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摘 要：随着数学建模与数学实验教育的普及,数学建模与数学实验课程已经在国内外高校广泛开设,数学建模与数学实验类课程建设及教学研究正在不断深化.由于其在大学数学教育及人才培养中发挥的重要作用,这类课程越来越受到高校师生的重视.
关 键 词：数学建模数学实验课程改革
1.引言
进入21世纪以来,随着科学技术的迅速发展和计算机的日益普及,人们对解决实际问题的要求越来越精确,这使得数学已经成为一种能够普遍实施的技术,正如伟大的哲学家与数学家笛卡尔所说：“一切问题都可以化成数学问题”,进而,培养学生应用数学的意识和能力已经成为数学教学的一个重要方面.
应用数学去解决各类实际问题时,建立数学模型是十分关键的一步.二十世纪70年代末至80年代初,英国剑桥大学为研究生开设了“数学建模（PronblemSolving）”课程,牛津大学创设了与工业界的合作研究活动,欧洲和美国也开始将“数学建模”列入研究生和本科生的教学计划中.1985年美国70所大学联合举办了第一届数学建模竞赛,这一活动迅速引起美国以及国际大学生的广泛兴趣.在此期间,我国数学教育界的一些学者了解到西方数学教育的这一重要动向,于1992年成功举办第一届“全国大学生数学建模竞赛”,并逐步将“数学建模”课程引入我国大学本科教学计划.我校于2009年将“数学建模”课程设置为理工科必修课,笔者经过多年数学建模教学和数学建模竞赛指导,总结并探索得出数学建模的课程教学不同于传统的数学教学,传统的数学教学模式是以教师为中心、以课堂讲授为主,而数学建模教学则是突出以学生为中心、以实验室为基础、以问题为主线、以培养能力为目标.
2.数学建模课程的教学特点
数学建模是一门实践性很强的课程,与其它数学类课程的相比,最主要的区别是不能再沿用传统数学教学“课堂讲解—笔记—作业—考试”的教学模式.数学建模的教学形式灵活,在教学过程中强调尊重学生,尽可能把学习的主动权交给学生.课堂上,教师提出事先设计好的问题,引导学生主动查阅文献资料和学习新知识,鼓励学生积极展开讨论和辩论,充分发挥学生的主动性、积极性、创造性,教师从旁质疑指导,采取小组讨论,教学互动,学生上讲台做演讲等手段,提高学生的兴趣,调动学生参与的积极性、主动性和创造性,充分发挥学生的主体作用,从而锻炼学生解决问题的综合能力.当然,教师讲课在教学过程中还是占有很大部分比重,教师主要担当引路者的角色,把讲的机会让给学生,把做的过程放给学生,充分体现以学生“自主、探究、合作”为特征的教学方式.教学过程的重点是创造一个诱导学生的学习、培养他们的自学能力,增强他们的应用意识和创新能力,提高他们的数学素质,强调的是获取新知识的能力,从而改变了传统的以教师为中心的课堂教学结构,由以教师为中心的教学结构转变为“以教师为主导—以学生为主体相结合”的教学结构.
“数学建模”课程的练习和考核方式也明显有别于传统数学课程.我们认为,“数学建模”适用多元化的考核方式,不宜简单采用闭卷考试,有标准解答的考试不符合“数学建模”问题的特点.所以,课堂多采用分组讨论,案例分析,上机计算和模拟,最后以论文形式提交作业；考试大多数采用组合考核,即平时练习、阶段论文、期末考试三部分综合评定成绩.学校一般不安排期末考试,而是通过模拟竞赛的论文来评定成绩.
3.数学建模与数学实验
数学实验是计算机技术和数学软件引入教学后出现的新生事物,是数学教学体系、内容和方法改革的一项创造性的尝试.“数学实验”是以计算机为工具,配以各种数学计算软件(如Matlab,Lindo\Lingo,Mathmatical,SAS,Maple,C,Excel等等)作为实验环境,用以加工处理各种数学资料信息,得到计算结论.而数学建模是在简化和假设的基础上,选择适当的数学工具来可挂描述各种量之间的关系,用表格、图形、公式等来确定数学结构.然而,建立模型的目的是为了解释自然现象,寻找规律,以便指导人们认识世界和改造世界,建立模型并不是目的.所以,模型建立后,要对模型进行求解、分析和检验,即用计算机技术和软件包求解数学模型,得到数量结果,并按照一定的数学规律,利用计算机程序语言来模拟实际运行的状态,并依据大量的模拟结果对系统或过程进行必要的定量分析,得到一些定量结果,这通常是解决实际问题的有效手段.
数学建模课的性质决定了它需要做数学实验,一方面,做数学实验可以在数学建模教学过程中加强学生“用数学”的意识,培养学生应用数学知识解决实际问题的能力；另一方面,数学实验可以将数学教学与计算机应用结合起来,培养学生进行数值计算与数据处理的能力.所以绝大部分学校在“数学建模”教学中结合了数学实验.数学实验与物理实验、化学实验一样具有演示作用,更把课堂教学与实际操作结合起来,给学生实践机会,它能将某些抽象的思维过程具体化、形象化,它是对人类思维过程的一种模拟、验证和拓广.因此,数学建模与数学实验的结合是很有必要的.
数学实验课的开设首先要选择合适的数学软件.如Mathematical、Matlab、Lingo\Lindo等,这些软件都是功能强、效率高,便于进行数学计算的交互软件包.它们对于一般的数值计算、矩阵运算、方程求解、高等数学建模、优化设计等都能方便地实施,在这些软件的操作环境下所解问题的语言表述形式和其数学表达形式相同,不须按传统的方法编程.例如在经管类高等数学的教学中,线性规划问题很多,而规划问题的求解需花去大量的时间计算,如果借助Lingo\Lindo软件,则能编制简单的程序,迅速解决计算问题.我们可以布置练习题让学生熟悉软件包,培养学生利用软件包求解模型的能力,并培养学生软件编程的能力.通过这些软件的实验和学习,同学们的实践动手能力得到了极大提高,一方面巩固了数学理论知识,另一方面又掌握了使用数学工具的本领.另外,在数学实验过程中,注意精心安排学生的实验,保证学生上机的时间,确实能让学生自己动手操作.尽量从实际问题引入要讲述的数学实验内容,也可以安排建模中常用的方法,如作图的方法(mathematical),曲线拟合的技巧(matlab),优化工具箱的使用(matlab),整数规划的求解(Lingo)等作为实验的内容.最后要求学生以2—3人为一个小组,在教师的指导下,写出实验报告,实验报告包括问题提出、实验目的、实验内容及要求、实验过程及结果、结果分析、思考与练习,这相当于完成一个实际问题的数学建模论文.