大數(shù)據(jù)時代結(jié)合數(shù)學(xué)建模競賽培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

陳 昊，梅學(xué)婷

（淮北師范大學(xué) 數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，安徽 淮北235000）

0 引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，帶動數(shù)據(jù)的爆發(fā)式增長，由此進入一個大數(shù)據(jù)（Big data）時代.大數(shù)據(jù)具有“4V”特征：（1）數(shù)據(jù)量大（Volume），數(shù)量級可達到ZB 級別；（2）輸入和處理速度快（Velocity）；（3）數(shù)據(jù)多樣性（Variety），數(shù)據(jù)的類型從一般的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)向半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；（4）價值密度低（Value）［1-4］.人們?yōu)橥ㄟ^大數(shù)據(jù)更好地了解世界，從而改變世界，所以需要對海量數(shù)據(jù)進行分析、處理，并用一種精確的語言來描述現(xiàn)實世界的某種特定現(xiàn)象.數(shù)學(xué)建模就是使用數(shù)學(xué)方法解決這種實際問題的橋梁［5］.

1 大數(shù)據(jù)時代需要培養(yǎng)具備科研能力和創(chuàng)新能力的大學(xué)生

在大數(shù)據(jù)時代，為實現(xiàn)國家創(chuàng)新驅(qū)動的發(fā)展戰(zhàn)略，對人才培養(yǎng)的要求更高，需要越來越多的創(chuàng)新型人才.《國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020）》提出“加強科技創(chuàng)新與人才培養(yǎng)的有機結(jié)合，鼓勵科研院所與高等院校合作培養(yǎng)研究型人才.支持研究生參與或承擔(dān)科研項目，鼓勵本科生投入科研工作，在創(chuàng)新實踐中培養(yǎng)他們的探索興趣和科研精神”［6］.由此可見，培養(yǎng)大學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新能力已經(jīng)上升到國家戰(zhàn)略高度.高等院校是培育創(chuàng)新型人才的重要基地，因此，加強大學(xué)生創(chuàng)新能力的鍛煉和培養(yǎng)必須引起足夠的重視和支持.當(dāng)前，大數(shù)據(jù)技術(shù)已經(jīng)融入到經(jīng)濟社會的各個方面，數(shù)據(jù)傳輸和應(yīng)用的能力對社會發(fā)展的制約也越來越凸顯出來.這就要求培養(yǎng)的大學(xué)生不但要有扎實的數(shù)學(xué)知識基礎(chǔ)，而且要有靈活的應(yīng)用數(shù)據(jù)的能力，即要培養(yǎng)出創(chuàng)新型的人才［7-8］.具有創(chuàng)新型的人才的一個顯著特征就是要具備良好的科研能力和創(chuàng)新能力.因此，在大數(shù)據(jù)背景下，培養(yǎng)具備良好的科研能力和創(chuàng)新能力的創(chuàng)新型人才顯得尤為緊迫，并具有非常重要的意義［9-13］.

人才的培養(yǎng)是經(jīng)濟社會發(fā)展的迫切需求，對大學(xué)生而言，創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)需要鍛煉其科研能力和創(chuàng)新能力.怎樣才能培養(yǎng)大學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新能力呢？大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽正是基于這種需要，突破傳統(tǒng)數(shù)學(xué)的框架，結(jié)合最新的、實用性的問題，要求大學(xué)生短時間內(nèi)解決問題，從而有利于大學(xué)生科研能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng).

2 大數(shù)據(jù)背景下的數(shù)學(xué)建模競賽

進入大數(shù)據(jù)時代后，數(shù)據(jù)對人們的影響是無處不在的，如數(shù)據(jù)在城市智能交通系統(tǒng)、移動通信行業(yè)、金融領(lǐng)域和城市規(guī)劃等方面均有廣泛的應(yīng)用.

全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽創(chuàng)辦于1992年，每年9月份舉辦，2007 年被列入教育部質(zhì)量工程首批資助的學(xué)科競賽之一，已經(jīng)發(fā)展成為國內(nèi)規(guī)模最大的學(xué)科競賽活動.2018年，共有來自全國34個省/市/區(qū)（包括香港、澳門和臺灣）及美國和新加坡的1 449所院校/校區(qū)、42 128隊（本科38 573隊、?？? 555隊），超過12萬人報名參加本項賽事.

一年一度的美國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽始創(chuàng)于1985 年，由美國數(shù)學(xué)及應(yīng)用聯(lián)合會（the Consortium for Mathematics and Its Application，COMAP）主辦，分為數(shù)學(xué)建模競賽（Mathematical Contest In Modeling，MCM）和交叉學(xué)科競賽（Interdisciplinary Contest In Modeling，ICM）.是國際上參賽人數(shù)最多的學(xué)科競賽活動.2018年，共有來自中國、美國、澳大利亞、加拿大、印度、英國、西班牙、南非、韓國、越南、墨西哥、蘇格蘭、愛爾蘭、芬蘭、印度尼西亞等國家和地區(qū)的10 670支隊伍參賽.

縱觀歷年全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽本科組和美國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽試題，其中不乏對大量數(shù)據(jù)進行分析處理并建立數(shù)學(xué)模型的問題，如2017年全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽本科組“A題：CT系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定及成像”共有138 250個數(shù)據(jù)；2017年全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽本科組“B題‘拍照賺錢’的任務(wù)定價”共有4 788個數(shù)據(jù)；2012年全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽本科組“A題：葡萄酒的評價”有23 247個數(shù)據(jù)；2011年全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽本科組“A題：城市表層土壤重金屬污染分析”有3 828個數(shù)據(jù)；2010年全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽本科組“A題 儲油罐的變位識別與罐容表標(biāo)定”有5 528個數(shù)據(jù).2019年美國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽“C題：阿片類藥物危機”有240 630個數(shù)據(jù)；2018年美國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽“C題：能源生產(chǎn)”有424 795個數(shù)據(jù)；2016年美國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽“C題 優(yōu)質(zhì)基金挑戰(zhàn)”有51 754個數(shù)據(jù).由此可見，大學(xué)生需要具備一定的大數(shù)據(jù)分析和處理能力.如何培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新性的處理和運用數(shù)據(jù)呢？大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽顯示出強有力的作用.

3 依托數(shù)學(xué)建模競賽培養(yǎng)大學(xué)生的科研和創(chuàng)新等方面的能力

數(shù)學(xué)建模的研究對象通常是生活中的實際問題，尤其是熱點和難點問題.解決這些問題的數(shù)學(xué)建模的過程實質(zhì)上是一個創(chuàng)造性的過程，需要學(xué)生具備理論聯(lián)系實際的能力、團隊協(xié)作的能力、語言表達的能力等.大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽為大學(xué)生培養(yǎng)科研能力和創(chuàng)新能力提供非常好的平臺.

3.1 培養(yǎng)大學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力

數(shù)學(xué)建模的過程中首先要將具體的實際問題抽象成數(shù)學(xué)問題，然后建立數(shù)學(xué)模型.在這個過程中需要大學(xué)生將所學(xué)的數(shù)學(xué)知識、理論與實際問題聯(lián)系起來，避免出現(xiàn)理論和實踐脫節(jié)的現(xiàn)象.目前，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，很多新的應(yīng)用數(shù)學(xué)分支相繼涌現(xiàn)，促進數(shù)學(xué)在物理學(xué)、生物學(xué)、金融學(xué)和經(jīng)濟學(xué)、計算機科學(xué)、工程技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用.通過參加大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽，學(xué)生根據(jù)數(shù)學(xué)理論建立數(shù)學(xué)模型，能夠深刻體會到應(yīng)用數(shù)學(xué)知識解決實際問題的過程，提升其將理論應(yīng)用于實際問題的能力.我國首家數(shù)學(xué)建模公司（北京諾亞數(shù)學(xué)建?？萍加邢薰荆┑膭?chuàng)辦者，多次參加數(shù)學(xué)建模競賽，在此過程中體會到數(shù)學(xué)的重要應(yīng)用價值，畢業(yè)后以數(shù)學(xué)建模的應(yīng)用為方向組建自己的創(chuàng)業(yè)團隊［14］.

3.2 培養(yǎng)大學(xué)生的科研能力

培養(yǎng)大學(xué)生的科研能力是指大學(xué)生需要具備發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，并對研究對象進行分析和思考的能力.雖然大學(xué)本科學(xué)生的科技競賽活動、學(xué)術(shù)競賽活動、學(xué)術(shù)交流活動多種多樣，但是基于數(shù)學(xué)建模競賽為平臺的科研能力培養(yǎng)模式，是各類活動中效果最為明顯的［15］.通過在本科生中開設(shè)數(shù)學(xué)建模課程，培養(yǎng)大學(xué)生對數(shù)學(xué)建模競賽的興趣，激發(fā)學(xué)生參與科學(xué)研究的熱情，使其具備初步科研能力.鼓勵學(xué)生積極參加各類數(shù)學(xué)建模競賽，如“深圳杯”數(shù)學(xué)建模挑戰(zhàn)賽、Mathor Cup高校數(shù)學(xué)建模挑戰(zhàn)賽、全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽和美國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽等，在競賽過程中鍛煉學(xué)生的自學(xué)能力、活學(xué)活用的能力，開闊學(xué)生的視野，提升學(xué)生的科研能力.對于參加數(shù)學(xué)建模競賽的學(xué)生，指導(dǎo)他們根據(jù)建模競賽的成果撰寫科研論文，使他們的研究內(nèi)容轉(zhuǎn)化成研究成果.從淮北師范大學(xué)10余年的參加建模競賽的經(jīng)驗來看，曾經(jīng)參加過建模競賽的學(xué)生，從查閱參考文獻、收集資料到撰寫畢業(yè)論文，較未曾參賽的學(xué)生有明顯的優(yōu)勢.

3.3 培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力

創(chuàng)新是社會進步與民族進步的靈魂，是引領(lǐng)發(fā)展的第一動力，是一個國家興旺發(fā)達的不竭源泉.培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力，需要理論知識、實踐能力和綜合素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展［16］.數(shù)學(xué)建模競賽是用數(shù)學(xué)的理論、方法去解決實際問題，數(shù)學(xué)建模競賽的題目涉及到金融管理、工程技術(shù)、運籌優(yōu)化和數(shù)據(jù)挖掘等各個領(lǐng)域.參賽學(xué)生需要將實際問題抽象化，做出合理的假設(shè)，探索事物之間的規(guī)律，建立起可以解決問題的數(shù)學(xué)模型.在此過程中，需要學(xué)生發(fā)揮想象力、創(chuàng)造力，具有開闊的視野、善于獨立思考的精神和發(fā)散的思維能力，能夠觸類旁通地解決具有實用性和挑戰(zhàn)性的問題，從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情、創(chuàng)新意識和科學(xué)意識，培養(yǎng)他們的創(chuàng)造能力.在大數(shù)據(jù)時代，需要提升大學(xué)生的創(chuàng)新能力，這也關(guān)系到人才培養(yǎng)的質(zhì)量，以數(shù)學(xué)建模競賽為平臺，可以增強大學(xué)生的科學(xué)研究能力、學(xué)術(shù)能力和創(chuàng)新能力.

3.4 培養(yǎng)大學(xué)生的團隊意識和團隊合作精神

在信息和技術(shù)日新月異的大數(shù)據(jù)時代，團隊意識和團隊精神對大學(xué)生的成長和成才具有重要的現(xiàn)實意義.數(shù)學(xué)建模競賽以團隊參賽，每支隊伍3人，在競賽過程中每個人既要有分工也要有合作，隊員間要相互配合，遇到問題時要相互討論集思廣益，為取得良好的成績，必須要充分發(fā)揮個人智慧和團隊合作精神.因此，積極參加各類建模競賽，可以很好的鍛煉大學(xué)生的團隊意識和相互間的團隊合作精神.

3.5 培養(yǎng)大學(xué)生的自學(xué)能力、查閱文獻資料和使用文獻資料的能力

全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽的時間為3 d，美國數(shù)學(xué)建模競賽的時間為4 d，參賽隊伍需在規(guī)定的時間內(nèi)提交一篇符合要求的科技論文.這就要求參賽大學(xué)生在競賽時間內(nèi)，快速查閱有效的文獻資料，快速自學(xué)文獻資料，并創(chuàng)造性地使用文獻資料進行數(shù)學(xué)建模.在數(shù)學(xué)建模競賽的過程中，需要用到很多相關(guān)學(xué)科的理論，通過相關(guān)文獻的自主學(xué)習(xí)，有效利用資料，快速掌握問題的本質(zhì)，完成數(shù)學(xué)模型的建立.為以后繼續(xù)學(xué)習(xí)，鍛煉查閱、使用文獻的能力和自學(xué)能力.

3.6 培養(yǎng)大學(xué)生學(xué)術(shù)論文寫作能力

數(shù)學(xué)建模競賽的結(jié)果要以科研論文的形式提交.在撰寫論文的過程中，需要制作各種圖和表，涉及各種數(shù)學(xué)軟件的應(yīng)用，同時要有較好的語言表達能力，最后還要對論文結(jié)構(gòu)、排版進行設(shè)計.2018年淮北師范大學(xué)參賽隊伍中，已在大學(xué)學(xué)報發(fā)表論文1篇，錄用2篇.通過數(shù)學(xué)建模競賽，較好地培養(yǎng)大學(xué)生的科研論文寫作技能.

3.7 培養(yǎng)大學(xué)生的計算機應(yīng)用能力

在大數(shù)據(jù)時代背景下，計算機應(yīng)用能力已經(jīng)成為大學(xué)生必須具備的基本技能.在數(shù)學(xué)建模競賽過程中，很多時候數(shù)據(jù)的處理必須要借助計算機，數(shù)學(xué)模型的求解也往往要編程.因此，參加建模競賽的學(xué)生需要熟練運用Matlab、SPSS、SAS、Lingo、公式編輯器等數(shù)學(xué)軟件，熟練掌握word（WPS）、Excel等基本工具的應(yīng)用技巧.通過參加數(shù)學(xué)建模競賽，可以非常有效地鍛煉大學(xué)生計算機應(yīng)用的能力.

4 結(jié)束語

數(shù)學(xué)建模競賽與創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)相得益彰.在數(shù)學(xué)建模過程中，需要發(fā)揮學(xué)生的團隊協(xié)作精神、探索精神、批判精神，也需要在知識、方法、應(yīng)用等方面有所創(chuàng)新.通過數(shù)學(xué)建模競賽，學(xué)生初步了解科學(xué)研究的過程，具備基本的科學(xué)研究素養(yǎng)以及基本的學(xué)術(shù)論文的寫作能力.數(shù)學(xué)建模競賽為培養(yǎng)大學(xué)生的科研、創(chuàng)新等綜合能力提供良好的平臺.