高校數(shù)學(xué)實驗室建設(shè)的探索與實踐

楊 然， 張?zhí)锾?/p>

（中國礦業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院，江蘇徐州221116）

0 引 言

數(shù)學(xué)是研究數(shù)量、結(jié)構(gòu)、變化、空間以及信息等概念的一門學(xué)科，在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、民生改善、國防建設(shè)等諸多領(lǐng)域中正在發(fā)揮著越來越重要的作用。大學(xué)數(shù)學(xué)系列課程不僅能為學(xué)生提供數(shù)學(xué)理論與方法，為其后繼課程的學(xué)習(xí)提供強(qiáng)有力的數(shù)理基礎(chǔ)，而且能強(qiáng)化學(xué)生邏輯思維能力訓(xùn)練，提高其邏輯推理能力與思維嚴(yán)謹(jǐn)性，對學(xué)生的后期發(fā)展起到至關(guān)重要的支撐作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，要求學(xué)生不僅要掌握數(shù)學(xué)理論和方法，更要能靈活運(yùn)用數(shù)學(xué)知識解決生產(chǎn)和生活中的實際問題，因此如何培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)應(yīng)用能力是數(shù)學(xué)教學(xué)改革亟待解決的問題。數(shù)學(xué)實驗教學(xué)的開展為數(shù)學(xué)教學(xué)改革提供了新的途徑。充實數(shù)學(xué)教學(xué)內(nèi)涵，構(gòu)建“理論——實踐——應(yīng)用”協(xié)調(diào)發(fā)展的數(shù)學(xué)教育體系，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)知識解決實際問題的能力，是我校深化數(shù)學(xué)教學(xué)改革的一個重要舉措［1-4］。

1 數(shù)學(xué)實驗中心建設(shè)現(xiàn)狀

數(shù)學(xué)實驗室是培養(yǎng)實踐創(chuàng)新人才的重要平臺。數(shù)學(xué)實驗中心牢固樹立以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，致力于培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)實踐創(chuàng)新能力，提升學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)。經(jīng)過10多年連續(xù)不斷的建設(shè)，目前擁有3個數(shù)值計算實驗室，2個錄播室和3個多功能報告廳，擁有高性能的服務(wù)器、計算機(jī)、錄播設(shè)備等300多臺，配備了Matlab、Mathmatica、Maple、SPSS、lingo等科學(xué)計算軟件以及Word、Excel、MathType等文檔處理軟件。

數(shù)學(xué)實驗中心承擔(dān)著全校公共基礎(chǔ)數(shù)學(xué)必修課程群的實驗教學(xué)任務(wù)，以及數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)2個本科專業(yè)的專業(yè)課程群的實驗教學(xué)任務(wù)，參與學(xué)校大學(xué)生數(shù)學(xué)建模教育以及大學(xué)生數(shù)學(xué)實踐創(chuàng)新教育指導(dǎo)工作等。為了培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)應(yīng)用能力，學(xué)校在《高等數(shù)學(xué)》《概率論與數(shù)理統(tǒng)計》《線性代數(shù)》等公共基礎(chǔ)數(shù)學(xué)必修課程中全面設(shè)置了數(shù)值實驗教學(xué)，每學(xué)年實驗學(xué)時超過4萬人機(jī)時；在數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)、統(tǒng)計學(xué)專業(yè)的《數(shù)值分析》《運(yùn)籌學(xué)》《數(shù)據(jù)挖掘》等10余門專業(yè)課程中開設(shè)了數(shù)值實驗，每學(xué)年實驗學(xué)時超過3萬人機(jī)時。另外，學(xué)校從1994年開始組織學(xué)生參加全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽，1998年開始組織學(xué)生參加國際數(shù)學(xué)建模競賽，2004年創(chuàng)辦面向全球的五一數(shù)學(xué)建模競賽；近年來平均每年接受數(shù)學(xué)建模教育的學(xué)生超過3 000人，數(shù)學(xué)實驗中心每年為數(shù)學(xué)建模培訓(xùn)和數(shù)學(xué)建模競賽提供超過3萬人機(jī)時的實驗服務(wù)。數(shù)學(xué)實驗中心定期對計算機(jī)及相關(guān)實驗設(shè)備進(jìn)行檢修維護(hù)，為數(shù)學(xué)實驗教學(xué)和大學(xué)生實踐創(chuàng)新活動的順利開展提供硬件支持與技術(shù)保障。

2 以數(shù)學(xué)實驗中心為平臺，開展實驗教學(xué)與實踐創(chuàng)新活動

作為培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的重要平臺，數(shù)學(xué)實驗中心積極參與數(shù)學(xué)教學(xué)改革與優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源建設(shè)，在實踐創(chuàng)新人才培養(yǎng)中發(fā)揮積極作用。

2.1 理論教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合，推進(jìn)數(shù)學(xué)教學(xué)改革

隨著計算機(jī)和信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)學(xué)已經(jīng)滲透到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)管理、科學(xué)技術(shù)和社會生活等眾多領(lǐng)域。公共基礎(chǔ)數(shù)學(xué)必修課程不僅能為理工經(jīng)管等專業(yè)的學(xué)生提供定量分析的理論與方法，還能為他們提供邏輯推理和思維能力訓(xùn)練。傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)教學(xué)方式側(cè)重于理論闡述、公式推導(dǎo)，忽視數(shù)學(xué)實踐訓(xùn)練，導(dǎo)致學(xué)生靈活運(yùn)用數(shù)學(xué)知識解決實際問題的動手能力不足［5］。為了解決學(xué)與用脫節(jié)的問題，近年來大力推進(jìn)數(shù)學(xué)教學(xué)改革，結(jié)合計算機(jī)技術(shù)將數(shù)學(xué)實驗融入數(shù)學(xué)教學(xué)，在進(jìn)行理論教學(xué)的同時強(qiáng)化對學(xué)生數(shù)學(xué)應(yīng)用能力的訓(xùn)練。經(jīng)過多年的探索與實踐，已形成了較為完備的數(shù)學(xué)實踐教學(xué)體系，以理論教學(xué)為主導(dǎo)實驗教學(xué)為輔助，培養(yǎng)學(xué)生理論與實踐相結(jié)合的實踐創(chuàng)新能力。在推進(jìn)數(shù)學(xué)實驗教學(xué)的過程中，針對不同教學(xué)內(nèi)容設(shè)計驗證性實驗、創(chuàng)新性實驗和綜合性實驗，學(xué)生通過數(shù)學(xué)實驗提高了數(shù)學(xué)應(yīng)用能力［6-7］。

2.2 開放數(shù)學(xué)實驗中心，助力學(xué)生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)

為了最大限度發(fā)揮數(shù)學(xué)實驗中心對實踐創(chuàng)新人才培養(yǎng)的積極作用，數(shù)學(xué)實驗中心按照學(xué)校的統(tǒng)一部署全面對學(xué)生開放，實現(xiàn)實驗室資源開放共享，為學(xué)生開展探究式學(xué)習(xí)與數(shù)學(xué)實踐創(chuàng)新活動提供便利條件。學(xué)校每年都面向大學(xué)生設(shè)立實驗室開放基金項目、實踐創(chuàng)新項目，并對學(xué)生參與實驗室開放基金項目和實踐創(chuàng)新項目進(jìn)行學(xué)分認(rèn)定［8］。認(rèn)真設(shè)計符合大學(xué)生水平的開放實驗項目，鼓勵學(xué)生參與實踐創(chuàng)新課題的研究，讓更多的學(xué)生到數(shù)學(xué)實驗中心進(jìn)行以項目為驅(qū)動的數(shù)學(xué)應(yīng)用能力拓展訓(xùn)練，主動配合學(xué)校推動大學(xué)生實踐創(chuàng)新活動的順利實施［9-12］。近年來，已有上百名學(xué)生在數(shù)學(xué)實驗中心完成大學(xué)生實踐創(chuàng)新項目、實驗室開放基金項目30多項。

2.3 組織數(shù)學(xué)建模競賽培訓(xùn)，提高學(xué)生實踐創(chuàng)新能力

20世紀(jì)80年代以來教育界先后涌現(xiàn)了美國數(shù)學(xué)建模競賽、全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽等形式多樣的數(shù)學(xué)建模競賽，以競賽為抓手推動大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)改革，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)實踐創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。學(xué)校積極開展數(shù)學(xué)建模教育，成立了數(shù)學(xué)建模指導(dǎo)教師團(tuán)隊和大學(xué)生數(shù)學(xué)建模協(xié)會，依托數(shù)學(xué)實驗中心定期組織學(xué)生開展數(shù)學(xué)建模專題研討活動，分享數(shù)學(xué)建模活動的經(jīng)驗與體會，讓更多的學(xué)生了解數(shù)學(xué)建模競賽、參加數(shù)學(xué)建模競賽，從數(shù)學(xué)建模競賽中受益［13-15］。

數(shù)學(xué)建模競賽是以隊為參賽單位的通信競賽，賽題全部來自工程技術(shù)和社會生活，沒有固定的答案，參賽隊伍（每隊不超過3人）從指定的賽題中選擇其中一道題目，通過分工協(xié)作進(jìn)行文獻(xiàn)檢索與研讀、數(shù)據(jù)分析與處理，在適當(dāng)?shù)募僭O(shè)條件下對所選擇的問題建立數(shù)學(xué)模型并求解，用數(shù)學(xué)模型的解回答賽題中的問題，在規(guī)定的時間內(nèi)以論文的形式提交參賽成果；數(shù)學(xué)建模競賽是學(xué)生在大學(xué)階段難得的一次近似于“真刀真槍”的創(chuàng)新探索性實踐訓(xùn)練，模擬了畢業(yè)后面對實際問題尋求解決方案的情況，使他們受到科學(xué)研究的基本訓(xùn)練。因此數(shù)學(xué)建模競賽有利于提高學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)、數(shù)學(xué)實踐能力和團(tuán)隊協(xié)作精神，有利于提升學(xué)生的文獻(xiàn)檢索能力、數(shù)據(jù)分析與處理能力、科學(xué)研究能力、科技論文寫作能力和綜合素質(zhì)。近10年來，數(shù)學(xué)建模指導(dǎo)教師團(tuán)隊以數(shù)學(xué)實驗中心為依托，持續(xù)不斷的開展數(shù)學(xué)建模教育與數(shù)學(xué)建模競賽培訓(xùn)，指導(dǎo)學(xué)生參加全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽、國際數(shù)學(xué)建模競賽等科技競賽，獲省部級以上獎項200多項，其中美國運(yùn)籌學(xué)學(xué)會獎1項、國際特等獎1項、特等提名獎3項、一等獎50多項。

為了進(jìn)一步推廣數(shù)學(xué)建模教育，不斷擴(kuò)大數(shù)學(xué)建模的受益面，學(xué)校自2004年以來連續(xù)舉辦了17屆面向全球的五一數(shù)學(xué)建模競賽，累計有來自美國、英國、澳大利亞等10多個國家超過15萬名大學(xué)生參賽，這項競賽已成為輻射全國、有一定影響的國際化精品賽事。數(shù)學(xué)實驗中心為五一數(shù)學(xué)建模競賽的報名、賽題發(fā)布、競賽論文收集與整理提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與技術(shù)保障，為競賽論文評審提供場地、設(shè)備與技術(shù)支持。

2.4 建設(shè)優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，拓展學(xué)生學(xué)習(xí)空間

為了方便學(xué)生通過多種形式進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，以數(shù)學(xué)實驗中心為平臺，持續(xù)進(jìn)行優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源建設(shè)。2016年“概率論與數(shù)理統(tǒng)計MOOC”率先在校內(nèi)上線運(yùn)行，并承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)班的教學(xué)任務(wù)；2017年“高等數(shù)學(xué)精品共享視頻課程”“線性代數(shù)MOOC”也相繼上線運(yùn)行；2019年“概率論與數(shù)理統(tǒng)計在線開放課程”獲得江蘇省教育廳立項資助；目前已有《運(yùn)籌學(xué)》《數(shù)學(xué)分析》《數(shù)值計算方法》《常微分方程》等10余門課程的在線開放課程先后上線運(yùn)行。高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)空間，為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)提供了更多的選擇，尤其在新冠疫情期間，數(shù)學(xué)系列課程的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源為順利開展線上教學(xué)和線下自主學(xué)習(xí)提供了強(qiáng)有力的保障。

2.5 提供畢業(yè)設(shè)計場所，培養(yǎng)實踐創(chuàng)新人才

畢業(yè)設(shè)計是大學(xué)生重要的綜合性實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。數(shù)學(xué)實驗中心面向所有學(xué)生開放，為本科生提供了優(yōu)良的畢業(yè)設(shè)計環(huán)境、高性能的設(shè)備和全面的技術(shù)支持，不僅提高了畢業(yè)生綜合應(yīng)用數(shù)學(xué)知識進(jìn)行實踐創(chuàng)新的能力，也順應(yīng)了社會對實踐創(chuàng)新人才的新需求。

3 結(jié) 語

數(shù)學(xué)實驗中心通過開設(shè)全校公共基礎(chǔ)數(shù)學(xué)必修課數(shù)值實驗，數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)專業(yè)系列課程的數(shù)值實驗，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的欲望和學(xué)習(xí)潛能，為數(shù)學(xué)教學(xué)改革提供了重要的突破口；通過建設(shè)優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)空間；通過實驗室開放基金項目、大學(xué)生實踐創(chuàng)新項目的開展，讓更多的學(xué)生獲得數(shù)學(xué)應(yīng)用能力拓展訓(xùn)練；通過開展數(shù)學(xué)建模教育、舉辦面向全球的五一數(shù)學(xué)建模競賽等提升了學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。中心將不斷充實優(yōu)質(zhì)數(shù)學(xué)實驗教學(xué)資源，充分發(fā)揮數(shù)學(xué)實驗中心在數(shù)學(xué)教學(xué)改革、實踐創(chuàng)新人才培養(yǎng)方面的優(yōu)勢，培養(yǎng)更多具有扎實理論基礎(chǔ)和較強(qiáng)數(shù)學(xué)應(yīng)用能力的實踐創(chuàng)新人才。