運籌與優(yōu)化課程拓展化教學模式改革研究初探

過曉芳

摘要：結合運籌學學科交叉性強的特點，針對目前課堂教學模式存在的不足，提出了拓展化教學模式探索的幾條新思路：教學內(nèi)容深度和廣度擴展，開展第二課堂等，已達到培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的目的。

Abstract： Considering the interdisciplinary characteristics of operational research， some new ideas of reform on expanding teaching mode is developed in this paper aiming for improving the shortcoming of current teaching mode. e.g. expanding the teaching content in depth and breadth， carrying out the secondary classroom， etal. This measures will be carried out to cultivate the ability of innovation of students.

關鍵詞：運籌學；優(yōu)化；交叉性；拓展化

Key words： Operational Research；optimization；interdisciplinary；expanding

中圖分類號：G642.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）13-0253-02

0 引言

從二十世紀三四十年代到如今，運籌與優(yōu)化課程已經(jīng)經(jīng)歷了80多年的發(fā)展，并逐步成為一門系統(tǒng)的研究和解決實際問題的學科。它針對實際應用領域的具體問題，廣泛應用現(xiàn)有的科學技術知識和數(shù)學方法，發(fā)揮有限資源的最大效益，以此達到最優(yōu)的目標。目前，運籌學的研究成果已經(jīng)廣泛的應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、管理、交通運輸、計算機通訊與網(wǎng)絡的各個領域。

80多年來，運籌學學科中的新理論、新模型和新算法在解決實際問題的過程中不斷涌現(xiàn)，研究的問題也變得越來越復雜，從線性問題發(fā)展到非線性問題，連續(xù)問題拓展到離散問題，確定性問題延伸到不確定性問題，運籌學理論得到了不斷的發(fā)展和壯大。目前，運籌學已經(jīng)囊括了數(shù)學規(guī)劃、組合優(yōu)化、隨機優(yōu)化、博弈論、管理科學、智能計算、金融工程和統(tǒng)計優(yōu)化等諸多分支。隨著科技日新月異的發(fā)展，運籌學發(fā)展又呈現(xiàn)出與許多學科交叉發(fā)展的多元化趨勢[1]，例如運籌學與生命科學、網(wǎng)絡科學、管理科學的交叉。

運籌與優(yōu)化課程的真正價值在于為各個領域的實際應用決策問題提供一套切實可行的解決方法，它求解問題方法可以概括為以下幾個階段[2]：①在實際問題中提取相關要素：決策變量、目標和約束條件，將其表示成一個運籌學問題，并建立相應的數(shù)學模型。②根據(jù)①所建立數(shù)學模型的特點，尋求合適的求解算法求出問題的最優(yōu)解或者滿意解；③若求解問題的規(guī)模較大，則需要編程實現(xiàn)算法，并對數(shù)值結果進行分析；④判斷模型和解法的有效性，提出解決原始實際問題的方案。這些階段并不是相互獨立的，也決非依次進行的[3]。

鑒于實際問題的跨學科交叉性，而利用運籌學求解問題涉及到數(shù)學建模、數(shù)學理論知識和計算機編程仿真等多個階段。從目前我校運籌與優(yōu)化課程教學模式來看，我們?nèi)匀煌Ａ粼趥鹘y(tǒng)的課堂講授理論環(huán)節(jié)，注重理論講授和公式推導，缺乏與實際相結合，與上機實踐相結合的缺陷，從而忽視了對學生創(chuàng)新能力和實踐能力的培養(yǎng)。為了培養(yǎng)學生利用系統(tǒng)的思想解決優(yōu)化問題的思維方式，提高學生動手能力，我們采用拓展化的教學模式，對運籌與優(yōu)化課程教學改革提出幾點建議。

1 教學過程中注重優(yōu)化思想的滲透

運籌與優(yōu)化課程的核心就是將所學習的優(yōu)化的思想和相關數(shù)學理論應用于解決實際問題，運籌學問題的求解包含了建模、設計算法和編程求解三部分。建模的過程就是利用數(shù)學的思想和語言去近似地刻畫實際問題，根據(jù)建立的數(shù)學模型設計合適的運籌學算法，并用計算機完成求解。在學生利用運籌學知識解決實際問題的過程實際上是數(shù)學認識的過程，通過這個過程將運籌學的知識結構轉(zhuǎn)化為自己的數(shù)學認識結構。在這個過程中，我們不滿足于單純的只是理論的灌輸，重點在于對學生進行“優(yōu)化”這一重要數(shù)學思想的滲透，從而培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維能力。其實，優(yōu)化思想的滲透體現(xiàn)在日常授課的各個環(huán)節(jié)。

首先，在背景知識的講授中滲透優(yōu)化的思想。在介紹理論知識之前給學生先介紹一些數(shù)學背景，會極大地提高學生的學習興趣。例如，在緒論中講授“運籌帷幄”、“田忌賽馬”的典故，華羅庚燒水泡茶的統(tǒng)籌方法，在圖論中介紹哈密爾頓環(huán)游世界問題，哥尼斯堡七橋問題，路網(wǎng)連通規(guī)劃問題等等，這些實際問題相關的背景知識的介紹，都在一定程度上體現(xiàn)了處處優(yōu)化的思想。

其次，在概念和原理公式的講授中滲透優(yōu)化的思想[4]。運籌學中很多原理性的內(nèi)容涉及到很多數(shù)學知識和公式推導，學生學習起來普遍感覺難度很大。但是很多知識都是有一定的背景的，如果能注重實質(zhì)，在講授中滲透優(yōu)化思想，就能達到更好的教學效果。例如，動態(tài)規(guī)劃理論中的概念較多，學生理解起來感覺相對繁瑣，我們可以在講授過程中結合設備更新的具體問題，從而引入多階段決策，階段，狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移等概念，避免了直接講授概念的枯燥性。

2 將課堂教學體系向橫向和縱向拓展

目前現(xiàn)行的運籌與優(yōu)化課程的教學內(nèi)容由線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃、圖論五部分組成，教師在教學過程中注重基本概念的定義、定理的證明、算法的描述和解題技巧的介紹，唯獨忽視了與實際問題相結合。因此，我們教學內(nèi)容的重點應該轉(zhuǎn)移到如何結合實際問題建立數(shù)學模型，如何利用數(shù)學軟件完成模型的求解和分析上面，提高學生的學習興趣和動手能力，從而將教學內(nèi)容向橫向和縱向拓展。

教學內(nèi)容的橫向拓展是指在課堂教學中，在背景知識的引入中結合案例教學，讓學生全程參與到教學討論中來，教師引入實際問題，學生主動參與到問題的定性研究，建模分析，定量計算和實踐檢驗的過程中來，在師生互動的討論中找到解決問題的方法，總結相關的重要結論，讓學生逐步認識到優(yōu)化思想存在于實際問題的方方面面，增加學生的學習興趣。

由于現(xiàn)代優(yōu)化方法的求解與計算機學科緊密聯(lián)系，所以教學內(nèi)容的縱向拓展是指在課堂教學過程中增加最優(yōu)化計算軟件的使用方法的介紹，例如如何調(diào)用Matlab優(yōu)化工具箱函數(shù)求解數(shù)學規(guī)劃的最優(yōu)解，如何通過編寫Matlab程序設計算法來求解最優(yōu)解。同時，在介紹解析算法的同時，教師還可以為學生介紹一些只利用函數(shù)值信息來尋求優(yōu)化問題最優(yōu)解的直接搜索算法和現(xiàn)代優(yōu)化算法，以此來拓寬學生學習的知識面。

3 拓展第二課堂，遵循“知識+能力+素質(zhì)”協(xié)調(diào)發(fā)展的新理念

由于目前運籌學課程的課時限制，教師在課堂上無法突出實踐教學能力的培養(yǎng)，為了解決這個問題，我們計劃拓展第二課堂，在課下引入實踐環(huán)節(jié)，將教學過程由課內(nèi)延伸到課外，一來可以加強學生對于基本理論和基本原理的理解掌握，二是培養(yǎng)學生的創(chuàng)新和動手能力。

第二課堂的執(zhí)行可以通過兩種途徑實現(xiàn)。一種是教師針對某一實際問題，要求學生以小組的形式課下設計解決方案，建立數(shù)學模型，設計算法，編程求解，學生在一起參與討論，撰寫論文。同時鼓勵學生積極參與數(shù)學建模競賽，提高動手能力。第二種是開設開放性實驗課堂，為學生開設一些基礎實驗和驗證性實驗，讓學生運用運用Matlab軟件完成實際問題的求解。

4 將單一考核方式向多元化考核體系拓展

目前本專業(yè)的運籌學課程普遍采取一次性期末考試來測評學生成績，這種考核方式在較短的時間內(nèi)更多考查的是學生的識記能力，解題能力和運算能力；而與我們教學大綱中培養(yǎng)學生解決實際問題的能力與動手能力的初衷相去甚遠。

因此，我們可以采用多元化的考核方法，實行全過程行程式的考核方式，最終的總評成績由建模論文實訓成績、上機操作成績、課堂討論和平時作業(yè)等多部分組成，多種考核方式的綜合評定，有效地避免了學生應試學習的心理，培養(yǎng)了學生解決實際問題和軟件應用的能力。

5 總結

運籌與優(yōu)化課程教學既要注重基本運籌學方法的講授，又要培養(yǎng)學生動手解決實際問題的能力，我們在教學體系、教學內(nèi)容和考核方式三方面進行了拓展化改革，同時，作為教學主體的教師還應該不斷提高自身的科研水平，將理論知識與工程管理科研實踐相結合，并將自身的科研成果在課堂教學中體現(xiàn)出來，做到與時俱進。

參考文獻：

[1]胡曉東，袁亞湘，章祥蓀.運籌學發(fā)展的回顧與展望[J].中國科學院院刊，2012，27（2）：145-160.

[2]運籌學教材編寫組.運籌學[M].四版.清華大學出版社，2014.

[3]張杰，郭麗杰.運籌學課程的改革與數(shù)學建模教育[J].高等數(shù)學研究，2007，10（1）：102-105.

[4]鄭金山.高等數(shù)學教育中滲透數(shù)學建模思想的研究[J].高師理科學刊，2015，35（4）：71-73.