將數(shù)學建模思想融入土建類專業(yè)實踐教學中的探索與實踐

孫海義+李寧+靖新+繆淑賢

[摘 要]為了培養(yǎng)既具備扎實的知識、素質和綜合能力，又能面向建筑行業(yè)的生產(chǎn)、管理、建設、服務第一線的高級應用型、實踐型專門人才，積極開展應用型大學教育，將數(shù)學建模思想引入建筑類專業(yè)教學中具有必要性。數(shù)學建模課程的改革探索與實踐，包括教學、課程體系的改革與實踐、數(shù)學建模學科競賽體系的改革與實踐，以及網(wǎng)上數(shù)字平臺的構建等方面。

[關鍵詞]數(shù)學建模思想;土建類專業(yè);實踐教學;探索與實踐

[中圖分類號] O13;G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）11-0152-02

進入21世紀，我國高新科技的迅猛發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結構的不斷升級對高等教育提出了新的要求。一些建筑類院校為適應社會和市場需求，積極開展應用型大學本科教育，培養(yǎng)既具備扎實的知識、素質和綜合能力，又能面向建筑行業(yè)的生產(chǎn)、管理、建設、服務第一線的高級應用型、實踐型專門人才。但目前各個地區(qū)的建筑類院校在培養(yǎng)工程人才的過程中，大都存在工程實踐能力不足，工程實踐性教學模式及內容與工程實際差距大，工程實踐教學內容結構缺乏特色性和整合性，實地工程訓練不足，研究型、創(chuàng)新型教育理念不足，土木工程實踐教學方面的師資力量不足等局限性。解決上述不足已成為一項迫切的需要。要實現(xiàn)這一目標，建筑類院校工程教育實踐教學體系的改革勢在必行。數(shù)學建模思想的引入和數(shù)學建模仿真實驗室的建設，可以從很大程度上解決這些問題。

一、將數(shù)學建模思想引入建筑類專業(yè)實踐教學中的必要性

在培養(yǎng)建筑類應用型本科人才方面，最重要的途徑就是進行實訓教學，培養(yǎng)學生在行動學習方面的能力。實訓教學是復合型人才培養(yǎng)的重要組成部分，是不可或缺的一項教學環(huán)節(jié)，是實行實踐教學各個環(huán)節(jié)最基本的物質保障和依托。目前，實訓教學在實施過程中受到以下幾方面因素的制約。

1.實驗硬件條件的不足與實驗課時之間存在矛盾，多數(shù)建筑類高校的實驗室和實驗設備的數(shù)量不足，很難滿足實驗教學課時的需求。

2.由于施工現(xiàn)場的危險性比較大而且技術復雜，學生在單位實習時存在安全隱患，很多施工單位不愿給學生提供實習崗位。這對學生的場地實習造成一定的限制，學生們很難完全建立對施工工藝和施工技術等的感性認識。

3.由于有些實踐環(huán)節(jié)所做實驗具有破壞性，而且實驗成本很高，很難反復對某一過程進行盲目的重復實驗。

4.由于施工的季節(jié)性等原因，學校教學和社會實訓在進度上有差異，導致在時間上不能同步，不能很好地協(xié)調。

數(shù)學建模和數(shù)學仿真實驗室的建設可以很好地解決上述問題。利用數(shù)學建模思想和數(shù)學仿真實驗室，可以采用多種技術手段，如數(shù)值模擬、計算機仿真技術、視頻、甚至是實物等，以彌補實驗室硬件匱乏的不足，這在滿足學生實驗課時的同時，還減少了實驗室經(jīng)費的投入。利用計算機軟件的各種仿真技術，還可以充分調動學生學習的主動性和積極性，將實驗進行分角色設計能夠提高學生的創(chuàng)新能力和應變能力。[1]特別是對于一些具有破壞性而且成本較高的實驗，可以先利用數(shù)學建模思想進行建模和可行性分析、計算，再結合仿真，這樣既可以減少實驗的次數(shù)、節(jié)約成本，又可以有的放矢。實驗室模擬系統(tǒng)可以利用動畫的形式提供施工現(xiàn)場和施工環(huán)境，使學生能夠在一個仿真的工作環(huán)境中進行實驗實習。模擬實驗室能使學生隨著教學進度從感性上理解教學內容，克服理論與實踐相脫節(jié)的問題。傳統(tǒng)的教學手段和實驗針對的是一門具體的課程，而模擬實驗則提供了一個有效的綜合實驗工具箱，可以讓學生將所學課程進行綜合性的集成實驗。[2]

此外，建筑類普通高等院校在教學中理論教學與實踐教學相脫節(jié)、工科教學中學生數(shù)學方面綜合素質的缺失等問題較為突出。這些問題的存在嚴重影響著學生實踐創(chuàng)新能力的形成。而數(shù)學建模是一門十分重視理論和實際相結合的課程，它與傳統(tǒng)的數(shù)學課程有著較大的區(qū)別。加強對學生進行嚴格的數(shù)學技能和數(shù)學理論的訓練，將學生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)作為主要目標，是發(fā)揮數(shù)學應用功能的重要方法。因此，提供并重視數(shù)學建模的教學可以有效地培養(yǎng)建筑類學生的實踐創(chuàng)新能力。而將數(shù)學建模、數(shù)學仿真和行動學習與建筑類專業(yè)課程系統(tǒng)、有機的結合還存在一定的差距，還有待進一步的完善和提高。[3]

基于上述原因，本文試圖將數(shù)學建模思想應用于建筑類專業(yè)實訓教學訓練中，培養(yǎng)學生行動學習的能力，并對此進行深入的研究和探索。依托應用型本科教育的人才培養(yǎng)模式，對高等工科學校教學工作進行相應的改革是當前建筑類高校最重要的任務之一，這為建筑類院校高等工程教育的改革實踐活動提供了借鑒和參考。

二、將數(shù)學建模思想引入建筑類專業(yè)實踐教學中的實施方案

（一）數(shù)學建模課程體系的改革與實踐

針對建筑類專業(yè)課程中所涉及的實際問題數(shù)學計算量較大且較難的情況，應加強數(shù)學實踐教學，增設數(shù)學建模在工程中的應用、數(shù)學實驗、數(shù)學選講、數(shù)學建模講座、數(shù)學建模競賽培訓等，以增強學生運用數(shù)學建模思想解決實際問題的能力和復雜數(shù)值計算的能力，減輕傳統(tǒng)方法進行數(shù)值計算的計算量，彌補傳統(tǒng)工科數(shù)學教學中的不足。在授課過程中，將運用Matlab、SPSS、Mathematics、Lindo / Lingo等常見的數(shù)值計算軟件，將求解數(shù)值問題初步能力的培養(yǎng)融入建筑類專業(yè)課程的教學中，特別是針對有些實踐環(huán)節(jié)所做實驗具有破壞性、實驗成本很高、很難反復對某一過程進行盲目的重復實驗這一情況，可以先運用軟件進行計算、仿真和模擬，從而減少實驗次數(shù)，做到有的放矢，促進數(shù)學建模和數(shù)學實驗與建筑類專業(yè)課程實踐教學在實際中的有機銜接。

（二）數(shù)學建模競賽體系的改革與實踐

以東三省數(shù)學建模競賽、全國大學生數(shù)學建模競賽和美國大學生數(shù)學建模競賽為載體，加大數(shù)學建模課程的實踐力度，建立完善的數(shù)學建模競賽體系以提高學生運用數(shù)學解決實際問題的綜合素質。數(shù)學建模競賽的論文寫作與建模競賽是學生綜合素質最好的檢驗和提高方式。數(shù)學建模實踐教學和競賽活動能夠充分調動學生的積極性和主動性，對學生創(chuàng)新精神和綜合素質的培養(yǎng)，以及增強學生團結合作精神、提高學生協(xié)調組織能力都非常有好處。

在運用學科競賽來促進創(chuàng)新人才培養(yǎng)這一理念的基礎上，筆者緊緊圍繞數(shù)學建模競賽管理體系概念和相關理論，立足于現(xiàn)有數(shù)學建模競賽管理體系研究，針對數(shù)學建模競賽管理體系不完整、不規(guī)范的問題，通過過程分析、文獻統(tǒng)計和我校數(shù)學建模競賽案例研究三種研究方法，提出了一套科學、合理的數(shù)學建模競賽管理體系，并對數(shù)學建模競賽體系的因素、結構、目的和體系與建筑類專業(yè)教學系統(tǒng)之間的關系進行了深入的探討。[5]

近三年，我校教師指導學生參加國際大學生數(shù)學建模競賽獲一等獎1項、二等獎20項;指導學生參加全國大學生數(shù)學建模競賽獲全國一等獎1項、全國二等獎19項;省一等獎40項、二等獎43項、三等獎57項;東三省大學生數(shù)學建模競賽一等獎4項、二等獎8項、三等獎10項。

（三）構建網(wǎng)上數(shù)字平臺，奠定仿真教學基礎

在模塊化、層次化教學體系的主導下，構建基于網(wǎng)絡的面向先進建筑類仿真技術的工程訓練教學平臺，為學生提供仿真設計和自我學習環(huán)節(jié)。該平臺的建設不僅為實施虛擬實驗、構建數(shù)字化模型和先進數(shù)字技術共享創(chuàng)造了條件，而且為仿真技術的教學運用奠定了基礎。仿真技術的施工實訓方案能夠有力彌補傳統(tǒng)實踐教學的不足。平臺通過局域網(wǎng)和接口開發(fā)完成各類數(shù)控設備的連接，實現(xiàn)信息資源共享;平臺還可以開展網(wǎng)上教學、實現(xiàn)網(wǎng)絡化管理，增加先進制造技術的實習內容;平臺的建立能夠極大地滿足建筑類高校工程訓練的教學需求，提高學生的學習興趣，為培養(yǎng)高素質、高技能、高層次及具有創(chuàng)新能力的復合型人才起到積極的作用。

加強建筑類高校數(shù)學建模課程體系改革、實現(xiàn)建筑類高校專業(yè)課程與數(shù)學建模的有機對接是一項長期、艱巨的任務，需要高等建筑教育工作者長期不懈的努力。隨著數(shù)學建模思想在建筑類專業(yè)影響的日益擴大，很多教師在教學各個環(huán)節(jié)中融入了數(shù)學建模的教學方法和案例，拓展了學生數(shù)學綜合素質的訓練。這在一定程度上對加快建筑類高校人才培養(yǎng)模式的改革，適應新型建筑行業(yè)技術應用型人才培養(yǎng)起到了推動作用。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 姜啟源，謝金星.一項成功的高等教育改革實踐——數(shù)學建模教學與競賽活動的探索與實踐[J].中國高教研究，2011（12）：79-83.

[2] 周國恩.仿真技術在土木工程施工教學中的應用研究[J].大眾科技，2013（4）：243-244.

[3] 中共遼寧省委.遼寧省中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）.遼委發(fā)[2010]19號.2010-12-16.http：//www.ln.gov.cn / zfxx / lnsrmzfgb / 2011 / d1q / szfbgtwj / ?201105 / t20110504_652154.html.

[4] 孫海義，李寧，靖新.土建類專業(yè)數(shù)學課程的教學改革與實踐[J].高等建筑教育，2012（5）：97-100.

[5] 李大潛.中國大學生數(shù)學建模競賽（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2011：5-10.

[責任編輯：陳 明]