大数据时代结合数学建模竞赛培养学生的创新能力

陈 昊，梅学婷

（淮北师范大学 数学科学学院，安徽 淮北235000）

0 引言

随着信息技术的快速发展，带动数据的爆发式增长，由此进入一个大数据（Big data）时代.大数据具有“4V”特征：（1）数据量大（Volume），数量级可达到ZB 级别；（2）输入和处理速度快（Velocity）；（3）数据多样性（Variety），数据的类型从一般的结构化数据转向半结构化数据和非结构化数据；（4）价值密度低（Value）［1-4］.人们为通过大数据更好地了解世界，从而改变世界，所以需要对海量数据进行分析、处理，并用一种精确的语言来描述现实世界的某种特定现象.数学建模就是使用数学方法解决这种实际问题的桥梁［5］.

1 大数据时代需要培养具备科研能力和创新能力的大学生

在大数据时代，为实现国家创新驱动的发展战略，对人才培养的要求更高，需要越来越多的创新型人才.《国家中长期科技发展规划纲要（2006—2020）》提出“加强科技创新与人才培养的有机结合，鼓励科研院所与高等院校合作培养研究型人才.支持研究生参与或承担科研项目，鼓励本科生投入科研工作，在创新实践中培养他们的探索兴趣和科研精神”［6］.由此可见，培养大学生的科研能力和创新能力已经上升到国家战略高度.高等院校是培育创新型人才的重要基地，因此，加强大学生创新能力的锻炼和培养必须引起足够的重视和支持.当前，大数据技术已经融入到经济社会的各个方面，数据传输和应用的能力对社会发展的制约也越来越凸显出来.这就要求培养的大学生不但要有扎实的数学知识基础，而且要有灵活的应用数据的能力，即要培养出创新型的人才［7-8］.具有创新型的人才的一个显著特征就是要具备良好的科研能力和创新能力.因此，在大数据背景下，培养具备良好的科研能力和创新能力的创新型人才显得尤为紧迫，并具有非常重要的意义［9-13］.

人才的培养是经济社会发展的迫切需求，对大学生而言，创新型人才的培养需要锻炼其科研能力和创新能力.怎样才能培养大学生的科研能力和创新能力呢？大学生数学建模竞赛正是基于这种需要，突破传统数学的框架，结合最新的、实用性的问题，要求大学生短时间内解决问题，从而有利于大学生科研能力和创新能力的培养.

2 大数据背景下的数学建模竞赛

进入大数据时代后，数据对人们的影响是无处不在的，如数据在城市智能交通系统、移动通信行业、金融领域和城市规划等方面均有广泛的应用.

全国大学生数学建模竞赛创办于1992年，每年9月份举办，2007 年被列入教育部质量工程首批资助的学科竞赛之一，已经发展成为国内规模最大的学科竞赛活动.2018年，共有来自全国34个省/市/区（包括香港、澳门和台湾）及美国和新加坡的1 449所院校/校区、42 128队（本科38 573队、专科3 555队），超过12万人报名参加本项赛事.

一年一度的美国大学生数学建模竞赛始创于1985 年，由美国数学及应用联合会（the Consortium for Mathematics and Its Application，COMAP）主办，分为数学建模竞赛（Mathematical Contest In Modeling，MCM）和交叉学科竞赛（Interdisciplinary Contest In Modeling，ICM）.是国际上参赛人数最多的学科竞赛活动.2018年，共有来自中国、美国、澳大利亚、加拿大、印度、英国、西班牙、南非、韩国、越南、墨西哥、苏格兰、爱尔兰、芬兰、印度尼西亚等国家和地区的10 670支队伍参赛.

纵观历年全国大学生数学建模竞赛本科组和美国大学生数学建模竞赛试题，其中不乏对大量数据进行分析处理并建立数学模型的问题，如2017年全国大学生数学建模竞赛本科组“A题：CT系统参数标定及成像”共有138 250个数据；2017年全国大学生数学建模竞赛本科组“B题‘拍照赚钱’的任务定价”共有4 788个数据；2012年全国大学生数学建模竞赛本科组“A题：葡萄酒的评价”有23 247个数据；2011年全国大学生数学建模竞赛本科组“A题：城市表层土壤重金属污染分析”有3 828个数据；2010年全国大学生数学建模竞赛本科组“A题 储油罐的变位识别与罐容表标定”有5 528个数据.2019年美国大学生数学建模竞赛“C题：阿片类药物危机”有240 630个数据；2018年美国大学生数学建模竞赛“C题：能源生产”有424 795个数据；2016年美国大学生数学建模竞赛“C题 优质基金挑战”有51 754个数据.由此可见，大学生需要具备一定的大数据分析和处理能力.如何培养大学生创新性的处理和运用数据呢？大学生数学建模竞赛显示出强有力的作用.

3 依托数学建模竞赛培养大学生的科研和创新等方面的能力

数学建模的研究对象通常是生活中的实际问题，尤其是热点和难点问题.解决这些问题的数学建模的过程实质上是一个创造性的过程，需要学生具备理论联系实际的能力、团队协作的能力、语言表达的能力等.大学生数学建模竞赛为大学生培养科研能力和创新能力提供非常好的平台.

3.1 培养大学生理论联系实际的能力

数学建模的过程中首先要将具体的实际问题抽象成数学问题，然后建立数学模型.在这个过程中需要大学生将所学的数学知识、理论与实际问题联系起来，避免出现理论和实践脱节的现象.目前，现代科学技术发展迅速，很多新的应用数学分支相继涌现，促进数学在物理学、生物学、金融学和经济学、计算机科学、工程技术等领域的应用.通过参加大学生数学建模竞赛，学生根据数学理论建立数学模型，能够深刻体会到应用数学知识解决实际问题的过程，提升其将理论应用于实际问题的能力.我国首家数学建模公司（北京诺亚数学建模科技有限公司）的创办者，多次参加数学建模竞赛，在此过程中体会到数学的重要应用价值，毕业后以数学建模的应用为方向组建自己的创业团队［14］.

3.2 培养大学生的科研能力

培养大学生的科研能力是指大学生需要具备发现问题、提出问题，并对研究对象进行分析和思考的能力.虽然大学本科学生的科技竞赛活动、学术竞赛活动、学术交流活动多种多样，但是基于数学建模竞赛为平台的科研能力培养模式，是各类活动中效果最为明显的［15］.通过在本科生中开设数学建模课程，培养大学生对数学建模竞赛的兴趣，激发学生参与科学研究的热情，使其具备初步科研能力.鼓励学生积极参加各类数学建模竞赛，如“深圳杯”数学建模挑战赛、Mathor Cup高校数学建模挑战赛、全国大学生数学建模竞赛和美国大学生数学建模竞赛等，在竞赛过程中锻炼学生的自学能力、活学活用的能力，开阔学生的视野，提升学生的科研能力.对于参加数学建模竞赛的学生，指导他们根据建模竞赛的成果撰写科研论文，使他们的研究内容转化成研究成果.从淮北师范大学10余年的参加建模竞赛的经验来看，曾经参加过建模竞赛的学生，从查阅参考文献、收集资料到撰写毕业论文，较未曾参赛的学生有明显的优势.

3.3 培养大学生的创新能力

创新是社会进步与民族进步的灵魂，是引领发展的第一动力，是一个国家兴旺发达的不竭源泉.培养大学生的创新能力，需要理论知识、实践能力和综合素质协调发展［16］.数学建模竞赛是用数学的理论、方法去解决实际问题，数学建模竞赛的题目涉及到金融管理、工程技术、运筹优化和数据挖掘等各个领域.参赛学生需要将实际问题抽象化，做出合理的假设，探索事物之间的规律，建立起可以解决问题的数学模型.在此过程中，需要学生发挥想象力、创造力，具有开阔的视野、善于独立思考的精神和发散的思维能力，能够触类旁通地解决具有实用性和挑战性的问题，从而激发学生的创新热情、创新意识和科学意识，培养他们的创造能力.在大数据时代，需要提升大学生的创新能力，这也关系到人才培养的质量，以数学建模竞赛为平台，可以增强大学生的科学研究能力、学术能力和创新能力.

3.4 培养大学生的团队意识和团队合作精神

在信息和技术日新月异的大数据时代，团队意识和团队精神对大学生的成长和成才具有重要的现实意义.数学建模竞赛以团队参赛，每支队伍3人，在竞赛过程中每个人既要有分工也要有合作，队员间要相互配合，遇到问题时要相互讨论集思广益，为取得良好的成绩，必须要充分发挥个人智慧和团队合作精神.因此，积极参加各类建模竞赛，可以很好的锻炼大学生的团队意识和相互间的团队合作精神.

3.5 培养大学生的自学能力、查阅文献资料和使用文献资料的能力

全国大学生数学建模竞赛的时间为3 d，美国数学建模竞赛的时间为4 d，参赛队伍需在规定的时间内提交一篇符合要求的科技论文.这就要求参赛大学生在竞赛时间内，快速查阅有效的文献资料，快速自学文献资料，并创造性地使用文献资料进行数学建模.在数学建模竞赛的过程中，需要用到很多相关学科的理论，通过相关文献的自主学习，有效利用资料，快速掌握问题的本质，完成数学模型的建立.为以后继续学习，锻炼查阅、使用文献的能力和自学能力.

3.6 培养大学生学术论文写作能力

数学建模竞赛的结果要以科研论文的形式提交.在撰写论文的过程中，需要制作各种图和表，涉及各种数学软件的应用，同时要有较好的语言表达能力，最后还要对论文结构、排版进行设计.2018年淮北师范大学参赛队伍中，已在大学学报发表论文1篇，录用2篇.通过数学建模竞赛，较好地培养大学生的科研论文写作技能.

3.7 培养大学生的计算机应用能力

在大数据时代背景下，计算机应用能力已经成为大学生必须具备的基本技能.在数学建模竞赛过程中，很多时候数据的处理必须要借助计算机，数学模型的求解也往往要编程.因此，参加建模竞赛的学生需要熟练运用Matlab、SPSS、SAS、Lingo、公式编辑器等数学软件，熟练掌握word（WPS）、Excel等基本工具的应用技巧.通过参加数学建模竞赛，可以非常有效地锻炼大学生计算机应用的能力.

4 结束语

数学建模竞赛与创新型人才的培养相得益彰.在数学建模过程中，需要发挥学生的团队协作精神、探索精神、批判精神，也需要在知识、方法、应用等方面有所创新.通过数学建模竞赛，学生初步了解科学研究的过程，具备基本的科学研究素养以及基本的学术论文的写作能力.数学建模竞赛为培养大学生的科研、创新等综合能力提供良好的平台.