陳利群

文/廣東創(chuàng)新科技職業(yè)學(xué)院

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高職院校數(shù)學(xué)建模競賽的研究與實踐

陳利群

文/廣東創(chuàng)新科技職業(yè)學(xué)院

全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽創(chuàng)辦于1992年，每年一屆，目前已成為全國高校規(guī)模最大的基礎(chǔ)性學(xué)科競賽，也是世界上規(guī)模最大的數(shù)學(xué)建模競賽。2015年，來自全國33個省/市/自治區(qū)(包括香港和澳門特區(qū))及新加坡和美國的1326所院校、28665個隊(其中本科組25646隊、?？平M3019隊)、近86000名大學(xué)生報名參加本項競賽，參賽學(xué)校的數(shù)量和學(xué)生的數(shù)量以年均18%的速度增長。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽不但得到了本科高校的肯定，而且受到了高職院校的認(rèn)同。隨著此項競賽的蓬勃發(fā)展，數(shù)學(xué)建模工作者應(yīng)該保持清醒的頭腦，不能為了參賽而參賽，有必要深入分析一下高職院校的數(shù)學(xué)建模的深層思想和方法在深化教學(xué)改革、促進(jìn)課程建設(shè)等方面的作用。

一、高職數(shù)學(xué)建模題目的現(xiàn)實背景

數(shù)學(xué)建模是一種數(shù)學(xué)的思考方法，是運用數(shù)學(xué)的語言和方法，通過抽象、簡化建立能近似刻畫并“解決”實際問題的一種強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)手段。數(shù)學(xué)建模競賽的宗旨是培養(yǎng)大學(xué)生用數(shù)學(xué)方法解決實際問題的意識和能力，整個賽事是完成一篇包括問題的闡述分析，模型的假設(shè)和建立，計算結(jié)果及討論的論文。數(shù)學(xué)模型競賽與通常的數(shù)學(xué)競賽最大的不同就是它來自實際問題或有明確的實際背景。?？茢?shù)學(xué)建模題目的實際意義比本科題目的實際意義更強(qiáng)，涉及面寬，有社會、經(jīng)濟(jì)、管理、生活、環(huán)境、自然現(xiàn)象、工程技術(shù)以及現(xiàn)代科學(xué)中出現(xiàn)的新問題等。這一點可從近10年的專科組數(shù)學(xué)建模題目看出，如表1所示。

表1　2006-2015 專科組數(shù)學(xué)建模題目

二、高職數(shù)學(xué)建模題目的解題方法

從歷年數(shù)學(xué)建模競賽題目來看，解題方法主要包括以下三大類。

1.機(jī)理分析法——從基本物理定律以及系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來推導(dǎo)出模型

(1)比例分析法：建立變量之間函數(shù)關(guān)系的最基本最常用的方法。

(2)代數(shù)方法：求解離散問題(離散的數(shù)據(jù)、符號、圖形)的主要方法。

(3)邏輯方法：是數(shù)學(xué)理論研究的重要方法，對社會學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)等領(lǐng)域的實際問題，在決策、對策等學(xué)科中得到廣泛應(yīng)用。

(4) 常微分方程：解決兩個變量之間的變化規(guī)律，關(guān)鍵是建立“瞬時變化率”的表達(dá)式。

(5)偏微分方程：解決因變量與兩個以上自變量之間的變化規(guī)律。

2.數(shù)據(jù)分析法——從大量的觀測數(shù)據(jù)利用統(tǒng)計方法建立數(shù)學(xué)模型

(1) 回歸分析法：用于對函數(shù)f(x)的一組觀測值(xi,f(xi))(i=1,…,n)，確定函數(shù)的表達(dá)式，由于處理的是靜態(tài)的獨立數(shù)據(jù)，故稱為數(shù)理統(tǒng)計方法。

(2)時序分析法：處理的是動態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)，又稱為過程統(tǒng)計方法。

3.仿真和其他方法

(1)計算機(jī)仿真(模擬)：實質(zhì)上是統(tǒng)計估計方法，等效于抽樣試驗：

① 離散系統(tǒng)仿真：有一組狀態(tài)變量。

② 連續(xù)系統(tǒng)仿真：有解析表達(dá)式或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

(2)因子試驗法：在系統(tǒng)上作局部試驗，再根據(jù)試驗結(jié)果進(jìn)行不斷分析修改，求得所需的模型結(jié)構(gòu)。

(3)人工現(xiàn)實法：基于對系統(tǒng)過去行為的了解和對未來希望達(dá)到的目標(biāo)，并考慮到系統(tǒng)有關(guān)因素的可能變化，人為地組成一個系統(tǒng)。

三、高職院校參加全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽的思考

盡管高職院校參加全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽的熱情依然高漲，但是作為數(shù)學(xué)建模競賽指導(dǎo)教師必須保持清醒的頭腦，不能盲目為了競賽而競賽，必須擺正數(shù)學(xué)建模競賽的地位，明確參加數(shù)學(xué)建模競賽的目的，樹立正確的數(shù)學(xué)建模教育觀念。數(shù)學(xué)建模教育應(yīng)該是一個有機(jī)的整體，學(xué)生、教師、學(xué)校和社會應(yīng)該有機(jī)的聯(lián)動起來。

1.與學(xué)生的實踐活動有機(jī)結(jié)合

在數(shù)學(xué)建模競賽過程中收獲最大的是學(xué)生，凡是經(jīng)歷了競賽的學(xué)生都能夠真正體會到“一次參賽，終身受益”這句話。具體來說，競賽訓(xùn)練了學(xué)生思考問題、解決問題的能力，培養(yǎng)了想象力、觀察力、學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新精神和團(tuán)隊合作能力，等等。

但是很多學(xué)生參加過一次競賽后，就與數(shù)學(xué)建模完全隔絕開來，沒有得到繼續(xù)的鍛煉和持續(xù)的培養(yǎng)，這是非?？上У摹Ｒ虼?，數(shù)學(xué)建模指導(dǎo)教師應(yīng)在賽后安排一些實踐性內(nèi)容，如數(shù)學(xué)建模實驗、社會實踐活動等，讓學(xué)生親自去建立模型，體會利用數(shù)學(xué)建模方法解決實際問題的意義。要是學(xué)生學(xué)有所用，鼓勵他們參加更高層次的數(shù)學(xué)建模競賽，在競賽中進(jìn)一步提高自己的水平；與此同時，要鼓勵學(xué)生在校園科技活動、畢業(yè)實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動中使用所學(xué)到建模方法，提升自己的能力。

2.與教師的素質(zhì)培養(yǎng)相結(jié)合

數(shù)學(xué)建模教學(xué)是多門數(shù)學(xué)分支內(nèi)容的重組，數(shù)學(xué)建?；顒邮蔷C合性很強(qiáng)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，在一個問題中可能涉及到概率論與數(shù)理統(tǒng)計、微積分、運籌學(xué)等多門數(shù)學(xué)科目，還可能涉及工作、經(jīng)濟(jì)、醫(yī)療等領(lǐng)域，這就要求指導(dǎo)教師必須具備對這種交叉學(xué)科和交叉知識有效整合及快速學(xué)習(xí)的能力，同時還要熟練掌握第二部分提高的這些建模方法。數(shù)學(xué)建模指導(dǎo)教師在指導(dǎo)學(xué)生參加數(shù)學(xué)建模競賽的過程中，教師自身的知識結(jié)構(gòu)可以得到優(yōu)化，提升教學(xué)水平、業(yè)務(wù)能力和科研水平。同時，數(shù)學(xué)建模競賽也為教師提供了學(xué)術(shù)研究的方向。

3.與學(xué)校的課程建設(shè)相結(jié)合

高職院校數(shù)學(xué)以培養(yǎng)應(yīng)用性人才為主，所以我們的高等數(shù)學(xué)課程應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)應(yīng)用性教學(xué)，在實踐應(yīng)用中以必須和夠用為原則。高等數(shù)學(xué)的課程建設(shè)應(yīng)注意自身特點，以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和分析解決問題的能力，而數(shù)學(xué)建模競賽正好能夠培養(yǎng)學(xué)生的以上所有能力。所以，在教學(xué)實踐中將數(shù)學(xué)建模思想與方法融入數(shù)學(xué)教學(xué)中去，在課堂教學(xué)中努力做到先引案例，再提出問題，探索出解決問題的數(shù)學(xué)建模方式，最大限度地把數(shù)學(xué)與專業(yè)以及實際生活結(jié)合起來，應(yīng)該是高職院校數(shù)學(xué)教學(xué)改革新的發(fā)展方向。正如很多學(xué)者所提到的，“全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽實際上是一項不打亂教學(xué)秩序的教學(xué)改革實驗”。

4.與社會的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)相結(jié)合

2015年5月8日國務(wù)院辦公室廳印發(fā)的《國務(wù)院辦公廳關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》指出，自2015年起全面深化高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革。一方面，數(shù)學(xué)建模競賽題目來源于實際，具有現(xiàn)實意義，如“公共自行車服務(wù)系統(tǒng)”“儲藥柜的設(shè)計”“生豬養(yǎng)殖場的經(jīng)營管理”；另一方面，參加數(shù)學(xué)建模競賽的過程極大地提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。所以對于高職院校而言，如果利用好了數(shù)學(xué)建模競賽這一工具，對整個學(xué)校的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育會起到很大的促進(jìn)作用。

四、結(jié)束語

全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽參賽規(guī)模龐大、創(chuàng)辦時間較長，不能與一般的競賽同日而語，其邊際效益和附加價值可能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了比賽本身。作為數(shù)學(xué)建模指導(dǎo)教師，理應(yīng)站在一個更高的高度，盡自己所能最大限度地發(fā)揮數(shù)學(xué)建模競賽在學(xué)生實踐、教師培養(yǎng)、課程建設(shè)以及社會創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的作用。

責(zé)任編輯陳春陽