思想政治教育元素融入“最優(yōu)化方法”課程教學(xué)的探討

韓巧玲 趙 玥 趙燕東 陳鋒軍 顏小飛

(北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

在信息技術(shù)迅猛發(fā)展和創(chuàng)新形態(tài)不斷演變的背景下，以互聯(lián)網(wǎng)、人工智能為核心的新工科專業(yè)迅速發(fā)展，其對工科人才的需求也發(fā)生相應(yīng)變化。培養(yǎng)創(chuàng)新能力強(qiáng)、思想覺悟高的具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才，是高校智能信息類人才培養(yǎng)的重要目標(biāo)和任務(wù)[1]，因此，為打造新時代教育強(qiáng)國，必須牢牢把握全面提高人才培養(yǎng)能力這一核心點，把思政元素融入到教育教學(xué)的全過程[2]。

作為一門理論性強(qiáng)、技術(shù)性高和實用性強(qiáng)的專業(yè)核心課程，“最優(yōu)化方法”旨在培養(yǎng)學(xué)生將生產(chǎn)和生活中的抽象問題具體化為數(shù)學(xué)模型的能力，以及借助計算機(jī)技術(shù)尋找最優(yōu)方案以解決實際問題的能力[3]。本次教學(xué)改革旨在打破課程思政教學(xué)壁壘，將思政元素融入到“最優(yōu)化方法”課程授課內(nèi)容中，以課程為載體對學(xué)生進(jìn)行思想政治教育，完成課程教學(xué)與立德樹人的統(tǒng)一。

一、“最優(yōu)化方法”課程教學(xué)特點

為適應(yīng)社會需求和培養(yǎng)新時代教育強(qiáng)國背景下的高素質(zhì)人才，近500所高校在本科階段和研究生階段增設(shè)了圖像處理與模式識別、大數(shù)據(jù)、人工智能等方向的相關(guān)課程，75所高校設(shè)置了人工智能相關(guān)學(xué)科，30多所高校成立了人工智能學(xué)院[4-5]。這些智能信息類課程和專業(yè)的發(fā)展，需要學(xué)生具有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)知識和邏輯思維能力。而對數(shù)據(jù)智能類專業(yè)的學(xué)生，除了高等數(shù)學(xué)和“概率統(tǒng)計與分析”等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)類課程，“最優(yōu)化方法”也是奠定學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和思維能力的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。

“最優(yōu)化方法”是一門理論性、技術(shù)性和實用性強(qiáng)的課程，要求學(xué)生熟練掌握各個優(yōu)化算法的理論和思想，并能夠通過設(shè)計性及綜合性的程序設(shè)計實驗，為工程問題提供理論和算法指導(dǎo)，從而培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實際問題的能力，以及提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。由此可知，“最優(yōu)化方法”課程不僅教授學(xué)生理論知識，也培養(yǎng)學(xué)生思考問題的方法和解決實際問題的能力。

二、“最優(yōu)化方法”課程開展思想政治教育的必要性

(一)“最優(yōu)化方法”課程開展思想政治教育的現(xiàn)狀及存在的問題

“最優(yōu)化方法”教學(xué)重點主要集中于黃金分割法、格點法等優(yōu)化方法的公式推導(dǎo)及計算驗證。目前在這一教學(xué)過程中，缺少對學(xué)生樹立正確價值觀的引導(dǎo)及相關(guān)思政育人元素的融入，在學(xué)生價值觀塑造、思想政治教育方面，教師的理論體系也不成系統(tǒng)。只進(jìn)行單純性的理論知識的輸入，會讓學(xué)生將這門課程簡單地視為一門計算課，同時對課程的理解只局限于做題、考試等狹隘層面，而忽略了課程內(nèi)容對解決實際問題以及未來的工程應(yīng)用的意義。因此，迫切需要將思政育人元素引入“最優(yōu)化方法”的課堂教學(xué)中，兼顧培養(yǎng)學(xué)生對理論知識的掌握、實際問題的處理能力、自主研究的能力以及擔(dān)負(fù)國家民族振興重任的使命感。

(二)“最優(yōu)化方法”課程開展思想政治教育的重要意義

北京林業(yè)大學(xué)“最優(yōu)化方法”課程是在大三上學(xué)期為自動化專業(yè)本科生開設(shè)的。這個階段的學(xué)生，剛剛經(jīng)歷了由高中到大學(xué)的過渡，學(xué)習(xí)方式和思想上也產(chǎn)生了轉(zhuǎn)變，沒有了入學(xué)初期對專業(yè)學(xué)習(xí)的迷茫，也通過專業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)初步領(lǐng)略到了專業(yè)課程的魅力。作為一門實用的專業(yè)課程，“最優(yōu)化方法”課程從理論和實踐兩個方面來培養(yǎng)學(xué)生采用最優(yōu)化理論解決實際工程問題的能力。通過思政內(nèi)容與教學(xué)內(nèi)容的互相融合，不僅能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生從事圖像處理、人工智能等相關(guān)工作奠定理論基礎(chǔ)，同時也能夠增強(qiáng)學(xué)生對未來從事專業(yè)工作的自信心和認(rèn)同感。因此，合時、合適的思政元素引入，能夠教授學(xué)生做人做事的方式方法，培養(yǎng)學(xué)生的大局觀和愛國精神，進(jìn)而向?qū)W生傳遞正確的世界觀、價值觀和人生觀，以提高道德修養(yǎng)、完善個人人格。

三、思想政治教育元素融入“最優(yōu)化方法”課程教學(xué)的實踐探討

在新時代教育強(qiáng)國背景下，針對現(xiàn)有專業(yè)課程思政教育的薄弱之處，以“最優(yōu)化方法”專業(yè)課程為依托，有針對性地在教學(xué)過程中融入思政元素，使得授課內(nèi)容更具有感染力和說服力，是本次教學(xué)改革探索的目的。思政元素與教學(xué)內(nèi)容的融合需要合時合適，應(yīng)該以“潤物細(xì)無聲”的方式體現(xiàn)在教學(xué)的整個過程中，主要呈現(xiàn)在課堂理論教學(xué)、課后實驗作業(yè)和課外科技競賽等各項教學(xué)活動與實踐中。具體步驟為：在課程開始的緒論部分和課程結(jié)束的總結(jié)部分這些重要節(jié)點中，通過相關(guān)思政元素的引入，培養(yǎng)學(xué)生的民族自信心和自豪感等；在課程最優(yōu)算法理論介紹和公式推導(dǎo)等重要專業(yè)內(nèi)容中，借助相關(guān)思政元素的引入，向?qū)W生傳遞知識點和價值觀等；在課后作業(yè)和課外競賽等重要環(huán)節(jié)中，用思政元素的價值引領(lǐng)，突出學(xué)用結(jié)合和課程的實踐性。

(一)注重在教學(xué)過程中的重要節(jié)點培養(yǎng)學(xué)生的民族自信心和自豪感

作為教學(xué)過程的開端，課程的緒論章節(jié)具有開宗明義的作用，以往在這一章節(jié)大多是介紹課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)、考核方式以及后續(xù)學(xué)習(xí)用到的向量、范數(shù)、微分等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，并通過引導(dǎo)式問題讓學(xué)生思考實際生活中最優(yōu)理論的應(yīng)用場景，以增強(qiáng)學(xué)生對最優(yōu)化方法基本概念的理解。本次課程教學(xué)改革，結(jié)合課程德育目標(biāo)，讓學(xué)生們意識到他們在將來作為我國國家發(fā)展的中流力量所需要承擔(dān)的民族使命和責(zé)任。教師在教學(xué)過程中可以采用實際案例實現(xiàn)這一目標(biāo)，例如，講優(yōu)化理論的歷史時，提到現(xiàn)有優(yōu)化方法都是以國外科學(xué)家、數(shù)學(xué)家的名字命名(如牛頓法、拉格朗日法等)，鼓勵學(xué)生們積極努力，未來能創(chuàng)造出以中國數(shù)學(xué)家名字命名的優(yōu)化方法，從而激發(fā)學(xué)生們的愛國情懷。同時，我國計算機(jī)視覺領(lǐng)域的大疆創(chuàng)新、商湯科技、曠視科技等科技公司在人工智能、深度學(xué)習(xí)等算法上做到了世界前沿，而在他們的發(fā)展過程中，最優(yōu)化方法的應(yīng)用與改進(jìn)是必不可少的。教師通過對最優(yōu)化方法應(yīng)用場景的介紹，從而激發(fā)學(xué)生的自信心和自豪感，潛移默化地提升學(xué)生對“最優(yōu)化方法”課程的學(xué)習(xí)興趣。

作為教學(xué)過程的結(jié)束，最后一堂課的總結(jié)部分主要是幫助學(xué)生梳理課程整體內(nèi)容，并明確通過何種方式來考察學(xué)生對課堂所學(xué)知識的理解和掌握程度。本次課程改革，在總結(jié)理論知識的基礎(chǔ)上，增加案例討論環(huán)節(jié)來考察學(xué)生對生活中、工程中涉及的最優(yōu)問題的理解。比如，結(jié)合2020年新冠肺炎疫情這一時事熱點，針對醫(yī)生、口罩、疫苗等醫(yī)療資源的分配問題，讓同學(xué)們深刻體會局部最優(yōu)解與全局最優(yōu)解的關(guān)系。對醫(yī)生和個人來講，遠(yuǎn)離疫情區(qū)域、霸占醫(yī)療資源是小家庭的最優(yōu)解；但是對全中國來講，想要實現(xiàn)全國最優(yōu)，就需要跳出局部最優(yōu)的限制。通過案例式討論的方式，不僅能夠讓學(xué)生牢記知識點，也能夠在實際行動和思想上給予學(xué)生指導(dǎo)，讓其明白犧牲小我、成就大我的重要性，增加其作為中華民族一員的自豪感。

(二)結(jié)合課程教學(xué)的重點內(nèi)容，在講授知識點的同時培養(yǎng)學(xué)生的正確價值觀

“最優(yōu)化方法”是在生產(chǎn)實踐和科學(xué)實驗中選擇最佳決策以達(dá)到最優(yōu)目標(biāo)的一門課程。而模型構(gòu)建的精確性、求解方法的恰當(dāng)性以及相應(yīng)程序設(shè)計的質(zhì)量能直接反映一個算法工程師的綜合素質(zhì)和綜合能力。課程中講授的每種優(yōu)化方法都有各自的原理特點與適用目標(biāo)，因此，在開展教學(xué)活動和設(shè)計教學(xué)內(nèi)容時，可以挖掘各個方法中包含的哲學(xué)思想，提煉出能指導(dǎo)學(xué)生做人做事的道理。

比如，在實際生活中我們需要做正確的判斷和取舍，在抗擊新冠肺炎疫情中，很多醫(yī)生護(hù)士都是舍小家為大家，投身于一線抗疫的戰(zhàn)斗中，正是他們的正確判斷和合理取舍，使得我們國家能夠快速控制疫情，取得了新冠肺炎疫情階段性的重要勝利。還比如，在使用牛頓法求最優(yōu)解的過程中，方向和步長的選擇至關(guān)重要，若是選擇錯誤方向，會做很多無用功；在設(shè)置步長時若是一味求長，也會導(dǎo)致求解出的數(shù)值超出設(shè)定界限。這就告訴我們在為人處世時要看準(zhǔn)正確方向，一步一個腳印踏實行動，不能好高騖遠(yuǎn)，急于求成。又如，在“最優(yōu)化方法”課程中計算出的最優(yōu)解只是一個相對值，求解最優(yōu)是一個無限逼近的過程，在滿足設(shè)置精度的情況下即認(rèn)為是最優(yōu)解。這啟發(fā)我們，在現(xiàn)實生活中很多事情都不是絕對的，為人處事都保留一定的閾值空間，反而能夠達(dá)到最佳的效果。因此，以課程重要內(nèi)容為載體，合理融入思政元素，才能夠順理成章地實現(xiàn)協(xié)同育人的目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的價值觀，實現(xiàn)立德樹人的最終目標(biāo)。

(三)充分利用不同形式的實踐教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用和實現(xiàn)知行合一

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，深刻理解所學(xué)知識的最有效途徑就是應(yīng)用，而實踐教學(xué)也正是新工科號召下信息工程類課程中非常重要的內(nèi)容。作為工科專業(yè)實踐教學(xué)的重要形式，課后作業(yè)和課外科技競賽是幫助學(xué)生實現(xiàn)學(xué)用結(jié)合、知行合一的重要途徑。因此，教師在布置課后作業(yè)時，不應(yīng)該只包含簡單的數(shù)學(xué)計算題，還可以讓學(xué)生通過計算機(jī)編程實現(xiàn)最優(yōu)化方法中的各種方法，加深學(xué)生對所學(xué)數(shù)學(xué)知識的理解，相應(yīng)提升編程能力。同時，教師也可以通過優(yōu)化算法程序編寫的規(guī)范性、邏輯思維的順暢性等要求，來培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的工作態(tài)度。

除此之外，課外科技競賽和參加教師科研項目也是當(dāng)代大學(xué)生培養(yǎng)專業(yè)能力的重要途徑。比如，大學(xué)生數(shù)學(xué)建模比賽要求參賽者應(yīng)具備良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和扎實的優(yōu)化知識，在參加競賽過程中，學(xué)生不僅能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識應(yīng)用于實際，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和增強(qiáng)創(chuàng)新能力，教師也可以通過適當(dāng)引導(dǎo)來鍛煉學(xué)生綜合能力。在這一過程中，教師可以通過指導(dǎo)學(xué)生選擇積極、正能量的優(yōu)化內(nèi)容與對象來提升學(xué)生的責(zé)任感和法制意識；通過團(tuán)隊成員合作來提高學(xué)生人際交往和溝通表達(dá)能力，幫助其樹立團(tuán)隊合作、友好相處等禮儀意識。除此之外，教師的科研項目中也會有很多涉及到最優(yōu)化方法的內(nèi)容，比如，使用深度學(xué)習(xí)方法進(jìn)行圖像識別和分類時，優(yōu)化方法的選擇對于算法的收斂速度和收斂精度都具有重要影響。通過參與科研項目能夠真正實現(xiàn)科教融合，讓學(xué)生學(xué)有所用。豐富思政教育的講授場所和實現(xiàn)途徑，能夠引導(dǎo)學(xué)生樹立“學(xué)有所用、知行合一”的學(xué)習(xí)理念，增強(qiáng)學(xué)生職業(yè)道德素質(zhì)教育。

四、思想政治教育元素融入“最優(yōu)化方法”課程教學(xué)的實踐成效

專業(yè)課教師是對大學(xué)生思想言行和成長影響最大的因素[6]，因此，在“最優(yōu)化方法”專業(yè)課程中由任課教師進(jìn)行思想政治教育，不僅踐行了課程門門有思政的理念，實現(xiàn)了教師人人講育人的要求，同時，授課過程中思政元素的引入，也增強(qiáng)了學(xué)生對課程內(nèi)容的思考和理解。

(一)師生對課程的認(rèn)知更全面深入

對專業(yè)課教師，將思政元素融入課程的探索不僅能促使教師懷有“育人心”，也加深了教師對課程專業(yè)知識的思考。為了挖掘課程中蘊(yùn)含的思政元素，教師需要努力把枯燥的理論知識與學(xué)生更容易理解的思政知識和實際工程應(yīng)用聯(lián)系起來，不僅減小了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，也增強(qiáng)了教師對課程的理解。比如，采用螞蟻爬坡的小故事類比講解優(yōu)化理論的思想，讓學(xué)生能夠快速、形象地理解課程內(nèi)容，也讓學(xué)生了解看似不相關(guān)事物之間的本質(zhì)聯(lián)系。

對學(xué)生而言，不再將“最優(yōu)化方法”簡單地視為一門計算課，引入思政元素后，使他們能夠?qū)I(yè)課程之間的內(nèi)在邏輯聯(lián)系起來，并明確課程知識的可能應(yīng)用場景。比如，在螞蟻爬坡案例中，在爬到最高峰的過程中，螞蟻會遇到重重難關(guān)，而不同困難需要不同解決方法，在課程中則對應(yīng)三等分法、共軛梯度法和懲罰函數(shù)法等不同的優(yōu)化算法。這不僅讓學(xué)生更生動、更深刻地理解和記憶各種優(yōu)化算法的特點，也讓學(xué)生明白在生活中針對不同類型的問題要采用相應(yīng)的解決方案，做到具體情況具體分析。

(二)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣更濃厚

自從將思政元素融入“最優(yōu)化方法”課程以來，北京林業(yè)大學(xué)自動化專業(yè)2018級學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和在課堂上發(fā)言的積極性都明顯提高，課堂氣氛也愈發(fā)活躍。對于課堂上提出的發(fā)散性問題，如“生活中用到最優(yōu)思想的情況都有哪些”，學(xué)生們會爭先恐后發(fā)表意見和觀點，答案涉及學(xué)習(xí)計劃、時間管理、銀行業(yè)務(wù)、灌溉控制等生活中的方方面面；而對一些知識性問題，如“如何計算矩陣的2-范數(shù)”，主動回答的學(xué)生數(shù)量明顯增加，說明學(xué)生們能夠準(zhǔn)確記憶重要的知識點。

由于該課程具有一定的理論性和實踐性，學(xué)生采用編程方式實現(xiàn)不同算法，不僅能夠更加深入地把握課程知識，也能增加學(xué)習(xí)的成就感。思政教育實施以來，北京林業(yè)大學(xué)自動化專業(yè)2018級1班和2班有近2/3的學(xué)生都會在課后積極查閱資料，主動提交算法編程實踐的選做作業(yè)，比2017級學(xué)生增加了近一半。綜合性程序設(shè)計實驗也能夠增強(qiáng)學(xué)生的編程能力，為其以后工作或是科研奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

(三)學(xué)生對課程教學(xué)的認(rèn)可度更高

在將思政元素融入“最優(yōu)化方法”課程教學(xué)后，專業(yè)教師對2017級和2018級自動化專業(yè)學(xué)生課程目標(biāo)達(dá)成情況的自我評價進(jìn)行了問卷調(diào)查。由于思政元素的融入，2018級自動化專業(yè)學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的認(rèn)可度更高、獲得感更強(qiáng)。以自動化專業(yè)“最優(yōu)化方法”課程目標(biāo)1為例，目標(biāo)1要求學(xué)生能夠結(jié)合數(shù)學(xué)方法，掌握優(yōu)化問題的分類、優(yōu)化的充分條件、一維搜索、有約束和無約束非線性規(guī)劃等最優(yōu)化基本理論和方法，能夠使用相關(guān)理論求解最優(yōu)化工程實踐問題。2018級自動化專業(yè)參與自我評價的學(xué)生為55人，比2017級參與人數(shù)(34人)增加了21人。2018級學(xué)生不僅愿意參加自我評價，而且這一目標(biāo)的滿分評價的比例也比2017級學(xué)生高了7%。學(xué)生針對這一課程目標(biāo)自我評價的提高，不僅證明了相關(guān)案例的引入能夠增加課堂的趣味性，減弱學(xué)習(xí)的困難性，也驗證了思政元素融入課程能夠調(diào)動學(xué)生的積極性，提升學(xué)習(xí)結(jié)果認(rèn)可度。

綜上所述，將思政元素融入“最優(yōu)化方法”課程的探討不僅僅是對學(xué)生教學(xué)內(nèi)容的豐富，也是對任課教師教學(xué)能力的考驗和提升。專業(yè)課程和思政課程的目的都是傳授學(xué)生做人做事的方法，都是要把學(xué)生培養(yǎng)成有能力、有視野、有責(zé)任、有情懷的社會主義接班人。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，教師需要堅持以身示范，教學(xué)相長，與學(xué)生共同提高。而要最終實現(xiàn)全程育人、全方位育人這一終極目標(biāo)，仍然需要教師在教學(xué)中進(jìn)一步思考與實踐。

資助項目：北京林業(yè)大學(xué)2019年“科教融合”項目“智能控制”，項目編號BJFU2019KJRHJY014；北京林業(yè)大學(xué)科研反哺人才培養(yǎng)研究生“智能控制”課程教改項目，項目編號JXGG19015；北京林業(yè)大學(xué)課程思政教研教改專項課題“最優(yōu)化方法”，項目編號2019KCSZ045；北京林業(yè)大學(xué)教育改革項目：面向工程教育認(rèn)證的“計算機(jī)圖像處理”課程教學(xué)改革，項目編號BJFU2019TY056；北京林業(yè)大學(xué)課程思政教研教改專項課題“計算機(jī)圖像處理”，項目編號2020KCSZ117。