存在的矛盾。如前所述,數學建模競賽賽的是學生應用數學的綜合素質,而且舉辦數學建模競賽的初衷是推動數學教學改革,只有把數學建模的思想方法融入到高職數學課程的整個教學中,才能實現數學建模教學的目標。隨著參加數學建模學生的增加,各高職院校在數學建模實踐設備的投資嚴重不足,設備老化沒有更新,不能滿足競賽隊員的培訓,在很大程度上制約了數學建模教學的發展。
其次,對數學建模缺乏應有的宣傳,直接影響了學生參與熱情,因而降低了應有的受益面。相對其它活動,數學建模的相關信息在各高職院校的新聞報道中很少聽到、見到,也沒有場地用來開展數學建模協會的活動,即使是教師進行數學建模的講座場地,也要經過多方審批。多年來,高職院校經常將獲獎學生的獎勵包括獎金直接發給學生,沒有舉行頒獎儀式,重視程度也大大不及學生的專業競賽和文體活動,這說明這方面的工作確實有較大的問題。
第三,學校的政策層面也對教師進行數學建模教學鼓勵不夠,甚至有些政策直接減少了教師在數學建模教學上的投入。追求科研項目、科研論文,使得教師沒有足夠的精力投入到數學建模教學中,有的純粹是應付差事、對付數學建模競賽,根本達不到通過數學建模教學提高學生應用素質的效果。急功近利的短視行為,很大程度上影響著數學建模競賽和數學建模教育的健康發展。把目標僅僅放在獲獎上,而忽略了數學建模教學和學習的規律,不在開發思路與培養能力上下工夫,只在注重歷年建模題型、所用工具的訓練上做文章,到真正遇到實際問題或者沒見過的類型時,就會一籌莫展。制約數學建模教學的根本問題還在于高等數學基礎課程開設不夠,甚至很多專業根本就沒有開設,即使開設高等數學的專業也只開設了一個學期的微積分,只靠一個學期的高等數學課和一個多月數學建模培訓,想要提高學生的應用數學素質實非易事。
三、推動數學建模教學,培養學生應用數學素質的措施
為了數學建模教學健康發展,提高學生應用數學素質,一方面需要好的政策和領導的重視,更重要的是數學教師自己的努力。因此,可以采取以下措施來推動數學建模教學,培養高職學生的應用數學素質。
首先,根據制約數學建模教學的根本問題,鼓勵和要求從事數學建模教學的教師利用高等數學課程的教學,改造學生的數學知識結構,培養學生的數學思維。由于高職學生普遍缺少足夠的數學建模能力和相應的數學建模教育,導致他們難以體驗到數學應用性的特點,因而數學學習興趣不高。數學在實際生活中的運用,往往需要經過數學建模的過程。數學建模能力不足,學生難以體驗數學的運用,從而感覺不到數學的應用性,導致學生數學學習興趣不高。因此在高等數學的教學內容中增加與生活實際和專業相關的實際問題,鼓勵和要求從事數學課程教學的教師把數學建模的思想方法融入到整個教學活動中,使學生能更好地進行數學建模的學習和實踐,進而提高分析問題、建立數學建模、求解模型、解決實際問題的能力。[2]
其次,可以在高等數學的教學中,開展數學建模周活動,拿出一到二周時間進行數學建模的教學,主要講述數學建模的一般原理和建模方法,布置與生活實際和專業相關的問題,讓學生用數學建模的方法去解決,并寫出論文報告,作為學生的高等數學學業成績的一部分。
第三,繼續開設數學實驗課程,讓學生體會到數學也可以這樣學,數學也可以解決身邊的實際問題,體會到數學的應用價值,同時結合計算機的操作以提高學生學習數學的積極性。
第四,加強數學建模的宣傳力度,利用新聞廣播、報紙、宣傳櫥窗、電子網絡學習平臺進行數學建模的相關報道,向數學建模教學開展好的學校學習,通過數學建模協會舉辦數學建?;顒?,并在舉辦形式上有所改進,不斷提高活動的檔次,把每年一屆的應用數學知識競賽提高到學校層面上,爭取有領導掛帥,使活動的影響力顯著增加。
第五,繼續加強數學建模教學環節,給學生灌輸正確的學習觀念與目標,把參加數學建模競賽獲獎作為參加數學建模學習的副產品,而通過學習和參與的過程,把培養應用數學的素質和解決問題的能力作為真正的目標,真正實現全國大學生數學建模競賽的宗旨:培養學生“創新意識、團隊精神、重在參與、公平競爭”。
全國大學生數學建模競賽以輝煌的成績即將迎來她的第17個年頭,她已是當今培養大學生解決實際問題能力和創造精神的一種重要方法和途徑,參加大學生數學建模競賽已成為大學校園里的一個時尚。正因如此,為了進一步擴大競賽活動的受益面,提高數學建模的水平,促進數學建?;顒咏】涤行虬l展,筆者在認真研究大學生數學建模競賽內容與形式的基礎上,結合自己指導建模競賽的經驗及前參賽獲獎選手的心得體會,對建模競賽培訓過程中的培訓內容、方式方法等問題作了探索。
一、數學建模競賽培訓工作
(一)培訓內容
1.建?;A知識、常用工具軟件的使用。在培訓過程中我們首先要使學生充分了解數學建模競賽的意義及競賽規則,學生只有在充分了解數學建模競賽的意義及規則的前提下才能明確參加數學建模競賽的目的;其次引導學生通過各種方法掌握建模必備的數學基礎知識(如初等數學、高等數學等),向學生主要傳授數學建模中常用的但學生尚未學過的方法,如圖論方法、優化中若干方法、概率統計以及運籌學等方法。另外,在講解計算機基本知識的基礎上,針對建模特點,結合典型的建模題型,重點講授一些實用數學軟件(如Mathematica、Matlab、Lindo、Lingo、SPSS)的使用及一般性開發,尤其注意加強講授同一數學模型可以用多個軟件求解的問題。
2.建模的過程、方法。數學建模是一項非常具有創造性和挑戰性的活動,不可能用一些條條框框規定出各種模型如何具體建立。但一般來說,建模主要涉及兩個方面:第一,將實際問題轉化為理論模型;第二,對理論模型進行計算和分析。簡而言之,就是建立數學模型來解決各種實際問題的過程。這個過程可以用如下圖1來表示。
為了使學生更快更好地了解建模過程、方法,我們可以借助圖1所示對學生熟悉又感興趣的一些模型(例如選取高等教育出版社2006年出版的《數學建模案例集》中的案例6:外語單詞妙記法)進行剖析,讓學生從中體驗建模的過程、思想和方法。
3.常用算法的設計。建模與計算是數學模型的兩大核心,當模型建立后,計算就成為解決問題的關鍵要素,而算法好壞將直接影響運算速度的快慢及答案的優劣。根據競賽題型特點及前參賽獲獎選手的心得體會,建議大家多用數學軟件(Mathematica,Matlab,Maple,Lindo,Lingo,SPSS等)設計算法,這里列舉常用的幾種數學建模算法。
(1)蒙特卡羅算法(該算法又稱隨機性模擬算法,是通過計算機仿真來解決問題的算法,同時可以通過模擬可以來檢驗自己模型的正確性,是比賽時必用的方法,通常使用Mathematica、Matlab軟件實現)。(2)數據擬合、參數估計、插值等數據處理算法(比賽中通常會遇到大量的數據需要處理,而處理數據的關鍵就在于這些算法,通常使用Matlab作為工具)。(3)線性規劃、整數規劃、多元規劃、二次規劃等規劃類問題(建模競賽大多數問題屬于最優化問題,很多時候這些問題可以用數學規劃算法來描述,通常使用Lindo、Lingo軟件實現)。(4)圖論算法(這類算法可以分為很多種,包括最短路、網絡流、二分圖等算法,涉及到圖論的問題可以用這些方法解決,需要認真準備,通常使用Mathematica、Maple作為工具)。(5)動態規劃、回溯搜索、分治算法、分支定界等計算機算法(這些算法是算法設計中比較常用的方法,很多場合可以用到競賽中,通常使用Lingo軟件實現)。(6)圖象處理算法(賽題中有一類問題與圖形有關,即使與圖形無關,論文中也應該不乏圖片的,這些圖形如何展示以及如何處理就是需要解決的問題,通常使用Matlab進行處理)。
4.論文結構,寫作特點和要求。答卷(論文)是競賽活動成績結晶的書面形式,是評定競賽活動的成績好壞、高低,獲獎級別的惟一依據。因此,寫好數學建模論文在競賽活動中顯得尤其重要,這也是參賽學生必須掌握的。為了使學生較好地掌握競賽論文的撰寫要領,我們的做法是:(1)要求同學們認真學習和掌握全國大學生數學建模競賽組委會最新制定的論文格式要求且多閱讀科技文獻。(2)通過對歷屆建模競賽的優秀論文(如以中國人民信息工程學院李開鋒、趙玉磊、黃玉慧2004年獲全國一等獎論文:奧運場館周邊的MS網絡設計方案為范例)進行剖析,總結出建模論文的一般結構及寫作要點,讓學生去學習體會和摸索。(3)提供幾個具有一定代表性的實際建模問題讓學生進行論文撰寫練習。
(二)培訓方式、方法
1.盡可能讓不同專業、能力、素質方面不同的三名學生組成小組,以利學科交叉、優勢互補、充分磨合,達成默契,形成集體合力。
2.建模的基本概念和方法以及建模過程中常用的數學方法教師以案例教學為主;合適的數學軟件的基本用法以及歷屆賽題的研討以學生討論、實踐為主、教師指導為輔。
3.有目的有計劃地安排學生走出課堂到現實生活中實地考察,豐富實際問題的背景知識,引導學生學會收集數據和處理數據的方法,培養學生建立數學模型解決實際問題的能力。
4.在培訓班上,我們讓學生以3人一組的形式針對建模案例就如何進行分析處理、如何提出合理假設、如何建模型及如何求解等進行研究與討論,并安排讀書報告。使同學們在經過“學模型”到“應用模型”再到“創造模型”的遞進階梯式訓練后建模能力得到不斷提高。
關鍵詞 數學建模 獨立學院 課程改革 實踐能力
中圖分類號:G424 文獻標識碼:A DOI:10.16400/ki.kjdks.2015.02.044
Independent College Mathematical Modeling Education Curriculum Reform
――Take College of Arts and Sciences, Yunnan Normal University as an example
LIU Ruijuan[1], YANG Bin[2]
( [1]College of Arts and Sciences, Yunnan Normal University, Kunming, Yunnan 650222;
[2]Yunnan Institute of Electronics Industry, Kunming, Yunnan 650031)
Abstract This article from the reality of Yunnan Normal University of Arts, discusses the characteristics of Mathematical Modeling Course and the creation of the significance of this course, and then analyzes the independent Institute of Mathematical Modeling Courses problems proposed curriculum reform and solve mathematical modeling ideas. By selecting the appropriate course materials and auxiliary teaching materials, teaching and the establishment of mathematical modeling contest guide the team to achieve classroom case discussions and presentations combine teaching mode, associated with the creation of mathematical modeling curriculum support programs, such as probability theory, mathematical analysis , operations research, graph theory and other courses, assessment methods diversified, respectively, classroom attendance, classroom discussion to answer the performance aspects of modeling large peacetime operations and final quality modeling work, modeling reply comprehensive assessment, in addition to organize students to participate actively in the network challenge and the National mathematical Contest in Modeling and other students, with remarkable results.
Key words mathematical modeling; independent college; curriculum reform; practical ability
數學建模課程是20世紀80年代初在我國理工科大學開設的一門重要的數學課程。由于數學建模過程幾乎模擬了科學研究的全過程,因而對于培養大學生的科研能力與創新意識和應用數學能力具有特殊的作用。而數學建模的多媒體教學,作為一種現代化的教學手段,具有形象直觀、信息量大、交互性強等優點,對于發揮學生的主體作用、促進學生主動學習和培養學生創新能力也非常有益。這些能力也正是我們大學數學素質教育所要努力追求的。
目前國內關于數學建模課程改革的研究論文雖然比較多,也有一定的成果,當時均處于探索階段,并且從目前數學建模課程教學改革的相關文獻可以看到,大部分這方面的研究都集中體現普通高校和研究型高?;蛘邤祵W建模課程的改革方案和與能力培養方面的關系,然而,盡管不少普通大學和研究型大學都在大膽嘗試建模課程體系改革,但針對獨立學院實際的數學建模教學改革基本空白,對數學建模課程的具體化改革對象和成果展現等方面的研究更是少見。
云南師范大學文理學院建模課程開展時間較短,從內容到體系均有待完善,所以本文就云南師范大學文理學院的實際探討數學建模課程的改革及其成效,從而達到促進建模的教學工作,提高教學質量,同時提高自身的素質水平。
1 在獨立學院開設數學建模課程的意義
云南師范大學文理學院自辦學以來,針對學生的缺點和不足,以新的視角,欣賞學生的特點,梳理學生的優勢,客觀評價學生,掌握學生的優勢、優項,樹立教學信心,以積極的態度開展教學工作。培養學生處理相關信息和大量數據的能力,在數學建模過程中,我們引導學生針對所研究問題進行收集、加工,處理和應用信息的能力。學會提煉有用信息,并恰當地運用信息,并學習使用計算機和相應的數學軟件。
在建模過程中我們要求學生充分發揮想象力和動手能力,采用類比的方法把表面上完全不同的實際問題,用相似的數學模型去描述解決他們,逐步達到觸類旁通的效果。
另外,因為數學建模課程主要涉及的都是現實生活中的實際問題,通過數學建模課程的學習和數學建模競賽的參與,可以極好地鍛煉學生的論文寫作能力和創新能力,同時提升學生的參與意識,為以后的學習和工作打下良好的基礎。所以在獨立學院開設數學建模課程具有重要的意義。
2 云南師范大學文理學院數學建模課程的特點和存在的問題
2.1 云南師范大學文理學院數學建模課程的特點
(1)先修課程和應用課程較多。數學建模課程需要眾多的先修基礎數學課程和數學軟件課程,如數學分析、運籌學、微分方程、概率論與數理統計、圖論、計算方法、計算數學、解析幾何,MATLAB,Mathematics,lingo等,我院信息工程學院在開設數學建模課程的前期或者同時開設上述相關課程,因為需要具備扎實的專業功底,才可能較好地學習數學建模課程。
(2)教學方式靈活多變。各大高校數學建模課程是基本是案例式教學,每個章節以例子來說明,如商人過河問題,交通流問題,減肥問題,旅游地的選擇問題等等,均是和實際聯系較為緊密的身邊的問題,激發學生的學習興趣。但是也有一些常見的建模方法可以類比推廣,如層次分析法,灰色關聯度分析法,時間序列法,排隊論等,我們都是有針對性地選取教學內容以適應學生現有的知識結構和接受能力。教學方法上我們采用講授法、探討法、歷年真題論文案例法(包括學生平時作業點評)等。
(3)教學設備手段先進。建模課程需要處理大量的數據,我院配備了先進的投影多媒體教室,并且開設了與建模相關的Matlab,Mathematica等數學軟件。
(4)實用性強。數學建模課程的案例基本都來自實際問題,如人口、天氣、干旱等的預測模型,優化模型,決策模型,控制模型等。這些模型的引入,讓學生更加深刻地領會數學建模課程的實用性。
(5)課程較難學。數學建模課程涉及的領域廣,知識面大。通的(交通流問題),醫療領域(看病排隊問題)等,采用的各領域的知識較多,很多時候都是現學現用,需要很高的領會能力和接受能力,這對學生和教師要求都比較高。
2.2 云南師范大學文理學院數學建模課程存在的問題
本文作者從2011年開始講授數學專業的數學建模課程,數學建模作為數學專業的專業基礎課程,在教學過程中發現數學建模課程存在的問題。
(1)教材涉及面太廣,如姜啟源的《數學模型》教材是我國自開設建模課程以來比較權威的一本建模教材,很多高校都在使用,但是從初等模型、簡單的優化模型、線性規劃模型、微分方程模型到馬氏鏈模型等共13章,而課程安排只有周4課時,教學時間上較為緊張;另外整本教材基本都是案例,內容多且涉及的數學建模方法很少,學生看著一本厚厚的教材,心里難免畏懼,而實際上并不能完全講授;對于三本獨立院校的學生來說,專業基礎不是很扎實,教材一些內容較深,學習起來較為吃力。
(2)課堂教學基本以教師為中心,教師采用純講授的教學方法,學生很少參與,因而缺乏學習數學建模的興趣與積極性,學生也怕學。
基于上述問題的存在,影響學生學習數學建模課程的積極性,并且我們要參與各類建模賽事,如果不及時進行教學改革,勢必影響教學和學習效果,在建模競賽中也難取得較好的成績,雖然關于建模課程改革的課題和論文較多,但是緊扣我院實際的還基本空白,不利于應用型人才的培養,所以有必要對現有的數學建模課教學模式進行改革。
3 對云南師范大學文理學院數學建模課程改革嘗試的思路
本文作者從2011年開始教授數學建模課程開始,就在實踐中開始摸索適合云南師范大學文理學院的數學建模課程改革思路,經過幾年的實際教學和競賽指導,主要收獲如下:
(1)主體教材輔助方法、軟件教材進行教學。目前作者使用的姜啟源編寫的《數學模型》對于獨立學院的學生來說這本教材內容太難、太多了。作者近年來除講解教材的基本模型外,嘗試對教材進行補充、重組和開發,具體方式有根據歷年的全國建模競賽的題目類型,有傾向性地進行教學安排,并插入歷年建模真題和常用方法進行課堂講授,同時插入一些實際問題讓學生進行建模論文的寫作,根據我院學生的數學基礎和競賽的實際(對歷年的真題出現的題型和用到的方法出現的頻率)對章節進行取舍。
(2)數學建模課程教學方法改革。由于數學建模課程要進行實戰演練,在學期配備相應的建模大作業習題,如手機購買問題,地方人口問題,水資源短缺問題,氣候干旱問題,網吧數量萎縮等實際問題,要求學生在指定的時間內進行數據收集,整理,分析處理并以論文形式展現研究成果,同時安排論文模擬答辯,鍛煉學生的解決實際問題的能力。同時學院也積極聘請省級建模專家進行專題講座,提高大家學習的積極性。
(3)數學建模課程教學競賽團隊。我院近年來連續積極組織學生參加各類官方、民間數學建模競賽賽事。我院專門組建立了一支建模指導教師團隊,除了學期必修外,在全國建模競賽前的假期還專門組織學生進行賽前培訓,教師負責制分專題講授離散模型、連續模型、優化模型、微分模型、概率模型、統計回歸模型和軟件講授、論文寫作等,突出體現教師的專長,提高了課堂教學效率,增強了學生學習的積極性。
(4)開設與數學建模課程相關的軟件課程。為了讓學生更好地參與到數學建模中來,我們從大學一年級就有針對可開設數學軟件和建模講座。開設Mathematic,MATLAB,Lingo等軟件選修課,進行數學的應用與建模能力的培養,提高學生數學建模能力,在運籌學等課程中,有意識地讓學生進行作業的排版練習,如WORD,EXCEL等常用排版計算軟件。
(5)通過積累建立數學建模課程學習資源。如本校學生歷年的較優秀的參賽論文,平時作業
教師教案、課件等,數學建模優秀論文等學習環境和信息交互空間。另外,給學生身邊實際的問題,如云南水資源短缺問題,干旱氣候預測問題,地區人口預測問題,網吧問題等進行建模練習,讓學生把數學建模課程與實際應用結合起來。
(6)課程考核形式多樣化。本文作者通過課堂考勤,課堂回答問題,課堂討論,平時作業,期末大作業,作業課堂答辯等多種方式結合的方法進行課程考核。根據問題的大小,由學生獨立或組隊完成實際問題,若完成得好在原有成績的基礎上獲得“平時成績加分” ,給出最后考核的分數,提高學生學習數學建模課程的積極性,從而提高學生的建模能力。
(7)積極組織學生參加全國大學生數學建模競賽和各類網絡建模賽事。截至目前為止,我們已經連續五年組織學生參加全國大學生數學建模競賽,連續兩年組織學生參加“認證杯”數學中國數學建模競賽,成績優良。并且由信息工程學院定期舉辦建模和軟件講座參與各類數學建模比賽,熟悉比賽流程,了解論文撰寫過程,為每年九月的全國數學建模做準備。
4 建模課程改革初步成效體現
我校作為獨立學院從2010年開始嘗試開設數學建模課程,推動大學數學素質教育方面,進行了一些探索和實踐,并同年開始組織學生參加全國數學建模競賽和網絡建模競賽,成效顯著。
首先,從競賽獲獎來看,2010年全國大學生數學建模競賽中,4個參賽隊分別榮獲1個省級一等獎,占總獎項的25%;2個省級二等獎,占總獎項的50%;1個省級三等獎,占總獎項的25%,獲獎率100%;
2011年全國大學生數學建模競賽中,4個參賽隊分別榮獲1個省級一等獎,占總獎項的25%;2個省級二等獎,占總獎項的50%;1個省級三等獎,占總獎項的25%,獲獎率100%;
由于從2012年開始,數學建模競賽組委會對建模獎項做了限制調整,獲獎比例僅為原來的50%,所以2012年全國數學建模競賽指導的參賽隊教練組15個參賽隊其中榮獲2個省級一等獎,1個省級二等獎,9個省級三等獎,獲獎率為80%,其中省級一等獎占總獎項的16.7%,省級二等獎占總獎項的8.33%,省級三等獎占總獎項的75%。
2013年“認證杯”數學中國數學建模網絡挑戰賽2個隊參賽,第一階段兩個參賽隊均獲云南最好成績全國二等獎,第二階段一個隊榮獲云南省唯一個全國一等獎,取得全球建模能力高級認證;另一個參賽隊榮獲全國三等獎,取得全球建模能力基礎認證,獲獎率100%。
2013年全國數學建模競賽,26個參賽隊參賽,其中榮獲1個國家二等獎,2個省級一等獎,3個省級二等獎,4個省級三等獎的優異成績,獎項水平首次沖入國家獎項,建模水平大幅度提高,其中全國二等獎占總獎項的10%,省級一等獎占總獎項的20%,省級二等獎占總獎項的30%,省級三等獎占總獎項的40%。
2014年全國數學建模競賽,22個參賽隊參賽,其中榮獲2個國家二等獎,2個省級一等獎,4個省級二等獎,4個省級三等獎的優異成績,獎項水平較上年建模水平大幅度提高,其中全國二等獎占總獎項的16.7%,省級一等獎占總獎項的16.7%,省級二等獎占總獎項的33.3%,省級三等獎占總獎項的33.3%。
可以看到從開設數學建模課程以來,我校的數學建模水平到目前穩步提升,很好地鍛煉了學生的創新能力和動手能力,同時增強了學生學習的自信心和積極性,成效顯著。其次,從綜合能力來看,通過建模課程的改革,學生的應變能力和思維能力都獲得了很大的提升。
參考文獻
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為了適應科學技術發展的需要和培養高質量、高層次應用型人才,數學建模在各個大學的教育中如火如荼的開展,越來越多的大學已經將數學建模教學和競賽作為高等院校教學改革和培養高層次的應用型人才的重要方面,2015年我校組織了四個隊參加了全國大學生數學建模競賽,在學校領導的關心支持下,在數學建模指導小組老師們積極投入、無私奉獻的指導下,在參賽選手吃苦耐勞、廢寢忘食地努力競賽下,順利完成了今年的全國大學生數學建模競賽,并取得了一定成績。
一、競賽組織
1.數學建模的宣傳和普及
雖然我校從2007年就參加了數學建模競賽,但是發展到現在八年多時間,并沒有成為我校的一個成熟的賽事。究其原因,首先是有相當多的教師對數學建模缺乏足夠的了解和認識,主要有以下誤區:數學建模只是數學老師的事情;數學建模就是解數學題;數學建模容易獲獎等等。對于數學建模這種需要全校通力合作的重要賽事,這些誤區不利于數學建模在我校的順利開展。所以,我們充分重視與學校、學院各級領導、專業課老師以及學工輔導員的溝通交流,定時聘請各個高校的建模專家做專題講座,并召開一些關于數學建模的座談會,讓他們對數學建模的認識有所加深,從而給予我們這些競賽實際組織者以大力的支持,這樣為開展數學建模競賽以及相關活動營造了良好的氛圍。
其次我校學生參加數學建模競賽活動的積極性不是很高。主要是我校學生的數學基礎相對不是很好,積極主動學習鉆研的能力有待加強,再加上與其他競賽相比,數學建模具有難度大、涉及面廣、形式靈活,對學生的要求是很高的。為了吸引更多的學生加入數學建模的活動,我們想了各種辦法把學生積極鉆研學習數學建模的興趣提起來:第一、我們要求各個數學老師在高等數學、線性代數、概率論與數理統計等基礎數學教學過程中,適當的融入一些數學建模的思想,教給學生通過對實際問題進行抽象簡化假設,應用一些規律建立起變量參數間的數學表達式即數學模型的方法,在日常數學課程教學過程中建立起基礎數學知識和數學建模知識的融合,讓學生產生對數學建模的興趣。之后由各數學老師在任課班級挑選一些數學成績好,思維縝密,更重要的是具有努力認真、吃苦耐勞、會自主鉆研學習的學生,推薦他們加入數學建模協會,作為將來參加數學建模競賽的儲備人才。第二、人才選出來了還是需要系統的學習才能成真正的人才,為了讓學生較為系統的掌握一些數學建模的知識,經過與各個部門溝通協調,終于在2014年成功申請開設了數學建模公選課,數學建模協會的同學和全校對數學建模有興趣的同學都可以選修這門課,這門課向學生比較系統的介紹了基本模型和求解方法,起到了普及數學建模知識,宣傳數學建模的作用。但是也有很多亟待解決的問題,比如課時太少只有16課時,每個專題只能涉及皮毛;沒有上機實驗的課時,學生學到的理論沒有及時的上機熟悉演練等等。對于這些問題還需要我們繼續深入研究找到解決的辦法。第三、數學建模協會在數學建模競賽中的作用要積極發掘出來。以前我校的數學建模協會就像學校的一些娛樂社團一樣,偶爾組織大家上機,吃飯,春游,這完全與數學建模的主要任務和目的不符,所以我們對數學建模協會進行了大刀闊斧的整頓,首先社團定位于學術社團,選拔真正對數學建模有熱忱、積極鉆研學習數學建模知識的學生作為協會會長,以數學建模協會為依托開設數學建模第二課堂,申請專門的機房供協會使用,每周一次在機房給協會學生做專題講座和練習。
前期做好競賽的宣傳和普及,才能為競賽的培訓和最終的競賽打好堅實的基礎。
2.數學建模指導教師團隊的組成
建模指導教師團隊的建模水平是非常重要的,是保證培訓效果和競賽成功的關鍵因素。所以現在我校選用指導教師遵循以下四個標準:非常了解數學建模、有指導競賽獲獎經驗、愿意花精力鉆研學習、樂于團隊協作且有奉獻精神。
第一個標準毋庸置疑,如果指導老師對數學建模只是略懂皮毛,怎么能去教學生數學建模呢?所以指導教師團隊的老師,都是有多年參賽和培訓經驗的老師;第二個標準是有競賽獲獎經驗,這證明了老師指導學生的實力;第三個標準非常重要,因為建模知識博大精深,數學建模的教學本身是一個不斷探索、不斷創新、不斷完善和提高的過程,教師也需要不斷地學習和研究提高自身水平,然后深入淺出的把建模知識傳授給學生。第四個標準太重要了,數學建模的一個重要宗旨就是團隊協作,而且在我校經費有限的情況下,無私奉獻的精神必須具備。同時,我們還注重與其他有著豐富競賽經驗的院校進行交流,派我校指導老師去各個學校學習取經。
二、競賽培訓
我校大部分學生的基礎和能力較之重點大學學生來說相對較弱,所以僅僅通過幾個月短期培訓是達不到效果的,所以我校選手的培訓是一個長期的過程,為了最大限度地發揮教學和培訓的作用,培訓分為五個階段:
第一階段:發揮公選課和數學建模協會講座作用,因為我校公選課才剛剛起步,課時很少,所以我們精選了一些使用較多的模型、通過講解相對簡單的實例,讓學生掌握該類模型的基本方法,比如優化模型、微分方程模型等。同時,建模協會是一個很好的平臺,我們為建模協會申請了一個專門的機房,定期由老師和協會有參賽經驗的高年級學生做一些專題講座,比如數學軟件(MATLAB、LINGO、EXCEL)的使用方法,讓學生了解建模、喜歡建模、培養學生建模的興趣。尤其是有參賽經驗的高年級同學,通過他們向低年級學生分享經驗心得,交流建模技能方法,起到了很好的承上啟下的作用。
第二階段:通過講解歷年優秀論文、讓學生掌握如何讀懂題目繼而建立模型,在這個過程中對數學模型的主要類型和數學建模的主要方法有進一步深入認識,而且通過實例讓學生知道如何結合題目選用合適的數學軟件,加強了軟件使用的訓練。
第三階段:通過前期培訓,選拔出對數學建模有濃厚興趣、有創造力、勤于思考、數學功底較好、吃苦耐勞的建模優秀學生去一些有著先進競賽經驗的兄弟院校,旁聽這些學校的培訓課程。
第四階段:組織校級數學建模比賽,參照全國比賽的賽制,讓培訓學生身臨其境的提前感受國賽的氛圍,并做好最終參賽選手的選拔工作。
第五階段;沖刺培訓。讓學生鞏固整個培訓流程學到的知識,具備一定的參賽能力,比如運用數學建模的方法和步驟分析實際問題的能力、應用計算機軟件求解數學模型的能力、撰寫數學建模論文和能力,順利參賽。
三、競賽過程
經過培訓和選拔,最終多位同學脫穎而出組成了參賽隊,比賽開始就立刻上網下載賽題,研究題目選定賽題。各隊確定好題目就開始分工合作,查資料、研究、討論題目。因為賽題還是很有難度和挑戰性的,各組的進度也不同。第一天大多數隊員都按時休息為后面的比賽養精蓄銳,第二天參賽隊員們只睡了幾個小時就開始奮戰,第三天所有隊員都沒有睡覺直到比賽結束,順利提交論文。參賽隊員們都盡了自己最大的努力完成比賽。
在學生競賽的三天三夜里,指導教師也毫不松懈做好競賽指導工作,一是做好參賽學生心理方面的指導,因為連續進行72小時的比賽,孩子們的身心都受到嚴酷的考驗,指導老師會及時的鼓勵和關心他們;二是做好隊伍協調,不斷強調團結協作的重要性;三是做好后勤保障,讓孩子們在比賽過程中有良好的營養補給;四是提醒學生注意論文的格式,按要求撰寫論文,尤其注意論文的摘要、關鍵詞,并注意論文是否完整等。五是督促學生按照要求正確及時提交論文。
四、競賽體會
教育強國的核心是培養創新型人才。全國大學生數學建模競賽是高校中參加人數最多、影響最廣泛的學科競賽之一,此項賽事由教育部高教司和中國工業與應用數學學會聯合主辦,迄今已舉辦21屆,它對創新型人才的培養起到了不可估量的作用,未來也將日益顯現它這方面的作用。長春理工大學從1996年開始參賽,成績斐然,已累計獲得國家級獎40余項,年均3項,2013年我校共有51隊153人參加全國賽,是吉林省除吉林大學外參賽隊數最多的高校。其中9隊獲得國家一等獎,11隊獲得省一等獎,21隊獲省二等獎,8隊獲省三等獎,獲獎率位居吉林省參賽高校前列。這主要歸益于以下幾方面:
一、賽前的動員及組織情況
賽前周密的宣傳組織工作是本次大賽取得成功關鍵因素之一。我校一直把組織數模競賽作為一項重要的教學活動納入了全年工作日程,專門成立了數學建模競賽領導小組,協調、督促、組織數學建模競賽各項準備活動。通過海報、課堂、網站等多種形式宣傳開展數學建?;顒樱膭罡鲗W院學生踴躍報名。
二、競賽具體過程管理和實施情況
由專人統籌負責競賽工作。從每年四、五月份開始采取校級、省級競賽層層選拔的制度,把最優秀、最渴望參賽、最有能力的隊員吸納進來組成國家賽參賽隊伍。對于國賽隊員將認真組織賽前培訓和輔導工作。
三、本年度競賽獲獎情況分析
今年我校共有51個隊參加了全國大學生數學建模競賽,獲得國家獎9項,省級獎40項,獲獎率幾近100%。
四、競賽過程中存在的問題及擬解決的措施
1.競賽過程中存在的主要問題還是數學軟件使用和寫作兩方面,在今后的培訓和其他級競賽中應加強這兩方面的訓練。另外宣傳力度也有待加強。
2.今年全國賽我校51隊中有35支代表隊選擇了A題,此題是交通占道問題對城市交通能力的影響問題,實質是利用數學方法建立模型,需要學生有較好的微積分、常微分方程、運籌學等課程基礎,正是由于我校平時對大一大二的數學基礎課的精心講解和嚴格要求才使得我校學生有信心也有能力作出此題并取得了如此好的成績,今后我們將繼續加強數學基礎科的教學工作,同時注意在教學中滲透數學建模的思想、方法,培養學生參加建模的興趣。并希望以數學建模工作為平臺,通過多種形式大力開展數學建模教學與研究活動,以賽促學、以賽促教,以競賽推動教學研究,以教學研究提高競賽質量。B題選擇隊數相對較少,原因主要是該題是關于碎紙文字的拼接復原模型,需要隊員熟悉算法,精于編程,大多數同學不敢碰此題原因就是編程能力過弱。
3.國家賽獲獎結果反映出理學院、計算機科學與技術學院、光電工程學院、電子信息工程學院的學生獲獎人數占到98%,創新實驗班參賽人數并不多,僅占總人數的33%,特別是計算機科學與技術學院的創新實驗班僅有8人參加,不及總人數的6%。
五、對學校的建議和意見
1.認真組織各級數學建模競賽,建議提前到3月中旬組織校數學建模競賽,改進選拔方式,通過評審、教師推薦、答辯精選國賽參賽隊員,加大對數學軟件、算法的培訓;5月下旬到7月中旬,利用周六對選拔出的學生進行實戰培訓,建議全體隊員模擬實戰,完成3-4道往年的競賽題目,并提交論文,指定專門教師負責指導。
2.進一步宣傳發動,動員更多的學生參加數學建模競賽,特別是加大對計算機學院的宣傳力度,爭取更多的計算機科學與技術學院,特別是動員計算機科學與技術學院創新實驗班的同學參賽。
3.繼續舉辦大學生數學建模培訓,切磋技藝,交流經驗,提高水平。組織教師精講獲國家獎的學生論文。同時每年選派2至3名指導教師參加建模交流會議及理論學習,也讓更多教師參與數學建模類教改科研項目,將數學建模作為一件可持續發展的項目開展。
2、《數學建模競賽獲獎論文精選與點評》,作者:韓中庚;
3、《數學建模方法及其應用》,作者:韓中庚;
4、《MATLAB在數學建模中的應用》,作者:卓金武;