數(shù)學(xué)建模開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與探索

曹貽鵬 許 飛 陳 平

陸軍裝甲兵學(xué)院基礎(chǔ)部 北京 100072

實(shí)驗(yàn)室建設(shè)是教學(xué)條件建設(shè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，也是高等院校培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神人才的重要環(huán)節(jié)和實(shí)踐基地[1]。傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)課程教學(xué)注重對(duì)學(xué)生數(shù)學(xué)理論知識(shí)的傳授，課堂教學(xué)以邏輯推導(dǎo)和計(jì)算為主，學(xué)生的邏輯思維和抽象思維能力得到了很好的訓(xùn)練。在信息化、大數(shù)據(jù)背景下，以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為工具對(duì)復(fù)雜問題進(jìn)行建模、仿真及求解的具有創(chuàng)新精神的復(fù)合型人才越來越受到重視。基于數(shù)學(xué)建模的開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室通過軟、硬件和教學(xué)資源的建設(shè)，為學(xué)生提供了一個(gè)能夠自主學(xué)習(xí)的平臺(tái)，學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力可以在開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室得到系統(tǒng)培養(yǎng)和強(qiáng)化。

1 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的基本情況

1.1 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的意義

基于數(shù)學(xué)建模的開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室是以學(xué)生為中心，以全面培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)創(chuàng)新意識(shí)與數(shù)學(xué)應(yīng)用能力為目標(biāo)的開放性實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)是信息化、大數(shù)據(jù)背景下人才培養(yǎng)模式改革的趨勢(shì)，也是高素質(zhì)人才培養(yǎng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。數(shù)學(xué)建模開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室以開展數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)類課程教學(xué)為依托，以各級(jí)建模競(jìng)賽為牽引，打破傳統(tǒng)封閉的管理模式，以“開放”“創(chuàng)新”為特色，通過學(xué)習(xí)模式的轉(zhuǎn)變旨在為學(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)平臺(tái)。“開放”具有兩層含義，一是時(shí)間與資源上的開放，實(shí)驗(yàn)室在正課之余盡可能多地提供服務(wù)學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)和學(xué)習(xí)資源[2]；二是人員上的開放，既面向本校各培養(yǎng)層次學(xué)生，也面向校內(nèi)有需要的教職員工?！皠?chuàng)新”是指實(shí)驗(yàn)室的工作重點(diǎn)在于培養(yǎng)學(xué)生的以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為工具解決實(shí)際問題的創(chuàng)新、實(shí)踐能力。通過實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)培訓(xùn)，學(xué)生的數(shù)學(xué)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力能夠得到有效提高，特別是應(yīng)用數(shù)學(xué)軟件進(jìn)行建模、仿真和解決問題的能力得到加強(qiáng)[3]。

1.2 實(shí)驗(yàn)室的功能

數(shù)學(xué)建模開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室主要承擔(dān)以下6個(gè)方面的功能模塊：實(shí)驗(yàn)教學(xué)，科學(xué)研究，資源建設(shè)，競(jìng)賽與組訓(xùn)，科技創(chuàng)新和俱樂部活動(dòng)。這6項(xiàng)功能模塊依據(jù)培訓(xùn)任務(wù)的特點(diǎn)又可以分為3個(gè)層次：基本功能，核心功能和附加功能[1]，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)室功能層次結(jié)構(gòu)

基本功能主要包括承擔(dān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)研究?jī)身?xiàng)任務(wù)，基本功能是開放實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的底層功能。在教學(xué)任務(wù)上，依托實(shí)驗(yàn)室開設(shè)數(shù)學(xué)建模、數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)、計(jì)算方法、數(shù)據(jù)分析等一批數(shù)學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐類課程以及MatLab，SPSS，R等一些軟件的應(yīng)用培訓(xùn)。通過這些課程及培訓(xùn)，有助于學(xué)生開闊視野，掌握基本的數(shù)學(xué)建模、科學(xué)計(jì)算、統(tǒng)計(jì)分析和軟件應(yīng)用等方面的知識(shí)與技能，具備初步的應(yīng)用數(shù)學(xué)解決復(fù)雜實(shí)際問題的能力?？蒲腥蝿?wù)主要是指教師團(tuán)隊(duì)依托實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)提供的軟、硬件設(shè)施開展科研項(xiàng)目、學(xué)術(shù)研究和學(xué)術(shù)交流等活動(dòng)。

核心功能主要包括依托實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)資源建設(shè)和競(jìng)賽與組訓(xùn)的任務(wù)。資源建設(shè)包括教學(xué)資源建設(shè)和師資隊(duì)伍建設(shè)兩項(xiàng)。教學(xué)資源主要包括開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)的教案、講義、課件、教材和軟件配套教學(xué)資源等的課程建設(shè)，實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)不是一勞永逸的工程，建設(shè)與完善永遠(yuǎn)在路上。師資隊(duì)伍是開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室正常運(yùn)行的主導(dǎo)力量，也是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的軟實(shí)力，沒有一支教學(xué)能力強(qiáng)、科技創(chuàng)新能力突出的教師團(tuán)隊(duì)，實(shí)驗(yàn)室就很難發(fā)揮出最大效能。在開放實(shí)驗(yàn)室教、研功能的實(shí)踐中逐漸打造出一支高素質(zhì)教學(xué)團(tuán)隊(duì)，與實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展相互促進(jìn)形成良性循環(huán)。學(xué)科競(jìng)賽是檢驗(yàn)和提升學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的重要方式，以學(xué)科競(jìng)賽作為牽引，把實(shí)驗(yàn)室打造成建模競(jìng)賽組訓(xùn)和競(jìng)賽實(shí)施的基地，系統(tǒng)提升學(xué)生的創(chuàng)新與實(shí)踐能力。目前，我院主要參與的建模競(jìng)賽有美國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽、“軍事運(yùn)籌杯”軍隊(duì)院校數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽和“高教社杯”全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽三大競(jìng)賽。三類競(jìng)賽分別在1月、5月和9月，比賽間隔時(shí)間較為均衡，非常適合開展系統(tǒng)的培訓(xùn)工作。

實(shí)驗(yàn)室的附加功能主要指為學(xué)生自發(fā)開展的科技創(chuàng)新活動(dòng)和數(shù)學(xué)建模俱樂部提供活動(dòng)場(chǎng)地等的軟硬件支持。我院近年來參與的科技創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)大賽有“北斗之星”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、“人工智能與大數(shù)據(jù)之裝備狀態(tài)識(shí)別診斷”大賽、校園文化創(chuàng)意作品大賽和“北斗杯”全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽等多項(xiàng)活動(dòng)。開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室可以為以上相關(guān)賽事提供相關(guān)的數(shù)學(xué)建模、科學(xué)計(jì)算和算法優(yōu)化等方面的技術(shù)支持。數(shù)學(xué)建模俱樂部是我院學(xué)生自發(fā)的學(xué)生組織，掛靠在我部數(shù)學(xué)教研室，教研室提供師資力量指導(dǎo)俱樂部的各項(xiàng)活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)室引入數(shù)學(xué)建模俱樂部參與實(shí)驗(yàn)室的管理，同時(shí)實(shí)驗(yàn)室為俱樂部提供活動(dòng)場(chǎng)地和必要的設(shè)備、設(shè)施以支持俱樂部的活動(dòng)。

1.3 實(shí)驗(yàn)室的管理模式

開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室以服務(wù)學(xué)生為宗旨，采取以教研室管理為主，建模俱樂部管理為輔的“共管模式”。共管模式有效彌補(bǔ)了教研室管理的不足，特別是在晚間和節(jié)假日，俱樂部的骨干都能夠做到盡職盡責(zé)。科學(xué)化管理是實(shí)驗(yàn)室發(fā)揮最大效能、實(shí)現(xiàn)其建設(shè)宗旨的根本保證，目前實(shí)驗(yàn)室的管理模式主要由管理結(jié)構(gòu)和管理制度兩部分組成[3]，如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)室管理模式

管理結(jié)構(gòu)主要采取“教研室—值班教師—數(shù)學(xué)建模俱樂部”三級(jí)負(fù)責(zé)制，三級(jí)管理各有明確的分工和職能[4]。

1.3.1 教研室管理

數(shù)學(xué)建模開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室由數(shù)學(xué)教研室主建和管理，教研室統(tǒng)籌安排實(shí)驗(yàn)室全年度的主要工作，包括教學(xué)任務(wù)的安排與落實(shí)、學(xué)科競(jìng)賽的組織與培訓(xùn)、俱樂部活動(dòng)的規(guī)劃和制度建設(shè)等。教研室具有管理實(shí)驗(yàn)室的最高權(quán)限，并由指定教研室領(lǐng)導(dǎo)負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室的全面工作。

1.3.2 值班教師管理

實(shí)驗(yàn)室的日常性工作由實(shí)驗(yàn)室的值班教師負(fù)責(zé)，主要職責(zé)是保障當(dāng)日正常教學(xué)任務(wù)或教學(xué)活動(dòng)的實(shí)施以及其他臨時(shí)性工作的安排和處理。值班教師由實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)中的教師輪流擔(dān)任，一般安排當(dāng)天有教學(xué)任務(wù)或負(fù)責(zé)競(jìng)賽組訓(xùn)的教師值班[5]。

1.3.3 俱樂部管理

實(shí)驗(yàn)室的定位是開放實(shí)驗(yàn)室，盡可能多地為學(xué)生提供學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。在正常工作時(shí)間之余和節(jié)假日，實(shí)驗(yàn)室的開放交由俱樂部管理，俱樂部的骨干負(fù)起管理責(zé)任，管理制度和權(quán)限由教研室制訂。在實(shí)踐中俱樂部成員非常有熱情參與實(shí)驗(yàn)室的管理，很大程度上緩解了實(shí)驗(yàn)室的人力資源壓力，并且能夠彌補(bǔ)很多教研室管理上的不足，特別是一些有計(jì)算機(jī)軟、硬件特長(zhǎng)的學(xué)生能很迅速地解決各種小故障，極大提高了實(shí)驗(yàn)室的工作效率[7]。

在三級(jí)管理結(jié)構(gòu)下，實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)開放時(shí)間和分散開放時(shí)間管理權(quán)限和管理區(qū)間無縫對(duì)接，很好地維持了實(shí)驗(yàn)室的正常秩序。實(shí)驗(yàn)室在優(yōu)化管理結(jié)構(gòu)的同時(shí)也非常注重相關(guān)制度的建設(shè)，先后制訂了一系列的配套措施和管理制度。例如，實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間規(guī)定，實(shí)驗(yàn)室安全操作規(guī)范，實(shí)驗(yàn)室使用規(guī)定，實(shí)驗(yàn)室維護(hù)規(guī)定和實(shí)驗(yàn)室應(yīng)急管理等。在實(shí)驗(yàn)室管理模式的實(shí)際運(yùn)行中，相關(guān)制度也在不斷優(yōu)化和細(xì)化，為實(shí)驗(yàn)室效能的發(fā)揮起到了巨大推動(dòng)作用。

2 實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行中的問題與對(duì)策

實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)轉(zhuǎn)為人才培養(yǎng)做出了很大成績(jī)，基于實(shí)驗(yàn)室的數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)類課程取得良好教學(xué)效果，學(xué)科競(jìng)賽成績(jī)也穩(wěn)步提升，但同時(shí)也出現(xiàn)了一些始料未及的問題。現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室管理中出現(xiàn)的問題進(jìn)行梳理，并針對(duì)相關(guān)問題提出解決措施。

2.1 存在的問題

2.1.1 管理制度不完善

實(shí)驗(yàn)室建設(shè)之初學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情非常高漲，以致實(shí)驗(yàn)室承載負(fù)荷過重，造成了一定程度的混亂和無序。主要表現(xiàn)在教學(xué)雙方信息溝通不暢，在正常組織教學(xué)任務(wù)時(shí)常有個(gè)別學(xué)生來實(shí)驗(yàn)室上機(jī)，對(duì)教學(xué)秩序有一定影響；在自由開放時(shí)間人員過于密集，教學(xué)資源相對(duì)緊缺；實(shí)驗(yàn)室維護(hù)機(jī)制不健全，出現(xiàn)故障不能及時(shí)解決等問題。

2.1.2 競(jìng)賽組訓(xùn)與分散學(xué)習(xí)的矛盾突出

競(jìng)賽組訓(xùn)是人才培養(yǎng)中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，雖然競(jìng)賽組訓(xùn)不在學(xué)院下達(dá)的教學(xué)任務(wù)編排中，但是競(jìng)賽指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)一直按正課標(biāo)準(zhǔn)組織施訓(xùn)，這就造成了教學(xué)資源在組訓(xùn)團(tuán)隊(duì)中的相對(duì)集中。另一方面，在競(jìng)賽期間實(shí)驗(yàn)室是重要的競(jìng)賽場(chǎng)地，各種資源要優(yōu)先保障參賽隊(duì)伍，這在一定程度上制約了分散學(xué)習(xí)的學(xué)生的需求。

2.1.3 特色教學(xué)資源的積累不足

實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有教學(xué)資源多是通用性的教學(xué)資源，針對(duì)院校和學(xué)科專業(yè)的特色不足。特別是我院重點(diǎn)參與的“軍事運(yùn)籌杯”全軍大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽相關(guān)的軍事背景教學(xué)資源積累較少，與學(xué)生的需求和預(yù)期之間還有些許差距。另外，實(shí)驗(yàn)室的定位是“開放”和“創(chuàng)新”，這個(gè)定位對(duì)教師隊(duì)伍的要求非常高，需要師資隊(duì)伍始終追蹤學(xué)科和技術(shù)前沿。由于各方面因素的制約，師資隊(duì)伍尚不能做到與時(shí)俱進(jìn)。

2.1.4 道德風(fēng)險(xiǎn)問題和資源的低效使用

實(shí)驗(yàn)室提供的硬件環(huán)境比較優(yōu)越，這也導(dǎo)致一部分學(xué)生把資源用錯(cuò)了地方。例如，有些學(xué)生會(huì)悄悄安裝游戲或聯(lián)網(wǎng)游戲，這種情況頻繁出現(xiàn)。還有的學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)資源不注意維護(hù)，軟硬件使用不能按照操作規(guī)范進(jìn)行，以致小故障頻發(fā)。

2.1.5 俱樂部在管理問題上存在短板

實(shí)驗(yàn)室在引入建模俱樂部參與管理的過程中解決了很多實(shí)際問題，例如，教師和學(xué)生的時(shí)間不同步問題，小故障維修等，但仍然存在一些難以克服的問題。由于建模俱樂部的成員均為在校大學(xué)生，管理經(jīng)驗(yàn)和管理能力存在一些欠缺，尤其是對(duì)人的管理的能力與經(jīng)驗(yàn)都有不足。

2.2 針對(duì)問題采取的對(duì)策

2.2.1 優(yōu)化和完善相關(guān)機(jī)制

在實(shí)驗(yàn)室的管理中暴露出的問題往往是常態(tài)化問題，對(duì)常態(tài)化問題的解決需要建立管理機(jī)制，對(duì)制度、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范進(jìn)行優(yōu)化和細(xì)化。針對(duì)前述出現(xiàn)的一些相關(guān)問題，實(shí)驗(yàn)室修訂和制訂實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入制度、預(yù)約制度、培訓(xùn)制度等規(guī)范，并著手開展一些管理信息化的建設(shè)。機(jī)制的完善保障了實(shí)驗(yàn)室的有序開放，疏導(dǎo)了人員的擁堵問題。

2.2.2 對(duì)競(jìng)賽組訓(xùn)的分區(qū)管理

實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)競(jìng)賽組訓(xùn)和競(jìng)賽實(shí)施的任務(wù)，在優(yōu)先保障組訓(xùn)學(xué)生的同時(shí)也兼顧到分散學(xué)習(xí)的學(xué)生。主要做法一是對(duì)實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)所進(jìn)行分區(qū)管理，減少分散學(xué)生和組訓(xùn)學(xué)生間的相互影響；二是鼓勵(lì)分散學(xué)生自帶筆記本來實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供軟件安裝和學(xué)習(xí)指導(dǎo)。

2.2.3 建設(shè)軍事建模案例庫

我院承擔(dān)的是陸軍初級(jí)指揮軍官的培養(yǎng)任務(wù)，針對(duì)軍事建模培訓(xùn)資料短缺的情況，實(shí)驗(yàn)室以“軍事運(yùn)籌杯”數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽為抓手，從近幾年的建模競(jìng)賽入手梳理軍事建模案例、建模方法、優(yōu)化算法等資料，逐步建設(shè)特色資源庫。

2.2.4 氛圍建設(shè)和制度相結(jié)合規(guī)避道德風(fēng)險(xiǎn)

實(shí)驗(yàn)室通過建設(shè)榮譽(yù)墻、先進(jìn)團(tuán)隊(duì)評(píng)選和技術(shù)互動(dòng)與交流等措施加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室的“尚學(xué)”風(fēng)氣建設(shè)，同時(shí)對(duì)多次違反實(shí)驗(yàn)室規(guī)定的學(xué)生采取有限度的禁入措施。有限度的禁入措施主要包括在分散學(xué)習(xí)階段的限次、限時(shí)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室和參與競(jìng)賽的限制。

2.2.5 強(qiáng)化俱樂部規(guī)范管理

日常管理主要由值班教師和俱樂部成員共同負(fù)責(zé)，值班教師主要負(fù)責(zé)常規(guī)工作安排和突發(fā)事件處理，俱樂部主要負(fù)責(zé)維持秩序和日常勤務(wù)[7]。為加強(qiáng)俱樂部管理的規(guī)范性主要通過如下兩方面的建設(shè)：一是加強(qiáng)對(duì)俱樂部學(xué)生骨干的管理培訓(xùn)，把實(shí)驗(yàn)室遇到的一些日常性問題梳理歸類，對(duì)處理流程和規(guī)范進(jìn)行統(tǒng)一培訓(xùn)；二是發(fā)揮俱樂部的“傳、幫、帶”作用，形成俱樂部骨干的自培訓(xùn)機(jī)制，持續(xù)提高俱樂部的管理能力。

3 結(jié)語

數(shù)學(xué)建模開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)是信息化、大數(shù)據(jù)背景下人才培養(yǎng)模式改革的需要，是培養(yǎng)具備對(duì)復(fù)雜問題進(jìn)行建模、仿真并求解的高素質(zhì)人才的重要途徑。實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)并非僅僅采購(gòu)一定數(shù)目的高性能計(jì)算機(jī)及其配套設(shè)備、設(shè)施就能解決問題的，隨著科技水平的提高，人人擁有一臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)不是遙不可及的事情。實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)應(yīng)重在相關(guān)資源的建設(shè)，特別是配套教學(xué)資源的建設(shè)。在建設(shè)中通過把實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)和資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為學(xué)生的學(xué)習(xí)、創(chuàng)新和實(shí)踐能力，做到實(shí)驗(yàn)室是學(xué)生創(chuàng)新、實(shí)踐能力培養(yǎng)和拓展的基地，通過相關(guān)教學(xué)資源建設(shè)做到實(shí)驗(yàn)室和學(xué)生共同發(fā)展。