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数学建模思想探索与实践

摘要:运筹学与数学建模2门课程联系密切,在运筹学教学中,适当融入数学建模思想,能大幅度提高学生应用数学解决实际问题的能力.从运筹学教学中教学大纲的改革、教学环节的设计等方面进行了探索与实践.教学实践表明,将数学建模思想融入到运筹学教学中能提高课堂教学的效果,锻炼学生的动手实践能力.

关键词:数学建模;运筹学;教学实践

运筹学是信息与计算科学专业的一门重要的专业课,它是一门应用科学,广泛地应用现有的科学技术知识和数学方法,解决实际中提出的专门问题,为决策者选择最优决策提供定量依据.在解决问题的过程中,为制定决策提供科学依据是运筹学应用的核心,而针对实际问题建立正确的数学模型则是运筹学方法的精髓.数学建模是利用数学工具解决实际问题的重要手段,从一定意义上来讲,数学建模属于运筹学的一部分,模型的正确建立是运筹学研究中关键的一步.所以说,二者有着密切联系,在运筹学教学中应适当地融入数学建模思想[1],能够培养学生理论应用于实践的能力,提高教学效果.

1运筹学教学中融入数学建模思想的必要性

数学建模和运筹学2个课程联系密切,也各有特点,但在实际教学中却不能很好地结合起来[2].运筹学教学中只注重讲授理论和解题方法,而忽略了与实际问题相联系,导致了学生在遇到实际问题时,不知从何处入手;在数学建模课程中则强调建模思想和方法的运用,注重的是建立起什么样的模型,而对模型的求解讲授得过少,导致很多时候学生在处理实际问题时虽然能够建立模型,但却不知如何求解.所以,在运筹学教学中要注意突出数学建模的思想,增强学生的数学应用意识[3].在运筹学教学过程中贯穿数学建模思想,使得教学过程不再是着力于单纯的知识灌输,而是注重培养学生应用所学知识解决实际问题的能力,结合教学特点,充分发挥学生的动手能力,积极调动学生的学习兴趣[4],使传统经典教学理论与最优化教学理论统一服务于教学实践,这是教学改革的方向.尤其是现代教育技术发达,使得课堂的容量增大,课堂上借助多媒体可以减少理论方法讲解的时间,适当运用规划软件可以大幅度降低运算所耗费的时间,这样节省下来的时间就可以更多地用来培养学生应用理论知识解决实际问题的的能力.因此,要在运筹学课程的教学中对运筹学教学内容进行精心处理,不能只偏重理论和解题方法的讲解,要积极地渗透数学建模的思想,从而在课堂上着重引导学生应用理论方法去解决实际问题,培养学生的建模意识.运筹学中数学规划、网络、图论和排队论等内容是数学建模一部分思想方法的汇集,在运筹学教学中渗透数学建模的思想,既能让学生对运筹学中枯燥的理论和方法有了深刻的理解,又能对后续数学建模课程的学习起到促进作用.

2数学建模思想融入运筹学的教学改革

国内外大量教师学者都通过实践对运筹学教学中数学建模思想的渗透进行了深入研究.如王定江[5]根据教学实践,阐述了运筹学教学中如何突出数学建模教育的思想;杨冬英[6]根据运筹学课程的特点,结合教学实践经验,提出了实行运筹学教学改革的一些建议和措施,指出数学建模活动是培养学生应用数学能力的重要手段,在运筹学教学中融入数学建模思想可以培养学生的创新能力和综合应用能力.山东大学数学系在打造运筹学国家精品课时将二者有机地结合起来,收到了很好的教学效果[7].2.1教学大纲的改革.在运筹学大纲的修订中,着重从2个方面来突出建模思想的融入.2.1.1设置课后上机实验.运筹学的学习,一方面让学生运用运筹学的理论和方法对实际问题进行抽象概括,找出其内在规律,构造出相应的数学模型;另一方面能通过逻辑推理或分析和计算,求解所建立起来的数学模型.而运筹学研究的优化算法能用来通过手工计算解决问题的规模是很小的,绝大多数根据实际问题建立起来的数学模型,约束和变量都很多,在求解过程中,如果不借助计算机,很难求得问题的解[8].计算机能为数学模型的求解提供可靠的平台,因此,设置课后上机训练.在上机内容的安排上,特别注意将纯粹的数学问题尽可能地转换成学生感兴趣的实际问题,通过搜集大量优化模型的实例,选取与大纲内容相关的实际问题,供学生在课后上机实验中进行训练.学生在动手实践中既加强了对优化算法的理解,也锻炼了应用建模思想解决问题的能力.2.1.2改革考核方法.在成绩的考核上,传统的大纲中,从平时、期中和期末3个方面来考核,比重分别是20%,20%和60%.而期中和期末都是以试题的形式对学生进行考查,考查的内容以学生对基础知识、基本理论和方法的掌握程度为主,而对学生的知识应用方面考核的强度不大.因此,在考核方式上进行了调整,成绩考核分为2个部分——平时和期末,各占50%.在平时考核中,除了考查学生出勤、作业、课下上机实践的完成情况外,还特别选取一些往届数学建模竞赛中典型的优化模型试题给学生作训练,分组实践,完成课程论文,而且加大对学生创新和动手实践方面的考核力度,激发学生应用数学知识解决实际问题的热情.2.2教学环节的改革.2.2.1将数学建模的优化思想渗透到运筹学相关环节的教学中.把数学建模的优化思想渗透到运筹学相关环节的教学中,在实际教学中,尽量多地采用案例教学,从实际问题出发,精选具有充分的代表性且源于实际问题的建模案例.在讲解线性规划问题解法时,以奶制品的生产与销售[9]为例,通过分析问题,选取适当的方法建立最优的数学模型,然后分析线性规划的特点,引入求解线性规划问题行之有效的方法——单纯形法.进而再以此为例,加入整数约束,引出整数规划问题,讨论其与线性规划求解的区别,加深学生对知识的理解.通过逐步地掌握用运筹学算法去求解模型,让学生看到完整的过程,而不是仅仅了解枯燥的算法流程和优化理论,以此激发学生的学习兴趣.2.2.2将动式教学法引入课堂教学.要摒弃一堂灌的讲授式教学,将动式教学法引入课堂教学,适当安排教学计划,预留出一些学时,将课堂时间进行划分.针对运筹学模型的特点,选取学生易于接受的模型,课前给学生分配任务,课上给学生讨论分析的时间,发挥课堂上学生的主体作用,让学生积极主动地参与教学中来.在学习运输问题[10]时,课前先布置任务,给几个实例,让学生查阅资料,尝试建立相应的数学模型并进行求解.课上讨论和分析这些实例的特点,引入运输问题,进而让学生讨论问题求解所采用的方法,分析优缺点,结合运输表的特点引出表上作业法,并将其与单纯形法对比,发现方法的实质.这样通过不断的启发,充分调动学生的学习积极性,使学生不再被动地接收知识,达到培养学生分析问题和解决实际问题能力的目的.

3运筹学教学中融入数学建模思想的教学改革成效

信息与计算科学专业有2个方向,一个是软件与科学计算,一个是统计与优化,这2个方向都开设运筹学,在课程内容上都会着重学习优化算法,针对实际问题建立相应模型,设计相应算法.毕业生在就业面试和考核中,用人单位往往会提出一些实际问题,让学生分析,给出优化方案,以此考核学生解决实际问题的能力.以往很多学生对此手足无措,如今遇到类似问题,学生能参考平时训练的思路,能够动手实践,不再无从下手.因此,通过将数学建模与运筹学2门课程融合训练,学生的综合素质有了显著提高.从参加每年全国大学生数学建模竞赛和东三省数学建模竞赛的获奖情况来看,成果显著.2016—2017年,在“高教社杯”全国大学生数学建模竞赛中共获黑龙江赛区的一等奖6组,二等奖12组,三等奖14组;东北三省数学建模联赛中共获得黑龙江赛区的一等奖2组,二等奖5组,三等奖4组.通过教学实践,让学生在解决实际问题中不仅提高了动手实践的能力,而且培养了其综合素质.

4结束语

运筹学教学改革实践说明,运筹学教学以数学建模的实际案例为背景,建模与优化算法二者并重,既可以培养学生运用所学知识解决实际问题的能力,又保证了学生具备扎实的理论基础,符合新时期人才培养的要求.运筹学教学与数学建模相结合的教学改革不但丰富了运筹学课程的教学内容,改变了课程的教学形式,也提高了学生的学习兴趣,取得了显著的教学效果.

参考文献:

[1]刘仁云.数学建模方法与数学实验[M].北京:中国水利水电出版社,2011

[2]周喜华.运筹学教学中融入数学建模实验的研究和实践[J].高教学刊,2017(11):89-90

[3]邓廷勇,张姮妤.运筹学教学与数学建模思想的融合[J].宜春学院学报,2014(9):129-131

[4]姚香娟,段滋明,王萃琦.如何提高学生学习运筹学课程的兴趣[J].学园,2014(12):59

[5]王定江.运筹学教学与数学建模[J].大学数学,2013(12):19-23

[6]杨冬英.从数学建模谈山西大学商务学院运筹学教学改革[J].科技情报开发与经济,2010(4):181-182

[7]胡发胜.国家精品课程运筹学的教学改革与实践[J].大学教学,2006(7):9-10

[8]宇世航,张水胜,张良勇.数学建模思想在运筹学教学中的运用[J].高师理科学刊,2009,29(11):89-91

[9]姜启源,谢金星,叶俊.数学模型[M].4版.北京:高等教育出版社,2011

[10]胡运权.运筹学基础及应用[M].6版.北京:高等教育出版社,2014

作者:魏蕴波 宇世航 张水胜 丁永胜 单位:齐齐哈尔大学

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