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工科大學(xué)生數(shù)學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)模式的探索與實(shí)踐

2015-06-13 14:52孫浩李輝
中國(guó)大學(xué)教學(xué) 2015年4期
關(guān)鍵詞:創(chuàng)新實(shí)踐能力大學(xué)數(shù)學(xué)人才培養(yǎng)模式

孫浩+李輝

摘? 要:西北工業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)系教學(xué)團(tuán)隊(duì)圍繞培養(yǎng)工科大學(xué)生數(shù)學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐能力,提出了“基礎(chǔ)為本,實(shí)踐為魂,素養(yǎng)為翼”的培養(yǎng)理念,構(gòu)建了“基礎(chǔ)—實(shí)踐—素養(yǎng)” 融合發(fā)展的“二三三”培養(yǎng)模式,探索出“實(shí)踐引興趣,興趣帶學(xué)習(xí),學(xué)習(xí)提素養(yǎng),素養(yǎng)促發(fā)展”的培養(yǎng)經(jīng)驗(yàn),成效顯著。

關(guān)鍵詞:大學(xué)數(shù)學(xué);創(chuàng)新實(shí)踐能力;人才培養(yǎng)模式

現(xiàn)代工程科技要求工科大學(xué)生應(yīng)具備扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論和數(shù)學(xué)應(yīng)用能力,而目前工科大學(xué)生數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)常常呈現(xiàn)“學(xué)而無(wú)趣”“學(xué)而無(wú)用”的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象折射出的教學(xué)問(wèn)題為:理論與實(shí)踐脫節(jié),缺少數(shù)學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié),缺乏數(shù)學(xué)人文素養(yǎng)培養(yǎng)。

文本框: 孫  浩,西北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)系主任,教授;李  輝,西北工業(yè)大學(xué)教務(wù)處副處長(zhǎng),副研究員。為了將數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論、數(shù)學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐和數(shù)學(xué)人文素養(yǎng)三者融合起來(lái)貫穿于工科大學(xué)生數(shù)學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)過(guò)程中,我們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)施了系統(tǒng)科學(xué)的解決方案:建設(shè)優(yōu)質(zhì)的實(shí)踐平臺(tái)(基礎(chǔ))→構(gòu)建科學(xué)的培養(yǎng)模式(構(gòu)架)→建立優(yōu)秀的教學(xué)團(tuán)隊(duì)(實(shí)施)→提高大學(xué)生數(shù)學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐能力(效果)。在實(shí)施方案指導(dǎo)下,經(jīng)過(guò)近20年的探索與實(shí)踐,成效顯著。此成果榮獲2014年高等教育類國(guó)家級(jí)教學(xué)成果一等獎(jiǎng)。

一、創(chuàng)建優(yōu)質(zhì)的實(shí)踐平臺(tái),完善教學(xué)資源結(jié)構(gòu),優(yōu)化創(chuàng)新人才個(gè)性成長(zhǎng)環(huán)境

1. 建立大學(xué)生數(shù)學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐基地和大學(xué)生數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室

為了培養(yǎng)工科大學(xué)生數(shù)學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐能力,我校在友誼校區(qū)和長(zhǎng)安校區(qū)分別創(chuàng)建了多功能大學(xué)生數(shù)學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐基地。基地是集“個(gè)性化教學(xué)、自主學(xué)習(xí)、數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新研究、數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽”等為一體的創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái),為大學(xué)數(shù)學(xué)主干課程教學(xué)改革以及培養(yǎng)跨學(xué)科創(chuàng)新人才提供良好的條件與環(huán)境。大學(xué)生數(shù)學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐基地可以同時(shí)容納300名學(xué)生上機(jī)實(shí)習(xí),配備了一流的設(shè)施,制定了科學(xué)的管理制度,面向?qū)W生全天候開放。學(xué)生根據(jù)個(gè)人的學(xué)習(xí)、實(shí)踐、創(chuàng)新、研究等需求,有效使用基地的所有資源,充分發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性,提升了教學(xué)資源利用率。

同時(shí),我們又建立了兩個(gè)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室:數(shù)學(xué)建模與科學(xué)計(jì)算實(shí)驗(yàn)室,統(tǒng)計(jì)與數(shù)據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)室。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室配備了高性能計(jì)算機(jī)和多種數(shù)學(xué)計(jì)算和優(yōu)化的專業(yè)軟件。實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)了高性能計(jì)算和仿真模擬等任務(wù),為學(xué)生深化數(shù)學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐提供了保障。

2. 編寫出版注重培養(yǎng)數(shù)學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐能力的系列教材

該系列教材堅(jiān)持以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)為主線,以大學(xué)生已有知識(shí)為基礎(chǔ),以培養(yǎng)實(shí)踐能力為目標(biāo),內(nèi)容簡(jiǎn)單有趣,非常適合學(xué)生學(xué)習(xí)。同時(shí),該系列教材還能夠滿足多個(gè)層面學(xué)生需求。其中,《實(shí)用數(shù)學(xué)建模與軟件應(yīng)用》、《基于MATLAB和LINGO的數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)》適用于數(shù)學(xué)建模和數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué);《數(shù)學(xué)建模簡(jiǎn)明教程》適合數(shù)學(xué)建模專題講座;《數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽優(yōu)秀論文精選與點(diǎn)評(píng)》以及《美國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽賽題解析與研究》適合數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽賽前培訓(xùn)使用;《線性代數(shù)》、《高等數(shù)學(xué)》、《概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)》、《隨機(jī)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)》等教材增加了數(shù)學(xué)建模與數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)素材,架起了大學(xué)數(shù)學(xué)主干課程與數(shù)學(xué)實(shí)踐的橋梁。

3. 構(gòu)建優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源,豐富大學(xué)生自主學(xué)習(xí)內(nèi)容

為了滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,我們建立了“數(shù)學(xué)建?!眹?guó)家級(jí)精品課程網(wǎng)站,“高等數(shù)學(xué)”、“線性代數(shù)”、“概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)”以及“概率論基礎(chǔ)”等4門省級(jí)精品課程網(wǎng)站,同時(shí)創(chuàng)建了西北工業(yè)大學(xué)“數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽”網(wǎng)站。這5個(gè)課程網(wǎng)站和1個(gè)競(jìng)賽網(wǎng)站為學(xué)生提供了豐富的學(xué)習(xí)資源,使之成為開展第二課堂學(xué)習(xí)的基地。

二、以“基礎(chǔ)為本,實(shí)踐為魂,素養(yǎng)為翼”為理念,構(gòu)建“基礎(chǔ)—實(shí)踐—素養(yǎng)”融合發(fā)展的人才培養(yǎng)模式

我們?cè)谡n堂教學(xué)中,以“深化知識(shí)理解,培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思想”為本;在實(shí)踐教學(xué)中,以“知識(shí)融于實(shí)踐,實(shí)踐檢驗(yàn)知識(shí)”為魂;在文化熏陶方面,以“數(shù)學(xué)文化熏陶推動(dòng)知識(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)踐應(yīng)用”為翼,以實(shí)現(xiàn)“學(xué)而有趣,學(xué)而有用,學(xué)而會(huì)用”。

“基礎(chǔ)—實(shí)踐—素養(yǎng)”融合發(fā)展的“二三三”培養(yǎng)模式是由“兩級(jí)課程”(大學(xué)數(shù)學(xué)主干課程和數(shù)學(xué)建模相關(guān)課程)、“三類實(shí)踐”(數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)、數(shù)模競(jìng)賽、創(chuàng)新項(xiàng)目)以及“三重熏陶”(數(shù)學(xué)講壇、數(shù)學(xué)沙龍、數(shù)模講座與論壇)構(gòu)成,其培養(yǎng)過(guò)程概述為“加深數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論?強(qiáng)化數(shù)學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐?提升數(shù)學(xué)人文素養(yǎng)”,三者之間相互融合、相互促進(jìn),為學(xué)生后續(xù)發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。在踐行“二三三”培養(yǎng)模式過(guò)程中,扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論支撐大學(xué)生數(shù)學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐,數(shù)學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐深化大學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解,提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?;A(chǔ)理論學(xué)習(xí)涉及數(shù)學(xué)歷史、文化和思想,以培育學(xué)生的數(shù)學(xué)人文素養(yǎng);數(shù)學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐豐富學(xué)生數(shù)學(xué)人文素養(yǎng)內(nèi)涵。數(shù)學(xué)人文素養(yǎng)提升學(xué)生參與創(chuàng)新實(shí)踐的積極性;數(shù)學(xué)人文素養(yǎng)激發(fā)基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)興趣,擴(kuò)充知識(shí)面?!盎A(chǔ)—實(shí)踐—素養(yǎng)”相互融合,在人才基礎(chǔ)培養(yǎng)上具有科學(xué)性和系統(tǒng)性。

文本框: 人才基礎(chǔ)教育培養(yǎng)體系文本框: 培養(yǎng)模式

1. 將數(shù)學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)貫穿于“兩級(jí)課程”教學(xué)全過(guò)程,提高教學(xué)質(zhì)量

首先,開展問(wèn)題驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)模式改革,將數(shù)學(xué)建模思想融入大學(xué)數(shù)學(xué)主干課程,提升學(xué)生的數(shù)學(xué)建模能力和數(shù)學(xué)應(yīng)用能力。

問(wèn)題驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)人本主義理念,發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用。教學(xué)過(guò)程引導(dǎo)學(xué)生思維,激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的潛質(zhì),全面提升其抽象思維、邏輯推理、數(shù)學(xué)建模和數(shù)學(xué)應(yīng)用等能力。

一是以建模的方法講授數(shù)學(xué)定義和定理。通過(guò)直觀分析、抽象思維、邏輯推導(dǎo)等過(guò)程,建立起數(shù)學(xué)定義、數(shù)學(xué)定理與自然現(xiàn)象和規(guī)律之間的橋梁,這個(gè)橋梁就是數(shù)學(xué)建模。通過(guò)數(shù)學(xué)建模的方法,可以講授定義的形成過(guò)程以及定理的內(nèi)在意義,既可以提高學(xué)生的建模能力,也將抽象概念形象化。

二是將往屆的數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽試題和課堂內(nèi)容相結(jié)合。在教學(xué)過(guò)程中,根據(jù)講授的課程內(nèi)容,解答往屆的數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽試題,以提高學(xué)生數(shù)學(xué)建模能力和數(shù)學(xué)應(yīng)用能力。

三是將科學(xué)研究中的問(wèn)題與課堂教學(xué)相結(jié)合,教師將科學(xué)研究中的一些簡(jiǎn)單建模問(wèn)題與課程內(nèi)容相結(jié)合,提升學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力。

四是開設(shè)分層次系列數(shù)學(xué)建模課程,對(duì)不同的教學(xué)對(duì)象選擇不同的教學(xué)內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)授課內(nèi)容與授課對(duì)象相統(tǒng)一。例如,為部分院系學(xué)生開設(shè)數(shù)學(xué)建模必修課,為其他院系學(xué)生開設(shè)數(shù)學(xué)建模選修課,為參加競(jìng)賽學(xué)生開設(shè)培訓(xùn)課,為參加創(chuàng)新項(xiàng)目的學(xué)生開設(shè)討論課,邀請(qǐng)校內(nèi)校外專家舉辦講座,為有興趣的學(xué)生提供網(wǎng)絡(luò)資源,等等。通過(guò)分層次教學(xué),滿足了各個(gè)層面學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)建模知識(shí)的需求。

五是依據(jù)教學(xué)目的、效果、對(duì)象選擇教學(xué)手段,廣泛采用網(wǎng)絡(luò)資源、多媒體課件、一對(duì)一討論、集體討論、網(wǎng)絡(luò)答疑等教學(xué)手段,提高教學(xué)效果。同時(shí),加強(qiáng)課堂教學(xué)與課外實(shí)踐有機(jī)結(jié)合。在完成規(guī)定的課堂教學(xué)任務(wù)前提下,為了鞏固和提高課堂效果,我們又設(shè)置了適量的課外實(shí)踐,主要包括課外數(shù)學(xué)建模創(chuàng)新項(xiàng)目、各級(jí)各類競(jìng)賽、數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容。

2. 開展系列大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽與培訓(xùn),為培養(yǎng)高素質(zhì)、復(fù)合型、跨學(xué)科創(chuàng)新拔尖人才奠定基礎(chǔ)

我們建立了完善的校級(jí)數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽體制,保證80%以上的大學(xué)生在校期間至少參加一次數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽。這不僅提高了大學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力,同時(shí)也是檢驗(yàn)數(shù)學(xué)課程教學(xué)改革效果的良好手段。參賽學(xué)生從2000年的240余人增加到2014年的4800余人,累計(jì)參賽學(xué)生達(dá)30000余人,是全國(guó)校級(jí)數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽參賽規(guī)模最大的學(xué)校之一。

我們建立了完善的全國(guó)大學(xué)生和美國(guó)(國(guó)際)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽培訓(xùn)機(jī)制,包括隊(duì)員選拔、課程培訓(xùn)、賽題培訓(xùn)、專項(xiàng)培訓(xùn)、專題討論、強(qiáng)化訓(xùn)練、分組協(xié)作等手段。經(jīng)過(guò)這樣的培訓(xùn),西北工業(yè)大學(xué)在各級(jí)各類數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽中成績(jī)斐然。

3. 開展數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)和系列大學(xué)生自主創(chuàng)新項(xiàng)目,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究能力

為了培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究能力,我們以培養(yǎng)知識(shí)理解、知識(shí)應(yīng)用、數(shù)學(xué)計(jì)算、創(chuàng)新和實(shí)踐為指導(dǎo),設(shè)計(jì)了8個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、4個(gè)選做實(shí)驗(yàn)。通過(guò)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),調(diào)動(dòng)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和應(yīng)用數(shù)學(xué)分析解決問(wèn)題的積極性,使其掌握常用的工程數(shù)學(xué)的應(yīng)用方法。選做實(shí)驗(yàn)立足于對(duì)各知識(shí)點(diǎn)的理解和應(yīng)用,讓學(xué)生學(xué)會(huì)怎樣運(yùn)用所學(xué)知識(shí),提取問(wèn)題的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu),進(jìn)行創(chuàng)造性思維,更好地掌握和應(yīng)用所學(xué)各種數(shù)學(xué)工具、軟件工具的能力。

近兩年來(lái),共開設(shè)系列大創(chuàng)項(xiàng)目113項(xiàng),參與學(xué)生400余人。通過(guò)自選級(jí)、校級(jí)、國(guó)家級(jí)三個(gè)層次大學(xué)生數(shù)學(xué)創(chuàng)新項(xiàng)目,學(xué)生的科學(xué)研究能力得到了顯著提升。

4. 舉辦“三重熏陶”,豐富教學(xué)內(nèi)涵

我們通過(guò)延伸課堂教學(xué),舉辦數(shù)學(xué)講壇、數(shù)學(xué)沙龍、數(shù)學(xué)建模講座和論壇,開闊學(xué)生視野,提升學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)思想、歷史、文化、美學(xué)、應(yīng)用的認(rèn)識(shí),實(shí)現(xiàn)了課堂教學(xué)與人文素養(yǎng)培養(yǎng)無(wú)縫鏈接,豐富了數(shù)學(xué)教學(xué)內(nèi)涵。

例如,在數(shù)學(xué)論壇上,中國(guó)工程院院士崔俊芝做過(guò)“從科學(xué)計(jì)算到數(shù)字工程——漫談數(shù)學(xué)與交叉科學(xué)”,“杰青”王瑞武做過(guò)“合作的演化——數(shù)學(xué)在生命科學(xué)中應(yīng)用的一個(gè)問(wèn)題”,美國(guó)密西根大學(xué)J. Liu做過(guò)“博弈論與諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)”等報(bào)告。另外,也舉辦過(guò)“幾個(gè)著名的數(shù)學(xué)難題及錢學(xué)森的科學(xué)人生”、“科學(xué)巨匠——赫伯特·西蒙和馮·諾依曼”等數(shù)學(xué)沙龍。通過(guò)這些活動(dòng),營(yíng)造了數(shù)學(xué)文化氛圍,增強(qiáng)了學(xué)生數(shù)學(xué)文化修養(yǎng),擴(kuò)大了學(xué)生的數(shù)學(xué)知識(shí)面,提升了學(xué)生的數(shù)學(xué)建模興趣和能力。

三、以“能站講臺(tái),能教實(shí)踐,能開論壇,能做科研”為標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)建一支全能型專業(yè)化師資隊(duì)伍

在教學(xué)改革實(shí)踐中,我們建成了一支知識(shí)結(jié)構(gòu)多元化、年齡結(jié)構(gòu)合理化、教學(xué)水平專業(yè)化、科研成果效率化的40余人的高水平師資隊(duì)伍,團(tuán)隊(duì)成員具備“能站講臺(tái),能教實(shí)踐,能開論壇,能做科研”的能力。其中,12名教師被推舉為“本科最滿意教師”,8人榮獲省級(jí)數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽優(yōu)秀指導(dǎo)教師。

近四年來(lái),團(tuán)隊(duì)成員主持國(guó)家自然科學(xué)基金30余項(xiàng),發(fā)表SCI論文200余篇,建成了“隨機(jī)數(shù)學(xué)”和“數(shù)學(xué)建模與數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)”兩個(gè)省級(jí)高校優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)。

[責(zé)任編輯:夏魯惠]

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