高校數(shù)學實驗室建設(shè)的探索與實踐

楊 然， 張?zhí)锾?/p>

（中國礦業(yè)大學數(shù)學學院，江蘇徐州221116）

0 引 言

數(shù)學是研究數(shù)量、結(jié)構(gòu)、變化、空間以及信息等概念的一門學科，在經(jīng)濟社會發(fā)展、民生改善、國防建設(shè)等諸多領(lǐng)域中正在發(fā)揮著越來越重要的作用。大學數(shù)學系列課程不僅能為學生提供數(shù)學理論與方法，為其后繼課程的學習提供強有力的數(shù)理基礎(chǔ)，而且能強化學生邏輯思維能力訓練，提高其邏輯推理能力與思維嚴謹性，對學生的后期發(fā)展起到至關(guān)重要的支撐作用。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，要求學生不僅要掌握數(shù)學理論和方法，更要能靈活運用數(shù)學知識解決生產(chǎn)和生活中的實際問題，因此如何培養(yǎng)學生的數(shù)學應用能力是數(shù)學教學改革亟待解決的問題。數(shù)學實驗教學的開展為數(shù)學教學改革提供了新的途徑。充實數(shù)學教學內(nèi)涵，構(gòu)建“理論——實踐——應用”協(xié)調(diào)發(fā)展的數(shù)學教育體系，培養(yǎng)學生綜合運用數(shù)學知識解決實際問題的能力，是我校深化數(shù)學教學改革的一個重要舉措［1-4］。

1 數(shù)學實驗中心建設(shè)現(xiàn)狀

數(shù)學實驗室是培養(yǎng)實踐創(chuàng)新人才的重要平臺。數(shù)學實驗中心牢固樹立以學生為中心的教學理念，致力于培養(yǎng)學生的數(shù)學實踐創(chuàng)新能力，提升學生的數(shù)學素養(yǎng)。經(jīng)過10多年連續(xù)不斷的建設(shè)，目前擁有3個數(shù)值計算實驗室，2個錄播室和3個多功能報告廳，擁有高性能的服務器、計算機、錄播設(shè)備等300多臺，配備了Matlab、Mathmatica、Maple、SPSS、lingo等科學計算軟件以及Word、Excel、MathType等文檔處理軟件。

數(shù)學實驗中心承擔著全校公共基礎(chǔ)數(shù)學必修課程群的實驗教學任務，以及數(shù)學與應用數(shù)學、統(tǒng)計學2個本科專業(yè)的專業(yè)課程群的實驗教學任務，參與學校大學生數(shù)學建模教育以及大學生數(shù)學實踐創(chuàng)新教育指導工作等。為了培養(yǎng)學生的數(shù)學應用能力，學校在《高等數(shù)學》《概率論與數(shù)理統(tǒng)計》《線性代數(shù)》等公共基礎(chǔ)數(shù)學必修課程中全面設(shè)置了數(shù)值實驗教學，每學年實驗學時超過4萬人機時；在數(shù)學與應用數(shù)學專業(yè)、統(tǒng)計學專業(yè)的《數(shù)值分析》《運籌學》《數(shù)據(jù)挖掘》等10余門專業(yè)課程中開設(shè)了數(shù)值實驗，每學年實驗學時超過3萬人機時。另外，學校從1994年開始組織學生參加全國大學生數(shù)學建模競賽，1998年開始組織學生參加國際數(shù)學建模競賽，2004年創(chuàng)辦面向全球的五一數(shù)學建模競賽；近年來平均每年接受數(shù)學建模教育的學生超過3 000人，數(shù)學實驗中心每年為數(shù)學建模培訓和數(shù)學建模競賽提供超過3萬人機時的實驗服務。數(shù)學實驗中心定期對計算機及相關(guān)實驗設(shè)備進行檢修維護，為數(shù)學實驗教學和大學生實踐創(chuàng)新活動的順利開展提供硬件支持與技術(shù)保障。

2 以數(shù)學實驗中心為平臺，開展實驗教學與實踐創(chuàng)新活動

作為培養(yǎng)學生實踐創(chuàng)新能力的重要平臺，數(shù)學實驗中心積極參與數(shù)學教學改革與優(yōu)質(zhì)教學資源建設(shè)，在實踐創(chuàng)新人才培養(yǎng)中發(fā)揮積極作用。

2.1 理論教學與實驗教學相結(jié)合，推進數(shù)學教學改革

隨著計算機和信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)學已經(jīng)滲透到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟管理、科學技術(shù)和社會生活等眾多領(lǐng)域。公共基礎(chǔ)數(shù)學必修課程不僅能為理工經(jīng)管等專業(yè)的學生提供定量分析的理論與方法，還能為他們提供邏輯推理和思維能力訓練。傳統(tǒng)的數(shù)學教學方式側(cè)重于理論闡述、公式推導，忽視數(shù)學實踐訓練，導致學生靈活運用數(shù)學知識解決實際問題的動手能力不足［5］。為了解決學與用脫節(jié)的問題，近年來大力推進數(shù)學教學改革，結(jié)合計算機技術(shù)將數(shù)學實驗融入數(shù)學教學，在進行理論教學的同時強化對學生數(shù)學應用能力的訓練。經(jīng)過多年的探索與實踐，已形成了較為完備的數(shù)學實踐教學體系，以理論教學為主導實驗教學為輔助，培養(yǎng)學生理論與實踐相結(jié)合的實踐創(chuàng)新能力。在推進數(shù)學實驗教學的過程中，針對不同教學內(nèi)容設(shè)計驗證性實驗、創(chuàng)新性實驗和綜合性實驗，學生通過數(shù)學實驗提高了數(shù)學應用能力［6-7］。

2.2 開放數(shù)學實驗中心，助力學生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)

為了最大限度發(fā)揮數(shù)學實驗中心對實踐創(chuàng)新人才培養(yǎng)的積極作用，數(shù)學實驗中心按照學校的統(tǒng)一部署全面對學生開放，實現(xiàn)實驗室資源開放共享，為學生開展探究式學習與數(shù)學實踐創(chuàng)新活動提供便利條件。學校每年都面向大學生設(shè)立實驗室開放基金項目、實踐創(chuàng)新項目，并對學生參與實驗室開放基金項目和實踐創(chuàng)新項目進行學分認定［8］。認真設(shè)計符合大學生水平的開放實驗項目，鼓勵學生參與實踐創(chuàng)新課題的研究，讓更多的學生到數(shù)學實驗中心進行以項目為驅(qū)動的數(shù)學應用能力拓展訓練，主動配合學校推動大學生實踐創(chuàng)新活動的順利實施［9-12］。近年來，已有上百名學生在數(shù)學實驗中心完成大學生實踐創(chuàng)新項目、實驗室開放基金項目30多項。

2.3 組織數(shù)學建模競賽培訓，提高學生實踐創(chuàng)新能力

20世紀80年代以來教育界先后涌現(xiàn)了美國數(shù)學建模競賽、全國大學生數(shù)學建模競賽等形式多樣的數(shù)學建模競賽，以競賽為抓手推動大學數(shù)學教學改革，培養(yǎng)學生的數(shù)學實踐創(chuàng)新能力，提高學生的綜合素質(zhì)。學校積極開展數(shù)學建模教育，成立了數(shù)學建模指導教師團隊和大學生數(shù)學建模協(xié)會，依托數(shù)學實驗中心定期組織學生開展數(shù)學建模專題研討活動，分享數(shù)學建模活動的經(jīng)驗與體會，讓更多的學生了解數(shù)學建模競賽、參加數(shù)學建模競賽，從數(shù)學建模競賽中受益［13-15］。

數(shù)學建模競賽是以隊為參賽單位的通信競賽，賽題全部來自工程技術(shù)和社會生活，沒有固定的答案，參賽隊伍（每隊不超過3人）從指定的賽題中選擇其中一道題目，通過分工協(xié)作進行文獻檢索與研讀、數(shù)據(jù)分析與處理，在適當?shù)募僭O(shè)條件下對所選擇的問題建立數(shù)學模型并求解，用數(shù)學模型的解回答賽題中的問題，在規(guī)定的時間內(nèi)以論文的形式提交參賽成果；數(shù)學建模競賽是學生在大學階段難得的一次近似于“真刀真槍”的創(chuàng)新探索性實踐訓練，模擬了畢業(yè)后面對實際問題尋求解決方案的情況，使他們受到科學研究的基本訓練。因此數(shù)學建模競賽有利于提高學生的數(shù)學素養(yǎng)、數(shù)學實踐能力和團隊協(xié)作精神，有利于提升學生的文獻檢索能力、數(shù)據(jù)分析與處理能力、科學研究能力、科技論文寫作能力和綜合素質(zhì)。近10年來，數(shù)學建模指導教師團隊以數(shù)學實驗中心為依托，持續(xù)不斷的開展數(shù)學建模教育與數(shù)學建模競賽培訓，指導學生參加全國大學生數(shù)學建模競賽、國際數(shù)學建模競賽等科技競賽，獲省部級以上獎項200多項，其中美國運籌學學會獎1項、國際特等獎1項、特等提名獎3項、一等獎50多項。

為了進一步推廣數(shù)學建模教育，不斷擴大數(shù)學建模的受益面，學校自2004年以來連續(xù)舉辦了17屆面向全球的五一數(shù)學建模競賽，累計有來自美國、英國、澳大利亞等10多個國家超過15萬名大學生參賽，這項競賽已成為輻射全國、有一定影響的國際化精品賽事。數(shù)學實驗中心為五一數(shù)學建模競賽的報名、賽題發(fā)布、競賽論文收集與整理提供網(wǎng)絡(luò)服務與技術(shù)保障，為競賽論文評審提供場地、設(shè)備與技術(shù)支持。

2.4 建設(shè)優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)教學資源，拓展學生學習空間

為了方便學生通過多種形式進行自主學習，充分調(diào)動學生學習的積極性，以數(shù)學實驗中心為平臺，持續(xù)進行優(yōu)質(zhì)教學資源建設(shè)。2016年“概率論與數(shù)理統(tǒng)計MOOC”率先在校內(nèi)上線運行，并承擔網(wǎng)絡(luò)學習班的教學任務；2017年“高等數(shù)學精品共享視頻課程”“線性代數(shù)MOOC”也相繼上線運行；2019年“概率論與數(shù)理統(tǒng)計在線開放課程”獲得江蘇省教育廳立項資助；目前已有《運籌學》《數(shù)學分析》《數(shù)值計算方法》《常微分方程》等10余門課程的在線開放課程先后上線運行。高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)教學資源，拓展了學生的學習空間，為學生的自主學習提供了更多的選擇，尤其在新冠疫情期間，數(shù)學系列課程的網(wǎng)絡(luò)教學資源為順利開展線上教學和線下自主學習提供了強有力的保障。

2.5 提供畢業(yè)設(shè)計場所，培養(yǎng)實踐創(chuàng)新人才

畢業(yè)設(shè)計是大學生重要的綜合性實踐教學環(huán)節(jié)。數(shù)學實驗中心面向所有學生開放，為本科生提供了優(yōu)良的畢業(yè)設(shè)計環(huán)境、高性能的設(shè)備和全面的技術(shù)支持，不僅提高了畢業(yè)生綜合應用數(shù)學知識進行實踐創(chuàng)新的能力，也順應了社會對實踐創(chuàng)新人才的新需求。

3 結(jié) 語

數(shù)學實驗中心通過開設(shè)全校公共基礎(chǔ)數(shù)學必修課數(shù)值實驗，數(shù)學與應用數(shù)學、統(tǒng)計學專業(yè)系列課程的數(shù)值實驗，有效激發(fā)了學生的學習數(shù)學的欲望和學習潛能，為數(shù)學教學改革提供了重要的突破口；通過建設(shè)優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)教學資源，拓展了學生的學習空間；通過實驗室開放基金項目、大學生實踐創(chuàng)新項目的開展，讓更多的學生獲得數(shù)學應用能力拓展訓練；通過開展數(shù)學建模教育、舉辦面向全球的五一數(shù)學建模競賽等提升了學生的實踐創(chuàng)新能力。中心將不斷充實優(yōu)質(zhì)數(shù)學實驗教學資源，充分發(fā)揮數(shù)學實驗中心在數(shù)學教學改革、實踐創(chuàng)新人才培養(yǎng)方面的優(yōu)勢，培養(yǎng)更多具有扎實理論基礎(chǔ)和較強數(shù)學應用能力的實踐創(chuàng)新人才。