思想政治教育元素融入“最優化方法”課程教學的探討

韓巧玲 趙 玥 趙燕東 陳鋒軍 顏小飛

(北京林業大學工學院，北京 100083)

在信息技術迅猛發展和創新形態不斷演變的背景下，以互聯網、人工智能為核心的新工科專業迅速發展，其對工科人才的需求也發生相應變化。培養創新能力強、思想覺悟高的具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才，是高校智能信息類人才培養的重要目標和任務[1]，因此，為打造新時代教育強國，必須牢牢把握全面提高人才培養能力這一核心點，把思政元素融入到教育教學的全過程[2]。

作為一門理論性強、技術性高和實用性強的專業核心課程，“最優化方法”旨在培養學生將生產和生活中的抽象問題具體化為數學模型的能力，以及借助計算機技術尋找最優方案以解決實際問題的能力[3]。本次教學改革旨在打破課程思政教學壁壘，將思政元素融入到“最優化方法”課程授課內容中，以課程為載體對學生進行思想政治教育，完成課程教學與立德樹人的統一。

一、“最優化方法”課程教學特點

為適應社會需求和培養新時代教育強國背景下的高素質人才，近500所高校在本科階段和研究生階段增設了圖像處理與模式識別、大數據、人工智能等方向的相關課程，75所高校設置了人工智能相關學科，30多所高校成立了人工智能學院[4-5]。這些智能信息類課程和專業的發展，需要學生具有較強的數學知識和邏輯思維能力。而對數據智能類專業的學生，除了高等數學和“概率統計與分析”等數學基礎類課程，“最優化方法”也是奠定學生數學基礎和思維能力的重要專業基礎課。

“最優化方法”是一門理論性、技術性和實用性強的課程，要求學生熟練掌握各個優化算法的理論和思想，并能夠通過設計性及綜合性的程序設計實驗，為工程問題提供理論和算法指導，從而培養學生分析和解決實際問題的能力，以及提升學生自主學習能力和創新能力。由此可知，“最優化方法”課程不僅教授學生理論知識，也培養學生思考問題的方法和解決實際問題的能力。

二、“最優化方法”課程開展思想政治教育的必要性

(一)“最優化方法”課程開展思想政治教育的現狀及存在的問題

“最優化方法”教學重點主要集中于黃金分割法、格點法等優化方法的公式推導及計算驗證。目前在這一教學過程中，缺少對學生樹立正確價值觀的引導及相關思政育人元素的融入，在學生價值觀塑造、思想政治教育方面，教師的理論體系也不成系統。只進行單純性的理論知識的輸入，會讓學生將這門課程簡單地視為一門計算課，同時對課程的理解只局限于做題、考試等狹隘層面，而忽略了課程內容對解決實際問題以及未來的工程應用的意義。因此，迫切需要將思政育人元素引入“最優化方法”的課堂教學中，兼顧培養學生對理論知識的掌握、實際問題的處理能力、自主研究的能力以及擔負國家民族振興重任的使命感。

(二)“最優化方法”課程開展思想政治教育的重要意義

北京林業大學“最優化方法”課程是在大三上學期為自動化專業本科生開設的。這個階段的學生，剛剛經歷了由高中到大學的過渡，學習方式和思想上也產生了轉變，沒有了入學初期對專業學習的迷茫，也通過專業基礎課程的學習初步領略到了專業課程的魅力。作為一門實用的專業課程，“最優化方法”課程從理論和實踐兩個方面來培養學生采用最優化理論解決實際工程問題的能力。通過思政內容與教學內容的互相融合，不僅能夠激發學生學習興趣，為學生從事圖像處理、人工智能等相關工作奠定理論基礎，同時也能夠增強學生對未來從事專業工作的自信心和認同感。因此，合時、合適的思政元素引入，能夠教授學生做人做事的方式方法，培養學生的大局觀和愛國精神，進而向學生傳遞正確的世界觀、價值觀和人生觀，以提高道德修養、完善個人人格。

三、思想政治教育元素融入“最優化方法”課程教學的實踐探討

在新時代教育強國背景下，針對現有專業課程思政教育的薄弱之處，以“最優化方法”專業課程為依托，有針對性地在教學過程中融入思政元素，使得授課內容更具有感染力和說服力，是本次教學改革探索的目的。思政元素與教學內容的融合需要合時合適，應該以“潤物細無聲”的方式體現在教學的整個過程中，主要呈現在課堂理論教學、課后實驗作業和課外科技競賽等各項教學活動與實踐中。具體步驟為：在課程開始的緒論部分和課程結束的總結部分這些重要節點中，通過相關思政元素的引入，培養學生的民族自信心和自豪感等；在課程最優算法理論介紹和公式推導等重要專業內容中，借助相關思政元素的引入，向學生傳遞知識點和價值觀等；在課后作業和課外競賽等重要環節中，用思政元素的價值引領，突出學用結合和課程的實踐性。

(一)注重在教學過程中的重要節點培養學生的民族自信心和自豪感

作為教學過程的開端，課程的緒論章節具有開宗明義的作用，以往在這一章節大多是介紹課程的學習目標、考核方式以及后續學習用到的向量、范數、微分等數學基礎，并通過引導式問題讓學生思考實際生活中最優理論的應用場景，以增強學生對最優化方法基本概念的理解。本次課程教學改革，結合課程德育目標，讓學生們意識到他們在將來作為我國國家發展的中流力量所需要承擔的民族使命和責任。教師在教學過程中可以采用實際案例實現這一目標，例如，講優化理論的歷史時，提到現有優化方法都是以國外科學家、數學家的名字命名(如牛頓法、拉格朗日法等)，鼓勵學生們積極努力，未來能創造出以中國數學家名字命名的優化方法，從而激發學生們的愛國情懷。同時，我國計算機視覺領域的大疆創新、商湯科技、曠視科技等科技公司在人工智能、深度學習等算法上做到了世界前沿，而在他們的發展過程中，最優化方法的應用與改進是必不可少的。教師通過對最優化方法應用場景的介紹，從而激發學生的自信心和自豪感，潛移默化地提升學生對“最優化方法”課程的學習興趣。

作為教學過程的結束，最后一堂課的總結部分主要是幫助學生梳理課程整體內容，并明確通過何種方式來考察學生對課堂所學知識的理解和掌握程度。本次課程改革，在總結理論知識的基礎上，增加案例討論環節來考察學生對生活中、工程中涉及的最優問題的理解。比如，結合2020年新冠肺炎疫情這一時事熱點，針對醫生、口罩、疫苗等醫療資源的分配問題，讓同學們深刻體會局部最優解與全局最優解的關系。對醫生和個人來講，遠離疫情區域、霸占醫療資源是小家庭的最優解；但是對全中國來講，想要實現全國最優，就需要跳出局部最優的限制。通過案例式討論的方式，不僅能夠讓學生牢記知識點，也能夠在實際行動和思想上給予學生指導，讓其明白犧牲小我、成就大我的重要性，增加其作為中華民族一員的自豪感。

(二)結合課程教學的重點內容，在講授知識點的同時培養學生的正確價值觀

“最優化方法”是在生產實踐和科學實驗中選擇最佳決策以達到最優目標的一門課程。而模型構建的精確性、求解方法的恰當性以及相應程序設計的質量能直接反映一個算法工程師的綜合素質和綜合能力。課程中講授的每種優化方法都有各自的原理特點與適用目標，因此，在開展教學活動和設計教學內容時，可以挖掘各個方法中包含的哲學思想，提煉出能指導學生做人做事的道理。

比如，在實際生活中我們需要做正確的判斷和取舍，在抗擊新冠肺炎疫情中，很多醫生護士都是舍小家為大家，投身于一線抗疫的戰斗中，正是他們的正確判斷和合理取舍，使得我們國家能夠快速控制疫情，取得了新冠肺炎疫情階段性的重要勝利。還比如，在使用牛頓法求最優解的過程中，方向和步長的選擇至關重要，若是選擇錯誤方向，會做很多無用功；在設置步長時若是一味求長，也會導致求解出的數值超出設定界限。這就告訴我們在為人處世時要看準正確方向，一步一個腳印踏實行動，不能好高騖遠，急于求成。又如，在“最優化方法”課程中計算出的最優解只是一個相對值，求解最優是一個無限逼近的過程，在滿足設置精度的情況下即認為是最優解。這啟發我們，在現實生活中很多事情都不是絕對的，為人處事都保留一定的閾值空間，反而能夠達到最佳的效果。因此，以課程重要內容為載體，合理融入思政元素，才能夠順理成章地實現協同育人的目標，引導學生樹立正確的價值觀，實現立德樹人的最終目標。

(三)充分利用不同形式的實踐教學，引導學生學以致用和實現知行合一

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，深刻理解所學知識的最有效途徑就是應用，而實踐教學也正是新工科號召下信息工程類課程中非常重要的內容。作為工科專業實踐教學的重要形式，課后作業和課外科技競賽是幫助學生實現學用結合、知行合一的重要途徑。因此，教師在布置課后作業時，不應該只包含簡單的數學計算題，還可以讓學生通過計算機編程實現最優化方法中的各種方法，加深學生對所學數學知識的理解，相應提升編程能力。同時，教師也可以通過優化算法程序編寫的規范性、邏輯思維的順暢性等要求，來培養學生嚴謹認真的工作態度。

除此之外，課外科技競賽和參加教師科研項目也是當代大學生培養專業能力的重要途徑。比如，大學生數學建模比賽要求參賽者應具備良好的數學基礎和扎實的優化知識，在參加競賽過程中，學生不僅能夠將所學知識應用于實際，培養創新精神和增強創新能力，教師也可以通過適當引導來鍛煉學生綜合能力。在這一過程中，教師可以通過指導學生選擇積極、正能量的優化內容與對象來提升學生的責任感和法制意識；通過團隊成員合作來提高學生人際交往和溝通表達能力，幫助其樹立團隊合作、友好相處等禮儀意識。除此之外，教師的科研項目中也會有很多涉及到最優化方法的內容，比如，使用深度學習方法進行圖像識別和分類時，優化方法的選擇對于算法的收斂速度和收斂精度都具有重要影響。通過參與科研項目能夠真正實現科教融合，讓學生學有所用。豐富思政教育的講授場所和實現途徑，能夠引導學生樹立“學有所用、知行合一”的學習理念，增強學生職業道德素質教育。

四、思想政治教育元素融入“最優化方法”課程教學的實踐成效

專業課教師是對大學生思想言行和成長影響最大的因素[6]，因此，在“最優化方法”專業課程中由任課教師進行思想政治教育，不僅踐行了課程門門有思政的理念，實現了教師人人講育人的要求，同時，授課過程中思政元素的引入，也增強了學生對課程內容的思考和理解。

(一)師生對課程的認知更全面深入

對專業課教師，將思政元素融入課程的探索不僅能促使教師懷有“育人心”，也加深了教師對課程專業知識的思考。為了挖掘課程中蘊含的思政元素，教師需要努力把枯燥的理論知識與學生更容易理解的思政知識和實際工程應用聯系起來，不僅減小了學生的學習難度，也增強了教師對課程的理解。比如，采用螞蟻爬坡的小故事類比講解優化理論的思想，讓學生能夠快速、形象地理解課程內容，也讓學生了解看似不相關事物之間的本質聯系。

對學生而言，不再將“最優化方法”簡單地視為一門計算課，引入思政元素后，使他們能夠將專業課程之間的內在邏輯聯系起來，并明確課程知識的可能應用場景。比如，在螞蟻爬坡案例中，在爬到最高峰的過程中，螞蟻會遇到重重難關，而不同困難需要不同解決方法，在課程中則對應三等分法、共軛梯度法和懲罰函數法等不同的優化算法。這不僅讓學生更生動、更深刻地理解和記憶各種優化算法的特點，也讓學生明白在生活中針對不同類型的問題要采用相應的解決方案，做到具體情況具體分析。

(二)學生的學習興趣更濃厚

自從將思政元素融入“最優化方法”課程以來，北京林業大學自動化專業2018級學生學習的主動性和在課堂上發言的積極性都明顯提高，課堂氣氛也愈發活躍。對于課堂上提出的發散性問題，如“生活中用到最優思想的情況都有哪些”，學生們會爭先恐后發表意見和觀點，答案涉及學習計劃、時間管理、銀行業務、灌溉控制等生活中的方方面面；而對一些知識性問題，如“如何計算矩陣的2-范數”，主動回答的學生數量明顯增加，說明學生們能夠準確記憶重要的知識點。

由于該課程具有一定的理論性和實踐性，學生采用編程方式實現不同算法，不僅能夠更加深入地把握課程知識，也能增加學習的成就感。思政教育實施以來，北京林業大學自動化專業2018級1班和2班有近2/3的學生都會在課后積極查閱資料，主動提交算法編程實踐的選做作業，比2017級學生增加了近一半。綜合性程序設計實驗也能夠增強學生的編程能力，為其以后工作或是科研奠定技術基礎。

(三)學生對課程教學的認可度更高

在將思政元素融入“最優化方法”課程教學后，專業教師對2017級和2018級自動化專業學生課程目標達成情況的自我評價進行了問卷調查。由于思政元素的融入，2018級自動化專業學生對課程學習的認可度更高、獲得感更強。以自動化專業“最優化方法”課程目標1為例，目標1要求學生能夠結合數學方法，掌握優化問題的分類、優化的充分條件、一維搜索、有約束和無約束非線性規劃等最優化基本理論和方法，能夠使用相關理論求解最優化工程實踐問題。2018級自動化專業參與自我評價的學生為55人，比2017級參與人數(34人)增加了21人。2018級學生不僅愿意參加自我評價，而且這一目標的滿分評價的比例也比2017級學生高了7%。學生針對這一課程目標自我評價的提高，不僅證明了相關案例的引入能夠增加課堂的趣味性，減弱學習的困難性，也驗證了思政元素融入課程能夠調動學生的積極性，提升學習結果認可度。

綜上所述，將思政元素融入“最優化方法”課程的探討不僅僅是對學生教學內容的豐富，也是對任課教師教學能力的考驗和提升。專業課程和思政課程的目的都是傳授學生做人做事的方法，都是要把學生培養成有能力、有視野、有責任、有情懷的社會主義接班人。為實現這一目標，教師需要堅持以身示范，教學相長，與學生共同提高。而要最終實現全程育人、全方位育人這一終極目標，仍然需要教師在教學中進一步思考與實踐。

資助項目：北京林業大學2019年“科教融合”項目“智能控制”，項目編號BJFU2019KJRHJY014；北京林業大學科研反哺人才培養研究生“智能控制”課程教改項目，項目編號JXGG19015；北京林業大學課程思政教研教改專項課題“最優化方法”，項目編號2019KCSZ045；北京林業大學教育改革項目：面向工程教育認證的“計算機圖像處理”課程教學改革，項目編號BJFU2019TY056；北京林業大學課程思政教研教改專項課題“計算機圖像處理”，項目編號2020KCSZ117。