大學生數學建模競賽與電氣專業人才培養互助性的研究

徐 杰 孫駟洲

安徽工程大學電氣工程學院 安徽蕪湖 241000

一、概述

數學建模作為探索現實世界和掌握自然規律的一種思想和方法，越來越受到人們的重視，隨著智能制造和人工智能及大數據的不斷發展，對電氣工程及其自動化專業的發展提出新的人才培養要求。這是新時期的高校根據自身實際情況所提出的發展方向，也是辦學鮮明特色的體現。大學生數學建模比賽推動了教學質量的提高，并進一步推動專業與新技術發展要求，在新工科和教育部本科評估的促進下，使電氣工程及其自動化人才培養得到了提升。

二、大學生數學建模大賽的現狀與背景分析

(一)大學生數學建模大賽的現狀

目前電氣工程及其自動化的數學建模有三個主要賽事，一是全美大學生數學建模競賽，即MCM/ICM，它是Mathematical Contest In Modeling和Interdisciplinary Contest In Modeling的縮寫。MCM始于1985年，ICM始于1999年，由美國數學及其應用聯合會主辦，一般選擇離散、連續、大數據三個類型方向，采用主要、具有創新性的、沒有邊界值的一種分析、一種發散思路，同時對新知識、新方法、新要求、新工具要求比較高。二是大學生全國建模比賽高教杯。該比賽是國內歷史最久的賽事，以全國大學生數學建模競賽為例，比賽對規范化、標準化要求更高。第三是電工杯數學建模大賽。電氣類題目近年主要涉及新能源的發電等、相關能源類的模型建立，是與實際結合度和教學目標的結合度契合的一種國內賽事。該賽事一般有兩道題，以電氣工程方向和管理類方向，這種電氣工程的要求和發展方向完全是對標電氣工程及其自動化專業的建模類賽事，符合現在的教學的要求和高素質新型電氣類人才培養。

(二)電氣工程及其自動化和自動化專業的數學建模學習分析

高素質應用型電氣工程及其自動化專業人才是能將專業知識和技能應用于所從事的專業社會實踐的一種專門的人才類型。高素質應用型電氣工程及其自動化專業人才有較強的應用技能和工程能力，能夠從事與電氣工程相關的研發、工程、設計、管理等方面的工作。

另一方面，與學術型人才相比，具有較強的運行維護、技能更新、人工智能等相關的綜合創新型的高素質應用型復合型人才，也是我校未來發展的前進方向。

三、基于數學建模競賽的高素質電氣專業人才創新意識培養

從專業整體培養模式的思路出發，根據培養方案和培養方向、培養方針的三方指導原則，進一步突出新形勢要求，調整改進思路。具體分析如下：

(一)人工智能下的傳統電氣工程的數學建模新工科思想

通過具有大數據不斷累積，深度學習及強化學習等算法不斷優化，大數據技術將與人工智能技術更緊密地結合，這對新形勢下電氣工程及其自動化專業整體培養模式提出了新工科培養要求。

大學生數學建模競賽較多，目前主要有國賽和美賽為主流，其他賽事為普通B類及以下的賽事，對于學生學習有促進作用，對普通學生基礎知識鞏固和系統化學習與電氣工程類專業的貼切度比較大，特別是電氣學院當中的自動化電氣工程及自動化專業。

數學建模競賽相比其他比賽，對于場地、設備等要求不高，但是能夠開發學生的發散思維，且影響非常大。對于普通類學生，可學習、可參與的可能性非常大，此類數學建模類比賽對相當一部分學生來說會獲得更好的深造和就業的機會，所以發展數學建模競賽是有必要的。

電氣工程及其自動化專業中將數學建模作為一個專業的基礎課，與現在的智能時代和大數據緊密結合，企業以及互聯網時代大數據不斷被應用和發展，對建模類以及電器類的復合型人才需求和要求會更高。特別是隨著對智能電網、智慧城市的發展，智慧能源運行、開發、利用更加需要高素質應用型電氣人才。

(二)數學建模比賽與專業教學的相關性

目前電氣工程及其自動化專業，開設了數學建模這門課，電氣工程專業主要包含兩個方向，一個是計算機類，一個是數學類。目前電力系統及其自動化方向涉及模型分析，同時涉及電力系統繼電保護等。它是以數學模型為基礎的課程，通過數學建模的學習，有利于對電氣工程自動化傳統專業進行更深層次的理解，電氣工程自動化在高素質應用型人才培養以及智能制造發展的背景下，對數學建模的要求進一步提高。

數學建模對學生的分析能力、解決能力和合作能力具有較強的提高，也與工程的實際相符合，另外對于電力系統的運行，從發電、輸電、變電、配電、用電端數據分析都是離不開數學建模的。全國大學生數學建模競賽、電工杯數學建模競賽、亞太杯數學建模比賽、全美大學生數學競賽，對于學生的學習和教師教學，都是起到了較好的促進作用。

(三)互助性的三個方面

(1)電氣工程及其自動化專業的基礎是與數學建模有相關性，也就是由專業性引導數學建模的導向性。

(2)數學建模對電氣工程自動化，特別是在大數據和智慧時代下專業的學習具有密不可分的指導性。

(3)數學建模和電氣工程自動化的專業學習是相輔相成的，互相作為指引。這是大學生數學建模與電氣工程自動化專業的學習互助性。

在大學生數學建模競賽當中，也對學生的學習有著課程思政的引導，比如，在2018年的電工杯數學建模競賽當中提到的棄光棄風的研究，學生通過此類的比賽和學習，進一步加深理解國家“十三五”規劃和十大報告對于新能源的利用和環境保護治理的一系列政策。相關電工杯數學建模比賽進一步加深了課堂教學外的第二課堂的學習。

結合本專業電氣工程及其自動化，可操作性比較強，數學建模比賽課程，是學生更好地結合本專業的未來發展需要重點學習的。目前，各學校對教育部劃分的19類賽事當中的高教杯數學建模大賽，對于電氣工程類專業的未來發展非常重要。

四、數學建模與電氣工程專業協同發展

近幾年來，安徽工程大學電氣工程學院電氣工程專業在對高素質應用型電氣工程及其自動化專業人才培養模式指導下，大學生數學建模與專業學習相輔相成，在智能制造新技術新要求下，數學建模育人發揮了積極作用。

(一)數學建模支撐電氣工程專業教學

電子工程領域與數學模型、物理理論和計算機技術的結合，使得更多的電子電氣系統成為數字化和智能化。邏輯控制類系統更加具有特別的意義。電氣工程系統是一門建立在數學模型、數學計算和物理理論基礎上的，具有強大生命力的，體系完整、邏輯嚴密的獨立學科。在工農業等各個領域中運用和發展的電氣理論均離不開數學理論的支持和數學模型的幫助。可以說電氣工程系統一旦脫離了數學理論、數學模型和數學計算將會一事無成。反之，電氣工程系統本身的發展也是建立在數學理論基礎上，又促使數學理論急速向更深、更廣的領域發展。進入計算機時代，它不僅僅改變了數學系統的面貌，也提供了電氣系統的研究交叉學科方向，同時也改變了研究和就業新思路。

(二)電氣工程專業以數學建模為主要分析方法

安徽工程大學電氣工程學院與電氣工程專業相關的數學建模，從入學到專業基礎學習，再從畢業設計到學生的相關就業工作以及培養基本。

以學院近三年的數學建模的成果，近三年美賽M獎一項、H獎四項、安徽省高教杯省級一等獎一項等項目，凸顯了大學生數學建模競賽的相關性。

電氣工程學院電氣工程及其自動化專業在軟件工程訓練、創新訓練、綜合實訓中均涉及相關的數學建模領域，內容包括數學的模型、Matlab的使用，涉及函數文本等相關的教學和相關性的研究，同時對于本科生高水平的論文發表都提供了很好的引導和學習的平臺。

電氣工程以能源互聯網、智能電網、微電網為主要方向的配網側的研究方向，對復雜網絡研究的方向的形成，特別是建立在教育部高端制造與裝備基礎上，更進一步，對相關的復雜的模型制訂了教學要求。

(三)二者互相融合

電氣系統是一門建立在數學計算和物理理論基礎上的體系完整、邏輯嚴密的獨立學科。在人工智能及大數據的時代背景下，研究數學計算，使信息時代下電氣系統發展進入了快車道。數學建模與電氣系統兩者之間的關系更加緊密。

電力系統中通過對電源、傳輸線路、變壓器、負荷等進行模型的數學化，對電力系統的分析和計算起著主導作用，其中涉及對潮流計算、短路計算、調度及經濟運行等影響結果，反過來對系統的整體運行產生影響。如果參考數學模型不合理，將會對整體復雜的系統的運行產生錯誤和浪費等后果。為保證系統的穩定運行，應該更好地建立符合電力系統的數學模型。

電氣工程及其自動化專業涉及數學模型、物理理論和計算機技術、人工智能等。電氣工程系統廣泛應用在工業體系統中，涉及大部分民生內容，數學模型和計算機是電氣最主要的兩個支柱。電氣工程系統本身的發展也是建立在數學理論基礎上，又促使數學理論急速向更深、更廣的領域發展。進入計算機時代，不僅僅改變了數學系統的面貌，改變了電氣系統的研究方向，同時也改變了評價數學成果的價值標準。總之，電氣工程系統和數學理論、數學模型共同為人類的文明進步做出了顯著的貢獻。因此，研究和實現電氣工程系統的數學建模方法具有重要的指導意義。結合數學模型的電氣工程專業將會是未來，特別是人工智能時代正在開啟的新篇章。

五、數學建模與專業科技論文寫作提升

數學建模呈現的是科技論文完整的訓練過程，以數學建模結合專業知識、分析工具軟件完成，進一步訓練學生的綜合知識。

(一)科技論文屬性強

數學建模的這個論文屬性比較強，以美賽為例，需要在三晚四天的時間完成一篇完全英文的論文，其中涉及科技論文的摘要、正文、結論、參考文獻，其中正文當中出現了大量的數據。這個數據處理方法比對文圖表構成，同時是以全英文的形式。其英文表述以及對科學實踐的描述都有比較高的一個要求，同時對于學生平時的積累提出了要求，并通過比賽得以展現。

9月份的高教杯大學生數學建模競賽，也涉及相關的科技論文寫作，通過對問題的具體應對給出方法分析，最終給出解決問題的辦法，積累相關專業知識基礎及數學知識特性比較明顯，比如灰色度的預測、神經元網絡算法，對大量數據的分析、數據處理等，并給出預測結果。

電工杯數學建模是由電工數學專委會與全國大學生電工數學建模競賽組委會組建的，這涉及大量的數據處理分析等相關的一些特性，要進行整個整理匯集等，競賽的目的是培養學生運用數學理論和方法解決電氣工程領域相關問題的能力，提高了學生的創新意識。

(二)快速翻閱資料

借鑒別人已有成果，通過查閱知網、百度文獻、Web of Science、同時查詢涉及中國國家統計局、某地區風能情況分布、智能電站充電樁數據等數據收集、分析等。

電氣工程系統和數學理論、數學模型共同為人類的文明進步做出了顯著的貢獻。因此，研究和實現電氣工程系統的數學建模方法具有重要意義。通過數學建模的訓練和比賽，進一步訓練了對專業知識和科技論文知識點的工具查詢，系統地實現完成了對電氣工程與數學模型的科技論文寫作。

結語

近幾年來，安徽工程大學電氣工程學院電氣工程專業在高素質應用型電氣工程及其自動化專業人才培養模式的指導下，大學生數學建模與專業學習相輔相成，在智能制造新技術新要求下，數學建模的三全育人特點發揮了積極作用。