數(shù)學(xué)建模與大學(xué)生能力培養(yǎng)

□文/肖 倩聶銘瑋 唐 杰 武 萌 尹亮亮

一、引言

數(shù)學(xué)建模是運(yùn)用數(shù)學(xué)的語言和方法，去描述或模擬實(shí)際問題中的數(shù)量關(guān)系，并解決實(shí)際問題的一種強(qiáng)有力的教學(xué)手段。數(shù)學(xué)建模是應(yīng)用數(shù)學(xué)的語言和方法解決實(shí)際問題的過程，也是一個培養(yǎng)大學(xué)生各種能力的綜合過程。

大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽最早是1985年在美國出現(xiàn)的。1989年在幾位從事數(shù)學(xué)建模教育的教師的組織和推動下，我國幾所大學(xué)的大學(xué)生開始參加美國的競賽。自1994年起，教育部高教司和中國工業(yè)與應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)會共同主辦全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽，每年一屆，這項活動被教育部列為全國大學(xué)生四大競賽之一。隨著全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽的廣泛影響，越來越多的高校組織隊員參加該項競賽，這項競賽的規(guī)模以平均年增長25%以上的速度發(fā)展。2008年全國有31個省/市/自治區(qū)（包括香港）1，023所院校、12，846個隊、38，000多名來自各個專業(yè)的大學(xué)生參加競賽，比2007年新增院校15所。2009年全國有33個省/市/自治區(qū)（包括香港和澳門特區(qū)）1，137 所院校、15，046 個隊、45，000多名來自各個專業(yè)的大學(xué)生參加競賽，是歷年來參賽人數(shù)最多的（其中西藏和澳門是首次參賽）。

20世紀(jì)八十年代以來，我國各高等院校相繼開設(shè)數(shù)學(xué)建模課程。數(shù)學(xué)建模課程是在高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、概率與數(shù)理統(tǒng)計之后，為實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐一體化、進(jìn)一步提高運(yùn)用數(shù)學(xué)知識和計算機(jī)技術(shù)解決實(shí)際問題，培養(yǎng)創(chuàng)新能力所開設(shè)的一門廣泛的公共基礎(chǔ)課。教育必須反映社會的實(shí)際需要，數(shù)學(xué)建模課程進(jìn)入大學(xué)課堂，既順應(yīng)時代發(fā)展的潮流，也符合教育改革的要求。

素質(zhì)教育是新世紀(jì)高校高等數(shù)學(xué)教育改革的一個重要方向。在大學(xué)校園中，數(shù)學(xué)建模課程的開設(shè)及數(shù)學(xué)建模活動的開展，能有效地激發(fā)大學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性，使大學(xué)生掌握準(zhǔn)確快捷的計算方法和嚴(yán)密的邏輯推理，培養(yǎng)大學(xué)生用數(shù)學(xué)工具分析解決實(shí)際問題的能力，是實(shí)施素質(zhì)教育的一種有效途徑。

二、數(shù)學(xué)建模對大學(xué)生能力的培養(yǎng)

通過數(shù)學(xué)建模課程的教學(xué)與參加數(shù)學(xué)建模競賽的實(shí)踐，使我們深刻感受到數(shù)學(xué)建模過程，不僅是對大學(xué)生知識和方法的培養(yǎng)，更是對當(dāng)代大學(xué)生各種能力的培養(yǎng)有著深遠(yuǎn)的意義。

1、有利于提高學(xué)生分析解決問題的能力。數(shù)學(xué)建模教學(xué)強(qiáng)調(diào)如何把實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題，要求建模者利用自己所掌握的數(shù)學(xué)知識及對實(shí)際問題的理解提出合理的假設(shè)，從一個個實(shí)際問題中抽象出數(shù)學(xué)問題，建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，利用恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法來求解此模型，解決實(shí)際問題，并對模型進(jìn)行評價改進(jìn)。因此，數(shù)學(xué)建模教學(xué)為大學(xué)生架設(shè)了由抽象的數(shù)學(xué)理論知識通向具體的實(shí)際問題的橋梁，是使大學(xué)生的數(shù)學(xué)知識和應(yīng)用能力共同提高的有效方式。大學(xué)生通過參與數(shù)學(xué)建模及競賽活動，能切身體會到學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的實(shí)用價值，這是傳統(tǒng)教學(xué)無法達(dá)到的效果，從而激發(fā)了大學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的興趣，提高了學(xué)生分析解決實(shí)際問題的能力。

2、有利于培養(yǎng)大學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)的能力。數(shù)學(xué)建模通過積極主動的發(fā)散性思維，培養(yǎng)學(xué)生“應(yīng)用數(shù)學(xué)”的能力。這是數(shù)學(xué)教育的根本任務(wù)，當(dāng)然應(yīng)當(dāng)成為數(shù)學(xué)應(yīng)用于教學(xué)目的中的重中之重。應(yīng)用數(shù)學(xué)的能力是一種綜合能力，它離不開數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)學(xué)推理、空間想像等基本的數(shù)學(xué)能力，但它主要側(cè)重于從實(shí)際問題中提出并表達(dá)數(shù)學(xué)問題的能力，運(yùn)用并初步構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的能力，對數(shù)學(xué)問題及模型進(jìn)行變換化歸的能力，對數(shù)學(xué)結(jié)果進(jìn)行檢驗和評價、闡釋和處理的能力。數(shù)學(xué)建模過程包括了歸納、整理、推理、深化等過程，因此把數(shù)學(xué)建模引入課堂教學(xué)，學(xué)生能夠?qū)W會如何利用所學(xué)知識構(gòu)造數(shù)學(xué)模型，求解數(shù)學(xué)模型，從而解決實(shí)際問題，并且做出必要的評價與改進(jìn)，從而加深對數(shù)學(xué)知識的理解，提高了應(yīng)用數(shù)學(xué)的能力。

3、有利于學(xué)生抽象概括能力的培養(yǎng)。應(yīng)用數(shù)學(xué)去解決各類實(shí)際問題時，建立數(shù)學(xué)模型是十分關(guān)鍵的一步，同時也是十分困難的一步。建立教學(xué)模型的過程，是把錯綜復(fù)雜的實(shí)際問題簡化，抽象、概括為合理的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)的過程。抽象是抽取事物的本質(zhì)屬性，使它與其他屬性分開；概括是將同類事物的相同屬性結(jié)合起來。抽象和概括是緊密聯(lián)系的，只有抽象出事物的本質(zhì)屬性才能進(jìn)行概括，如果思維不具有概括性也無從進(jìn)行抽象。抽象能力是指在建模過程中能拋棄無關(guān)的非本質(zhì)因素，從本質(zhì)上看問題，自覺地進(jìn)行層層的抽象概括，建立數(shù)學(xué)模型的能力。數(shù)學(xué)建模過程使學(xué)生對復(fù)雜的事物，有意識地區(qū)分主要因素與次要因素，本質(zhì)與表面現(xiàn)象，從而抓住本質(zhì)解決問題。它有利于提高學(xué)生思維的深刻性和抽象概括能力，它主要體現(xiàn)在學(xué)生能善于從復(fù)雜的事物中把握事物的本質(zhì)及規(guī)律，使學(xué)生面對具體問題能有條理地在簡約狀態(tài)下進(jìn)行思考，并有助于真理的發(fā)現(xiàn)。

4、有利于提高大學(xué)生自學(xué)的能力。數(shù)學(xué)建模以學(xué)生為主，教師事先設(shè)計好問題，啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生主動查閱文獻(xiàn)資料和學(xué)習(xí)新知識，鼓勵學(xué)生積極開展討論和辯論。學(xué)生通過學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)建模課程，參加數(shù)學(xué)建模競賽，需要自學(xué)他完全不了解或知之不多的有關(guān)學(xué)科的專業(yè)知識，在這個過程中，有助于培養(yǎng)大學(xué)生獲取新知識的主動精神，有利于提高大學(xué)生的自學(xué)能力。

參加數(shù)學(xué)建模競賽賽前培訓(xùn)的同學(xué)大都需要學(xué)習(xí)諸如數(shù)理統(tǒng)計、優(yōu)化、微分方程、計算方法、層次分析法、數(shù)學(xué)軟件包的使用等等講座，用的學(xué)時并不多，多數(shù)是啟發(fā)性的講一些基本的概念和方法，主要是靠學(xué)生自己去學(xué)，充分調(diào)動學(xué)生們的積極性，充分發(fā)揮學(xué)生們的潛能。同時，在比賽的短短3天時間里，要查閱大量的資料，取其精華，從中尋找到所需要的資料，收集必要的信息，這也必須要求大學(xué)生掌握科學(xué)的方法。這種能力必將使大學(xué)生在未來的工作和科研中受益匪淺。

5、有利于培養(yǎng)大學(xué)生的洞察力和想像力。洞察力是人們對個人認(rèn)知、情感、行為的動機(jī)與相互關(guān)系的透徹分析。通俗地講，洞察力就是透過現(xiàn)象看本質(zhì)，變無意識為有意識。就這層意義而言，洞察力就是學(xué)會用心理學(xué)的原理和視角來歸納總結(jié)人的行為表現(xiàn)。洞察力是指深入事物或問題的能力，更多的是摻雜了分析和判斷的能力，可以說洞察力是一種綜合能力。

想像力是人在已有形象的基礎(chǔ)上，在頭腦中創(chuàng)造出新形象的能力。A.Einstein有一句名言：想像力比知識更重要，因為知識是有限的，而想像力包括世界的一切，推動著社會進(jìn)步，并且是知識的源泉。這句話可以認(rèn)為是開設(shè)“數(shù)學(xué)建?！边@門課程的一個指導(dǎo)思想。

數(shù)學(xué)建模的模型假設(shè)過程就是根據(jù)對實(shí)際問題的觀察分析、類比、想像，用數(shù)理建模或系統(tǒng)辨識建模方法作假設(shè)，通過形象思維對問題進(jìn)行簡單化、模型化，做出合乎邏輯的想像，形成實(shí)際問題數(shù)理化的設(shè)想。例如，2006年全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽中C題“易拉罐的最優(yōu)設(shè)計問題”，第四問要求大學(xué)生利用對所測量的易拉罐的“洞察力和想像力”，做出自己的關(guān)于易拉罐形狀和尺寸的最優(yōu)設(shè)計。大學(xué)生做題的過程，無異于是對大學(xué)生洞察力和想像力培養(yǎng)的真實(shí)體現(xiàn)。

6、有利于提高大學(xué)生利用計算機(jī)解決問題的能力。首先，計算機(jī)是數(shù)學(xué)建模的得力助手。數(shù)學(xué)建模過程中，大多數(shù)問題靈活多變，很多模型的求解都面臨著大量的計算；其次，所建模型是否與實(shí)際吻合，常常要用模型的解來判斷，而且這種工作，在建立一個實(shí)際問題的數(shù)學(xué)模型中經(jīng)常要重復(fù)多遍。因此，熟練使用計算機(jī)計算數(shù)學(xué)問題是對學(xué)生的必須要求。我們倡導(dǎo)大學(xué)生盡量利用計算機(jī)程序或某些專用的數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件如Mathematica、Matlab、Lingo、Mapple 等，以及當(dāng)代高新科技成果，將數(shù)學(xué)、計算機(jī)有機(jī)地結(jié)合起來去解決實(shí)際問題。數(shù)學(xué)建模教學(xué)中結(jié)合實(shí)驗室上機(jī)實(shí)踐，計算機(jī)的應(yīng)用不僅僅表現(xiàn)在數(shù)學(xué)建模中模型的簡化與求解，而且給大學(xué)生提供了一種評價模型的“試驗場所”，這就有助于培養(yǎng)大學(xué)生利用數(shù)學(xué)軟件和計算機(jī)解決實(shí)際問題的能力。

7、有利于培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力。創(chuàng)新是指人類為了滿足自身的需要，不斷拓展對客觀世界、自身任職與行為過程和結(jié)果的活動。創(chuàng)新能力指人在順利完成以原有知識經(jīng)驗為基礎(chǔ)的創(chuàng)建新事物活動中表現(xiàn)出來的潛在心理品質(zhì)。我們在教學(xué)中應(yīng)給學(xué)生留有充分的余地，鼓勵學(xué)生開闊視野、大膽懷疑、勇于進(jìn)取、勇于創(chuàng)新，讓學(xué)生充分發(fā)揮想像力，不拘泥于用一種方法解決問題，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。在數(shù)學(xué)建模競賽中，對給出的具體實(shí)際問題，一般不會有現(xiàn)成的模型，這就要求大學(xué)生在原有模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行大膽的嘗試與創(chuàng)新。創(chuàng)新是一個民族的靈魂，只有創(chuàng)新才能發(fā)展。而創(chuàng)新教育是以全面、充分發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造力為核心的教育，它是適應(yīng)經(jīng)濟(jì)時代發(fā)展的教育思想。數(shù)學(xué)建模課程就是培養(yǎng)創(chuàng)新能力的一個極好的載體，數(shù)學(xué)建模的過程是一個創(chuàng)造性的過程,我們應(yīng)該充分發(fā)揮它在創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的作用，它為培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)造性思維能力和創(chuàng)新精神提供了廣闊的空間。

8、有利于提高大學(xué)生論文寫作和表達(dá)能力。數(shù)學(xué)建模成績的好壞、獲獎級別的高低與論文撰寫有著密切關(guān)系，數(shù)學(xué)建模的答卷是評價的唯一依據(jù)。建模方法獨(dú)特、結(jié)果出色，但如果不能做到結(jié)構(gòu)清晰、重點(diǎn)突出、文字流暢，也將會失去獲獎的機(jī)會。寫好論文的訓(xùn)練，是科技寫作的一種基本訓(xùn)練。通過建模競賽，學(xué)生能夠?qū)W會如何更加準(zhǔn)確地闡述自己的觀點(diǎn)。所以，數(shù)學(xué)建模對培養(yǎng)學(xué)生的論文寫作能力和表達(dá)能力，都起到了積極的作用。

9、有利于培養(yǎng)大學(xué)生的合作交流能力和團(tuán)隊合作精神。數(shù)學(xué)建模的問題涉及各個領(lǐng)域，都有一定的深度和廣度，所需知識較多，數(shù)學(xué)建模課程廣泛地采用討論班的教學(xué)方式，同學(xué)自己報告、討論、辯論，教師主要起質(zhì)疑、答疑、輔導(dǎo)的作用，與此同時，同學(xué)之間互相平等，互相尊重，培養(yǎng)了學(xué)生合作交流的能力。

數(shù)學(xué)建模競賽是以3人一隊為單位參加的，要求大學(xué)生在3天內(nèi)以論文形式完成所選題目。比賽成功與否取決于團(tuán)隊協(xié)同作戰(zhàn)的好壞，要較好地完成任務(wù)，離不開良好的分工協(xié)作。在比賽中，隊員以小組為單位共同討論，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，表達(dá)各自的意見，彼此協(xié)調(diào)以求共識，共同完成考試。大學(xué)生在這個過程中，必須學(xué)會如何清楚地表達(dá)自己的思想，實(shí)現(xiàn)知識的交流與互補(bǔ)；必須學(xué)會如何傾聽別人的意見以發(fā)揮整體的作用；必須學(xué)會如何與別人合作，從不同觀點(diǎn)中總結(jié)出最優(yōu)的方案以謀求最大成功。與此同時，培養(yǎng)了大學(xué)生積極合作、互相學(xué)習(xí)的團(tuán)隊精神，使大學(xué)生受到了集體主義精神的熏陶。

三、結(jié)束語

綜上，數(shù)學(xué)建模教學(xué)可以創(chuàng)造一個環(huán)境去誘導(dǎo)大學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，培養(yǎng)大學(xué)生主動探索、努力進(jìn)取的學(xué)風(fēng)，這一過程的重點(diǎn)是培養(yǎng)大學(xué)生的各種能力。但是，能力的提高是一個循序漸進(jìn)的過程，需要指導(dǎo)老師和學(xué)生的共同努力。想方設(shè)法提高大學(xué)生的數(shù)學(xué)建模能力，可以提高他們的數(shù)學(xué)素質(zhì)，更重要的是促進(jìn)大學(xué)生全面素質(zhì)的提高。

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