将数学建模思想融入土建类专业实践教学中的探索与实践
孙海义+李宁+靖新+缪淑贤
[摘 要]为了培养既具备扎实的知识、素质和综合能力，又能面向建筑行业的生产、管理、建设、服务第一线的高级应用型、实践型专门人才，积极开展应用型大学教育，将数学建模思想引入建筑类专业教学中具有必要性。数学建模课程的改革探索与实践，包括教学、课程体系的改革与实践、数学建模学科竞赛体系的改革与实践，以及网上数字平台的构建等方面。
[关键词]数学建模思想;土建类专业;实践教学;探索与实践
[中图分类号] O13;G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）11-0152-02
进入21世纪，我国高新科技的迅猛发展和产业结构的不断升级对高等教育提出了新的要求。一些建筑类院校为适应社会和市场需求，积极开展应用型大学本科教育，培养既具备扎实的知识、素质和综合能力，又能面向建筑行业的生产、管理、建设、服务第一线的高级应用型、实践型专门人才。但目前各个地区的建筑类院校在培养工程人才的过程中，大都存在工程实践能力不足，工程实践性教学模式及内容与工程实际差距大，工程实践教学内容结构缺乏特色性和整合性，实地工程训练不足，研究型、创新型教育理念不足，土木工程实践教学方面的师资力量不足等局限性。解决上述不足已成为一项迫切的需要。要实现这一目标，建筑类院校工程教育实践教学体系的改革势在必行。数学建模思想的引入和数学建模仿真实验室的建设，可以从很大程度上解决这些问题。
一、将数学建模思想引入建筑类专业实践教学中的必要性
在培养建筑类应用型本科人才方面，最重要的途径就是进行实训教学，培养学生在行动学习方面的能力。实训教学是复合型人才培养的重要组成部分，是不可或缺的一项教学环节，是实行实践教学各个环节最基本的物质保障和依托。目前，实训教学在实施过程中受到以下几方面因素的制约。
1.实验硬件条件的不足与实验课时之间存在矛盾，多数建筑类高校的实验室和实验设备的数量不足，很难满足实验教学课时的需求。
2.由于施工现场的危险性比较大而且技术复杂，学生在单位实习时存在安全隐患，很多施工单位不愿给学生提供实习岗位。这对学生的场地实习造成一定的限制，学生们很难完全建立对施工工艺和施工技术等的感性认识。
3.由于有些实践环节所做实验具有破坏性，而且实验成本很高，很难反复对某一过程进行盲目的重复实验。
4.由于施工的季节性等原因，学校教学和社会实训在进度上有差异，导致在时间上不能同步，不能很好地协调。
数学建模和数学仿真实验室的建设可以很好地解决上述问题。利用数学建模思想和数学仿真实验室，可以采用多种技术手段，如数值模拟、计算机仿真技术、视频、甚至是实物等，以弥补实验室硬件匮乏的不足，这在满足学生实验课时的同时，还减少了实验室经费的投入。利用计算机软件的各种仿真技术，还可以充分调动学生学习的主动性和积极性，将实验进行分角色设计能够提高学生的创新能力和应变能力。[1]特别是对于一些具有破坏性而且成本较高的实验，可以先利用数学建模思想进行建模和可行性分析、计算，再结合仿真，这样既可以减少实验的次数、节约成本，又可以有的放矢。实验室模拟系统可以利用动画的形式提供施工现场和施工环境，使学生能够在一个仿真的工作环境中进行实验实习。模拟实验室能使学生随着教学进度从感性上理解教学内容，克服理论与实践相脱节的问题。传统的教学手段和实验针对的是一门具体的课程，而模拟实验则提供了一个有效的综合实验工具箱，可以让学生将所学课程进行综合性的集成实验。[2]
此外，建筑类普通高等院校在教学中理论教学与实践教学相脱节、工科教学中学生数学方面综合素质的缺失等问题较为突出。这些问题的存在严重影响着学生实践创新能力的形成。而数学建模是一门十分重视理论和实际相结合的课程，它与传统的数学课程有着较大的区别。加强对学生进行严格的数学技能和数学理论的训练，将学生实践创新能力的培养作为主要目标，是发挥数学应用功能的重要方法。因此，提供并重视数学建模的教学可以有效地培养建筑类学生的实践创新能力。而将数学建模、数学仿真和行动学习与建筑类专业课程系统、有机的结合还存在一定的差距，还有待进一步的完善和提高。[3]
基于上述原因，本文试图将数学建模思想应用于建筑类专业实训教学训练中，培养学生行动学习的能力，并对此进行深入的研究和探索。依托应用型本科教育的人才培养模式，对高等工科学校教学工作进行相应的改革是当前建筑类高校最重要的任务之一，这为建筑类院校高等工程教育的改革实践活动提供了借鉴和参考。
二、将数学建模思想引入建筑类专业实践教学中的实施方案
（一）数学建模课程体系的改革与实践
针对建筑类专业课程中所涉及的实际问题数学计算量较大且较难的情况，应加强数学实践教学，增设数学建模在工程中的应用、数学实验、数学选讲、数学建模讲座、数学建模竞赛培训等，以增强学生运用数学建模思想解决实际问题的能力和复杂数值计算的能力，减轻传统方法进行数值计算的计算量，弥补传统工科数学教学中的不足。在授课过程中，将运用Matlab、SPSS、Mathematics、Lindo / Lingo等常见的数值计算软件，将求解数值问题初步能力的培养融入建筑类专业课程的教学中，特别是针对有些实践环节所做实验具有破坏性、实验成本很高、很难反复对某一过程进行盲目的重复实验这一情况，可以先运用软件进行计算、仿真和模拟，从而减少实验次数，做到有的放矢，促进数学建模和数学实验与建筑类专业课程实践教学在实际中的有机衔接。
（二）数学建模竞赛体系的改革与实践
以东三省数学建模竞赛、全国大学生数学建模竞赛和美国大学生数学建模竞赛为载体，加大数学建模课程的实践力度，建立完善的数学建模竞赛体系以提高学生运用数学解决实际问题的综合素质。数学建模竞赛的论文写作与建模竞赛是学生综合素质最好的检验和提高方式。数学建模实践教学和竞赛活动能够充分调动学生的积极性和主动性，对学生创新精神和综合素质的培养，以及增强学生团结合作精神、提高学生协调组织能力都非常有好处。
在运用学科竞赛来促进创新人才培养这一理念的基础上，笔者紧紧围绕数学建模竞赛管理体系概念和相关理论，立足于现有数学建模竞赛管理体系研究，针对数学建模竞赛管理体系不完整、不规范的问题，通过过程分析、文献统计和我校数学建模竞赛案例研究三种研究方法，提出了一套科学、合理的数学建模竞赛管理体系，并对数学建模竞赛体系的因素、结构、目的和体系与建筑类专业教学系统之间的关系进行了深入的探讨。[5]
近三年，我校教师指导学生参加国际大学生数学建模竞赛获一等奖1项、二等奖20项;指导学生参加全国大学生数学建模竞赛获全国一等奖1项、全国二等奖19项;省一等奖40项、二等奖43项、三等奖57项;东三省大学生数学建模竞赛一等奖4项、二等奖8项、三等奖10项。
（三）构建网上数字平台，奠定仿真教学基础
在模块化、层次化教学体系的主导下，构建基于网络的面向先进建筑类仿真技术的工程训练教学平台，为学生提供仿真设计和自我学习环节。该平台的建设不仅为实施虚拟实验、构建数字化模型和先进数字技术共享创造了条件，而且为仿真技术的教学运用奠定了基础。仿真技术的施工实训方案能够有力弥补传统实践教学的不足。平台通过局域网和接口开发完成各类数控设备的连接，实现信息资源共享;平台还可以开展网上教学、实现网络化管理，增加先进制造技术的实习内容;平台的建立能够极大地满足建筑类高校工程训练的教学需求，提高学生的学习兴趣，为培养高素质、高技能、高层次及具有创新能力的复合型人才起到积极的作用。
加强建筑类高校数学建模课程体系改革、实现建筑类高校专业课程与数学建模的有机对接是一项长期、艰巨的任务，需要高等建筑教育工作者长期不懈的努力。随着数学建模思想在建筑类专业影响的日益扩大，很多教师在教学各个环节中融入了数学建模的教学方法和案例，拓展了学生数学综合素质的训练。这在一定程度上对加快建筑类高校人才培养模式的改革，适应新型建筑行业技术应用型人才培养起到了推动作用。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 姜启源，谢金星.一项成功的高等教育改革实践——数学建模教学与竞赛活动的探索与实践[J].中国高教研究，2011（12）：79-83.
[2] 周国恩.仿真技术在土木工程施工教学中的应用研究[J].大众科技，2013（4）：243-244.
[3] 中共辽宁省委.辽宁省中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）.辽委发[2010]19号.2010-12-16.http：//www.ln.gov.cn / zfxx / lnsrmzfgb / 2011 / d1q / szfbgtwj / ?201105 / t20110504_652154.html.
[4] 孙海义，李宁，靖新.土建类专业数学课程的教学改革与实践[J].高等建筑教育，2012（5）：97-100.
[5] 李大潜.中国大学生数学建模竞赛（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2011：5-10.
[责任编辑：陈 明]
[摘 要]为了培养既具备扎实的知识、素质和综合能力，又能面向建筑行业的生产、管理、建设、服务第一线的高级应用型、实践型专门人才，积极开展应用型大学教育，将数学建模思想引入建筑类专业教学中具有必要性。数学建模课程的改革探索与实践，包括教学、课程体系的改革与实践、数学建模学科竞赛体系的改革与实践，以及网上数字平台的构建等方面。
[关键词]数学建模思想;土建类专业;实践教学;探索与实践
[中图分类号] O13;G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）11-0152-02
进入21世纪，我国高新科技的迅猛发展和产业结构的不断升级对高等教育提出了新的要求。一些建筑类院校为适应社会和市场需求，积极开展应用型大学本科教育，培养既具备扎实的知识、素质和综合能力，又能面向建筑行业的生产、管理、建设、服务第一线的高级应用型、实践型专门人才。但目前各个地区的建筑类院校在培养工程人才的过程中，大都存在工程实践能力不足，工程实践性教学模式及内容与工程实际差距大，工程实践教学内容结构缺乏特色性和整合性，实地工程训练不足，研究型、创新型教育理念不足，土木工程实践教学方面的师资力量不足等局限性。解决上述不足已成为一项迫切的需要。要实现这一目标，建筑类院校工程教育实践教学体系的改革势在必行。数学建模思想的引入和数学建模仿真实验室的建设，可以从很大程度上解决这些问题。
一、将数学建模思想引入建筑类专业实践教学中的必要性
在培养建筑类应用型本科人才方面，最重要的途径就是进行实训教学，培养学生在行动学习方面的能力。实训教学是复合型人才培养的重要组成部分，是不可或缺的一项教学环节，是实行实践教学各个环节最基本的物质保障和依托。目前，实训教学在实施过程中受到以下几方面因素的制约。
1.实验硬件条件的不足与实验课时之间存在矛盾，多数建筑类高校的实验室和实验设备的数量不足，很难满足实验教学课时的需求。
2.由于施工现场的危险性比较大而且技术复杂，学生在单位实习时存在安全隐患，很多施工单位不愿给学生提供实习岗位。这对学生的场地实习造成一定的限制，学生们很难完全建立对施工工艺和施工技术等的感性认识。
3.由于有些实践环节所做实验具有破坏性，而且实验成本很高，很难反复对某一过程进行盲目的重复实验。
4.由于施工的季节性等原因，学校教学和社会实训在进度上有差异，导致在时间上不能同步，不能很好地协调。
数学建模和数学仿真实验室的建设可以很好地解决上述问题。利用数学建模思想和数学仿真实验室，可以采用多种技术手段，如数值模拟、计算机仿真技术、视频、甚至是实物等，以弥补实验室硬件匮乏的不足，这在满足学生实验课时的同时，还减少了实验室经费的投入。利用计算机软件的各种仿真技术，还可以充分调动学生学习的主动性和积极性，将实验进行分角色设计能够提高学生的创新能力和应变能力。[1]特别是对于一些具有破坏性而且成本较高的实验，可以先利用数学建模思想进行建模和可行性分析、计算，再结合仿真，这样既可以减少实验的次数、节约成本，又可以有的放矢。实验室模拟系统可以利用动画的形式提供施工现场和施工环境，使学生能够在一个仿真的工作环境中进行实验实习。模拟实验室能使学生随着教学进度从感性上理解教学内容，克服理论与实践相脱节的问题。传统的教学手段和实验针对的是一门具体的课程，而模拟实验则提供了一个有效的综合实验工具箱，可以让学生将所学课程进行综合性的集成实验。[2]
此外，建筑类普通高等院校在教学中理论教学与实践教学相脱节、工科教学中学生数学方面综合素质的缺失等问题较为突出。这些问题的存在严重影响着学生实践创新能力的形成。而数学建模是一门十分重视理论和实际相结合的课程，它与传统的数学课程有着较大的区别。加强对学生进行严格的数学技能和数学理论的训练，将学生实践创新能力的培养作为主要目标，是发挥数学应用功能的重要方法。因此，提供并重视数学建模的教学可以有效地培养建筑类学生的实践创新能力。而将数学建模、数学仿真和行动学习与建筑类专业课程系统、有机的结合还存在一定的差距，还有待进一步的完善和提高。[3]
基于上述原因，本文试图将数学建模思想应用于建筑类专业实训教学训练中，培养学生行动学习的能力，并对此进行深入的研究和探索。依托应用型本科教育的人才培养模式，对高等工科学校教学工作进行相应的改革是当前建筑类高校最重要的任务之一，这为建筑类院校高等工程教育的改革实践活动提供了借鉴和参考。
二、将数学建模思想引入建筑类专业实践教学中的实施方案
（一）数学建模课程体系的改革与实践
针对建筑类专业课程中所涉及的实际问题数学计算量较大且较难的情况，应加强数学实践教学，增设数学建模在工程中的应用、数学实验、数学选讲、数学建模讲座、数学建模竞赛培训等，以增强学生运用数学建模思想解决实际问题的能力和复杂数值计算的能力，减轻传统方法进行数值计算的计算量，弥补传统工科数学教学中的不足。在授课过程中，将运用Matlab、SPSS、Mathematics、Lindo / Lingo等常见的数值计算软件，将求解数值问题初步能力的培养融入建筑类专业课程的教学中，特别是针对有些实践环节所做实验具有破坏性、实验成本很高、很难反复对某一过程进行盲目的重复实验这一情况，可以先运用软件进行计算、仿真和模拟，从而减少实验次数，做到有的放矢，促进数学建模和数学实验与建筑类专业课程实践教学在实际中的有机衔接。
（二）数学建模竞赛体系的改革与实践
以东三省数学建模竞赛、全国大学生数学建模竞赛和美国大学生数学建模竞赛为载体，加大数学建模课程的实践力度，建立完善的数学建模竞赛体系以提高学生运用数学解决实际问题的综合素质。数学建模竞赛的论文写作与建模竞赛是学生综合素质最好的检验和提高方式。数学建模实践教学和竞赛活动能够充分调动学生的积极性和主动性，对学生创新精神和综合素质的培养，以及增强学生团结合作精神、提高学生协调组织能力都非常有好处。
在运用学科竞赛来促进创新人才培养这一理念的基础上，笔者紧紧围绕数学建模竞赛管理体系概念和相关理论，立足于现有数学建模竞赛管理体系研究，针对数学建模竞赛管理体系不完整、不规范的问题，通过过程分析、文献统计和我校数学建模竞赛案例研究三种研究方法，提出了一套科学、合理的数学建模竞赛管理体系，并对数学建模竞赛体系的因素、结构、目的和体系与建筑类专业教学系统之间的关系进行了深入的探讨。[5]
近三年，我校教师指导学生参加国际大学生数学建模竞赛获一等奖1项、二等奖20项;指导学生参加全国大学生数学建模竞赛获全国一等奖1项、全国二等奖19项;省一等奖40项、二等奖43项、三等奖57项;东三省大学生数学建模竞赛一等奖4项、二等奖8项、三等奖10项。
（三）构建网上数字平台，奠定仿真教学基础
在模块化、层次化教学体系的主导下，构建基于网络的面向先进建筑类仿真技术的工程训练教学平台，为学生提供仿真设计和自我学习环节。该平台的建设不仅为实施虚拟实验、构建数字化模型和先进数字技术共享创造了条件，而且为仿真技术的教学运用奠定了基础。仿真技术的施工实训方案能够有力弥补传统实践教学的不足。平台通过局域网和接口开发完成各类数控设备的连接，实现信息资源共享;平台还可以开展网上教学、实现网络化管理，增加先进制造技术的实习内容;平台的建立能够极大地满足建筑类高校工程训练的教学需求，提高学生的学习兴趣，为培养高素质、高技能、高层次及具有创新能力的复合型人才起到积极的作用。
加强建筑类高校数学建模课程体系改革、实现建筑类高校专业课程与数学建模的有机对接是一项长期、艰巨的任务，需要高等建筑教育工作者长期不懈的努力。随着数学建模思想在建筑类专业影响的日益扩大，很多教师在教学各个环节中融入了数学建模的教学方法和案例，拓展了学生数学综合素质的训练。这在一定程度上对加快建筑类高校人才培养模式的改革，适应新型建筑行业技术应用型人才培养起到了推动作用。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 姜启源，谢金星.一项成功的高等教育改革实践——数学建模教学与竞赛活动的探索与实践[J].中国高教研究，2011（12）：79-83.
[2] 周国恩.仿真技术在土木工程施工教学中的应用研究[J].大众科技，2013（4）：243-244.
[3] 中共辽宁省委.辽宁省中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）.辽委发[2010]19号.2010-12-16.http：//www.ln.gov.cn / zfxx / lnsrmzfgb / 2011 / d1q / szfbgtwj / ?201105 / t20110504_652154.html.
[4] 孙海义，李宁，靖新.土建类专业数学课程的教学改革与实践[J].高等建筑教育，2012（5）：97-100.
[5] 李大潜.中国大学生数学建模竞赛（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2011：5-10.
[责任编辑：陈 明]
