R在礦業系統工程教學中的應用初探

單耀 朱權潔 薛彥濤

摘要：礦業系統工程是采礦工程大學生知識體系的重要一環。在教學過程中，通過R語言代碼向學生介紹礦業系統工程具體問題的解題過程，取得了較好的教與學的效果。

關鍵詞：礦業系統工程;R語言;教學

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）44-0176-02

我校在采礦工程課程的設置中，增加了礦業系統工程課程，目的在于健全與拓展學生的知識架構，鍛煉了學生用系統、整體的觀點思考與解決現實問題的能力。應用系統工程的方法解決實際問題的出發點是數學工具的應用以及實際問題的解決及優化。本研究從計算機編程的角度討論了礦業系統工程教學方法的改進與教學效果的提升。

一、研究方法

系統工程的方法眾多，應用廣泛。從教學內容安排的角度來看，礦業系統工程主要包括數學規劃法、系統評價、網絡系統、預測方法、系統穩定性等內容。礦業系統工程方法的一個顯著特點是其背后堅實的數學原理。由于計算量大的問題，多數的問題不適合用手算，造成了學生的學習理解難以深入，并難以操作實際案例的問題。基于以上考慮，選用了一些程序解決方案，包括Excel、R、Python等。這些工具的應用一般包括以下幾個層次與步驟：（1）教師在概念上介紹程序工具的背景、主要功能與使用方法;（2）針對重要知識點，教師在備課階段編寫相應的程序代碼，并在課堂上詳細介紹代碼的原理與過程及運行結果;（3）選取合適的問題，讓學生動手操作解決其中一些問題。通過這個過程，可以達到以下的目的：首先，學生更加直接地理解具體礦業系統工程方法的原理和具體的計算步驟;其次，通過學生具體的操作，掌握計算的每一個細節，達到真正掌握礦業系統工程的使用方法;最后，通過編程語言的使用，提高學生編寫程序的水平。

二、結果與討論

1.數學規劃法。數學規劃法是運籌學及系統工程里較為重要的一部分內容，具有較強的應用價值。但是由于該方法需要線性代數，并且需要對高維空間的理解，因此給初學者帶來了一定的困難。另一方面，手算解決數學規劃問題的能力相對有限，在決策變量較多，問題較復雜時，手算數學規劃問題往往不切實際。在教學過程中，指導學生使用計算機方法進行了數學規劃法的應用。一般來說，最簡單的數學規劃法程序可能就是Excel了，通過在Excel里加載“規劃求解”宏，可以很容易求得數學規劃的解。Excel解數學規劃相對簡單，但缺少靈活性，且達不到鍛煉學生編程能力的效果，因此可以用計算機程序來解答。在實際教學中，使用了經典的數據分析的軟件R，對一個整數規劃問題進行了求解。代碼1是用R解這個問題的具體代碼。首先加載了R中專門用來計算數學規劃的包——Rglpk。在之后的賦值中，對該問題的決策變量、目標函數和約束條件進行了賦值。可以看到，該問題有兩個決策變量，約束條件中有兩個函數，決策變量的取值要求是整數。最后通過Rglpk_solve_LP函數進行計算。通過運行代碼文件，可以快速地求解該整數規劃的解。學生通過手算，可以熟悉計算的各個步驟。通過Excel和R的程序計算，可以更加深入地理解計算過程中的各個參數及各個步驟的意義。

2.系統評價。系統評價的計算過程不涉及很深的數學原理，但是涉及的參數與計算過程較多。在講述系統評價時，涉及了三個主要方法——關聯矩陣法、層次分析法與模糊評價法。本文以層次分析法為例展示R語言的計算過程。代碼2是用R解決該問題的具體代碼。首先根據層次模型建立了目標層與準則層的判斷矩陣。該問題目標層有一個判斷矩陣，準則層有四個判斷矩陣。這五個判斷矩陣分別求特征值與特征向量。以特征值為基礎進行一致性檢驗，以特征向量為基礎計算出四個方案的重要性順序。

在礦業系統工程教材中，計算判斷矩陣特征值的方法是求和法和方根法。該方法假設計算過程中因手算而不便計算特征值特征向量，但實際上用計算機程序的方法計算特征值特征向量的過程更簡單。通過講解計算的整個過程，每一行代碼的具體含義以及布置學生自己動手操作計算，可以讓學生更加深入并準確地理解層次分析法的每一個步驟。

3.預測方法。預測方法的應用隨著大數據、人工智能技術的進步而展示出其廣闊的應用范圍與前景。對于大學生，特別是工科的學生來說，理解并掌握一些預測技術的方法有益于工作及自身的思維方式的培養。相比較前述的數學規劃與系統評價等，使用R進行預測則更加體現出其便利性。但是由于課程內容安排與學時的限制，授課中僅簡單介紹了線性回歸與灰色預測技術的R計算方法。以上是在礦業系統工程授課過程中使用程序輔助教學的示例，通過概念理論的講解，書本計算練習與計算機編程練習的立體教與學模式，使學生對礦業系統工程的理解更加深入，取得了較好的效果。

三、結論

從數學規劃法和系統評價等礦業系統工程中R語言應用對教學的效果來看，學生可以更加深入地理解該方法的計算細節，有益于學生對知識的掌握與方法的應用。該方法在礦業系統工程的教學中較為適用。另一方面，編程技術是今后的大學生，特別是工科大學生的一項重要技能，希望在以后的教學中，進一步發掘與開拓類似的教學方法，使學生能夠把編程技術應用到學習與工程的實踐中，提高自身的綜合能力。

參考文獻：

[1]張子杰，魯杰.礦業系統工程在我國的應用及發展[J].現代礦業，2016，（01）.

[2]張俊文.礦業系統工程[M].徐州：中國礦業大學出版社，2015.