大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽與電氣專業(yè)人才培養(yǎng)互助性的研究

徐 杰 孫駟洲

安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院 安徽蕪湖 241000

一、概述

數(shù)學(xué)建模作為探索現(xiàn)實(shí)世界和掌握自然規(guī)律的一種思想和方法，越來越受到人們的重視，隨著智能制造和人工智能及大數(shù)據(jù)的不斷發(fā)展，對(duì)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的發(fā)展提出新的人才培養(yǎng)要求。這是新時(shí)期的高校根據(jù)自身實(shí)際情況所提出的發(fā)展方向，也是辦學(xué)鮮明特色的體現(xiàn)。大學(xué)生數(shù)學(xué)建模比賽推動(dòng)了教學(xué)質(zhì)量的提高，并進(jìn)一步推動(dòng)專業(yè)與新技術(shù)發(fā)展要求，在新工科和教育部本科評(píng)估的促進(jìn)下，使電氣工程及其自動(dòng)化人才培養(yǎng)得到了提升。

二、大學(xué)生數(shù)學(xué)建模大賽的現(xiàn)狀與背景分析

(一)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模大賽的現(xiàn)狀

目前電氣工程及其自動(dòng)化的數(shù)學(xué)建模有三個(gè)主要賽事，一是全美大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽，即MCM/ICM，它是Mathematical Contest In Modeling和Interdisciplinary Contest In Modeling的縮寫。MCM始于1985年，ICM始于1999年，由美國數(shù)學(xué)及其應(yīng)用聯(lián)合會(huì)主辦，一般選擇離散、連續(xù)、大數(shù)據(jù)三個(gè)類型方向，采用主要、具有創(chuàng)新性的、沒有邊界值的一種分析、一種發(fā)散思路，同時(shí)對(duì)新知識(shí)、新方法、新要求、新工具要求比較高。二是大學(xué)生全國建模比賽高教杯。該比賽是國內(nèi)歷史最久的賽事，以全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽為例，比賽對(duì)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化要求更高。第三是電工杯數(shù)學(xué)建模大賽。電氣類題目近年主要涉及新能源的發(fā)電等、相關(guān)能源類的模型建立，是與實(shí)際結(jié)合度和教學(xué)目標(biāo)的結(jié)合度契合的一種國內(nèi)賽事。該賽事一般有兩道題，以電氣工程方向和管理類方向，這種電氣工程的要求和發(fā)展方向完全是對(duì)標(biāo)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的建模類賽事，符合現(xiàn)在的教學(xué)的要求和高素質(zhì)新型電氣類人才培養(yǎng)。

(二)電氣工程及其自動(dòng)化和自動(dòng)化專業(yè)的數(shù)學(xué)建模學(xué)習(xí)分析

高素質(zhì)應(yīng)用型電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)人才是能將專業(yè)知識(shí)和技能應(yīng)用于所從事的專業(yè)社會(huì)實(shí)踐的一種專門的人才類型。高素質(zhì)應(yīng)用型電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)人才有較強(qiáng)的應(yīng)用技能和工程能力，能夠從事與電氣工程相關(guān)的研發(fā)、工程、設(shè)計(jì)、管理等方面的工作。

另一方面，與學(xué)術(shù)型人才相比，具有較強(qiáng)的運(yùn)行維護(hù)、技能更新、人工智能等相關(guān)的綜合創(chuàng)新型的高素質(zhì)應(yīng)用型復(fù)合型人才，也是我校未來發(fā)展的前進(jìn)方向。

三、基于數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽的高素質(zhì)電氣專業(yè)人才創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)

從專業(yè)整體培養(yǎng)模式的思路出發(fā)，根據(jù)培養(yǎng)方案和培養(yǎng)方向、培養(yǎng)方針的三方指導(dǎo)原則，進(jìn)一步突出新形勢(shì)要求，調(diào)整改進(jìn)思路。具體分析如下：

(一)人工智能下的傳統(tǒng)電氣工程的數(shù)學(xué)建模新工科思想

通過具有大數(shù)據(jù)不斷累積，深度學(xué)習(xí)及強(qiáng)化學(xué)習(xí)等算法不斷優(yōu)化，大數(shù)據(jù)技術(shù)將與人工智能技術(shù)更緊密地結(jié)合，這對(duì)新形勢(shì)下電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)整體培養(yǎng)模式提出了新工科培養(yǎng)要求。

大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽較多，目前主要有國賽和美賽為主流，其他賽事為普通B類及以下的賽事，對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)有促進(jìn)作用，對(duì)普通學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)鞏固和系統(tǒng)化學(xué)習(xí)與電氣工程類專業(yè)的貼切度比較大，特別是電氣學(xué)院當(dāng)中的自動(dòng)化電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)。

數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽相比其他比賽，對(duì)于場(chǎng)地、設(shè)備等要求不高，但是能夠開發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維，且影響非常大。對(duì)于普通類學(xué)生，可學(xué)習(xí)、可參與的可能性非常大，此類數(shù)學(xué)建模類比賽對(duì)相當(dāng)一部分學(xué)生來說會(huì)獲得更好的深造和就業(yè)的機(jī)會(huì)，所以發(fā)展數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽是有必要的。

電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)中將數(shù)學(xué)建模作為一個(gè)專業(yè)的基礎(chǔ)課，與現(xiàn)在的智能時(shí)代和大數(shù)據(jù)緊密結(jié)合，企業(yè)以及互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代大數(shù)據(jù)不斷被應(yīng)用和發(fā)展，對(duì)建模類以及電器類的復(fù)合型人才需求和要求會(huì)更高。特別是隨著對(duì)智能電網(wǎng)、智慧城市的發(fā)展，智慧能源運(yùn)行、開發(fā)、利用更加需要高素質(zhì)應(yīng)用型電氣人才。

(二)數(shù)學(xué)建模比賽與專業(yè)教學(xué)的相關(guān)性

目前電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，開設(shè)了數(shù)學(xué)建模這門課，電氣工程專業(yè)主要包含兩個(gè)方向，一個(gè)是計(jì)算機(jī)類，一個(gè)是數(shù)學(xué)類。目前電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化方向涉及模型分析，同時(shí)涉及電力系統(tǒng)繼電保護(hù)等。它是以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的課程，通過數(shù)學(xué)建模的學(xué)習(xí)，有利于對(duì)電氣工程自動(dòng)化傳統(tǒng)專業(yè)進(jìn)行更深層次的理解，電氣工程自動(dòng)化在高素質(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)以及智能制造發(fā)展的背景下，對(duì)數(shù)學(xué)建模的要求進(jìn)一步提高。

數(shù)學(xué)建模對(duì)學(xué)生的分析能力、解決能力和合作能力具有較強(qiáng)的提高，也與工程的實(shí)際相符合，另外對(duì)于電力系統(tǒng)的運(yùn)行，從發(fā)電、輸電、變電、配電、用電端數(shù)據(jù)分析都是離不開數(shù)學(xué)建模的。全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽、電工杯數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽、亞太杯數(shù)學(xué)建模比賽、全美大學(xué)生數(shù)學(xué)競(jìng)賽，對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)和教師教學(xué)，都是起到了較好的促進(jìn)作用。

(三)互助性的三個(gè)方面

(1)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的基礎(chǔ)是與數(shù)學(xué)建模有相關(guān)性，也就是由專業(yè)性引導(dǎo)數(shù)學(xué)建模的導(dǎo)向性。

(2)數(shù)學(xué)建模對(duì)電氣工程自動(dòng)化，特別是在大數(shù)據(jù)和智慧時(shí)代下專業(yè)的學(xué)習(xí)具有密不可分的指導(dǎo)性。

(3)數(shù)學(xué)建模和電氣工程自動(dòng)化的專業(yè)學(xué)習(xí)是相輔相成的，互相作為指引。這是大學(xué)生數(shù)學(xué)建模與電氣工程自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)習(xí)互助性。

在大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽當(dāng)中，也對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)有著課程思政的引導(dǎo)，比如，在2018年的電工杯數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽當(dāng)中提到的棄光棄風(fēng)的研究，學(xué)生通過此類的比賽和學(xué)習(xí)，進(jìn)一步加深理解國家“十三五”規(guī)劃和十大報(bào)告對(duì)于新能源的利用和環(huán)境保護(hù)治理的一系列政策。相關(guān)電工杯數(shù)學(xué)建模比賽進(jìn)一步加深了課堂教學(xué)外的第二課堂的學(xué)習(xí)。

結(jié)合本專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化，可操作性比較強(qiáng)，數(shù)學(xué)建模比賽課程，是學(xué)生更好地結(jié)合本專業(yè)的未來發(fā)展需要重點(diǎn)學(xué)習(xí)的。目前，各學(xué)校對(duì)教育部劃分的19類賽事當(dāng)中的高教杯數(shù)學(xué)建模大賽，對(duì)于電氣工程類專業(yè)的未來發(fā)展非常重要。

四、數(shù)學(xué)建模與電氣工程專業(yè)協(xié)同發(fā)展

近幾年來，安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電氣工程專業(yè)在對(duì)高素質(zhì)應(yīng)用型電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)模式指導(dǎo)下，大學(xué)生數(shù)學(xué)建模與專業(yè)學(xué)習(xí)相輔相成，在智能制造新技術(shù)新要求下，數(shù)學(xué)建模育人發(fā)揮了積極作用。

(一)數(shù)學(xué)建模支撐電氣工程專業(yè)教學(xué)

電子工程領(lǐng)域與數(shù)學(xué)模型、物理理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，使得更多的電子電氣系統(tǒng)成為數(shù)字化和智能化。邏輯控制類系統(tǒng)更加具有特別的意義。電氣工程系統(tǒng)是一門建立在數(shù)學(xué)模型、數(shù)學(xué)計(jì)算和物理理論基礎(chǔ)上的，具有強(qiáng)大生命力的，體系完整、邏輯嚴(yán)密的獨(dú)立學(xué)科。在工農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域中運(yùn)用和發(fā)展的電氣理論均離不開數(shù)學(xué)理論的支持和數(shù)學(xué)模型的幫助?？梢哉f電氣工程系統(tǒng)一旦脫離了數(shù)學(xué)理論、數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)計(jì)算將會(huì)一事無成。反之，電氣工程系統(tǒng)本身的發(fā)展也是建立在數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)上，又促使數(shù)學(xué)理論急速向更深、更廣的領(lǐng)域發(fā)展。進(jìn)入計(jì)算機(jī)時(shí)代，它不僅僅改變了數(shù)學(xué)系統(tǒng)的面貌，也提供了電氣系統(tǒng)的研究交叉學(xué)科方向，同時(shí)也改變了研究和就業(yè)新思路。

(二)電氣工程專業(yè)以數(shù)學(xué)建模為主要分析方法

安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院與電氣工程專業(yè)相關(guān)的數(shù)學(xué)建模，從入學(xué)到專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)，再從畢業(yè)設(shè)計(jì)到學(xué)生的相關(guān)就業(yè)工作以及培養(yǎng)基本。

以學(xué)院近三年的數(shù)學(xué)建模的成果，近三年美賽M獎(jiǎng)一項(xiàng)、H獎(jiǎng)四項(xiàng)、安徽省高教杯省級(jí)一等獎(jiǎng)一項(xiàng)等項(xiàng)目，凸顯了大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽的相關(guān)性。

電氣工程學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)在軟件工程訓(xùn)練、創(chuàng)新訓(xùn)練、綜合實(shí)訓(xùn)中均涉及相關(guān)的數(shù)學(xué)建模領(lǐng)域，內(nèi)容包括數(shù)學(xué)的模型、Matlab的使用，涉及函數(shù)文本等相關(guān)的教學(xué)和相關(guān)性的研究，同時(shí)對(duì)于本科生高水平的論文發(fā)表都提供了很好的引導(dǎo)和學(xué)習(xí)的平臺(tái)。

電氣工程以能源互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、微電網(wǎng)為主要方向的配網(wǎng)側(cè)的研究方向，對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究的方向的形成，特別是建立在教育部高端制造與裝備基礎(chǔ)上，更進(jìn)一步，對(duì)相關(guān)的復(fù)雜的模型制訂了教學(xué)要求。

(三)二者互相融合

電氣系統(tǒng)是一門建立在數(shù)學(xué)計(jì)算和物理理論基礎(chǔ)上的體系完整、邏輯嚴(yán)密的獨(dú)立學(xué)科。在人工智能及大數(shù)據(jù)的時(shí)代背景下，研究數(shù)學(xué)計(jì)算，使信息時(shí)代下電氣系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)入了快車道。數(shù)學(xué)建模與電氣系統(tǒng)兩者之間的關(guān)系更加緊密。

電力系統(tǒng)中通過對(duì)電源、傳輸線路、變壓器、負(fù)荷等進(jìn)行模型的數(shù)學(xué)化，對(duì)電力系統(tǒng)的分析和計(jì)算起著主導(dǎo)作用，其中涉及對(duì)潮流計(jì)算、短路計(jì)算、調(diào)度及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等影響結(jié)果，反過來對(duì)系統(tǒng)的整體運(yùn)行產(chǎn)生影響。如果參考數(shù)學(xué)模型不合理，將會(huì)對(duì)整體復(fù)雜的系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生錯(cuò)誤和浪費(fèi)等后果。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)該更好地建立符合電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)涉及數(shù)學(xué)模型、物理理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能等。電氣工程系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在工業(yè)體系統(tǒng)中，涉及大部分民生內(nèi)容，數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)是電氣最主要的兩個(gè)支柱。電氣工程系統(tǒng)本身的發(fā)展也是建立在數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)上，又促使數(shù)學(xué)理論急速向更深、更廣的領(lǐng)域發(fā)展。進(jìn)入計(jì)算機(jī)時(shí)代，不僅僅改變了數(shù)學(xué)系統(tǒng)的面貌，改變了電氣系統(tǒng)的研究方向，同時(shí)也改變了評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)成果的價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)。總之，電氣工程系統(tǒng)和數(shù)學(xué)理論、數(shù)學(xué)模型共同為人類的文明進(jìn)步做出了顯著的貢獻(xiàn)。因此，研究和實(shí)現(xiàn)電氣工程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模方法具有重要的指導(dǎo)意義。結(jié)合數(shù)學(xué)模型的電氣工程專業(yè)將會(huì)是未來，特別是人工智能時(shí)代正在開啟的新篇章。

五、數(shù)學(xué)建模與專業(yè)科技論文寫作提升

數(shù)學(xué)建模呈現(xiàn)的是科技論文完整的訓(xùn)練過程，以數(shù)學(xué)建模結(jié)合專業(yè)知識(shí)、分析工具軟件完成，進(jìn)一步訓(xùn)練學(xué)生的綜合知識(shí)。

(一)科技論文屬性強(qiáng)

數(shù)學(xué)建模的這個(gè)論文屬性比較強(qiáng)，以美賽為例，需要在三晚四天的時(shí)間完成一篇完全英文的論文，其中涉及科技論文的摘要、正文、結(jié)論、參考文獻(xiàn)，其中正文當(dāng)中出現(xiàn)了大量的數(shù)據(jù)。這個(gè)數(shù)據(jù)處理方法比對(duì)文圖表構(gòu)成，同時(shí)是以全英文的形式。其英文表述以及對(duì)科學(xué)實(shí)踐的描述都有比較高的一個(gè)要求，同時(shí)對(duì)于學(xué)生平時(shí)的積累提出了要求，并通過比賽得以展現(xiàn)。

9月份的高教杯大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽，也涉及相關(guān)的科技論文寫作，通過對(duì)問題的具體應(yīng)對(duì)給出方法分析，最終給出解決問題的辦法，積累相關(guān)專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)及數(shù)學(xué)知識(shí)特性比較明顯，比如灰色度的預(yù)測(cè)、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法，對(duì)大量數(shù)據(jù)的分析、數(shù)據(jù)處理等，并給出預(yù)測(cè)結(jié)果。

電工杯數(shù)學(xué)建模是由電工數(shù)學(xué)專委會(huì)與全國大學(xué)生電工數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽組委會(huì)組建的，這涉及大量的數(shù)據(jù)處理分析等相關(guān)的一些特性，要進(jìn)行整個(gè)整理匯集等，競(jìng)賽的目的是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)理論和方法解決電氣工程領(lǐng)域相關(guān)問題的能力，提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

(二)快速翻閱資料

借鑒別人已有成果，通過查閱知網(wǎng)、百度文獻(xiàn)、Web of Science、同時(shí)查詢涉及中國國家統(tǒng)計(jì)局、某地區(qū)風(fēng)能情況分布、智能電站充電樁數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)收集、分析等。

電氣工程系統(tǒng)和數(shù)學(xué)理論、數(shù)學(xué)模型共同為人類的文明進(jìn)步做出了顯著的貢獻(xiàn)。因此，研究和實(shí)現(xiàn)電氣工程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模方法具有重要意義。通過數(shù)學(xué)建模的訓(xùn)練和比賽，進(jìn)一步訓(xùn)練了對(duì)專業(yè)知識(shí)和科技論文知識(shí)點(diǎn)的工具查詢，系統(tǒng)地實(shí)現(xiàn)完成了對(duì)電氣工程與數(shù)學(xué)模型的科技論文寫作。

結(jié)語

近幾年來，安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電氣工程專業(yè)在高素質(zhì)應(yīng)用型電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)模式的指導(dǎo)下，大學(xué)生數(shù)學(xué)建模與專業(yè)學(xué)習(xí)相輔相成，在智能制造新技術(shù)新要求下，數(shù)學(xué)建模的三全育人特點(diǎn)發(fā)揮了積極作用。