將數(shù)學(xué)建模思想融入土建類專業(yè)實踐教學(xué)中的探索與實踐

孫海義+李寧+靖新+繆淑賢

[摘 要]為了培養(yǎng)既具備扎實的知識、素質(zhì)和綜合能力，又能面向建筑行業(yè)的生產(chǎn)、管理、建設(shè)、服務(wù)第一線的高級應(yīng)用型、實踐型專門人才，積極開展應(yīng)用型大學(xué)教育，將數(shù)學(xué)建模思想引入建筑類專業(yè)教學(xué)中具有必要性。數(shù)學(xué)建模課程的改革探索與實踐，包括教學(xué)、課程體系的改革與實踐、數(shù)學(xué)建模學(xué)科競賽體系的改革與實踐，以及網(wǎng)上數(shù)字平臺的構(gòu)建等方面。

[關(guān)鍵詞]數(shù)學(xué)建模思想;土建類專業(yè);實踐教學(xué);探索與實踐

[中圖分類號] O13;G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）11-0152-02

進入21世紀，我國高新科技的迅猛發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷升級對高等教育提出了新的要求。一些建筑類院校為適應(yīng)社會和市場需求，積極開展應(yīng)用型大學(xué)本科教育，培養(yǎng)既具備扎實的知識、素質(zhì)和綜合能力，又能面向建筑行業(yè)的生產(chǎn)、管理、建設(shè)、服務(wù)第一線的高級應(yīng)用型、實踐型專門人才。但目前各個地區(qū)的建筑類院校在培養(yǎng)工程人才的過程中，大都存在工程實踐能力不足，工程實踐性教學(xué)模式及內(nèi)容與工程實際差距大，工程實踐教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)缺乏特色性和整合性，實地工程訓(xùn)練不足，研究型、創(chuàng)新型教育理念不足，土木工程實踐教學(xué)方面的師資力量不足等局限性。解決上述不足已成為一項迫切的需要。要實現(xiàn)這一目標，建筑類院校工程教育實踐教學(xué)體系的改革勢在必行。數(shù)學(xué)建模思想的引入和數(shù)學(xué)建模仿真實驗室的建設(shè)，可以從很大程度上解決這些問題。

一、將數(shù)學(xué)建模思想引入建筑類專業(yè)實踐教學(xué)中的必要性

在培養(yǎng)建筑類應(yīng)用型本科人才方面，最重要的途徑就是進行實訓(xùn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生在行動學(xué)習(xí)方面的能力。實訓(xùn)教學(xué)是復(fù)合型人才培養(yǎng)的重要組成部分，是不可或缺的一項教學(xué)環(huán)節(jié)，是實行實踐教學(xué)各個環(huán)節(jié)最基本的物質(zhì)保障和依托。目前，實訓(xùn)教學(xué)在實施過程中受到以下幾方面因素的制約。

1.實驗硬件條件的不足與實驗課時之間存在矛盾，多數(shù)建筑類高校的實驗室和實驗設(shè)備的數(shù)量不足，很難滿足實驗教學(xué)課時的需求。

2.由于施工現(xiàn)場的危險性比較大而且技術(shù)復(fù)雜，學(xué)生在單位實習(xí)時存在安全隱患，很多施工單位不愿給學(xué)生提供實習(xí)崗位。這對學(xué)生的場地實習(xí)造成一定的限制，學(xué)生們很難完全建立對施工工藝和施工技術(shù)等的感性認識。

3.由于有些實踐環(huán)節(jié)所做實驗具有破壞性，而且實驗成本很高，很難反復(fù)對某一過程進行盲目的重復(fù)實驗。

4.由于施工的季節(jié)性等原因，學(xué)校教學(xué)和社會實訓(xùn)在進度上有差異，導(dǎo)致在時間上不能同步，不能很好地協(xié)調(diào)。

數(shù)學(xué)建模和數(shù)學(xué)仿真實驗室的建設(shè)可以很好地解決上述問題。利用數(shù)學(xué)建模思想和數(shù)學(xué)仿真實驗室，可以采用多種技術(shù)手段，如數(shù)值模擬、計算機仿真技術(shù)、視頻、甚至是實物等，以彌補實驗室硬件匱乏的不足，這在滿足學(xué)生實驗課時的同時，還減少了實驗室經(jīng)費的投入。利用計算機軟件的各種仿真技術(shù)，還可以充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，將實驗進行分角色設(shè)計能夠提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和應(yīng)變能力。[1]特別是對于一些具有破壞性而且成本較高的實驗，可以先利用數(shù)學(xué)建模思想進行建模和可行性分析、計算，再結(jié)合仿真，這樣既可以減少實驗的次數(shù)、節(jié)約成本，又可以有的放矢。實驗室模擬系統(tǒng)可以利用動畫的形式提供施工現(xiàn)場和施工環(huán)境，使學(xué)生能夠在一個仿真的工作環(huán)境中進行實驗實習(xí)。模擬實驗室能使學(xué)生隨著教學(xué)進度從感性上理解教學(xué)內(nèi)容，克服理論與實踐相脫節(jié)的問題。傳統(tǒng)的教學(xué)手段和實驗針對的是一門具體的課程，而模擬實驗則提供了一個有效的綜合實驗工具箱，可以讓學(xué)生將所學(xué)課程進行綜合性的集成實驗。[2]

此外，建筑類普通高等院校在教學(xué)中理論教學(xué)與實踐教學(xué)相脫節(jié)、工科教學(xué)中學(xué)生數(shù)學(xué)方面綜合素質(zhì)的缺失等問題較為突出。這些問題的存在嚴重影響著學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的形成。而數(shù)學(xué)建模是一門十分重視理論和實際相結(jié)合的課程，它與傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)課程有著較大的區(qū)別。加強對學(xué)生進行嚴格的數(shù)學(xué)技能和數(shù)學(xué)理論的訓(xùn)練，將學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)作為主要目標，是發(fā)揮數(shù)學(xué)應(yīng)用功能的重要方法。因此，提供并重視數(shù)學(xué)建模的教學(xué)可以有效地培養(yǎng)建筑類學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。而將數(shù)學(xué)建模、數(shù)學(xué)仿真和行動學(xué)習(xí)與建筑類專業(yè)課程系統(tǒng)、有機的結(jié)合還存在一定的差距，還有待進一步的完善和提高。[3]

基于上述原因，本文試圖將數(shù)學(xué)建模思想應(yīng)用于建筑類專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)訓(xùn)練中，培養(yǎng)學(xué)生行動學(xué)習(xí)的能力，并對此進行深入的研究和探索。依托應(yīng)用型本科教育的人才培養(yǎng)模式，對高等工科學(xué)校教學(xué)工作進行相應(yīng)的改革是當前建筑類高校最重要的任務(wù)之一，這為建筑類院校高等工程教育的改革實踐活動提供了借鑒和參考。

二、將數(shù)學(xué)建模思想引入建筑類專業(yè)實踐教學(xué)中的實施方案

（一）數(shù)學(xué)建模課程體系的改革與實踐

針對建筑類專業(yè)課程中所涉及的實際問題數(shù)學(xué)計算量較大且較難的情況，應(yīng)加強數(shù)學(xué)實踐教學(xué)，增設(shè)數(shù)學(xué)建模在工程中的應(yīng)用、數(shù)學(xué)實驗、數(shù)學(xué)選講、數(shù)學(xué)建模講座、數(shù)學(xué)建模競賽培訓(xùn)等，以增強學(xué)生運用數(shù)學(xué)建模思想解決實際問題的能力和復(fù)雜數(shù)值計算的能力，減輕傳統(tǒng)方法進行數(shù)值計算的計算量，彌補傳統(tǒng)工科數(shù)學(xué)教學(xué)中的不足。在授課過程中，將運用Matlab、SPSS、Mathematics、Lindo / Lingo等常見的數(shù)值計算軟件，將求解數(shù)值問題初步能力的培養(yǎng)融入建筑類專業(yè)課程的教學(xué)中，特別是針對有些實踐環(huán)節(jié)所做實驗具有破壞性、實驗成本很高、很難反復(fù)對某一過程進行盲目的重復(fù)實驗這一情況，可以先運用軟件進行計算、仿真和模擬，從而減少實驗次數(shù)，做到有的放矢，促進數(shù)學(xué)建模和數(shù)學(xué)實驗與建筑類專業(yè)課程實踐教學(xué)在實際中的有機銜接。

（二）數(shù)學(xué)建模競賽體系的改革與實踐

以東三省數(shù)學(xué)建模競賽、全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽和美國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽為載體，加大數(shù)學(xué)建模課程的實踐力度，建立完善的數(shù)學(xué)建模競賽體系以提高學(xué)生運用數(shù)學(xué)解決實際問題的綜合素質(zhì)。數(shù)學(xué)建模競賽的論文寫作與建模競賽是學(xué)生綜合素質(zhì)最好的檢驗和提高方式。數(shù)學(xué)建模實踐教學(xué)和競賽活動能夠充分調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性，對學(xué)生創(chuàng)新精神和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，以及增強學(xué)生團結(jié)合作精神、提高學(xué)生協(xié)調(diào)組織能力都非常有好處。

在運用學(xué)科競賽來促進創(chuàng)新人才培養(yǎng)這一理念的基礎(chǔ)上，筆者緊緊圍繞數(shù)學(xué)建模競賽管理體系概念和相關(guān)理論，立足于現(xiàn)有數(shù)學(xué)建模競賽管理體系研究，針對數(shù)學(xué)建模競賽管理體系不完整、不規(guī)范的問題，通過過程分析、文獻統(tǒng)計和我校數(shù)學(xué)建模競賽案例研究三種研究方法，提出了一套科學(xué)、合理的數(shù)學(xué)建模競賽管理體系，并對數(shù)學(xué)建模競賽體系的因素、結(jié)構(gòu)、目的和體系與建筑類專業(yè)教學(xué)系統(tǒng)之間的關(guān)系進行了深入的探討。[5]

近三年，我校教師指導(dǎo)學(xué)生參加國際大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽獲一等獎1項、二等獎20項;指導(dǎo)學(xué)生參加全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽獲全國一等獎1項、全國二等獎19項;省一等獎40項、二等獎43項、三等獎57項;東三省大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽一等獎4項、二等獎8項、三等獎10項。

（三）構(gòu)建網(wǎng)上數(shù)字平臺，奠定仿真教學(xué)基礎(chǔ)

在模塊化、層次化教學(xué)體系的主導(dǎo)下，構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)的面向先進建筑類仿真技術(shù)的工程訓(xùn)練教學(xué)平臺，為學(xué)生提供仿真設(shè)計和自我學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。該平臺的建設(shè)不僅為實施虛擬實驗、構(gòu)建數(shù)字化模型和先進數(shù)字技術(shù)共享創(chuàng)造了條件，而且為仿真技術(shù)的教學(xué)運用奠定了基礎(chǔ)。仿真技術(shù)的施工實訓(xùn)方案能夠有力彌補傳統(tǒng)實踐教學(xué)的不足。平臺通過局域網(wǎng)和接口開發(fā)完成各類數(shù)控設(shè)備的連接，實現(xiàn)信息資源共享;平臺還可以開展網(wǎng)上教學(xué)、實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理，增加先進制造技術(shù)的實習(xí)內(nèi)容;平臺的建立能夠極大地滿足建筑類高校工程訓(xùn)練的教學(xué)需求，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為培養(yǎng)高素質(zhì)、高技能、高層次及具有創(chuàng)新能力的復(fù)合型人才起到積極的作用。

加強建筑類高校數(shù)學(xué)建模課程體系改革、實現(xiàn)建筑類高校專業(yè)課程與數(shù)學(xué)建模的有機對接是一項長期、艱巨的任務(wù)，需要高等建筑教育工作者長期不懈的努力。隨著數(shù)學(xué)建模思想在建筑類專業(yè)影響的日益擴大，很多教師在教學(xué)各個環(huán)節(jié)中融入了數(shù)學(xué)建模的教學(xué)方法和案例，拓展了學(xué)生數(shù)學(xué)綜合素質(zhì)的訓(xùn)練。這在一定程度上對加快建筑類高校人才培養(yǎng)模式的改革，適應(yīng)新型建筑行業(yè)技術(shù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)起到了推動作用。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 姜啟源，謝金星.一項成功的高等教育改革實踐——數(shù)學(xué)建模教學(xué)與競賽活動的探索與實踐[J].中國高教研究，2011（12）：79-83.

[2] 周國恩.仿真技術(shù)在土木工程施工教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].大眾科技，2013（4）：243-244.

[3] 中共遼寧省委.遼寧省中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）.遼委發(fā)[2010]19號.2010-12-16.http：//www.ln.gov.cn / zfxx / lnsrmzfgb / 2011 / d1q / szfbgtwj / ?201105 / t20110504_652154.html.

[4] 孫海義，李寧，靖新.土建類專業(yè)數(shù)學(xué)課程的教學(xué)改革與實踐[J].高等建筑教育，2012（5）：97-100.

[5] 李大潛.中國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2011：5-10.

[責(zé)任編輯：陳 明]