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大学教学中数学建模研究与实践路径的建设

发布时间:2015-07-28 18:42

 [中图分类号]G642.0[文献标识码]A[文章编号]2095-3437(2014)06-0059-03
  随着社会经济和科学技术的飞速发展,特别是计算机技术普及,使得数学知识广泛应用于各个领域的实际问题之中。数学模型主要是使用数学知识来解决实际问题,因此,数学是人们掌握和使用数学模型这个工具的必要条件和重要的基础。没有广博的数学力学知识,严格的数学力学思维训练,是很难使用数学力学模型来解决实际问题的。因此,数学模型是连接实际问题和数学理论的中间桥梁。
  数学模型是一种具有创新性的科学方法,它通过抽象和简化,使用数学语言对现实问题进行简化,以便人们更加深刻地认识所研究的对象。数学模型不是对于现实系统的简单模拟,它是人们用以认识显示系统和解决实际问题的工具,数学模型是对现实对象信息进行提炼、分析、归纳、翻译的结果,它使用数学语言精确地表达了对象的内在特性,然后采用恰当的数学方法求解,通过数学上的演绎推理和分析求解,进而对现实问题进行定量分析和研究,最终达到解决实际问题之目的。应用数学知识解决实际问题的第一步必须要面对实际问题中看起来杂乱无章的现象,从中抽象出恰当的数学关系,用数学符号和语言把这个数学关系描述为数学公式,这个过程就是数学建模。数学建模活动的开展不但增强了大学生的创新意识、协作意识、竞争意识和奉献意识,更培养了他们的创造能力、分析问题和解决问题的能力。
  在我国,创办于1992年的全国大学生数学建模竞赛,每年一届,目前已成为全国高校规模最大的基础性学科竞赛,也是世界上规模最大的数学建模竞赛。2013年,来自全国33个省/市/自治区(包括香港和澳门特区)及新加坡、印度和马来西亚的1326所院校、23339个队(其中本科组19892队、专科组3447队)、70000多名大学生报名参加本项竞赛。在这样的大环境下,传统的数学教学已经阻碍了高等教育的发展,因此数学建模教学课程的创设也就成为高等学校改革的突破口。通过何种手段实施数学建模思想,采取何种数学建模教育来切实提高学生的数学素质,也就成为高校教师教学中的一个重大课题,培养学生应用数学建模的意识和能力已经成为教学的一个重要方面。
  一、数学模型的分类
  数学模型的分类繁多,但是按人们对事物发展过程的了解程度可以分为:
  白箱模型,指那些内部规律比较清楚的模型。如:力学、热学、电学以及相关的工程技术问题。
  灰箱模型,指那些内部规律尚不十分清楚,在建立和改善模型方面都还不同程度地有许多工作要做的问题。如:气象学、生态学、经济学等领域的模型。
  黑箱模型,指一些其内部规律还很少为人们所知的现象。如:生命科学、社会科学等方面的问题。但由于因素众多、关系复杂,也可简化为灰箱模型来研究。
  二、数学建模的过程
  一般说来,建立一个能够反映现实问题的数学模型必须经历几个过程(图1):
  第一,建立模型的准备,在建模前首先通过搜集相关资料来了解问题的实际背景知识。根据题目的要求,明确其实际意义,有目的地收集相关的信息和数据,尽量弄清研究对象的特点,用数学思路贯穿问题的全过程,初步确定用何种数学工具建立哪一类数学模型;
  第二,模型假设,这是建模的关键一步。根据研究对象的特点和研究目的,抓住问题的主要方面以及本质,忽略次要因素。对研究问题做出必要的、合理的假设,从中将实际问题抽象并简化出一个简单化的数学问题;
  第三,模型构成,分析处理已有的数据和资料等,在已做假设的基础上,综合运用适当的数学方法,选用合理的数学语言、符号、图形并分析其内在的逻辑关系来描述研究对象。所采用的数学工具要尽量简单,其模型也一定可行,能够方便地用数学工具求解;
  第四,模型求解,所建立的模型必须是可行的,根据不同的数学模型要用到相应的数学方法来求解其结果,即能够使用数学工具(Fortran,Matlab,C++等),对模型进行求解(解析解或近似解);
  第五,模型分析,对模型求解的结果进行数学上的分析(误差分析,统计分析,灵敏度分析和稳定性分析等),分析模型中各个参数之间的相互关系,同时还需要根据所得结果给出数学式的预测和最优决策、控制等,指出结果的实际意义和模型的适用范围等;
  第六,模型验证,将模型分析的结果运用懂时间问题的解决中并和实际情况比较,用时间的现象和数据来验证模型的合理性、实用性、可靠性和准确性等。如果求解结果为数值解,还要同时考虑所得到的误差应该在实际问题允许的误差范围之内。若比较相互吻合,说明模型是合理正确的。反之,则说明模型是失败的,问题可能出在假设上,此时应根据检验的情况对假设进行不断的修改并完善数学模型,重新求解进行分析,知道分析结果和实际情况符合,并且可以满足精度要求,则认为模型可行,便可以进行模型的应用和推广。另外,一个正确的模型不但可以解释已知现象,而且还可以预测一些未知情况;
  第七,模型应用,将验证正确的数学模型进一步推广到一些实际领域内,用以解决实际问题,在应用中不断改进和完善,从而对实际工作进行指导,最终产生经济效益。
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  图1
  可见,完整的数学建模是一个互动的过程。在建模过程中,就要把本质的东西及其关系反映进去,要真实地、系统地、完整地、形象地反映客观现象,若结果不理想,还得修改模型,重复上述过程,以期达到理想的结果。要想获得一个比较正确的数学模型,就必须熟悉并掌握一些建模的方法。
  三、数学建模教学的改革
  数学建模教学在高等学校实现素质教育及人才培养方面具有不可替代的作用,它是对加强学生知识,技能、能力、创新和综合素质培养这一中心工作不可缺少的重要组成部分。因此,国外的一些院校对数学建模教学的环节非常重视。然而,我国的数学建模却没有得到足够的重视,以我校的数学建模教学为例,主要存在两个方面的问题:第一,教学方式单一,往往是教师一个人在讲台上先把板书写好,然后按照固定的模式一步一步操作下去,台下学生快速地记笔记,课后按部就班地完成作业。这样就导致有的学生虽然可以完成作业,但是不能够真正地理解数学建模的原理,不会将实际问题转换为数学问题,从而难于发现问题和解决问 题。第二,教学内容陈旧,始终处于停滞状态,局限于书本上的例题,这些例题往往和时代发展相脱节,教学内容已经不能适应相应的社会发展要求。第三,数学建模课程缺乏时代性,学校没有形成对应的管理机制去监督数学建模教学的改革,现有的教学缺乏针对性,没有达到与时俱进。甚至,有的高校教学内容沿用了几年甚至十几年一成不变的教学大纲,以至于学生后来工作后无法将课堂上学到的知识灵活地运用到实际工作中从而满足自己的工作需要,实现个人价值和社会价值的统一。
  针对以上数学建模教学中存在的问题,可以采取以下措施进行改革创新:
  (一)传授模式的改变
  数学建模是一个老师和学生互动的过程,为了改变传统的教学模式,可以改变教师一人讲授的传统方式,也可以采用多媒体教学。学生既是被动接受知识的载体,又是整个过程的主要参与者。期间老师可以将该讲授内容以录像、动画和视频的形式表现出来,也可以通过讲授并且启发提问的方式,便于学生思考、提问和讨论、从而调动了学生的主动性。建模过程是一个复杂的过程,往往没有现成的解决方案,此时老师和学生必须进行实际背景调查,每个学生都应该参与其中,充分发挥各自的主观能动性,以便培养学生在课堂上独立思考问题的能力。另外,在课堂上还要培养学生发散思维的能力,没有一个数学模型可以完全解决实际问题。反之,同样的一个问题也可以有几种不同的解决方案,基于假设的不同就会有这样那样的数学模型,教师和学生应该紧密结合,充分发挥学生的想象力和创造力,力争有一个满意的解答。
  (二)传授内容的改革
  数学模型教学内容的选取上,优先关注那些教学插件的典型性和案例背景的实用性、前沿性和数学方法的综合性的例题。内容上,应该尽力精选一些实际应用的例题进行建模教学示范,所选的数学模型不但要密切联系生活,更要和本专业课程紧密结合。通过展示这些例题的建模过程,不但使学生进一步加深对于数学建模原理的理解,还应该使学生明白如何将本专业所遇到的实际问题转换为理论问题,帮助学生理论联系实际,提高学生解决本专业实际问题的能力。
  (三)引入数学软件, 开设数学实验
  随着计算机技术的空前发展,对于数学模型的求解完全可以借助于一些数学软件来快速实现。这就要求在大学课堂中除了要求学生掌握建模原理之外,更应该要求学生了解和掌握利用数学工具(C语言,Matlab,Maple,Mathematica,Gauss,Xmath等)来计算和解决比较复杂的科学问题。因此,必须开设相对应的课程以普及和介绍数学软件的各种运算和图形处理功能,同时还根据专业情况利用各个软件现有的工具箱来简化建模过程和扩充符合计算功能和仿真功能。在此基础之上,把数学工具软件应用到现有的数学建模教学中,可以提高数学建模的效率和质量,丰富了数学建模的方法和手段。
  四、结语
  目前,欧美国家的一些学校和教师早已经把数学建模实验课运用到实际中,切实发挥学生的动手能力和思考问题能力,培养了一大批能为社会作贡献的科学家。作为发展中的国家,我们更应该重视数学建模教学质量的提高,切实实现面向未来、面向世界的教育模式。然而,数学建模教学的改革是一个循序渐进的过程,在这个过程中就要扬长避短,抛弃陈旧观念,为高等学校的改革创造一个良好的环境。
  
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