數學建模中大學生的創新能力培養

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【內容摘要】本文針對數學建模對上海工程技術大學大學生創新能力的培養進行了研究，通過對參與數學建模的師生進行深度訪談和問卷調查，利用SPSS22.0軟件進行主成分分析，得到影響創新能力的主要因素和次要因素。結合院校教育教學實踐，分析其存在的問題并提出改進意見。

【關鍵詞】數學建模;創新能力;主成分分析法

一、上海工程技術大學對學生創新能力的培養

數學建模是通過對實際問題進行合理假設，用數學語言、數學方法抽象出與實際問題近似的數學模型，通過對數學模型求解，解決實際生產、生活問題。數學建模對使用的方法、利用的工具都不加以限制，由于其創造性、趣味性、可參與性吸引了很多大學生參加，從建立模型到得出結果，學生分析問題的能力、創新能力、動手實踐能力都得到了提高，數學的思維也在無形中加深。院校對數學教育非常重視，數理與統計學院踐行了“數學建模為載體的數學應用能力‘六點一線’培養模式”，從而提高學生的數學應用能力和創新能力。以《高等數學》等課程的教學平臺為起步，利用第二課堂進行普及，通過校級數學建模競賽選拔人才，以集中培訓為平臺提高學生數學建模能力，參加國內外數學建模競賽展示學生數學建模水平。以大學生創新實驗和科研作為拓展平臺，培養學生數學應用與創新能力。通過對學生數學建模能力的培養提高他們的數學應用能力和創新能力。

二、數學建模對大學生創新能力影響的理論分析

創新能力是指在創新意識的基礎上提升分析問題、解決問題的能力。從各個角度去看問題，全面地看問題抓住其關鍵，能夠用自己的觀點對問題進行解釋，運用各種方法解決問題，從中選取最優解決方法。對于創新能力測評的方法有很多，如:主成分分析法、層次分析法、變異系數加權法、因子分子法等。層次分析法是根據各因素間的關系，通過各層特征向量構造上層與下層的權重矩陣;變異系數加權法是計算各因素的變異系數且根據其相對大小確定指標權重;主成分分析法是將多個相關變量轉化為少數幾個綜合指標，將這些綜合指標作為主成分，每個主成分都能反映問題的部分信息。本文采用主成分分析法對創新能力指標進行量化分析。

三、模型變量選取

通過對參加數學建模的師生進行深度訪談以及查閱資料分析后得出，影響創新能力的因素主要為智力因素和非智力因素，其中以智力因素為主。智力因素指認知活動的操作系統，智力因素中對創新能力產生的主要影響是注意能力、邏輯思維能力、形象思維能力;非智力因素主要是個性心理因素和思想因素。在此基礎上選定原因變量為:觀察能力、注意能力、想象能力、記憶能力、邏輯思維能力、形象思維能力、靈感、直覺、頓悟思維能力、個性心理因素和思想因素，以變量的提升程度作為指標，結果變量則選擇為創新能力的提升程度。數學建模的實際問題中往往存在一些小細節，觀察能力決定了這些小細節是否能被找到;注意力集中才能專心于數學建模，不被外界打擾，這在數學建模競賽中尤為重要;合理的想象才能創造有價值的新思想;記憶能力指數學建模時在理解中提高記憶力;邏輯思維能力指利用概念、判斷、推理等思維形式通過一定的方式得出事物的本質和規律，這無論在分析題目還是建模、編程中都非常重要;利用形象思維能力能把理論的題目結合自己的感觀通過語言、圖像等形式進行描述;靈感、直覺、頓悟思維能力代表了創造性的突發思維和突如其來的領悟;而個性心理因素指人的求知欲、好奇心、興趣愛好等;思想道德能力則是指人的世界觀、人生觀、價值觀。

四、模型的建立與求解

為了得到學生創新能力提升的情況，對參加過數學建模的學生進行調查問卷，問卷題目為參加數學建模活動和競賽后各個能力的提升程度，選項為提升很大、略有提升、沒什么變化和退步，將選項轉化為數據，分別為1、0.66、0.33、0。回收有效調查問卷共285份，對調查問卷利用SPSS22.0進行分析，利用主成分法，得到主成分的系數矩陣，系數代表了原因變量的線性方程中不同成分的權重，數值越大，對這個指標的影響越大。通過表1可以看出，第一個主成分反映的是思想能力、形象思維能力和邏輯思維能力，這個主成分的方差占總方差的比例最大，所以在數學建模影響創新能力的因素中思想能力、形象思維能力和邏輯思維能力是影響最大的，嚴謹的邏輯思維、良好的形象思維以及正面向上的觀念對于創新能力是不可或缺的。第二個主成分反映的是個性心理能力，分析其方差占總方差的比例得出，個性心理能力對創新能力影響較大，興趣愛好、好奇心等心理因素的培養對創新能力的提高能起到一定的作用。第三個主成分體現了想象力，由于第三個主成分所占比例較小，所以得出想象力對創新能力有一定影響，但是影響較小，合情合理的天馬行空能帶來不一樣的創新。通過分析問卷中創新能力提升程度的數據，15.3%的學生覺得通過數學建模創新能力得到了較大的提升，而65.9%的學生覺得通過數學建模創新能力略有提升，18.8%的學生則認為數學建模后創新能力沒有變化甚至略有退步。可見，只有少數學生認為通過數學建模能夠大幅度提升自己的創新能力，而大部分的學生都是認為略有提高。數學建模對院校學生創新能力的確起到了一定的促進作用。

五、結語

在調查問卷中發現，大學數學主干課程和第二課堂對于數學建模和創新能力的培養還不夠深入，而校級選拔平臺要求較低以及創新實驗和科研未能普及都導致了數學建模對創新能力的促進較小。集中培訓和建模競賽的參與人數較多及其應用能力更強導致了更能提升學生的創新能力。因此，可以提出一些改進措施，大學數學主干課程和第二課堂對于創新能力的培養應該更深入一些，這樣可以在潛移默化中給學生帶來積極的影響。而校級選拔平臺則可以增添一定的趣味性或挑戰性以此吸引學生進行挑戰。創新實驗和科研平臺則可以增加其普及率來吸引學生，培養更多的創新型人才。

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作者:黃君瑤 肖翔 許伯生 高蕾 張庭磊 單位:上海工程技術大學