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中圖分類號:G642 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2015)09(a)-0236-02
1 建模與最優化
1.1 建模的含義與意義
數學中所說的建模就是運用數學的表達方式將客觀存在的問題描述出來的整個過程。在這個描述的過程中,最重要的就是“建”,應該讓學生的創造性思維在這一過程中被激發出來。建模不僅僅只是停留在數學知識上,而且它還在現實世界上更具有重要意義。
從傳統來看在普通的工程技術方面,數學建模已然擁著有很重要的地位。但是,隨著社會科技的發展,一些新技術的出現,例如:軍事、醫院、經濟、生物等,這些新技術的出現往往伴隨著新的問題產生。普通的數學模型顯然已經不能解決這些新出現的新問題,如果能夠將數學模型和計算機模擬相結合產生的CAD技術廣泛應用起來便可以輕松的解開這些問題。由于其速度快、方便、實用等特點已經廣泛的替代了傳統手段。在高新技術方面,數學建模是不能被其他方式方法所替代的。
1.2 建模的基本方法
在數學建模的過程中可以運用的方式很多,如,類比法、二分法、量綱分析法、差分法、變分法、圖論法、層次分析法、數學規劃、機理分析、排隊方法、對策方法等等,在這里只簡單介紹三種常見方法。
(1)機理分析法:從認識每件事物本質的不同開始,找到能夠反應事物內部機理的規律。值得注意的一點是,機理分析并沒有固定的模式的,是需要結合實際案例來進行科學的研究。
(2)測試分析法:經過多次反復的試驗和分析,從中找到與提供的數據最為符合的模型。
(3)二者結合:選擇機理分析建立模型結構,選擇測試分析找到模型參數。
1.3 數學建模的步驟
確定一個數學模型的辦法不只一個,根據問題的不同,就要學會選擇建模的方式。即便是相同的問題也要從多個角度考慮,能夠建立出多個不相同的數學模型,具體建模的方法和步驟如下。
第一,模型準備。如果要對一個問題建立數學模型,必須要提前了解該次建模所要達到的目的,然后要盡可能多的收集與之相關的問題進行分析,深入細致的調查與研究,盡量避免可能會發生的錯誤。
第二,模型假設。一般情況下一個實際問題會涉及到很多因素,但是要想轉變為實際數學問題,不需要各個方面都考慮到,只需要抓住其中的主要因素,對其進行與實際想吻合的假設即可。
第三,模型建立。要以實際問題的特征為依據,用數學工具根據已有的知識和搜集的信息進行建立正確的數學結構,要明確決定使用的數學結構、數學工具的類型。只要能夠達到最終所要的目的,選擇的數學方法越簡單越有利于構建數學模型。
第四,模型求解根據前幾步所得到的資料,可以利用各種數學上的方式方法進行求解。在這個過程中,可以充分使用現代計算機等輔助工具。
第五,模型分析、檢驗。在得出結論后,要將結論與事實進行比對,避免造成過大誤差,以確保模型的合理性、準確性以及適用性。如果與事實一樣,就可以進行實際運用。反之,則修改,重新建模。
事實上,現實生活中的問題是復雜多樣的,甚者有時千差萬別,有時必然事件和偶然事件會共同存在其中。在探索某件事情的過程中,因為其不斷地變化,所以一般不能輕易的求得變量之間存在的關系,建立方程。所以,在錯綜復雜的變量中,一定要要能夠從這些變量中選擇主因,確定變量,找出其中真正存在的隱含聯系。
1.4 最優化的含義
最優化技術是近期發展的一個重要學科分支,它可以用在多種不同的領域,例如:經濟管理、運輸、機械設計等等。最優化的目標是要從這些多種辦法中選出最簡便的辦法,將這個可以最簡便達到目標的辦法就叫做最優方案,尋找的這個最佳方法叫做最優化方法,關于這個方法的數學理論就叫做最優化論。在這個過程中必須要有兩個方面:第一,是可行的方法;第二,是所要達到的目標。第二點是第一點的函數,如果可行的方法不存在時間問題,就叫做靜態最優化問題,如果與時間相關,稱之為動態最優化問題。
在日常生活和學習中,能用到最優化的有兩個方面:一是在實際生活中所遇到的生產和科技問題,需要建立一個數學模型。二是在數學學習中所遇到的數學問題。如果我們單純要解決第二類問題的話,資料已經足夠的完善了。但是生活中多數屬于第一類問題,是沒有資料能夠依靠的。而能夠找到最優化解是實際問題中最重要的一步,否則技術的發展將十分困難。
2 建模最優化的應用
想要在實際中應用最優化方法,總共有兩個基本步驟:第一,要把實際問題用數學模型建立出來,也就是用數學建模的方法建立解決問題的優化模型。第二,優化模型建設之后,要利用數學方法和工具解開模型。優化建模方法與一般數學建模有一定的相同之處,但是優化模型更有其特殊之處,所以,優化建模必須要將其特殊性和專業性相結合。同時,在解釋問題的過程中也一定要注意將客觀實際與數學知識結合起來。
同一個問題要通過不同的數學建模進行解決,得到更多的“最優解”,從而從其中挑選出最大價值的答案。所以說,只有建立獨特的模型才能得到最大的創新價值。
典型的最優化模型可以描述成如下形式:
Min{f(X)|X∈D}
其中,X=(x1,x2,…xn)T為一組決策變量,xi(i=1,…,n)通常在實數域R內取值,稱決策變量的函數f(X)為該最優化模型的目標函數;為n維歐式空間Rn的某個子集,通常由一組關于決策變量的等式或不等式描述,比如:
Minf(X)
s.t.Ci(X)≥0(i=1,2,…m1)
Ci(X)=0(I=m1+1,…m)
這時,稱模型中關于決策變量的等式或不等式Ci(X)≥0(i=1,2,…m1)、Ci(X)=0(I=m1+1,…m)為約束條件,而稱滿足全部約束條件的空間Rn中的點X為該?
模型的可行解,稱
即由所有可行解構成的集合為該模型的可行域。
稱X∈D為最優化模型Min{f(X)|X∈D}的(全局)最優解,若滿足:對X∈D。
均有f(X*)≤f(X),這時稱X*∈D處的目標函數值f(X*)為最優化模型。
Min{f(X)|X∈D}的(全局)最優值;稱X*∈D為最優化模型Min{f(X)|X∈D}的局部最優解,若存在δ>0,對X∈D∩{X∈Rn| }。
均有f(X*)≤f(X)。(全局)最優解一定是局部最優解,但反之不然。
數學建模以“建”字為中心,最重要的一點還在于如何將建立起來的數學模型利用數學工具求解,現實生活的數學模型往往涉及的無非是一個最優化問題,在原有現實給予的條件中,怎樣得到最優解實際中最優化問題表現形式如下。
minf(X)
s. t.AX≥b.
以目標函數和約束函數存在的特征,這些問題可以分成各種類型,例如:線性規劃、非線性規劃等。但是,不管問題怎樣變化,除去簡單的數學基礎理論解決辦法和微分方程理論的話,最終只能選擇最優化理論方式來解決這個問題。
在平時的生活中,最優化理論通常只會出現在管理科學和生活實踐中的應用,而線性規劃問題是因為各個方面都已經成熟,所以被人們廣泛接受。因此,目前對非線性規劃理論和其它優化問題探索較多。還記得高中的時候解決非線性的函數都是通過局部線性化來使問題簡單化,現在解決非線性規劃問題也是一樣的,盡量將非線性規劃問題局部線性化來解決。
下面求解指派問題最優化的例子。
例:分別讓小紅、小蘭、小新、小剛4人完成A、B、C、D4項工作,各自完成各項工作所需要的時間如表1所示,現在應該如何安排他們4人完成各項工作,使得消耗的時間最短?
這類問題顯而易見的就是指派問題 ,而經過建立模型后我們也會很清楚的意識到匈牙利算法是解決指派問題最簡單的算法。如果用一般的方法求解,在這個過程中很可能遇到求解整數規劃的分枝定界法或是求解0-1規劃的隱枚舉法,這個求解方式將會非常復雜。所以,可見所建立的數學模型非常關鍵。
下面采用匈牙利方式求解。
如此得到的最優指派方式是:小紅D、小蘭B、小新A、小剛C。
通過求解上面這個最優指派問題,讓我們了解了運用數學模型的簡單方式。模型求解成為數學建模之后最重要的一步,并且也是到了考驗是否能對最優化理論知識完整求解的時候。同時,也通過上面的例子,解釋了數學建模在解決最優化的實際問題中的廣泛應用。該文所分析的例子只是數學建模中的一個代表性的應用,數學建模與平時生活所遇到的一些事物之間的聯系是息息相關的,隨著現代科學技術的飛速發展,相信數學建模思想越來越得到廣泛的應用。
綜上所述,在數學建模和最優化理論之間,二者是相輔相成、密不可分的關系,數學建模的過程不能離開最優化理論,最優化理論也需要建模的支持。數學模型在產生于生活和實踐中,模型也會隨著事物的改變而越來越復雜。因此,最優化理論也會根據模型建立的不斷發展越來越完善。從另一方面看,最優化理論的不斷完善也會影響著數學模型不斷地提高與優化,為解決客觀問題提供最為重要的一步。但是,距離目標還是有一定的距離,同時也顯現出了這其中所包含的一些問題,比如說數學建模被其他專業接受的力度不夠,受益面小等。要想解決這些問題,就必須對優化建模進行深一步的改革與探索。
參考文獻
[1] 姜啟源,謝金星,葉俊.數學模型[M].3版.北京:高等教育出版社,2003.
圖1 數學建?;玖鞒?/p>
隨著計算機技術的發展,人們設計開發了多種數學應用軟件。這些軟件充分利用計算
機的高速運算能力,對于海量數據的處理,復雜而又煩瑣的數值計算,以及復雜數學模型的求解,提供了有力的工具。
一、數學建模的常用軟件及其主要功能
(一)Matlab,利用它可繪制已知函數的圖形,完成符號運算、精確到任意精度的計算??梢郧蠼鈱祵W中的微積分、線性代數、概率統計、解析幾何、(偏)微分方程、神經網絡、小波分析、模糊邏輯、動態系統模擬、系統辨識等諸多領域的常見問題。其在矩陣計算和圖形繪制方面的優勢尤其受到數學建模愛好者的青睞。
(二)社會學統計軟件包SPSS由IBM公司推出,可針對社會科學、自然科學各個領域的問題完成基本統計分析、相關性分析、回歸分析、聚類分析、因子分析、非參數檢驗等統計功能。
(三)LinGO/LinDO是數學規劃軟件,長于線性規劃、二次規劃和整數規劃中求最優解,也可以用于一些非線性或線性方程組的求解以及代數方程求根等。因此在數學、科研和工業界得到廣泛應用。
(四)幾何畫板等動態幾何軟件,一般用來制作一個想象中的圖像,也可以采用PHOTOSHOP、Flash 等制圖工具,可以將建模內容形象化的展示與呈現,便于人們理解與接受。作圖工具可以說是完善和提高建模內容的有效手段,不僅可以生成學生難以繪制的圖形,而且提供了圖形的動感“變換”,模型的“動畫”效果,視覺感受耳目一新,許多解決問題的方法和依據可從畫面中去尋求。
(五)Word、Excel等編輯軟件的應用,使學生在數學建模論文的格式編排、圖表文混排、公式編寫,以及圖表數據的處理方面得心應手。
上述計算機軟件,能夠有針對性的解決相應領域的普遍性問題,各有所長。在數學建模的過程中,常常需要結合應用多個軟件包問題才能解決問題,甚至有些問題,還需要高級語言(如C、C++和 Java 等等)編程才能解決。
二、數學建模過程中計算機軟件應用案例
案例――利用幾何畫板直觀展示數學模型及其變化。利用幾何畫板對數學現象進行展示或對命題進行檢驗的過程,往往通過學生自己動手操作,進行探究、發現、思考、分析、歸納等思維活動,最后獲得理解概念或解決問題效果。
在初三學生學習函數知識的時候,曾經學習過一個點關于坐標軸或原點對稱時,對稱的兩個點坐標的變化規律;高中學生學習函數的過程中,對抽象函數符號表示的函數y=F(x) 的研究,一直以來是學習的難點,特別是在給定條件時研究該函數的性質,更是感到困難重重。利用幾何畫板探究一個函數的圖象,尋找函數解析式的變化與圖象之間的關系,有利于幫助學生理解抽象問題,探索一般性結論。
操作過程中可先要求學生通過幾何畫板作出y=x這一直線,然后作出y=x-2,y=x+2,y=2x+4,體會其不同規律,再按要求分別通過幾何畫板找到對稱點,建立各種對稱直線方程。
在學生使用幾何畫板過程中,引導他們體會:(1)直線關于坐標軸、原點對稱時,其對稱圖形的方程只是自變量和函數值的符號發生了變化;(2)關于直線 y=x和y= -x 對稱時,對稱圖形的方程中自變量 x 和函數值 y 位置發生互換;(3)關于直線 y= -x 對稱時符號發生了變化,那么如果在 y=x及y=-x 后面加上一個常數C,即關于直線 y=x+C或y=-x+C對稱的直線方程會發生怎樣的變化呢?(4)對于高中學生,還可進一步提出問題,一個二次曲線 f (x,y)=0 關于斜率絕對值為 1 的直線y=x+C或y=-x+C對稱的曲線方程與原曲線方程之間有何位置關系。
借助動態幾何軟件,在計算機上進行大量的方程構建實驗,讓學生在數學建模過程中探究規律,提出猜想,再進行論證。引發學生的好奇心,從而激發學生的求知欲。將“講授知識”的權威模式向以“激勵學習”為特色的顧問模式轉變。
三、結語
關鍵詞 數學建模 非線性規劃 線性規劃
中圖分類號:O221.1 文獻標識碼:A
0引言
在日常生活中常常會遇到在一部分在人力、物力以及財力資源等條件下,使得經濟效益能夠達到最大化的問題,這就是人們所說的最優化問題。非線性規劃問題在運籌學中是一個重要分支,它廣泛應用在軍事、經濟、工程等方面。非線性規劃分為一個獨立的學科門類是在上個世紀50年代開始形成的。大型電子計算機的產生和使用大大地促進了它的發展。
在國際數學研究上,有關非線性規劃方面的專門性研究的機構、期刊和書籍就像雨后春筍般的涌現,相關國際學術會議的召開次數也大大地增加。在我國,伴隨著計算機的廣泛應用,非線性規劃問題逐漸引起了許多部門的重視。有關非線性規劃理論以及應用需要的學術類交流活動也越來越多,我國已經在這一領域取得了很多研究成果。非線性規劃問題已經廣泛運用于優化設計、管理科學以及系統控制等領域。
1非線性規劃概述
非線性規劃的一般形式:
minf(X)
s.t. gi(X)≥0,i=1,2,…,m (1)
hj(X)=0,j=1,2,…,
其中X=(x1,x2,…,xn)T∈Rn,f1,g1,h1是在Rn上的實值函數,簡記為f:RnR1,gi:RnR1,hi:RnR1。符號s.t.表示“受約束于”。
可行解是指滿足所有約束條件的X。對于一個問題的可行解x*,如果存在x*的一個鄰域,使得目標函數x*在處的值f(x*)優于該鄰域中的其他可行解處的函數值,則稱x*是問題的局部最優解。非線性規劃分為如下幾種類型:
第一種類型:無約束極值問題minf(x1,x2,…,xn),其中f(x1,x2,…,xn)是Rn上的可微函數。求解極值點的方法是:先求出如下n元非線性方程組
的解,然后對解集進行判定,看看是否是極值點。
第二種類型:具有等式約束的極值問題。
minf(x1,x2,…,xn)
s.t. hj(x1,x2,…,xn)=0,j=1,2,…, (2)
通常使用Lagrange乘子法來進行求解,即把問題轉化成為求Lagrange函數
L(x1,x2,…,xn;v1,v2,…,vt)=fj(x1,x2,…,xn)-vjhj(x1,x2,…,xn)的無約束極值問題。
第三種類型:既有等式約束又有不等式約束的一般非線性規劃問題(1)的形式。
顯然,上述極值問題的求解都能夠歸結為非線性方程組求解,只有在特殊的情況才能手算出來。計算機的快速發展,使求解大規模最優化問題更加方便,最優化理論和方法基于計算機的進步也得以迅速發展。
2非線性規劃模型的創建
數學建模課程是在上個世紀80年代進入我們國大學的,開設數學建模課程,是大學教育特別是大學教育改革的一個重要組成部分。每年舉辦的全國大學生數學建模競賽更是吸引了眾多的大學生參加,數學建?;顒右言诟鞔蟾咝i_展起來,不同層次和不同類型的大學生對數學建模的學習都有著極大的熱情。數學建模是解決非線性規劃問題的重要手段,接下來介紹如何通過建模解決非線性規劃問題。
最優化問題所對應的模型具有如下結構:
第一是決策變量,根據考慮的問題選擇合適的參數變量x1,x2,…,xn,讓他們都選取實數值,一組值就能夠構成一個方案。
第二是約束條件,根據變量的限制條件,用不等式或者等式可以表達成
gi(x1,x2,…,xn)≥0,i=1,2,…,m;hi(x1,x2,…,xn)=0,j=1,2,…,.
第三是目標函數,為了能夠使得利潤最大成本最低,一般引入極大化或者是極小化實值函數f(x1,x2,…,xn)。
因此,最優化問題可解釋成決策變量在符合約束條件下進行求解目標函數的最優解。
注意到極大化目標函數f(x1,x2,…,xn)相當于極小化-f(x1,x2,…,xn)。采用向量記法,令x=(x1,x2,…,xn)T,并將約束條件寫成集約數形式,即令
S={x|gi(x)≥0,i=1,2,…,m;hj(x)=0,j=1,2,…, }
則最優化問題一般地可表述為如下形式:
minf(x) (下轉第75頁)(上接第66頁)
s.t. x∈S (3)
其中稱x=(x1,x2,…,xn)T∈Rn是決策變量,f(x)是目標函數,S Rn為約束集或可行域,它是所有可行解即滿足約束條件的點的集合。
3非線性規劃問題的MATLAB程序實現
非線性規劃的求解是比較困難的,下面介紹如何通過MATLAB來解決非線性規劃問題。
MATLAB是Math Works公司開發的一款數學軟件,是對科學與工程計算類的一種高級語言,它本身具有強大的編程效率。
MATLAB現有30多個工具箱,其中的優化工具箱是影響最大,使用廣泛的一個,它的主要功能有:求解線性規劃和二次規劃,非線性函數的最小二乘,求解非線性方程等。
例如:應用MATLAB解非線性規劃
minf(x)=ex1(4x12+2x22+4x1x2+2x2+1)
s.t. x1+x2=0
1.5+x1x2 x1 x2≤0
-x1x2 10≤0
解:先建立M文件 fun.m,定義目標函數:
function f=fun4(x);
f=exp(x(1))*(4*x(1)^2+2*x(2)^2+4*x(1)*x(2)+2*x(2)+1);
再建立M文件mycon.m定義非線性約束:
function [g,ceq]=mycon(x)
g=[x(1)+x(2);1.5+x(1)*x(2)-x(1)-x(2);-x(1)*x(2)-10];
主程序youh.m為:
x0=[-1;1];A=[];b=[];Aeq=[1 1];beq=[0];vlb=[];vub=[];
[x,fval]=fmincon('fun',x0,A,b,Aeq,beq,vlb,vub,'mycon')
運算主程序得到最優解為(-1.2250,1.2250),最優目標函數值為1.8951。
4小結
非線性規劃在軍事、金融、生態工程等方面都有不可取代的作用。關于非線性規劃的研究還在進一步發展中。本文主要介紹了非線性規劃建模的步驟以及如何借助MATLAB進行計算,許多實際問題可以通過MATLAB優化工具箱求得最優解。
參考文獻
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[2] 姜啟源,邢文訓.大學數學實驗[M].北京:清華大學出版社,2005.
關鍵詞:高職數學建?,F狀分析教學改革
全國大學生數學建模競賽是由教育部高教司和中國工業與應用數學學會主辦的。該競賽有利于培養大學生運用數學方法和計算機技術解決實際問題的能力,有利于培養學生的實踐能力、創新能力和合作精神,有利于推動數學教學改革。目前,數學建模競賽正以其獨特魅力與規則,成為我國規模最大、范圍最廣的大學生課外科技競賽活動之一。
1 我院近兩年組隊參賽獲獎現狀以及存在的問題
為了提高學院知名度、推動數學教學改革及為學院轉制評估作貢獻,我院2010年首次參加全國大學生數學建模競賽(??平M)。5個隊參賽,其中1個隊獲得廣西賽區二等獎,2個隊獲得廣西賽區三等獎,2個隊獲成功參賽獎。2011年我院進一步擴大參賽規模。10個隊參賽,其中1個隊獲得廣西賽區二等獎,1個隊獲得廣西賽區三等獎,8個隊獲成功參賽獎。經過這兩年的帶隊參賽實踐,我們分析發現我們的參賽隊伍還是缺乏系統的數學建模相關知識和一定的參賽經驗,這也是沒有獲得廣西賽區一等獎及國家級獎項的原因。為了進一步擴大參賽和獲獎規模,我們必須解決當前組隊參賽存在的一些問題。①從普遍上來說,我院高職學生的數學基礎相當薄弱。而數學知識邏輯性強、計算繁瑣,這就給學生在理解數學概念和掌握數學方法上造成一定的困難。②目前我院開設的公共數學課程《數學與管理》,給學生介紹的數學知識用來參加數學建模競賽遠遠不夠。必須通過賽前培訓給學生補充數學建模相關知識。但是由于培訓時間緊,學生又要同時兼顧其他專業課程,造成培訓效果不佳的狀況。③組織數學建模賽前培訓的師資隊伍力量薄弱,主要由青年教師承擔培訓指導任務,缺乏參賽經驗豐富的老教師。④報名參賽的學生主要來自計算機系,其他系參與學生較少。說明學院對這項競賽的宣傳力度不夠,仍有多數學生未聽說過此項比賽。⑤目前組隊參賽的任務是交給公共課教學部來完成,如果能夠將主管部門上升至學院,學生參賽的積極性應該有所提高。
2 持續開展數學建模競賽的必要性和重要性
二十一世紀的數學教學應該適應新世紀科學技術的發展,培養高素質創新型人才。教育必須反映社會的需要,數學建模進入高職教育課堂,既能順應時展的潮流,也符合數學教育改革的要求。而且從某種意義上來說,數學建模是能力與知識的一次綜合應用。數學建?;顒拥呐畈l展,為數學教學注入了新的生機與活力,這無疑是我國高職數學教育改革的一次成功的實踐,也為我國高職教育的數學教學改革做出了重要貢獻。
全國大學生數學建模競賽是面向全國高等院校所有專業學生的一項競賽活動。自1992年教育部倡導在全國大學生中開展這項活動以來,社會各界反響熱烈,參賽規模不斷擴大,目前該項競賽已成為我國高校大學生課外學科競賽中規模最大、影響最大也是最為成功的競賽。而且隨著此項比賽影響力地不斷擴大,一個學校在數學建模競賽中獲得的名次已成為衡量該校教學水平的一項重要指標。
數學是幾乎所有學科的基礎。通過建立數學模型來解決實際問題,其應用范圍是相當廣泛的,數學模型成為了建立實際問題與數學工具之間聯系的橋梁。社會發展的需要要求加快培養既有堅實的理論基礎,又有實踐能力和創新精神的高素質復合型人才。為了使現在的高職學生將來能適應時代和社會發展的需要,學校的高職教育必須努力加快培養社會所需人才應具備的能力,提高學生的綜合素質。正因為如此,培養數學建模所需的數學素質是知識經濟時代人才素質的一個重要方面,是培養創新能力的一個重要方法和途徑。于是,開展數學建?;顒訉谌瞬排囵B過程中有著重要的地位和作用。
一方面,高職學生通過參加數學建模競賽開拓視野,提高創新精神創新能力以及團結協作精神,增強學習數學知識和應用計算機技術的積極性;另一方面,通過數學建模的教學、組織培訓和指導競賽等工作,還可以擴充指導教師的知識面,促進他們學習新理論和新方法,增強自身的理論水平和提高科研能力。所以說,教師和學生同樣都是數學建?;顒拥氖芤嬲?。
3 開展數學建模培訓的教學改革若干思路
3.1 把數學建模的思想方法滲透到《數學與管理》課程的教學當中?!稊祵W與管理》教學內容中,第三章有線性規劃方法。線性規劃模型屬于數學模型中的一種。在教授線性規劃模型的同時可以給學生介紹數學模型的概念。通過從現實生活中的應用實例建立線性規劃模型,到使用數學軟件求出模型的解,在此過程中學生可以看到數學建模的全過程,對數學建模有一個初步的了解。這時再給學生介紹全國大學生數學建模競賽相關知識,必能激起學生報名參賽的積極性。
3.2 加強培養學生學習使用基本的數學軟件和掌握相關的計算機操作知識。數學建模和與之相伴的計算機正在成為工程設計中的關鍵工具,這些領域中的科技進展與數學的巧妙結合產生了大量的專業應用軟件,形成了一種強有力的數學技術。
3.3 提高數學建模培訓的系統性和針對性。由于賽前培訓時間較短,只有二十來天的時間,更應該提高培訓的效率,有針對性地給學生進行數學建模強化訓練。除了學生已有的數學基礎外,還要給學生補充模糊數學、離散數學知識。
同時給學生增加信息檢索方面的知識,介紹數學建模論文的寫作格式和要求,并且精選歷年全國大學生數學建模競賽試題來講解。最后給學生留些空余時間進行實戰練習。
3.4 參加數學建模培訓的學生相當于完成一門選修課。鑒于學生參加數學建模培訓和數學建模競賽是一項有益的活動、且需要花費較多的時間和精力,為了鼓勵學生參加大學生數學建?;顒?,建議我院對參加數學建模培訓的學生按選修課登記成績(成績等級由任課老師評定),學生可免修一門相近課時的選修課。
4 建設一支適應指導數學建模競賽的師資隊伍
自從2010年組隊參賽以來,我院共有4名教師參加了數學建模培訓和數學建模競賽的指導工作,主要以青年教師為主。在數學建模培訓過程中,教師是關鍵,教師水平的高低直接決定著數學建模活動能否達到預期的效果。帶領學生參加數學建模競賽,進行數學建模競賽培訓,要求教師具備多方面的條件和素質。既要有廣博的數學及其他交叉學科的知識,且科研、教學能力強,又能夠應用計算機和網絡,還要有較多的實踐經驗和較強的解決實際問題的能力。這需要每年組織相關教師出去進行數學建模的培訓學習,或者參與數學建模的學術會議。
并且加強同行之間的合作交流,互幫互助,共同進步,從而建成一支完善的數學建模教師指導隊伍,促進學院數學建?;顒拥捻樌_展。
參考文獻:
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【關鍵詞】 高中數學 數學建模 建模教學 滲透
數學是研究現實世界數量關系和空間形式的科學,在它產生和發展的歷史長河中。一直是和各種各樣的應用問題緊密相關的。數學模型是數學知識與數學應用的橋梁。研究和學習數學模型,能幫助學生探索數學的應用,產生對數學學習的興趣,對培養學生的創新意識和實踐能力,加強數學建模教學與學習對學生的智力開發具有深遠的意義。
1 數學建模在教學中的重要意義
數學建模是數學學習的一種新的方式,它為學生提供了自主學習的空間,有助于學生體驗數學在解決實際問題中的價值和作用,體驗數學與日常生活和其他學科的聯系,體驗綜合運用知識和方法解決實際數學問題的過程,增強應用意識,有助于激發學生學習數學的興趣,發展學生的創新意識和實踐能力。培養學生的建模意識,教師應首先需要提高自己的建模意識。這不僅意味著教師在教學內容要求上的變化,更意味著要努力鉆研如何結合教材把中學數學知識應用于現實生活,注意研究新教材各個章節要引入哪些模型問題。通過經常滲透建模意識,潛移默化,學生可以從示范建模問題中積累數學建模經驗,激發數學建模的興趣。建模教學的目的是為了培養學生用數學知識去觀察、分析、提出和解決問題的能力,同時還應該通過解決實際問題(建模過程)加深理解相應的數學知識,因此數學課堂中的建模能力必須與相應的數學知識結合起來。數學建??梢蕴岣邔W生的學習興趣,培養學生不怕吃苦、敢于戰勝困難的堅強意志,培養自律、團結的優秀品質,培養正確的數學觀。具體的調查表明,大部分學生對數學建模比較感興趣,并不同程度地促進了他們對于數學及其他課程的學習。有許多學生認為:“數學源于生活,生活依靠數學,平時做的題都是理論性較強,實際性較弱的題,都是在理想化狀態下進行討論,而數學建模問題貼近生活,充滿趣味性”;“數學建模使我更深切地感受到數學與實際的聯系,感受到數學問題的廣泛,使我們對于學習數學的重要性理解得更為深刻”。數學建模能培養學生應用數學進行分析、推理、證明和計算的能力;用數學語言表達實際問題及用普通人能理解的語言表達數學結果的能力;應用計算機及相應數學軟件的能力;獨立查找文獻,自學的能力,組織、協調、管理的能力;創造力、想象力、聯想力和洞察力。由此,在高中數學教學中滲透數學建模知識是很有必要的。
2 數學探究與建模的課程設計
根據新標準的指導精神以及高中數學教學的總體規劃,本文認為高中數學探究與建模的課程設計必須符合以下幾個原則:①實用性原則。作為刻畫自然規律和社會規律的科學語言和有效工具,數學探究與建模課程設計必須以實用性為基本原則。這里實用性包括兩個方面的含義:首先,以日常生活中的數學問題為題材進行課程設計,勿庸質疑,這是實用性原則的最核心體現;其次,保持高中數學的承續作用,為學生未來的工作和學習提供數學探究和建模的初步訓練,這要求課程設計的題材選取必須與高等教學體系和職業需求體系保持一致。如果說,第一層含義體現了數學應用的廣泛性和開放性,那么第二層含義則更多體現了數學應用的針對性。②適用性原則。適用性原則體現的是數學訓練的進階過程,它要求高中數學探究與建模課程必須適應整個高中數學課程體系的總體規劃和學生的學習能力。首先,題材的選取不能過于專業,它必須以高中生的知識水平和知識搜尋能力為界進行設計。這一點保證了數學探究與建模的可操作性,不至于淪為絢麗的空中樓閣或者“艱深”的天幕。再者,題材的選取也不宜過于平淡,正如課程的名稱所示,該課程設計必須注重學生學習過程中的探索性。素質教育的一個核心思想是培養學生的探索精神和創新意識,適用性必須包容這樣的指導精神,即學習的過程性和探索性。③思想性原則。正如實用性原則所指出的,課程設計必須為學生未來的工作和學習提供數學探究和建模的初步訓練。但教育理論同時也指出“授人以魚不如授人以漁”,對數學探究和建模的研究思想的把握將給予學生終生的財富,而非某個特殊的案例和習題。這就要求課程設計的過程中必須提煉出一些具有廣泛應用基礎的一般性模型和理性分析思路,只有在這樣的數學訓練中學生才能有效掌握數學思想、方法,深入領會數學的理性精神,充分認識數學的價值。
3 在教學中注意聯系相關學科加以運用
隨著科技的快速發展,社會對應用型人才的需求日趨增加,高校教育必須加強對學生創新能力和解決實踐問題能力的培養[1]。數學建模正是銜接創造性思維與實際應用的紐帶,通過數學建模課程學習及實踐訓練,學生不僅能了解數學的應用價值,也能鍛煉創新實踐能力。由于數學建模課程的內容涉及的領域多,案例式授課,實際應用性強,與所學的高等數學、工程數學課程不同,不能形成連貫的系統性知識點,學生很難接受這門課程的學習方式。為了讓學生更好地學習數學建模,教師要改進教學模式,根據教學規律的要求,探索數學建模教學方法,將有助于學生掌握數學建模技能,從而提高解決實際問題的能力[2—4]。
二、數學建模的認知
大學開設基礎數學課程能讓學生體會到數學的嚴密邏輯體系及高度抽象的思維方法,但對數學的實際應用介紹的甚少,很難將數學與工程技術、經濟管理、生物信息等其他領域聯系起來。數學建模是用數學語言來描述實際問題,將它變成一個數學問題,再利用現有的數學工具或發展新的數學工具來加以解決的整個過程。通過數學建模學習與實踐,學生在體驗建模過程的同時提高了思維能力和創造能力。數學建模課程的學習,可以重新認識數學的作用。課程重點就是介紹數學應用到實際領域中的方法,結合案例,應用初等數學、高等數學等數學知識來解決不同領域問題。在現實中許多現象及問題都可以用到數學來解釋,如,我們看到一個四條腿椅子經過簡單的移動就可以找到合適的位置放穩現象,用高等數學中的“零點存在定理”很容易解釋這個問題;若知道某珍稀動物各年齡段數量信息,來推測未來種群是否會滅絕,可以用線性代數中的“矩陣”預測未來動物數量分布。書報供應商訂購多少數量的商品才能得到最大收益呢?用概率中的“數學期望”建立報童賣報優化數學模型可解決這類問題。數學建模競賽實踐能更好地培養和提高學生應用數學知識分析問題、解決問題的能力。幾年來,數學建模競賽賽題背景知識廣泛,要想取得好成績,不僅要掌握扎實的數學基礎,較好的計算軟件使用方法,還需要較強的自學能力,廣泛涉獵諸如物理、生物、信息等知識。例如,2012年美國大學生數學建模競賽A題“樹與樹葉”,需要了解植物樹葉生長特點,涉及到生物學知識;2014年全國大學生數學建模賽題A題“嫦娥三號軟著陸軌道設計與控制策略”涉及到萬有引力定律知識。數學建模是以數學為基礎,綜合自然科學和社會科學的實踐活動。學生們可以通過多種途徑了解數學建模,如,與數學建模課程教師咨詢、與參加數學建模系列教學活動的同學交流,瀏覽數學建模網上的數學建模課程介紹及閱讀數學建模書籍等,以獲得更多的數學建模知識與信息。
三、數學建模學習過程
在學習過程中不僅要掌握數學建模的基本方法、數學建模思維模式,同時還要能以團隊形式自主完成一整套數學建模訓練題目,才能體會數學建模的真正內涵。目前,最行之有效的途徑就是參加一次數學建模競賽??蓪祵W建模過程分解為三個階段:數學建模課程學習,數學建模綜合培訓,數學建模競賽及課外科技活動。
1.數學建模課程學習
(1)掌握數學建模的基本方法。數學建?;痉椒ń榻B是從案例分析開始,首先了解問題的背景、要解決的問題,分析用什么數學方法描述問題符合的規律,建立數學模型,并對模型求解,解釋結果合理性??梢跃o跟教師思路,積極展開思考,比較自己的解題思路與教師所講有哪些不同,從簡單的初等數學建模方法入手,了解數學建模的全過程。例如,魚的重量估計問題,在沒有稱重的條件下如何根據魚的長度估計魚的重量呢?在合理的假設下,利用初等比例方法建立魚重量與長度數學模型,利用魚的長度能估計出魚的重量,經驗證結果是有效的。然后,要結合所學的數學知識逐步學習一些基本的建模方法,例如,微分方程建立傳染病模型可以預測流感流行趨勢問題;概率統計方法建立的報童模型可以預測出訂購多少報能獲得最佳受益。最后,要學會模仿案例建模過程完成作業,掌握建模的基本方法和技巧。數學建模過程不是解應用題,雖然沒有唯一途徑,但也有一定規律可循,在學習中要善于思考,慢慢形成建模思維方式,有助于建模能力的提高。
(2)養成良好的自學習慣。數學建模課時有限,許多數學建模方法及案例不能在課堂上介紹,在課余時間同學們可以選讀一些教材中的案例和在期刊公開發表的建模論文,細致研讀案例的建模思想,學會舉一反三,重點是學會分析問題,了解更多領域的數學建模的方法、新穎的建模思想,提高用數學方法解決問題的能力。還可以豐富建模信息量,提高建模能力。同時,還可看到同一問題,可以選用不同的數學方法、從不同角度加以解決,這也是數學建模的魅力所在。例如,鎖具裝箱問題,可以用排列組合方法,也可用圖論方法,都能給出減少鎖具互開的裝箱方案。
2.數學建模綜合培訓
(1)數學建模方法再學習和建模能力強化訓練。隨著數學建模解決問題多元化發展,基本的數學建模方法及計算能力遠遠滿足不了實際問題的需求。因此還應學習一些現代數學方法,如,圖論,模糊數學,多元統計分析等。學會熟練運用計算機軟件技能,如,數學軟件MATLAB,EXCEL數據處理,求解數學規劃軟件及統計軟件。
(2)閱讀建模論文。通過仔細閱讀刊登在雜志或數學建模網站上的數學建模論文,學習論文的整體層次結構,寫作技巧,對問題的分析、假設、模型建立和求解過程。尋找論文的優缺點,并比對論文作者對論文的評價。要善于總結所讀的論文中解決問題的適用類型,如,優化類,預測類等,對于不同問題采用什么方法更合適,以備后繼數學建模中使用。還可以提出自己的一些想法,改進別人做過的模型,或完成其中運算過程。數學建模是一項沒有標準答案的數學應用,模型的研究結果大致符合實際就好。
(3)數學建模模擬訓練。選作歷年數學建模競賽題目或實際問題中提煉出來的數學建模題目,學習查閱資料、分析問題、建立數學模型、使用軟件求解、論文寫作來模擬數學建模全過程。請教師對論文的摘要、結構、模型的準確性、論文語言表述、格式規范等方面提出建議,再經過多輪修改,直至滿意為止。
3.參加數學建模實踐活動
(1)數學建模競賽。參加數學建模競賽是培養綜合應用數學知識解決實際問題的最有效途徑之一,參加一次數學建模競賽才能體會數學的真正魅力。目前開展的數學建模競賽可以分為四個層面,一是美國大學生數學建模競賽(MCM/ICM),是由美國數學及其應用聯合會(CO-MAP)主辦,并得到了SIAM,NSA,INFORMS等多個組織的贊助,是一項具有世界影響的國際級競賽,為現今各類數學建模競賽的鼻祖。二是全國大學生數學建模競賽(CUMCM),是由教育部高等教育司、中國工業與應用數學學會聯合主辦,并得到了高等教育出版社、美國COMAP公司的支持與贊助,是一項全國高校規模最大的基礎性學科競賽,也是世界上規模最大的數學建模競賽。三是地區級、省級、專業類別賽事,如,東三省數學建模聯賽是由黑、吉、遼三省高校聯合發起的科技賽事;電工杯數學建模競賽是由中國電機工程學會電工數學專業委員會主辦的科技活動;數學中國數學建模國際賽(小美賽)是由數學學會與數學中國(www.madio.net)和第五維信息技術有限公司協辦的全國性數學建?;顒印K氖怯尚<夐_展的數學建模競賽活動。在競賽中,調整好心態、應用好文獻資源、積極思考、發揮每個隊員的長處、合理分工是取得成績的必要條件。
(2)數學建模實踐。要善于發現學習和生活中的諸多問題,要學會用數學的眼光看待問題,要用數學建模的方法來解決。例如,在課程設計、畢業設計中,在校園生活中,可能面臨著方方面面的問題。要學會觀察實際現象,提煉出要解決的問題。要真正做到學會發現問題、解決問題,這需要一定的練習過程,也是學好數學建模的必要環節,可以提升自身的綜合素質和創新能力。
四、數學建模提高學生的綜合能力
一次參賽,終身受益。數學建模最能激發人的潛能,數學建模思維方式會影響學生今后的學習和工作方法。數學建模教學內容及教學方法對培養學生的綜合能力尤為突出。主要體現在:
(1)培養學生的想象力、洞察力和創新能力。不論是數學建模課程學習還是實踐,都是針對實際問題,需要學生主動查閱文獻資料和學習新知識,主動探索,提出解決方案,這種學習方式促進了創新能力的形成,也培養了學生從事科研工作的初步能力;同時增強了運用數學知識和計算機技術解決實際問題的能力和團隊協作能力。
數學建模是一種數學的思考方法,是運用數學的語言和方法,通過抽象、簡化建立能近似刻畫并"解決"實際問題的一種強有力的數學手段。建立教學模型的過程,是把錯綜復雜的實際問題簡化、抽象為合理的數學結構的過程。要通過調查、收集數據資料,觀察和研究實際對象的固有特征和內在規律,抓住問題的主要矛盾,建立起反映實際問題的數量關系,然后利用數學的理論和方法去分析和解決問題。
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數學建模建模理念為:
一、應用意識:要解決實際問題,結果、結論要符合實際;模型、方法、結果要易于理解,便于實際應用;站在應用者的立場上想問題,處理問題。
二、數學建模:用數學方法解決問題,要有數學模型;問題模型的數學抽象,方法有普適性、科學性,不局限于本具體問題的解決。
三、創新意識:建模有特點,更加合理、科學、有效、符合實際;更有普遍應用意義;不單純為創新而創新。
當我們完成一個數學建模的全過程后,就應該把所作的工作進行小結,寫成論文。撰寫數學建模論文和參加大學生數學建模時完成答卷,在許多方面是類似的。事實上數學建模競賽也包含了學生寫作能力的比試,因此,論文的寫作是一個很重要的問題。建模論文主要包括以下幾個部分:
一、摘要800字,簡明扼要(要求用一兩字左右,簡明扼要(字左右句話說明題目中解決的問題是什么、用什句話說明題目中解決的問題是什么、么模型解決的、求解方法是什么、么模型解決的、求解方法是什么、結果如何、有無改進和推廣)。有無改進和推廣)。
二、問題的重述簡要敘述問題,對原題高度壓縮,切記不要把原題重述一遍。
三、假設1.合理性:每一條假設,要符合實際情況,要合理;2.全面性:應有的假設必須要有,否則對解決問題不利,可有可無的假設可不要,有些假設完全是多余的,不要寫上去。
四、建模與求解(60~70分)1.應有建模過程的分析,如線性規劃、非線模型中目標函數的推導過程,每一個約束條件的推導過程,切記不要一開始就抬出模型,顯得很突然。2.數學符號的定義要確切,集中放在顯要位置,以便查找。3.模型要正確、注意完整性。4.模型的先進性,創造性。5.敘述清楚求解的步驟。6.自編程序主要部分放在附錄中(所用數學自編程序主要部分放在附錄中。7.結果應放在顯要的位置,不要讓評卷人到處查找。
五、穩定性分析、誤差分析、1、微分方程模型穩定性討論很重要。2、統計模型的誤差分析、靈敏度分析很重要。
六、優缺點的討論1.優點要充分的表現出來,不要謙虛,有多少寫多少2.對于缺點適當分析,注意寫作技巧,要避重就輕。大事化小,小事化了。
七、推廣和改進這是得高獎很重要的一環,如有創新思想即使不能完全完成也不要放棄,要保留下來。
八、文字敘述要簡明扼要、條理清楚、步驟完整,語言表達能力要強。
九、對題目中的數據進行處理問題對題目中數據不要任意改動,因問題求解需要可以進行處理。如何處理,應注意合理性。1.先按題給條件作一次。2.發表自己見解,合理修改題目。
注意事項
關鍵詞: 數學建模競賽 教學模式 綜合素質能力
江漢大學自2002年組隊參加全國大學生數學建模競賽,至今10多年了。最近一年內,在2013年2月派隊參加美國數學建模大賽,獲得一等獎,在4月份和5月份的網絡杯賽中獲得多項二等獎和三等獎,培養了一批優秀的數模人才。因此2013年我校的數模協會吸引了更多的學生加入,大家都渴望通過數模學習提高自己的創新能力和綜合素質能力,并希望在數模比賽中獲得好成績。為了把將來的培訓工作做得更好,我們從以下幾個方面提出了培訓改革方案,并在我校試點實行。
1.校內公開選拔人才作為后備基礎
2013年7月11號開始,統計出《高等代數》或《數學分析》,《線性代數》或《高等代數》,《概率論和數理統計》這幾門數學基礎課平均分在75分以上的全校大二和大三學生,并向他們發出邀請,歡迎他們加入數學建模小組,再進行集中學習和擇優,選出學員參加各類數學建模比賽。雖然數學建模能力與數學成績沒有太大的關系,但是大部分數學基礎好的學生除基礎知識扎實外,平時的學習積極性也很高,在數學建模小組中會以端正的態度對待,這些是必備的基礎。
數學基礎稍差的學生也可以參加,但要有一定的特長,如對算法熟悉,或能熟練操作excel,或有較強的寫作能力。最重要的是要在培訓學習一段時間后,經過考核有明顯的進步。例如有一個機電系的學生對模擬退火算法有一定的研究,我們邀請他加入數學建模小組。
2.鼓勵較早選修與數模相關的課程
數學建模競賽的選題一般來源于工業、農業、工程技術和管理科學等方面,經過適當簡化加工的實際問題,也就是說在建模中不能死板地用數學知識,而是要和實際知識相結合。
《運籌學》是一門利用統計學、數學模型和算法等方法,尋找復雜問題中的最佳或近似最佳的解答的學科。研究運籌學的基礎知識包括圖論、隨機過程、離散數學,線性規劃和非線性規劃,優化理論和算法基礎等。而在應用方面,多與倉儲、物流、優化理論和算法等領域相關。因此運籌學是與應用數學、工業工程、計算機科學等專業密切相關的學科。學好了這門課再加上上述的三門數學基礎課,整個數模所要求的知識就掌握了一大部分。因此,我們應該鼓勵建模班的學生選修《運籌學》,由于我校采用的是選課制,因此實現起來并不難。同樣,熟悉算法和編程能力也是數模中的一大特色和難點,是數學理論和實際應用中結合的重要環節。如果建立了很好的數學模型,不能有效利用計算機求解和計算,最終也是無效的,因此建議學生選修《數值計算方法》或《數學實驗》等計算數學方面的至少一門課程。如果一個學生掌握好了三門數學基礎課,再加上《運籌學》和《數學實驗》(或《數值計算方法》),那他就具備了得獎的必要條件。
我們建議和指導學生選修這兩門課,是要他們掌握這些課程中的相關知識,而不是硬要他們非選不可,不要讓他們理解為是為了建模而選課。但是,在我校的數學專業,《運籌學》和《數值計算方法》是必修的課程;在工課專業,優化理論和數值計算也是很有必要學習的一門課;在經管等專業,《運籌學》也是必選課。在計算機和網絡專業中,在他們的必修課《離散數學》中,也介紹了部分隨機過程,圖論方面的知識,對算法就更熟悉了。因此從整個參賽隊伍來看,無論隊員來自哪個專業,都可以在所在的專業學到所需的知識。我們要做的是將上述理由解釋給他們聽,為了建模而選的課和他們所學專業要求的選修課程并不沖突。但是很多學生習慣在大四時學一些更深的數學知識,我們建議他們較早地選這些課。我校學生大多數在大三時參加數模比賽,這就要他們在大二這一年熟悉優化算法、圖論等方面的知識和上機寫算法程序方面的能力。
3.充分利用網絡教學資源
暑假50多天本是集中學習培訓的好時機,但夏天天氣熱,學生宿舍簡樸,只得讓他們回家完成作業。今年暑期我們布置的作業之一是:看國防科技大學教授吳孟達主講的九集視頻公開課《數學建?!獜淖匀蛔呦蚶硇浴?,看同濟大學數模網上的資料,等等。到下次到校集中培訓時,讓他們交流學習體會和作數模專題的報告。
4.集中訓練學生
一位基礎數學專業的主講老師負責講解初等數學模型,微分方程,層次分析法,模糊數學,決策論等模型;一位統計學專業的主講老師負責講解統計學方面的模型如:回歸分析模型,方差分析模型,主成分分析,MonteCarlo方法等;一位計算數學專業的主講老師負責講解:插值和擬合,差分方程和微分方程的數值解法,模擬退火算法或遺傳算法,以及算法的編程實現和利用數學軟件,如:MATLAB作圖,可視化技術等;一位應用數學專業的主講老師負責講解綜合類的數學建模案例分析和文章的寫作等。
5.積極組織學生參加國內的小、中型比賽
每年積極組織學生參加網絡杯,華中杯等小、中型賽事。這些比賽可以讓學生熟悉建模的過程,綜合運用所學知識,加強三人之間的協助能力,訓練寫作能力;引導學生運用所學的數學知識和計算機技術,提高分析問題、解決問題的能力。如果能在比賽中得獎,將是對他們很大的鼓勵。比賽后總結得與失,為下一步的學習做準備。
6.教師需要增強自身建模意識和能力
數學建模的教學活動為學生提供了一個學習的過程,同時對教師也提出了更高的要求。每年的學生都在更替,但指導教師比較固定。當一個教師剛參加數模組時,他可能對該活動有很多不太了解的地方,但是隨著他的教學經驗和大賽指導經驗積累,他會成為在數模這一方向比較專業的人才,這其實就是學校的財富。
每年的競賽難度都在加大,以2012年A,B題為例,數據明顯增多,每題有四個小問題,對學生來說,要想在規定的時間完成是很吃力的,這就是“水漲船高”的現象。要想取得好成績,指導教師的水平就要大步提高。
我校除了定期在學校內部進行教師之間的學習交流外,還將教師派出參加短中期的培訓,提高他們的建模專業能力、領悟能力和組織能力。鼓勵他們參加數模教改活動和發表數模科研方面的文章。
關鍵詞:數學建模 調研 海南高校 精品課程
一、調研的基本情況
在海南省建設國際旅游島的過程中遇到的如環境監測、能源優化和景點規劃等一系列實際問題如何建模解決成為了海南省內外人士關注的問題,同時在全國大學生數學建模競賽以及美賽的推動下,海南省各高校逐步開始建設具有自己特色的數學建模工作,致力于為建設國際旅游島奉獻一份力量。本文將對此進行一系列調研分析。
1.數學建模是什么。
數學建模是用數學語言描述實際現象的過程,運用數學的語言和方法,通過抽象、簡化建立能近似刻畫并"解決"實際問題的一種強有力的數學手段。
2.對學校和學生的影響。
全國大學生數學建模競賽在與“挑戰杯”創業大賽和“外研杯”英語演講比賽組成大學生的三大項國賽中,其是要求學生知識全面、大腦靈活、開拓創新和堅持不懈并且最容易獲得獎項的國賽。對學校而言:①數學建??梢蕴岣吒咝=處煹乃刭|;②可以提升學校的綜合實力;③為學校優秀畢業生爭取更多的保研資格等。對學生而言:①數學建模過程中的信息收集處理、分析解決問題和語言文字表達能力的培養對日后的畢業設計具有很大影響;②數學建模過程中的思考與團結互助對學術的創新研究具有促進作用;③數學建模還可以讓學生深切感受、理解知識產生和發展的過程等。
為了直觀展示調研結果,我們將所得數據整合如表1所示。
由表1,海南省各高校數學建模指導率為56.25%,其中本科指導率為100%,??茷?0%,可知??圃盒V笇ЯΧ炔粔?;另外,對于多數綜合性大學,其在數學建模的參與獲獎方面均遠遠高于文科或醫科等,得知多數非綜合性大學的學生綜合素質相對欠缺。我們了解了海南省各高校數學建模的現狀:各自發展,本科優勢很大,??戚^為落后。
5、案例分析。
為了更為清晰的展現海南省各高校數學建模的現狀,以我比較熟悉也是自己親身參加了培訓的海南大學為例,簡要研究其近十年來的發展。相關數據如圖2。
從圖2中可以明顯的看出海南大學數學建模僅僅競賽方面逐年提升,無論是參賽規模還是獲獎數量,都有了很大的進步。
二、調研中發現的問題及相關思考
根據“數學中國論壇”不完全統計,以2012年全國大學生數學建模競賽數據為例進行分析,如表2所示。
綜上:海南賽區參賽規模上低于全國平均水平,我們猜測是海南高校少、學生少的原因;另外在全國獎獲獎比率中海南賽區高于全國平均水平,說明參賽隊員的綜合能力較強。對于此,我們不得不產生以下的思考。
1.海南各高校是否有正式的數學建模實驗室?
由于調查問卷回收不完整,所以統計不全面。目前知道海南大學、??诮洕鷮W院和三亞學院等在內的多數高校具有該實驗室,預計海南省各高校數學建模實驗室擁有率約為70%,主要集中在本科院校。
2.本科與專科間的差距最主要原因是不是因為指導老師能力問題?
數據顯示本科高校在數學建模方面建設工作做的較為完善,遠遠優于??圃盒?,我們考慮可能是因為多數本科教師綜合能力強于??平處?,且本科學生的基礎知識掌握由于專本科學生也是一個重要原因。
3.各高校對數學建模建設工作中所投入的人力物力是否合理?
本文曾試這收集關于各高校人力物力投入的相關信息,但是所獲不多,就海南大學而言,個人感覺在人力上從培訓到指導都有多名專業的指導老師,物力上優秀組別有學校免費報名,這極大地激發了學生們參賽的熱情,大大的推動了海南大學數學建模建設工作的進行。
三、調研的結論與相關建議
綜合以上分析,我們得出:①海南省各高校近年來參加全國大學生數學建模競賽的學校在逐步增加,其中本科尤為明顯;②海南省參與全國大學生數學建模時獲得全國獎的比率高于全國平均水平;③海南省各高校自身的數學建模指導或是課程開設覆蓋率50%,不利于學生對數學建模興趣的培養,思維的啟發和數學建模知識體系的完善。
針對以上結論和對數學建模的自身了解,并結合現階段海南各高校數學建模水平提出以下建議:①創建專業的數學建模實驗室,增加數學建模專業指導老師,對學校熱愛數學建模的學生進行正確的引導,對其完成的任務進行指導,以提升學生對數學建模的熱愛;②開設數學建模精品課程。數學建模作為21世紀最廣泛的學術研究,是解決實際問題的有效數學方法,也是高校各科綜合體現的最佳手段,我們應將其增加為我們的精品課程,以培養學生自主創新、思維活躍的綜合能力,從而為祖國培養棟梁、為海南建設國際旅游島培養人才增添一份動力。
參考文獻:
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