动科类专业开设公共数学实验的探索
【摘要】随着计算机硬件和软件的飞速发展，以及数学理论和方法在动物科学定量分析中的广泛应用，培养动科类专业学生运用数学解决专业领域的生物问题的能力显得尤为重要，而数学实验课是培养学生数学应用能力和解决实际问题能力的最后一个环节.数学实验课程受到越来越多的高等农业院校的重视.2016年，湖南农业大学尝试在动物科学专业开设数学实验课，并在课后以问卷的形式进行教学效果的调查分析，调查显示：学生在数学实验课上体会到数学软件计算高等数学问题的高效简洁，并对数学实验表现出浓厚的兴趣，认为很有必要开设数学实验课程.本文综合问卷调查结果和数学实验任课教师的总结，对经验进行总结，对不足之处提出相应的完善措施.
【关键词】数学实验；动科类专业；公共数学；改革；探索
世界上第一台计算机于1946年2月15日在美国宾夕法尼亚大学诞生，主要用于数值计算，随后的几十年，随着电子器件的使用，特别是晶体管、半导体、集成电路等使用，计算机硬件得到飞速发展.1981年，国际商业机器公司（International Business Machines Corporation，简称IBM）推出个人计算机（Personal Computer，简称PC）用于家庭、学校、办公室.随后计算机价格逐渐下跌，计算机的拥有量不断增加，计算机的体积也逐渐缩小.直到现在计算机已经广泛应用到工业、农业、商业等各个领域.
一、数学实验课程的开设历程
（一）数学专业开设数学实验课的历史
在教育领域，美国Mount Holyke College较早探索将计算机技术用于教学，1989年在该校的数学专业开设数学实验课程，并出版了教材《数学实验室》.随后许多高等学校也尝试了这门新的数学实验课程.我国对数学实验课程的探索起步较美国晚，1995年后，北京航空航天大学、中国科技大学、清华大学等逐步开始开设数学实验课程，目的是利用计算机，通过数学软件让学生认识数学基本概念、基本定理，培养大学生运用数学解决问题的能力[1].21世纪开始，国内大学的数学专业有的开设计算方法课程数学实验，主要使用C、Mathematica、Maple、Matlab等软件进行数学实验，有的开设概率论与数理统计课程数学实验，主要使用SAS、R、SPSS等软件进行数学实验，有的开设线性代数课程数学实验，主要使用Matlab、Lingo、Lindo等软件进行数学实验.
（二）非数学专业开设数学实验的历史
工科是非数学专业中对数学要求最高的一类学科，工科数学包括高等数学、线性代数和概率论与数理统计三门课程，是后续众多专业技术课程的基础，对数学教学的改革与实践走在非数学专业的前列.20世纪末，电子科技大学在国内是在工科专业中开设数学实验课程最早的高校之一，并将其设置为公共基础必修课，1999年出版教材《数学实验》，是国内出版针对工科数学实验课程教材最早的高校之一.现在大部分工科院校开设数学实验课程，有的高校将其作为必修课，有的作为选修课，有的将该课程与数学建模课程合并为一门课程开设，数学实验课程的教学作为工科数学教学改革与实践的一个亮点已经越来越受到各工科院校的关注和重视[2].
非工科类专业数学实验课程一般是以全校性的选修课的方式开设，选课人数有一定的限制，一般100人左右，只有少数对数学感兴趣的学生才有机会选修该课程.我们湖南农业大学自2014年开设数学实验全校选修课，限定两个班级，每个班级人数限制在80人，而一届新生有5 000人左右，只有大约3%的学生有机会选修该课程，而且选修的学生大部分来自经济和工科学院，几乎很少来自动科类专业.
二、动科类专业开设数学实验的重要性
随着中国科研实力的增强，越来越多的生物实验结果从定性分析转变为定量分析，而定量分析需要大量的数学理论和方法，例如，数学建模、计算方法等.定量化的研究有利于更细致、更精准地研究特定生物过程机理.动物科学领域也已经出现大量运用数学理论和方法进行定量化研究：借助回归分析进行黄鼠鼠疫预报[3]，利用自回归动态滞后模型预报湖南省生猪疫情[4]，运用二次曲线趋势预测法研究实验动物生产与销售趋势[5]，利用Lesli矩阵建立集约化饲养模式下的稳定收益的数学模型[6]，利用数学模型研究反刍动物营养代谢调控机理[7]，用数学的方法模拟动物的肾衰过程[8]，使用多层次模糊数学综合评判分析动物品种的优良性[9]，利用数学模型研究动物存活率与平均寿命之间的关系[10]，用数学方法计算狗心肌梗死的面积[11]，使用数学方法分析动物体内的糖皮质激素诱导的阳虚或阴虚状态特征[12].总之，越来越多的动物科学方面的研究者开始使用数学理论和方法研究所关注的科学问题，而数学实验是连接数学理论和实际问题的桥梁，是解决实际问题的最后一步.所以，培养学生的数学实验能力有助于提高专业领域数学问题的计算能力，使学生专注数学模型的构建.
三、我校在动科类专业试开设公共数学实验课的实践
2014年我校开设面向全校的数学实验选修课，学生很感兴趣，每年选修该课程的学生爆满，取得较好效果.2016年秋季学期试开设了数学实验课，实验内容有极限计算、導数求解、不定积分计算、定积分计算、函数绘图等内容，课时为2学时，上课时间定在上完高等数学理论课后，上课使用Matlab软件，提交作业内容为Matlab程序和运行结果，提交作业方式为发送电子文件到教师邮箱.课后还做了问卷调查，问卷主要调查以下几个问题：数学软件展示的函数图像是否加深学生对该函数的了解；借助数学软件计算函数极限、导数、不定积分和定积分是否对学生有帮助；数学实验后，是否对高等数学课程中的计算问题有一个新的认识；是否有必要开设数学实验课程.
四、试开设数学实验课后的总结
两学时的数学实验课在学院计算机机房完成，学生边学边操作，对这两学时的教学总结如下：（1）教学时间太短，以前学生没有接触Matlab软件，部分学生由于编写程序出现太多语法错误，没有完成整个实验内容，认为针对高等数学的数学实验课应开设4学时；（2）实验内容涵盖高等数学主要的内容，但没有实际应用问题，可以适当增加简单的优化问题的建模和计算，不但让学生感受到数学软件能大大简化高等数学课程的计算问题，也让学生从应用的角度体会数学实验的重要意义.
几乎每名参与数学实验课学习的学生都填写了课后的调查问卷，问卷调查显示：学生认为数学实验对高等数学学习中的极限计算、导数求解、不定积分计算、定积分计算、函数绘图有很大帮助，对数学软件处理高等数学中的计算问题的高效简洁表示惊讶，并希望以后的数学问题都能用数学软件处理，认为很有必要在动科专业开设公共数学实验课程.
五、总 结
随着计算机的普及和计算机软件的飞速发展，数学实验课程的开设顺应计算机科学的发展，越来越受到高等院校的重视，国内数学专业基本都以不同形式开设该课程，相当一部分工科院校在工科类专业开设数学实验必修课或选修课，但农业院校的动科类专业基本还没有开设该课程.随着科学研究能力不断提升，动物科学的许多研究从定性分析逐渐转向定量分析，从而揭示更细致的生物过程发生机理，所以，培养学生运用数学解决专业领域的生物问题的能力显得尤为重要，而数学实验课是培养学生数学应用能力和解决实际问题能力的最后一步.因此，开设数学实验课程具有重要意义.2016年，湖南农业大学尝试在动物科学专业开设两学时的数学实验课，并在课后以问卷的形式进行调查分析，调查显示：学生在数学实验课上体会到数学软件计算高等数学问题的高效简洁，并对数学实验表现出浓厚的兴趣，认为很有必要开设数学实验课程.数学实验任课教师也对这次尝试进行了经验总结，对不足之处进行分析，并提出相应的改进措施.
【参考文献】
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