思想政治教育元素融入“最优化方法”课程教学的探讨

韩巧玲 赵 玥 赵燕东 陈锋军 颜小飞

(北京林业大学工学院，北京 100083)

在信息技术迅猛发展和创新形态不断演变的背景下，以互联网、人工智能为核心的新工科专业迅速发展，其对工科人才的需求也发生相应变化。培养创新能力强、思想觉悟高的具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才，是高校智能信息类人才培养的重要目标和任务[1]，因此，为打造新时代教育强国，必须牢牢把握全面提高人才培养能力这一核心点，把思政元素融入到教育教学的全过程[2]。

作为一门理论性强、技术性高和实用性强的专业核心课程，“最优化方法”旨在培养学生将生产和生活中的抽象问题具体化为数学模型的能力，以及借助计算机技术寻找最优方案以解决实际问题的能力[3]。本次教学改革旨在打破课程思政教学壁垒，将思政元素融入到“最优化方法”课程授课内容中，以课程为载体对学生进行思想政治教育，完成课程教学与立德树人的统一。

为适应社会需求和培养新时代教育强国背景下的高素质人才，近500所高校在本科阶段和研究生阶段增设了图像处理与模式识别、大数据、人工智能等方向的相关课程，75所高校设置了人工智能相关学科，30多所高校成立了人工智能学院[4-5]。这些智能信息类课程和专业的发展，需要学生具有较强的数学知识和逻辑思维能力。而对数据智能类专业的学生，除了高等数学和“概率统计与分析”等数学基础类课程，“最优化方法”也是奠定学生数学基础和思维能力的重要专业基础课。

“最优化方法”是一门理论性、技术性和实用性强的课程，要求学生熟练掌握各个优化算法的理论和思想，并能够通过设计性及综合性的程序设计实验，为工程问题提供理论和算法指导，从而培养学生分析和解决实际问题的能力，以及提升学生自主学习能力和创新能力。由此可知，“最优化方法”课程不仅教授学生理论知识，也培养学生思考问题的方法和解决实际问题的能力。

(一)“最优化方法”课程开展思想政治教育的现状及存在的问题

“最优化方法”教学重点主要集中于黄金分割法、格点法等优化方法的公式推导及计算验证。目前在这一教学过程中，缺少对学生树立正确价值观的引导及相关思政育人元素的融入，在学生价值观塑造、思想政治教育方面，教师的理论体系也不成系统。只进行单纯性的理论知识的输入，会让学生将这门课程简单地视为一门计算课，同时对课程的理解只局限于做题、考试等狭隘层面，而忽略了课程内容对解决实际问题以及未来的工程应用的意义。因此，迫切需要将思政育人元素引入“最优化方法”的课堂教学中，兼顾培养学生对理论知识的掌握、实际问题的处理能力、自主研究的能力以及担负国家民族振兴重任的使命感。

(二)“最优化方法”课程开展思想政治教育的重要意义

北京林业大学“最优化方法”课程是在大三上学期为自动化专业本科生开设的。这个阶段的学生，刚刚经历了由高中到大学的过渡，学习方式和思想上也产生了转变，没有了入学初期对专业学习的迷茫，也通过专业基础课程的学习初步领略到了专业课程的魅力。作为一门实用的专业课程，“最优化方法”课程从理论和实践两个方面来培养学生采用最优化理论解决实际工程问题的能力。通过思政内容与教学内容的互相融合，不仅能够激发学生学习兴趣，为学生从事图像处理、人工智能等相关工作奠定理论基础，同时也能够增强学生对未来从事专业工作的自信心和认同感。因此，合时、合适的思政元素引入，能够教授学生做人做事的方式方法，培养学生的大局观和爱国精神，进而向学生传递正确的世界观、价值观和人生观，以提高道德修养、完善个人人格。

在新时代教育强国背景下，针对现有专业课程思政教育的薄弱之处，以“最优化方法”专业课程为依托，有针对性地在教学过程中融入思政元素，使得授课内容更具有感染力和说服力，是本次教学改革探索的目的。思政元素与教学内容的融合需要合时合适，应该以“润物细无声”的方式体现在教学的整个过程中，主要呈现在课堂理论教学、课后实验作业和课外科技竞赛等各项教学活动与实践中。具体步骤为：在课程开始的绪论部分和课程结束的总结部分这些重要节点中，通过相关思政元素的引入，培养学生的民族自信心和自豪感等；
在课程最优算法理论介绍和公式推导等重要专业内容中，借助相关思政元素的引入，向学生传递知识点和价值观等；
在课后作业和课外竞赛等重要环节中，用思政元素的价值引领，突出学用结合和课程的实践性。

(一)注重在教学过程中的重要节点培养学生的民族自信心和自豪感

作为教学过程的开端，课程的绪论章节具有开宗明义的作用，以往在这一章节大多是介绍课程的学习目标、考核方式以及后续学习用到的向量、范数、微分等数学基础，并通过引导式问题让学生思考实际生活中最优理论的应用场景，以增强学生对最优化方法基本概念的理解。本次课程教学改革，结合课程德育目标，让学生们意识到他们在将来作为我国国家发展的中流力量所需要承担的民族使命和责任。教师在教学过程中可以采用实际案例实现这一目标，例如，讲优化理论的历史时，提到现有优化方法都是以国外科学家、数学家的名字命名(如牛顿法、拉格朗日法等)，鼓励学生们积极努力，未来能创造出以中国数学家名字命名的优化方法，从而激发学生们的爱国情怀。同时，我国计算机视觉领域的大疆创新、商汤科技、旷视科技等科技公司在人工智能、深度学习等算法上做到了世界前沿，而在他们的发展过程中，最优化方法的应用与改进是必不可少的。教师通过对最优化方法应用场景的介绍，从而激发学生的自信心和自豪感，潜移默化地提升学生对“最优化方法”课程的学习兴趣。

作为教学过程的结束，最后一堂课的总结部分主要是帮助学生梳理课程整体内容，并明确通过何种方式来考察学生对课堂所学知识的理解和掌握程度。本次课程改革，在总结理论知识的基础上，增加案例讨论环节来考察学生对生活中、工程中涉及的最优问题的理解。比如，结合2020年新冠肺炎疫情这一时事热点，针对医生、口罩、疫苗等医疗资源的分配问题，让同学们深刻体会局部最优解与全局最优解的关系。对医生和个人来讲，远离疫情区域、霸占医疗资源是小家庭的最优解；
但是对全中国来讲，想要实现全国最优，就需要跳出局部最优的限制。通过案例式讨论的方式，不仅能够让学生牢记知识点，也能够在实际行动和思想上给予学生指导，让其明白牺牲小我、成就大我的重要性，增加其作为中华民族一员的自豪感。

(二)结合课程教学的重点内容，在讲授知识点的同时培养学生的正确价值观

“最优化方法”是在生产实践和科学实验中选择最佳决策以达到最优目标的一门课程。而模型构建的精确性、求解方法的恰当性以及相应程序设计的质量能直接反映一个算法工程师的综合素质和综合能力。课程中讲授的每种优化方法都有各自的原理特点与适用目标，因此，在开展教学活动和设计教学内容时，可以挖掘各个方法中包含的哲学思想，提炼出能指导学生做人做事的道理。

比如，在实际生活中我们需要做正确的判断和取舍，在抗击新冠肺炎疫情中，很多医生护士都是舍小家为大家，投身于一线抗疫的战斗中，正是他们的正确判断和合理取舍，使得我们国家能够快速控制疫情，取得了新冠肺炎疫情阶段性的重要胜利。还比如，在使用牛顿法求最优解的过程中，方向和步长的选择至关重要，若是选择错误方向，会做很多无用功；
在设置步长时若是一味求长，也会导致求解出的数值超出设定界限。这就告诉我们在为人处世时要看准正确方向，一步一个脚印踏实行动，不能好高骛远，急于求成。又如，在“最优化方法”课程中计算出的最优解只是一个相对值，求解最优是一个无限逼近的过程，在满足设置精度的情况下即认为是最优解。这启发我们，在现实生活中很多事情都不是绝对的，为人处事都保留一定的阈值空间，反而能够达到最佳的效果。因此，以课程重要内容为载体，合理融入思政元素，才能够顺理成章地实现协同育人的目标，引导学生树立正确的价值观，实现立德树人的最终目标。

(三)充分利用不同形式的实践教学，引导学生学以致用和实现知行合一

“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，深刻理解所学知识的最有效途径就是应用，而实践教学也正是新工科号召下信息工程类课程中非常重要的内容。作为工科专业实践教学的重要形式，课后作业和课外科技竞赛是帮助学生实现学用结合、知行合一的重要途径。因此，教师在布置课后作业时，不应该只包含简单的数学计算题，还可以让学生通过计算机编程实现最优化方法中的各种方法，加深学生对所学数学知识的理解，相应提升编程能力。同时，教师也可以通过优化算法程序编写的规范性、逻辑思维的顺畅性等要求，来培养学生严谨认真的工作态度。

除此之外，课外科技竞赛和参加教师科研项目也是当代大学生培养专业能力的重要途径。比如，大学生数学建模比赛要求参赛者应具备良好的数学基础和扎实的优化知识，在参加竞赛过程中，学生不仅能够将所学知识应用于实际，培养创新精神和增强创新能力，教师也可以通过适当引导来锻炼学生综合能力。在这一过程中，教师可以通过指导学生选择积极、正能量的优化内容与对象来提升学生的责任感和法制意识；
通过团队成员合作来提高学生人际交往和沟通表达能力，帮助其树立团队合作、友好相处等礼仪意识。除此之外，教师的科研项目中也会有很多涉及到最优化方法的内容，比如，使用深度学习方法进行图像识别和分类时，优化方法的选择对于算法的收敛速度和收敛精度都具有重要影响。通过参与科研项目能够真正实现科教融合，让学生学有所用。丰富思政教育的讲授场所和实现途径，能够引导学生树立“学有所用、知行合一”的学习理念，增强学生职业道德素质教育。

专业课教师是对大学生思想言行和成长影响最大的因素[6]，因此，在“最优化方法”专业课程中由任课教师进行思想政治教育，不仅践行了课程门门有思政的理念，实现了教师人人讲育人的要求，同时，授课过程中思政元素的引入，也增强了学生对课程内容的思考和理解。

(一)师生对课程的认知更全面深入

对专业课教师，将思政元素融入课程的探索不仅能促使教师怀有“育人心”，也加深了教师对课程专业知识的思考。为了挖掘课程中蕴含的思政元素，教师需要努力把枯燥的理论知识与学生更容易理解的思政知识和实际工程应用联系起来，不仅减小了学生的学习难度，也增强了教师对课程的理解。比如，采用蚂蚁爬坡的小故事类比讲解优化理论的思想，让学生能够快速、形象地理解课程内容，也让学生了解看似不相关事物之间的本质联系。

对学生而言，不再将“最优化方法”简单地视为一门计算课，引入思政元素后，使他们能够将专业课程之间的内在逻辑联系起来，并明确课程知识的可能应用场景。比如，在蚂蚁爬坡案例中，在爬到最高峰的过程中，蚂蚁会遇到重重难关，而不同困难需要不同解决方法，在课程中则对应三等分法、共轭梯度法和惩罚函数法等不同的优化算法。这不仅让学生更生动、更深刻地理解和记忆各种优化算法的特点，也让学生明白在生活中针对不同类型的问题要采用相应的解决方案，做到具体情况具体分析。

(二)学生的学习兴趣更浓厚

自从将思政元素融入“最优化方法”课程以来，北京林业大学自动化专业2018级学生学习的主动性和在课堂上发言的积极性都明显提高，课堂气氛也愈发活跃。对于课堂上提出的发散性问题，如“生活中用到最优思想的情况都有哪些”，学生们会争先恐后发表意见和观点，答案涉及学习计划、时间管理、银行业务、灌溉控制等生活中的方方面面；
而对一些知识性问题，如“如何计算矩阵的2-范数”，主动回答的学生数量明显增加，说明学生们能够准确记忆重要的知识点。

由于该课程具有一定的理论性和实践性，学生采用编程方式实现不同算法，不仅能够更加深入地把握课程知识，也能增加学习的成就感。思政教育实施以来，北京林业大学自动化专业2018级1班和2班有近2/3的学生都会在课后积极查阅资料，主动提交算法编程实践的选做作业，比2017级学生增加了近一半。综合性程序设计实验也能够增强学生的编程能力，为其以后工作或是科研奠定技术基础。

(三)学生对课程教学的认可度更高

在将思政元素融入“最优化方法”课程教学后，专业教师对2017级和2018级自动化专业学生课程目标达成情况的自我评价进行了问卷调查。由于思政元素的融入，2018级自动化专业学生对课程学习的认可度更高、获得感更强。以自动化专业“最优化方法”课程目标1为例，目标1要求学生能够结合数学方法，掌握优化问题的分类、优化的充分条件、一维搜索、有约束和无约束非线性规划等最优化基本理论和方法，能够使用相关理论求解最优化工程实践问题。2018级自动化专业参与自我评价的学生为55人，比2017级参与人数(34人)增加了21人。2018级学生不仅愿意参加自我评价，而且这一目标的满分评价的比例也比2017级学生高了7%。学生针对这一课程目标自我评价的提高，不仅证明了相关案例的引入能够增加课堂的趣味性，减弱学习的困难性，也验证了思政元素融入课程能够调动学生的积极性，提升学习结果认可度。

综上所述，将思政元素融入“最优化方法”课程的探讨不仅仅是对学生教学内容的丰富，也是对任课教师教学能力的考验和提升。专业课程和思政课程的目的都是传授学生做人做事的方法，都是要把学生培养成有能力、有视野、有责任、有情怀的社会主义接班人。为实现这一目标，教师需要坚持以身示范，教学相长，与学生共同提高。而要最终实现全程育人、全方位育人这一终极目标，仍然需要教师在教学中进一步思考与实践。

资助项目：北京林业大学2019年“科教融合”项目“智能控制”，项目编号BJFU2019KJRHJY014；
北京林业大学科研反哺人才培养研究生“智能控制”课程教改项目，项目编号JXGG19015；
北京林业大学课程思政教研教改专项课题“最优化方法”，项目编号2019KCSZ045；
北京林业大学教育改革项目：面向工程教育认证的“计算机图像处理”课程教学改革，项目编号BJFU2019TY056；
北京林业大学课程思政教研教改专项课题“计算机图像处理”，项目编号2020KCSZ117。