張春蕊, 鄭寶東, 楊瑞智
(1.東北林業(yè)大學(xué) 理學(xué)院 數(shù)學(xué)系, 哈爾濱150040; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 數(shù)學(xué)學(xué)院, 哈爾濱150001)
復(fù)旦大學(xué)李大潛院士曾指出:“數(shù)學(xué)建模是聯(lián)系數(shù)學(xué)與應(yīng)用的重要橋梁,是數(shù)學(xué)走向應(yīng)用的必經(jīng)之路.”“抓住了數(shù)學(xué)建模,就抓住了聯(lián)系數(shù)學(xué)與應(yīng)用的最重要的紐帶,構(gòu)建了溝通數(shù)學(xué)與應(yīng)用的橋梁,為數(shù)學(xué)與應(yīng)用的有效結(jié)合建立了可靠的保證和基礎(chǔ),并為今后進(jìn)一步的發(fā)展,包括數(shù)學(xué)科學(xué)本身的發(fā)展,提供了無窮的契機(jī)并鋪平了廣闊的道路”[1].學(xué)生數(shù)學(xué)建模能力需要通過數(shù)學(xué)知識(shí)傳授、數(shù)學(xué)專業(yè)訓(xùn)練來逐步培養(yǎng).因此,數(shù)學(xué)教育的任務(wù)是建立一種新的培養(yǎng)機(jī)制,以加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)理論與實(shí)際工作很好結(jié)合的能力,提高學(xué)生處理應(yīng)用問題時(shí)提煉數(shù)學(xué)模型的能力,提高學(xué)生求解數(shù)學(xué)模型的能力,提高學(xué)生將所得理論結(jié)果用于指導(dǎo)解釋客觀事物的能力.
本文以東北林業(yè)大學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)實(shí)施的“生物數(shù)學(xué)”本、碩一體化系列課程為例,探索培養(yǎng)數(shù)學(xué)建模能力,培養(yǎng)學(xué)術(shù)型拔尖創(chuàng)新人才的具體可行措施,為人才培養(yǎng)提供可行性建議.
針對(duì)“已有的“數(shù)學(xué)建?!闭n程多以競賽為導(dǎo)向,即課程教學(xué)圍繞著數(shù)學(xué)建模競賽展開,而且大多只面向準(zhǔn)備參加建模競賽的學(xué)生開設(shè)”的背景,東北林業(yè)大學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)立足學(xué)生發(fā)展,整合了本科生、研究生兩個(gè)層次的“生物數(shù)學(xué)”系列課程,構(gòu)建了“理論學(xué)習(xí)—專題研究—課外研討班”一體化教學(xué)體系.依托學(xué)科,教學(xué)與科研相結(jié)合,組建高水平研究型教學(xué)團(tuán)隊(duì),以林業(yè)生物問題為背景,探索了“問題—建?!蠼狻钡难芯啃徒虒W(xué)模式,創(chuàng)造性地將創(chuàng)新人才的能力要素具體化,把能力培養(yǎng)落實(shí)到課堂教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)之中,完成了教學(xué)理念、教學(xué)模式和教學(xué)方法的系統(tǒng)改革,解決了培養(yǎng)數(shù)學(xué)建模能力的課程體系和實(shí)訓(xùn)平臺(tái)問題;解決了培養(yǎng)數(shù)學(xué)建模能力的研究型教學(xué)方法問題.全面提升了學(xué)生的數(shù)學(xué)建模能力.
研究型教學(xué)是國際上普遍認(rèn)同和實(shí)施的一種新的教學(xué)方法[2].生物數(shù)學(xué)課程是利用數(shù)學(xué)方法研究生物學(xué)問題的學(xué)科交叉課程,其教學(xué)模式有其特殊性,尤其是通識(shí)教育背景下的生物數(shù)學(xué)研討型課程的教學(xué)模式更有別于傳統(tǒng)數(shù)學(xué)課程的教學(xué)模式[3].近年來,“本碩一體化”受到越來越多的高校的重視,各種改革方式層出不窮[4-6].本文的“本碩一體化”主要討論本科、碩士階段生物數(shù)學(xué)系列課程的銜接.東北林業(yè)大學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)將本、碩“生物數(shù)學(xué)”系列課程一體化,構(gòu)建研究型教學(xué)體系,搭建數(shù)學(xué)建模實(shí)訓(xùn)平臺(tái).該體系設(shè)計(jì)考慮了本課程群兩階段培養(yǎng)目標(biāo)的差異性,體現(xiàn)了課程內(nèi)容的提升和延伸,形成了完整的課程系統(tǒng)和知識(shí)結(jié)構(gòu),從興趣和素養(yǎng)兩方面達(dá)到了培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)建模能力的目的.
(a)本科階段以“常微分方程”為支撐課程,在“生物數(shù)學(xué)”課程的教學(xué)中,側(cè)重于基礎(chǔ)理論的掌握,同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生將理論應(yīng)用于實(shí)踐的能力.結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目,對(duì)學(xué)生加以高層次研究訓(xùn)練和培養(yǎng),使得學(xué)生對(duì)生物數(shù)學(xué)問題的建模方法有初步的和全面的認(rèn)識(shí).
(b)研究生階段以“微分方程現(xiàn)代理論”“動(dòng)力系統(tǒng)”為支撐課程,在“生物數(shù)學(xué)”課程的教學(xué)中,更側(cè)重于問題的理解和解決,主要講授“生物數(shù)學(xué)”領(lǐng)域的最新理論,引導(dǎo)研究生使用各自熟悉的理論工具理解生命科學(xué)中的數(shù)學(xué)問題,并設(shè)計(jì)解決方案加以實(shí)現(xiàn),主要講授“生物數(shù)學(xué)”領(lǐng)域的最新理論,指導(dǎo)學(xué)生使用運(yùn)用動(dòng)力系統(tǒng)、微分方程等理論和研究方法處理生物數(shù)學(xué)問題,提高學(xué)生的數(shù)學(xué)建模能力.下圖是本、碩“生物數(shù)學(xué)”系列一體化課程的課程設(shè)計(jì)圖
生物數(shù)學(xué)是東北林業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)專業(yè)本科及研究生階段的共同課程.相關(guān)課程是本科生的常微分方程、研究生階段的微分方程現(xiàn)代理論及動(dòng)力系統(tǒng).本科生的生物數(shù)學(xué)課程開設(shè)于2013年,在沒有進(jìn)行一體化課程設(shè)計(jì)之前,其內(nèi)容與研究生的生物數(shù)學(xué)課程在銜接上有些困難.經(jīng)過幾年的教學(xué)實(shí)踐,課題組梳理了相關(guān)課程,對(duì)課程重新定位:課程特色是興趣引導(dǎo),問題驅(qū)動(dòng),加強(qiáng)實(shí)訓(xùn),全面提升學(xué)生實(shí)際數(shù)學(xué)建模能力.數(shù)學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)課程大都采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式,即在課堂上以教師講授為主,課程注重基本理論體系的完整性、流暢性,讓學(xué)生“接受”有關(guān)的知識(shí),強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生扎實(shí)的基本技能的培養(yǎng).該系列課程旨在培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)的能力,開闊學(xué)生的視野,教學(xué)目的不僅僅是讓學(xué)生掌握數(shù)學(xué)理論內(nèi)容,而能重要的是教會(huì)他們用已有的數(shù)學(xué)知識(shí)去解決生物數(shù)學(xué)問題,使他們體會(huì)到應(yīng)用數(shù)學(xué)的奧妙且使他們體會(huì)到應(yīng)用已學(xué)知識(shí)去創(chuàng)造性地解決實(shí)際問題的樂趣.生物數(shù)學(xué)架起了現(xiàn)實(shí)生活中的生命現(xiàn)象和抽象數(shù)學(xué)之間的橋梁.該課程是融入數(shù)學(xué)建模思想,培養(yǎng)學(xué)生建模能力的重要途徑.
本科及研究生的生物數(shù)學(xué)課程均為32學(xué)時(shí),均為相關(guān)數(shù)學(xué)理論的常規(guī)教學(xué)16學(xué)時(shí),課程實(shí)踐16學(xué)時(shí).通過課堂上系統(tǒng)地學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上,應(yīng)用所學(xué)知識(shí)創(chuàng)造性地解決來源于現(xiàn)實(shí)生活的,復(fù)雜的、綜合性的問題,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)思考、積極探索,并在此過程中培養(yǎng)能力,提高素質(zhì).
本科階段保留傳統(tǒng)的理論教學(xué)模式,使得學(xué)生對(duì)“生物數(shù)學(xué)”要解決的問題和基本方法有全面的認(rèn)識(shí).課程內(nèi)容分為三部分:基礎(chǔ)理論教學(xué)+模型講解+實(shí)訓(xùn)作業(yè).實(shí)現(xiàn)問題驅(qū)動(dòng)課堂、探究引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)、研究、實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合,最終實(shí)現(xiàn)“大幅提高學(xué)生實(shí)際建模能力”的目標(biāo).本科階段生物數(shù)學(xué)課程講授定性及穩(wěn)定性理論初步,是常微分方程課程的續(xù)論.講授的數(shù)學(xué)模型有“單種群模型”“兩種群相互作用模型”“傳染病倉室模型”等基本的生物數(shù)學(xué)模型.
研究生階段采用講授生物數(shù)學(xué)現(xiàn)代理論與研討課兩種教學(xué)形式,理論上既延續(xù)又區(qū)分.研究生階段生物數(shù)學(xué)課程除講授深入的定性及穩(wěn)定性理論之外,還要介紹分支、混沌、規(guī)范型等理論.講授的數(shù)學(xué)模型有“神經(jīng)動(dòng)力學(xué)模型”“具有外界干預(yù)的SIR模型”“害蟲綜合治理模型”“甲型流感控制模型”“兒童手足口病模型”等研究實(shí)例.采用探索參與式教學(xué)、專題研討式的研討、實(shí)踐(上機(jī)實(shí)驗(yàn)、模擬仿真)、小論文等多種形式的個(gè)性化教學(xué)方法,教學(xué)形式由單一的課堂教學(xué)轉(zhuǎn)化為多形式的互動(dòng)交流,將提升“建模能力”貫穿于課程教學(xué)的全過程.
課程實(shí)踐是生物數(shù)學(xué)課程的主要特色,根據(jù)學(xué)生的不同層次,通過生物案例如流行病的傳播、種群間相互作用等生命現(xiàn)象的分析,教會(huì)學(xué)生構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,在利用生物數(shù)學(xué)知識(shí)完成最優(yōu)解答.在此基礎(chǔ)上,回到問題情境中解釋相關(guān)問題,培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)建模能力和應(yīng)用能力.課題組教師結(jié)合林業(yè)院校特色,為學(xué)生介紹如“林火生態(tài)模型”“森林松線蟲模型”等與實(shí)際問題密切相關(guān)的模型,同時(shí)也介紹熱點(diǎn)話題,例如非典(SARS)、埃博拉(EBOLA)等突發(fā)性傳染病的模型.整個(gè)教學(xué)過程,強(qiáng)調(diào)問題的驅(qū)動(dòng),培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,也使得枯燥的“定性與穩(wěn)定性理論”變成了活生生的現(xiàn)實(shí),從數(shù)學(xué)建模能力層面上加深了這些基本教學(xué)內(nèi)容的深度,同時(shí)也使學(xué)生們體會(huì)到數(shù)學(xué)理論的重要意義.部分本科生及研究生通過生物數(shù)學(xué)研討班的形式,參加了教師的科研課題,在升學(xué)之際分別考取了該方向的碩士、博士研究生.
生物數(shù)學(xué)研討班是對(duì)課程教學(xué)的補(bǔ)充(本科生、碩士生均可參加).研討班利用課余時(shí)間,每周舉辦一次,以閱讀科技文獻(xiàn)和寫作科研論文為主線,此時(shí)的建模更接近科學(xué)前沿,與實(shí)際生物學(xué)問題密切相關(guān).團(tuán)隊(duì)教師均從事生物數(shù)學(xué)相關(guān)課題的研究,自身科研水平較高,有豐富的科研課題支撐每周一次的生物數(shù)學(xué)研討班的研討話題.研討中將科研問題與科研成果融入課堂,保障了研究型教學(xué)模式的實(shí)施.解決了教師如何將科研成果融入課堂教學(xué),在授課過程中把學(xué)生帶到科學(xué)發(fā)展的前沿陣地,開闊學(xué)生科研視野的問題,使學(xué)生體會(huì)到了科學(xué)研究與數(shù)學(xué)建模相輔相成的奧秘.
考試方法改革也是研究型教學(xué)模式不同于傳統(tǒng)教學(xué)形式的特色之一.課程采用1+1形式的融知識(shí)、素質(zhì)、能力在內(nèi)的綜合性的水平考核模式.階段考試采用傳統(tǒng)的閉卷形式.學(xué)期末以課題論文的形式結(jié)業(yè),要求學(xué)生查找資料,建立數(shù)學(xué)模型,解決日常生活中的生物數(shù)學(xué)問題.目的是考核學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力等綜合素質(zhì).經(jīng)過這樣的鍛煉,部分學(xué)生在課程結(jié)業(yè)時(shí)已經(jīng)能夠?qū)懗鲇歇?dú)特見解的小論文,初步嘗到了科學(xué)研究的甜頭.
已有的“數(shù)學(xué)建?!闭n程,多以競賽為導(dǎo)向,即課程教學(xué)圍繞著數(shù)學(xué)建模競賽展開.教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過對(duì)“生物數(shù)學(xué)”本、碩一體化系列課程教學(xué)內(nèi)容和模式的設(shè)計(jì),立足本科教學(xué)牢牢夯實(shí)基礎(chǔ)、研究生教學(xué)突出實(shí)踐和創(chuàng)新,構(gòu)建了數(shù)學(xué)理論與生物專業(yè)知識(shí)交融的教學(xué)體系,達(dá)到了全方位地培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)建模能力的目的,豐富了傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模內(nèi)涵,解決了培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)建模能力的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)問題.
針對(duì)本課程學(xué)科交叉的特性,利用“生物數(shù)學(xué)”系列課程的研究型教學(xué)模式,實(shí)現(xiàn)了如何通過有效的課程教學(xué)設(shè)計(jì),構(gòu)造出一套以學(xué)生為主體, 以教師為主導(dǎo),以問題為導(dǎo)向,以課程專題研究為主要訓(xùn)練載體,以培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)建模能力為目的的研究型教學(xué)方法及具體實(shí)施方案.詮釋了數(shù)學(xué)建?!叭笠亍钡膶?shí)現(xiàn)過程.彌補(bǔ)了數(shù)學(xué)建模課程中理論講授不足的缺憾.
通過本科生及研究生兩個(gè)層次的“生物數(shù)學(xué)”系列課程的研究型教學(xué),實(shí)現(xiàn)了理論學(xué)習(xí)—專題研討—課外研討班教學(xué)全過程的模式改革;依托學(xué)科,教學(xué)與科研結(jié)合,組建了教學(xué)團(tuán)隊(duì),以林業(yè)生物問題為背景,通過“問題—建模—求解”的研究模式,提高學(xué)生數(shù)學(xué)建模能力,創(chuàng)造性地將創(chuàng)新人才的能力要素具體化,并落實(shí)到課堂教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)之中,實(shí)現(xiàn)教學(xué)理念、教學(xué)模式和教育方法的系統(tǒng)改革.
本、碩一體化生物數(shù)學(xué)課程的開設(shè),提升了東北林業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)系本科畢業(yè)生、碩士畢業(yè)生的專業(yè)能力.多名在一體化教學(xué)過程中成長起來的學(xué)生表示,科研訓(xùn)練與數(shù)學(xué)建模能力的提升使他們順利通過國內(nèi)著名大學(xué)的博士生申請(qǐng)考核.2018屆碩士畢業(yè)生對(duì)課程的評(píng)價(jià)是“一門好課改變一生”“生物數(shù)學(xué)課程引導(dǎo)我走向科研之路”.2019屆碩士畢業(yè)生對(duì)課程的評(píng)價(jià)是“生物數(shù)學(xué)特有的魅力促使我選擇攻讀博士學(xué)位,也使我作為交換生在國外交流時(shí)展示了自己的科研實(shí)力.”
學(xué)生通過生物數(shù)學(xué)研討班的訓(xùn)練、參與團(tuán)隊(duì)教師的科研課題、主持創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、參加各類競賽等,展示了突出的數(shù)學(xué)建模能力,提升了數(shù)學(xué)專業(yè)學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽、數(shù)學(xué)競賽成績,2016年-2020 年期間,本學(xué)科學(xué)生獲得美國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽、全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽、全國大學(xué)生數(shù)學(xué)競賽獎(jiǎng)勵(lì)270 余項(xiàng).數(shù)名本科生依托大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目發(fā)表生物數(shù)學(xué)方向SCI收錄科研論文;在2016年-2020年期間,每年都有20余名本科生撰寫生物數(shù)學(xué)方向畢業(yè)論文.部分學(xué)生畢業(yè)后選擇在本校生物數(shù)學(xué)相關(guān)方向攻讀研究生,這些研究生在讀期間就在國際著名SCI期刊發(fā)表研究論文、在國際會(huì)議作學(xué)術(shù)報(bào)告.
本、碩一體化“生物數(shù)學(xué)”系列課程培養(yǎng)數(shù)學(xué)建模能力的思想方法,拓展了團(tuán)隊(duì)教師的教學(xué)研究視野,使得生物數(shù)學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)師資水平大幅提升,微分方程與生物數(shù)學(xué)方向也成為數(shù)學(xué)一級(jí)學(xué)科的支撐方向微分方程與生物數(shù)學(xué)方向成為數(shù)學(xué)一級(jí)學(xué)科的支撐方向.團(tuán)隊(duì)4名教師先后進(jìn)入林業(yè)工程、生物學(xué)等相關(guān)學(xué)科博士后流動(dòng)站從事博士后科研工作,主持與生物數(shù)學(xué)方向相關(guān)的國家級(jí)、省級(jí)各類科研項(xiàng)目10余項(xiàng);1名教師在林業(yè)工程自動(dòng)化學(xué)科擔(dān)任博士生導(dǎo)師.近5年,團(tuán)隊(duì)教師在SCI收錄期刊發(fā)表研究論文30余篇.本、碩一體化“生物數(shù)學(xué)”系列課程培養(yǎng)數(shù)學(xué)建模能力的思想方法,拓展了團(tuán)隊(duì)教師的教學(xué)研究視野.團(tuán)隊(duì)教師發(fā)表相關(guān)教研論文 26 篇,在科學(xué)出版社出版生物數(shù)學(xué)專著2部.
問題驅(qū)動(dòng)的生物數(shù)學(xué)研究型系列課程構(gòu)成了本、碩一體,層次分明,循序漸進(jìn)的數(shù)學(xué)建模能力培養(yǎng)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了“理論學(xué)習(xí)—專題研究—課外研討班”模塊化教學(xué)模式改革.問題驅(qū)動(dòng)的生物數(shù)學(xué)研究型系列課程教學(xué)彌補(bǔ)了數(shù)學(xué)建模課程多以競賽為導(dǎo)向、課程教學(xué)圍繞數(shù)學(xué)建模競賽展開的不足.通過對(duì)實(shí)際生物問題的建模與仿真,塑造學(xué)生的研究精神,培養(yǎng)學(xué)生的研究能力.在多年的教學(xué)中,教是團(tuán)隊(duì)對(duì)該部分教學(xué)內(nèi)容與課程體系改革不斷提出新要求,賦予新內(nèi)涵,引入新的教學(xué)內(nèi)容,進(jìn)行新的教學(xué)實(shí)踐.利用鮮活的例子,鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、探索、求解新問題.
教學(xué)團(tuán)隊(duì)教師都從事生物數(shù)學(xué)相關(guān)課題的研究.在長期研究型教學(xué)實(shí)踐中,經(jīng)過“科研—教學(xué)—科研—教學(xué)”的反復(fù)迭代,不僅提高了師資隊(duì)伍的教學(xué)水平,也提高了師資隊(duì)伍的研究水平,打造了一支教學(xué)科研兼?zhèn)涞膶W(xué)者型教學(xué)團(tuán)隊(duì).
從生物數(shù)學(xué)系列課程的教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)合理設(shè)計(jì)本、碩一體化研究型課程的教學(xué)過程,滲透數(shù)學(xué)建模能力“三要素”的思想,通過“問題—建模—求解”的研究型教學(xué)模式,創(chuàng)造性地將創(chuàng)新人才的能力要素具體化,并落實(shí)到課堂教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié),解決了培養(yǎng)數(shù)學(xué)建模能力的實(shí)訓(xùn)問題,實(shí)現(xiàn)教學(xué)理念、教學(xué)模式和教育方法的系統(tǒng)性改革,對(duì)提高學(xué)生的數(shù)學(xué)建模能力有較大的作用[7].
生物數(shù)學(xué)本碩一體化課程設(shè)計(jì),優(yōu)化了教學(xué)資源,實(shí)現(xiàn)了橫向?qū)W科交叉、縱向?qū)哟芜f進(jìn)的系列課程設(shè)計(jì)理念,為貫通式人才培養(yǎng)提供了有益探索.對(duì)實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)過程全程交叉、學(xué)科知識(shí)全科強(qiáng)化,營造良好的教與學(xué)生態(tài)環(huán)境、培養(yǎng)一批掌握?qǐng)?jiān)實(shí)理論知識(shí)和實(shí)踐能力、具有廣闊學(xué)科視野和求實(shí)創(chuàng)新精神的高層次人才的教學(xué)理念進(jìn)行了積極地探索.
目前,東北林業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)系的本、碩一體化課程還僅限于生物數(shù)學(xué)系列課程,研究型的教學(xué)模式還需要進(jìn)一步探討.對(duì)于數(shù)學(xué)專業(yè)的教師來說,如何借助已有的數(shù)學(xué)課程體系,將數(shù)學(xué)研究的思想方法融入課堂,把能力培養(yǎng)落實(shí)到課堂教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié);如何將科研過程中發(fā)現(xiàn)的學(xué)科前沿問題、取得的科研成果融入課堂,把學(xué)生帶到學(xué)科發(fā)展的前沿陣地,開闊視野,體驗(yàn)應(yīng)用數(shù)學(xué)的風(fēng)采,是值得思考的問題.
致謝作者感謝編輯和審稿人非常有價(jià)值的意見和建議.感謝東北林業(yè)大學(xué)研究生教育專項(xiàng)基金的支持.