大学生数学建模竞赛与电气专业人才培养互助性的研究

2022-07-28孙驷洲

科技风 2022年20期

徐杰孙驷洲

安徽工程大学电气工程学院安徽芜湖 241000

一、概述

数学建模作为探索现实世界和掌握自然规律的一种思想和方法，越来越受到人们的重视，随着智能制造和人工智能及大数据的不断发展，对电气工程及其自动化专业的发展提出新的人才培养要求。这是新时期的高校根据自身实际情况所提出的发展方向，也是办学鲜明特色的体现。大学生数学建模比赛推动了教学质量的提高，并进一步推动专业与新技术发展要求，在新工科和教育部本科评估的促进下，使电气工程及其自动化人才培养得到了提升。

二、大学生数学建模大赛的现状与背景分析

(一)大学生数学建模大赛的现状

目前电气工程及其自动化的数学建模有三个主要赛事，一是全美大学生数学建模竞赛，即MCM/ICM，它是Mathematical Contest In Modeling和Interdisciplinary Contest In Modeling的缩写。MCM始于1985年，ICM始于1999年，由美国数学及其应用联合会主办，一般选择离散、连续、大数据三个类型方向，采用主要、具有创新性的、没有边界值的一种分析、一种发散思路，同时对新知识、新方法、新要求、新工具要求比较高。二是大学生全国建模比赛高教杯。该比赛是国内历史最久的赛事，以全国大学生数学建模竞赛为例，比赛对规范化、标准化要求更高。第三是电工杯数学建模大赛。电气类题目近年主要涉及新能源的发电等、相关能源类的模型建立，是与实际结合度和教学目标的结合度契合的一种国内赛事。该赛事一般有两道题，以电气工程方向和管理类方向，这种电气工程的要求和发展方向完全是对标电气工程及其自动化专业的建模类赛事，符合现在的教学的要求和高素质新型电气类人才培养。

(二)电气工程及其自动化和自动化专业的数学建模学习分析

高素质应用型电气工程及其自动化专业人才是能将专业知识和技能应用于所从事的专业社会实践的一种专门的人才类型。高素质应用型电气工程及其自动化专业人才有较强的应用技能和工程能力，能够从事与电气工程相关的研发、工程、设计、管理等方面的工作。

另一方面，与学术型人才相比，具有较强的运行维护、技能更新、人工智能等相关的综合创新型的高素质应用型复合型人才，也是我校未来发展的前进方向。

三、基于数学建模竞赛的高素质电气专业人才创新意识培养

从专业整体培养模式的思路出发，根据培养方案和培养方向、培养方针的三方指导原则，进一步突出新形势要求，调整改进思路。具体分析如下：

(一)人工智能下的传统电气工程的数学建模新工科思想

通过具有大数据不断累积，深度学习及强化学习等算法不断优化，大数据技术将与人工智能技术更紧密地结合，这对新形势下电气工程及其自动化专业整体培养模式提出了新工科培养要求。

大学生数学建模竞赛较多，目前主要有国赛和美赛为主流，其他赛事为普通B类及以下的赛事，对于学生学习有促进作用，对普通学生基础知识巩固和系统化学习与电气工程类专业的贴切度比较大，特别是电气学院当中的自动化电气工程及自动化专业。

数学建模竞赛相比其他比赛，对于场地、设备等要求不高，但是能够开发学生的发散思维，且影响非常大。对于普通类学生，可学习、可参与的可能性非常大，此类数学建模类比赛对相当一部分学生来说会获得更好的深造和就业的机会，所以发展数学建模竞赛是有必要的。

电气工程及其自动化专业中将数学建模作为一个专业的基础课，与现在的智能时代和大数据紧密结合，企业以及互联网时代大数据不断被应用和发展，对建模类以及电器类的复合型人才需求和要求会更高。特别是随着对智能电网、智慧城市的发展，智慧能源运行、开发、利用更加需要高素质应用型电气人才。

(二)数学建模比赛与专业教学的相关性

目前电气工程及其自动化专业，开设了数学建模这门课，电气工程专业主要包含两个方向，一个是计算机类，一个是数学类。目前电力系统及其自动化方向涉及模型分析，同时涉及电力系统继电保护等。它是以数学模型为基础的课程，通过数学建模的学习，有利于对电气工程自动化传统专业进行更深层次的理解，电气工程自动化在高素质应用型人才培养以及智能制造发展的背景下，对数学建模的要求进一步提高。

数学建模对学生的分析能力、解决能力和合作能力具有较强的提高，也与工程的实际相符合，另外对于电力系统的运行，从发电、输电、变电、配电、用电端数据分析都是离不开数学建模的。全国大学生数学建模竞赛、电工杯数学建模竞赛、亚太杯数学建模比赛、全美大学生数学竞赛，对于学生的学习和教师教学，都是起到了较好的促进作用。

(三)互助性的三个方面

(1)电气工程及其自动化专业的基础是与数学建模有相关性，也就是由专业性引导数学建模的导向性。

(2)数学建模对电气工程自动化，特别是在大数据和智慧时代下专业的学习具有密不可分的指导性。

(3)数学建模和电气工程自动化的专业学习是相辅相成的，互相作为指引。这是大学生数学建模与电气工程自动化专业的学习互助性。

在大学生数学建模竞赛当中，也对学生的学习有着课程思政的引导，比如，在2018年的电工杯数学建模竞赛当中提到的弃光弃风的研究，学生通过此类的比赛和学习，进一步加深理解国家“十三五”规划和十大报告对于新能源的利用和环境保护治理的一系列政策。相关电工杯数学建模比赛进一步加深了课堂教学外的第二课堂的学习。

结合本专业电气工程及其自动化，可操作性比较强，数学建模比赛课程，是学生更好地结合本专业的未来发展需要重点学习的。目前，各学校对教育部划分的19类赛事当中的高教杯数学建模大赛，对于电气工程类专业的未来发展非常重要。

四、数学建模与电气工程专业协同发展

近几年来，安徽工程大学电气工程学院电气工程专业在对高素质应用型电气工程及其自动化专业人才培养模式指导下，大学生数学建模与专业学习相辅相成，在智能制造新技术新要求下，数学建模育人发挥了积极作用。

(一)数学建模支撑电气工程专业教学

电子工程领域与数学模型、物理理论和计算机技术的结合，使得更多的电子电气系统成为数字化和智能化。逻辑控制类系统更加具有特别的意义。电气工程系统是一门建立在数学模型、数学计算和物理理论基础上的，具有强大生命力的，体系完整、逻辑严密的独立学科。在工农业等各个领域中运用和发展的电气理论均离不开数学理论的支持和数学模型的帮助。可以说电气工程系统一旦脱离了数学理论、数学模型和数学计算将会一事无成。反之，电气工程系统本身的发展也是建立在数学理论基础上，又促使数学理论急速向更深、更广的领域发展。进入计算机时代，它不仅仅改变了数学系统的面貌，也提供了电气系统的研究交叉学科方向，同时也改变了研究和就业新思路。

(二)电气工程专业以数学建模为主要分析方法

安徽工程大学电气工程学院与电气工程专业相关的数学建模，从入学到专业基础学习，再从毕业设计到学生的相关就业工作以及培养基本。

以学院近三年的数学建模的成果，近三年美赛M奖一项、H奖四项、安徽省高教杯省级一等奖一项等项目，凸显了大学生数学建模竞赛的相关性。

电气工程学院电气工程及其自动化专业在软件工程训练、创新训练、综合实训中均涉及相关的数学建模领域，内容包括数学的模型、Matlab的使用，涉及函数文本等相关的教学和相关性的研究，同时对于本科生高水平的论文发表都提供了很好的引导和学习的平台。

电气工程以能源互联网、智能电网、微电网为主要方向的配网侧的研究方向，对复杂网络研究的方向的形成，特别是建立在教育部高端制造与装备基础上，更进一步，对相关的复杂的模型制订了教学要求。

(三)二者互相融合

电气系统是一门建立在数学计算和物理理论基础上的体系完整、逻辑严密的独立学科。在人工智能及大数据的时代背景下，研究数学计算，使信息时代下电气系统发展进入了快车道。数学建模与电气系统两者之间的关系更加紧密。

电力系统中通过对电源、传输线路、变压器、负荷等进行模型的数学化，对电力系统的分析和计算起着主导作用，其中涉及对潮流计算、短路计算、调度及经济运行等影响结果，反过来对系统的整体运行产生影响。如果参考数学模型不合理，将会对整体复杂的系统的运行产生错误和浪费等后果。为保证系统的稳定运行，应该更好地建立符合电力系统的数学模型。

电气工程及其自动化专业涉及数学模型、物理理论和计算机技术、人工智能等。电气工程系统广泛应用在工业体系统中，涉及大部分民生内容，数学模型和计算机是电气最主要的两个支柱。电气工程系统本身的发展也是建立在数学理论基础上，又促使数学理论急速向更深、更广的领域发展。进入计算机时代，不仅仅改变了数学系统的面貌，改变了电气系统的研究方向，同时也改变了评价数学成果的价值标准。总之，电气工程系统和数学理论、数学模型共同为人类的文明进步做出了显著的贡献。因此，研究和实现电气工程系统的数学建模方法具有重要的指导意义。结合数学模型的电气工程专业将会是未来，特别是人工智能时代正在开启的新篇章。

五、数学建模与专业科技论文写作提升

数学建模呈现的是科技论文完整的训练过程，以数学建模结合专业知识、分析工具软件完成，进一步训练学生的综合知识。

(一)科技论文属性强

数学建模的这个论文属性比较强，以美赛为例，需要在三晚四天的时间完成一篇完全英文的论文，其中涉及科技论文的摘要、正文、结论、参考文献，其中正文当中出现了大量的数据。这个数据处理方法比对文图表构成，同时是以全英文的形式。其英文表述以及对科学实践的描述都有比较高的一个要求，同时对于学生平时的积累提出了要求，并通过比赛得以展现。

9月份的高教杯大学生数学建模竞赛，也涉及相关的科技论文写作，通过对问题的具体应对给出方法分析，最终给出解决问题的办法，积累相关专业知识基础及数学知识特性比较明显，比如灰色度的预测、神经元网络算法，对大量数据的分析、数据处理等，并给出预测结果。

电工杯数学建模是由电工数学专委会与全国大学生电工数学建模竞赛组委会组建的，这涉及大量的数据处理分析等相关的一些特性，要进行整个整理汇集等，竞赛的目的是培养学生运用数学理论和方法解决电气工程领域相关问题的能力，提高了学生的创新意识。