系统工程专业院校排名 农业院校水利类专业系统工程根底教育实践探究

张旭东，孙仕军，付玉娟

摘 要：从体系工程科学的特色与主要任务动身，剖析了体系工程根底教育中存在的问题，并结合教育实践从方针定位、教育办法的运用、规划求解软件的推行、多媒体课件的运用、教育作用的影响要素等方面提出了改善体系工程根底教育的战略。

关键词：体系工程;农业院校;根底教育;水利类专业

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2015）02-0028-03

体系工程科学起源于上世纪40年代，它是一门具有高度归纳性的学科。20世纪50年代今后，该门科学在军事、工业、农业、水利等范畴逐渐得到广泛推行运用。作为一门新式的工程技能学科，它运用体系理论、近代数学办法、核算机技能等理论和东西来研讨体系的规划、规划、安排、办理、运转、点评等问题，用以处理体系的最优化问题。

体系工程的主要任务是运用现代数学和电子核算机等东西，对体系内部元素进行剖析研讨，完结最优规划，最优控制和最优办理的方针。近年来，跟着国家对农业、水利等根底行业的重视，体系工程理论和办法越来越广泛地运用于水利水电，节水农业，灌排办理、水资源规划、农业工程等范畴[1-4]。

本文结合作者多年教育实践和领会对本课程的教育内容、教育办法、相关软件、多媒体运用、教育作用影响要素等进行相关讨论。

一、树立“运用”导向的教育方针定位

体系工程类课程在沈阳农业大学有20余年的授课实践，现在在水利工程、农业工程、农学类专业均有开设。当时，学生对该门课程遍及反映是偏难。其主要原因，一是体系工程是一门“软”技能[5]，根底理论部分内容比较笼统;二是农业院校中大部分学生的数学功底相对单薄，而该门课程触及高级数学、线性代数、核算办法等运用数学常识较多;三是体系工程运用需求杰出的专业功底，实践中需求学生把专业常识和体系理论与办法亲近结合起来，这对初学者来说，也是不小的应战。

鉴于体系工程学科常识归纳性强、理论要求高并且亲近结合实践运用的特色，多年以来，咱们把体系工程课程教育意图定坐落“运用”，授课内容环绕体系工程的最根本理论，方针是要让学生能够运用体系工程的根本办法，树立数学模型和运用优化技能，处理农业、水利等相关范畴的专业问题。因而，在多年授课实践中，从教材的编写、教育内容的挑选、运用事例的断定等方面都遵照以运用为主的方针，着重专业常识的运用和体系剖析办法两者亲近结合，不行偏颇，教育例题的解说紧紧环绕体系工程的思想、办法、技能在详细学科专业范畴的运用来打开。

二、重视惯例教育办法的灵敏运用

该课程最常用、最经典的教育办法是一题多讲，详细运用时分两种方式。其一为一个实际问题，部分条件（要求）略微改变，则可树立不同的模型。例如在教育线性规划及其运用时，触及了单纯形法、两阶段法、大M法、对偶理论、敏感性剖析等许多内容，这些内容所对应的线性规划模型相似，并且约束条件与方针函数之间有深入的联络，因而能够运用同一个实际问题贯穿整章内容，只不过在解说前述内容时别离将某个条件稍加改变即可。另一为同一个模型，选用不同的办法求解。如在教育无约束非线性规划时，触及函数极值的条件、梯度法、牛顿法、共轭梯度法等内容，可选用同一个二元二次函数非线性模型作为例题，别离用不同的办法求解，每讲完一种办法，用图形将其查找轨道表明出来，最终将不同的求解办法进行比较，这样每种办法的优缺点和适用条件很天然就会被学生深入知道。图1为不同办法的求解非线性规划问题的查找轨道。

a.梯度法  b.牛顿法  c.共轭梯度法d.坐标轮换法

图1  不同办法求解非线性规划问题的查找轨道

三、规划求解软件在教育中的运用

近年来，市场上有关线性规划、非线性规划等核算机运用软件接连推出，对此，在教育中应该适当地予以弥补解说和运用。这样不只能够让学生感受到核算机在求解模型方面的便当与优势，有助于学生对所学习的求解办法进行深入讨论，也能够激起学生的核算机编程爱好，在耳濡目染中把所学的理论常识同实践相结合，加深形象，使他们能够比较简单地把所学到的体系工程常识运用到今后的作业中去。现在，能够处理该问题的比较盛行的软件有Matlab、Excel、LINDO、LINGO等。在详细教育中，能够依据专业需求要点引荐一到两种运用软件。

（一）运用LINDO软件求解线性规划问题

LINDO（Linear， INteractive，and Discrete Optimizer）是一个处理线性、整数规划问题的便利而强壮的东西。LINDO软件能够运用单纯形法分进程求解，详细操作进程如下。先在最根本的窗口中输入模型，然后单击“Reports”菜单中的“Tableau”指令，在“Reports”窗口会得到一个初始单纯形表，然后单击“Solve”菜单中的“Pivot”指令，“Reports”窗口就会显现所断定的入基变量、出基变量和枢轴元素。再次单击“Tableau”指令就会得到轴改换今后的单纯形表。今后，循环单击“Pivot”和“Tableau”这两个指令直到得到最优解。这样在“Reports”窗口内就会将用单纯形法寻求最优的进程显现出来。

在模型求解结束后，单击“Reports”菜单中的“Range”指令，就会得到在最优解不变的情况下，价格系数的改变规模，一起也得到在最优基不变的情况下，右端常数项的改变规模。

（二）运用Matlab软件求解非线性规划问题

Matlab软件是三大数学软件之一，在数值核算方面名列前茅。它具有面向对象的编程特色，初学者简单上手。在教育中，能够用其将不同的非线性规划算法轻松完结，如梯度法、牛顿法、共轭梯度法、坐标轮换法等;学有余力的学生则能够依据体系工程的原理进行立异性思想，修正已有算法或发明自己的新算法并凭借Matlab加以完结。Matlab还具有齐备的图形处理功用，能够将各种求解办法的寻优途径反映在方针函数的等值线图上，以此来比较各种算法的好坏，让学生在探究式的学习中增加经历，增加常识，领会趣味。

（三）运用Excel的“规划求解”宏

Microsoft Excel是本科学生最常常接触到的软件，其自带的“规划求解”宏能够处理线性规划、整数规划、方针规划、运送、最短途径、最大流等体系工程规划求解问题。运用时，在“东西”菜单上，单击“加载宏”。在弹出的对话框中“可用加载宏”列表框中，选定待增加的加载宏“规划求解”选项旁的复选框，然后单击“断定”。之后，Excel“东西”菜单下就会呈现一项“规划求解”。然后只用在Excel的表格中进行方针函数和约束条件的设置，再单击“东西”菜单下的“规划求解”就可主动求解。其长处是学生对Excel环境十分了解，学得较快。

四、充分利用多媒体教育手法

（一）充分利用多媒体明晰、快速、精确地表达图形的优势

在线性规划部分，运用图解法和单纯形法作比照，加深对根本概念的知道和了解是十分重要的。如线性规划的基解、可行解（域）、基可行解、最优解的概念和它们之间的联系是整个单纯形法的根底。这些笼统概念比较难于了解，若想讲得清楚、明晰，有必要对其进行几许含义的描绘和表达，要让学生“看得见”。再比如在讲整数规划的割平面法时，究竟要挑选哪条切开方程，只有用几许的办法，表现在图形上，学生才干真实知道到不同的切开方程对可行域的切开程度“深浅”纷歧。此刻，若用板书在黑板上画图，费时吃力，且作用欠好，而多媒体表达图形明晰、快速、精确的优势则可充分体现。教育实践中，几许图形要动态地、逐渐地、有节奏地给出，让学生对概念、图形有必定的承受时刻，切忌不留意学生们的反响，过快并且接连地演示[6]。

（二）讲课思路应与多媒体亲近配合

体系工程根底大部分的内容是用来介绍数学模型的求解办法，因而，一般情况下是依照“概念”“原理”“进程”“示例”“几许含义”“特色”的思路来解说。例如在教育整数规划分枝定界法时，应先对该办法的概念和原理进行扼要介绍，并重一个寻觅某地最高峰的例子来协助学生了解“定界”和“分枝”;然后解说分枝定界法的进程，一起结合例题解说核算寻优的进程，该进程中应特别留意着重与各求解进程对应的模型;最终选用几许表明的办法来阐明分枝定界法的求解进程，得出其实质就是把整数规划问题转化为对应的线性规划松懈问题，并在其可行域内进行的一系列线性规划求解的进程。在多媒体课件的配合上，要求到达动态相宜的作用，并不要求每个环节都要动，而是要动态结合，动则接连、调和、浓艳而不烦乱，静则严肃、夺目、明晰而无死气。如“概念”“原理”“特色”环节的多媒体应以静为主，“进程”“示例”“几许含义”环节的多媒体则应以动为主。

（三）课件的页面布局应紧凑合理

体系工程根底中的每一个问题，每一种办法的结构都是比较紧凑的，每个进程之间的逻辑性比较强，讲堂教育的时分，既要留意细节问题，又要特别留意全体的逻辑联系。例如在推导不同类型的对偶问题的时分，公式较多，联系比较复杂，多媒体中课件制造中应尽量在一个页面之内完结一种类型的推导，如图2所示。讲堂上逐渐播映解说，这样使学生对推导进程在全体上有必定了解，一起，关于需求把握的部分，在课件顶用蓝色加粗字体将原型（LP）和对偶型（LD）模型要点表明出来，做到主次清楚。

图2  多媒体课件推演布局

五、影响教育作用的要素

讲堂教育作用除了与教师课前预备、讲堂发挥有关以外，还与下列要素有关。

开课时刻对教育作用的影响。体系工程是一门专业根底课程，学生们在学习该课程前须懂得相关专业常识。如对水利专业学生而言，在讲到规划问题数学模型的树立时，触及灌溉排水工程学、水利工程经济等相关课程内容，假如开课学期过早，学生对灌水定额、年金现值因子等概念不了解，体系工程课程运用就无从谈起。但若本门课程开课时刻过晚，学生又会对与本课程求解办法相关的线性代数有所忘记。依据作者多年来授课实践，关于四年制8学期的本科专业学生来说，本课程授课学期主张设在第5学期为好。

别的，本课程对教与学的同步性要求很高，学生遍及感觉，假如讲堂上不仔细听，课后自学费时许多，作用却不抱负。鉴于上述情况，尽量选用小班上课，在教室安排上争夺在小教室上课。实践证明，大班用大教室上课的作用比小班用大教室上课的作用要好。这些尽管看似细枝末节，可是对教育作用却有适当的影响。

体系工程的原理和办法对进步农业院校本科学生的全体观、体系观和运用才干培育是十分重要的。本文针对现在教育中存在的问题，从教育内容和办法、规划求解软件的引入、多媒体的运用、教育作用的影响要素等多个方面进行了论说和剖析，此外，还能够充分利用网络课程渠道，讲堂教育与课后网络教导相结合，调集学生自我学习的热心和动力，归纳进步体系工程课程教育作用。

参考文献：

[1]刘肇祎.灌排工程体系剖析[M].北京：我国水利水电出版社，2010：14.

[2]尚松浩.水资源体系剖析办法及运用[M].北京：清华大学出版社，2006：8.

[3]王先甲.水利水电体系工程的研讨现状及发展趋势[J].武汉水利电力大学学报，2000，（1）.

[4]陈芳华，欧志强.节水农业与农业体系工程[J].农机化研讨，2006，（12）.

[5]钱学森.论体系工程[M].长沙：湖南科学技能出版社，1982：16.

[6]刘晓宇，王洪来，明霞.多媒体辅佐教育在高级教育中的挑选性运用[J].高级农业教育，2010，（10）.

（三）运用Excel的“规划求解”宏

Microsoft Excel是本科学生最常常接触到的软件，其自带的“规划求解”宏能够处理线性规划、整数规划、方针规划、运送、最短途径、最大流等体系工程规划求解问题。运用时，在“东西”菜单上，单击“加载宏”。在弹出的对话框中“可用加载宏”列表框中，选定待增加的加载宏“规划求解”选项旁的复选框，然后单击“断定”。之后，Excel“东西”菜单下就会呈现一项“规划求解”。然后只用在Excel的表格中进行方针函数和约束条件的设置，再单击“东西”菜单下的“规划求解”就可主动求解。其长处是学生对Excel环境十分了解，学得较快。

四、充分利用多媒体教育手法

（一）充分利用多媒体明晰、快速、精确地表达图形的优势

在线性规划部分，运用图解法和单纯形法作比照，加深对根本概念的知道和了解是十分重要的。如线性规划的基解、可行解（域）、基可行解、最优解的概念和它们之间的联系是整个单纯形法的根底。这些笼统概念比较难于了解，若想讲得清楚、明晰，有必要对其进行几许含义的描绘和表达，要让学生“看得见”。再比如在讲整数规划的割平面法时，究竟要挑选哪条切开方程，只有用几许的办法，表现在图形上，学生才干真实知道到不同的切开方程对可行域的切开程度“深浅”纷歧。此刻，若用板书在黑板上画图，费时吃力，且作用欠好，而多媒体表达图形明晰、快速、精确的优势则可充分体现。教育实践中，几许图形要动态地、逐渐地、有节奏地给出，让学生对概念、图形有必定的承受时刻，切忌不留意学生们的反响，过快并且接连地演示[6]。

（二）讲课思路应与多媒体亲近配合

体系工程根底大部分的内容是用来介绍数学模型的求解办法，因而，一般情况下是依照“概念”“原理”“进程”“示例”“几许含义”“特色”的思路来解说。例如在教育整数规划分枝定界法时，应先对该办法的概念和原理进行扼要介绍，并重一个寻觅某地最高峰的例子来协助学生了解“定界”和“分枝”;然后解说分枝定界法的进程，一起结合例题解说核算寻优的进程，该进程中应特别留意着重与各求解进程对应的模型;最终选用几许表明的办法来阐明分枝定界法的求解进程，得出其实质就是把整数规划问题转化为对应的线性规划松懈问题，并在其可行域内进行的一系列线性规划求解的进程。在多媒体课件的配合上，要求到达动态相宜的作用，并不要求每个环节都要动，而是要动态结合，动则接连、调和、浓艳而不烦乱，静则严肃、夺目、明晰而无死气。如“概念”“原理”“特色”环节的多媒体应以静为主，“进程”“示例”“几许含义”环节的多媒体则应以动为主。

（三）课件的页面布局应紧凑合理

体系工程根底中的每一个问题，每一种办法的结构都是比较紧凑的，每个进程之间的逻辑性比较强，讲堂教育的时分，既要留意细节问题，又要特别留意全体的逻辑联系。例如在推导不同类型的对偶问题的时分，公式较多，联系比较复杂，多媒体中课件制造中应尽量在一个页面之内完结一种类型的推导，如图2所示。讲堂上逐渐播映解说，这样使学生对推导进程在全体上有必定了解，一起，关于需求把握的部分，在课件顶用蓝色加粗字体将原型（LP）和对偶型（LD）模型要点表明出来，做到主次清楚。

图2  多媒体课件推演布局

五、影响教育作用的要素

讲堂教育作用除了与教师课前预备、讲堂发挥有关以外，还与下列要素有关。

开课时刻对教育作用的影响。体系工程是一门专业根底课程，学生们在学习该课程前须懂得相关专业常识。如对水利专业学生而言，在讲到规划问题数学模型的树立时，触及灌溉排水工程学、水利工程经济等相关课程内容，假如开课学期过早，学生对灌水定额、年金现值因子等概念不了解，体系工程课程运用就无从谈起。但若本门课程开课时刻过晚，学生又会对与本课程求解办法相关的线性代数有所忘记。依据作者多年来授课实践，关于四年制8学期的本科专业学生来说，本课程授课学期主张设在第5学期为好。

别的，本课程对教与学的同步性要求很高，学生遍及感觉，假如讲堂上不仔细听，课后自学费时许多，作用却不抱负。鉴于上述情况，尽量选用小班上课，在教室安排上争夺在小教室上课。实践证明，大班用大教室上课的作用比小班用大教室上课的作用要好。这些尽管看似细枝末节，可是对教育作用却有适当的影响。

体系工程的原理和办法对进步农业院校本科学生的全体观、体系观和运用才干培育是十分重要的。本文针对现在教育中存在的问题，从教育内容和办法、规划求解软件的引入、多媒体的运用、教育作用的影响要素等多个方面进行了论说和剖析，此外，还能够充分利用网络课程渠道，讲堂教育与课后网络教导相结合，调集学生自我学习的热心和动力，归纳进步体系工程课程教育作用。

参考文献：

[1]刘肇祎.灌排工程体系剖析[M].北京：我国水利水电出版社，2010：14.

[2]尚松浩.水资源体系剖析办法及运用[M].北京：清华大学出版社，2006：8.

[3]王先甲.水利水电体系工程的研讨现状及发展趋势[J].武汉水利电力大学学报，2000，（1）.

[4]陈芳华，欧志强.节水农业与农业体系工程[J].农机化研讨，2006，（12）.

[5]钱学森.论体系工程[M].长沙：湖南科学技能出版社，1982：16.

[6]刘晓宇，王洪来，明霞.多媒体辅佐教育在高级教育中的挑选性运用[J].高级农业教育，2010，（10）.

（三）运用Excel的“规划求解”宏

Microsoft Excel是本科学生最常常接触到的软件，其自带的“规划求解”宏能够处理线性规划、整数规划、方针规划、运送、最短途径、最大流等体系工程规划求解问题。运用时，在“东西”菜单上，单击“加载宏”。在弹出的对话框中“可用加载宏”列表框中，选定待增加的加载宏“规划求解”选项旁的复选框，然后单击“断定”。之后，Excel“东西”菜单下就会呈现一项“规划求解”。然后只用在Excel的表格中进行方针函数和约束条件的设置，再单击“东西”菜单下的“规划求解”就可主动求解。其长处是学生对Excel环境十分了解，学得较快。

四、充分利用多媒体教育手法

（一）充分利用多媒体明晰、快速、精确地表达图形的优势

在线性规划部分，运用图解法和单纯形法作比照，加深对根本概念的知道和了解是十分重要的。如线性规划的基解、可行解（域）、基可行解、最优解的概念和它们之间的联系是整个单纯形法的根底。这些笼统概念比较难于了解，若想讲得清楚、明晰，有必要对其进行几许含义的描绘和表达，要让学生“看得见”。再比如在讲整数规划的割平面法时，究竟要挑选哪条切开方程，只有用几许的办法，表现在图形上，学生才干真实知道到不同的切开方程对可行域的切开程度“深浅”纷歧。此刻，若用板书在黑板上画图，费时吃力，且作用欠好，而多媒体表达图形明晰、快速、精确的优势则可充分体现。教育实践中，几许图形要动态地、逐渐地、有节奏地给出，让学生对概念、图形有必定的承受时刻，切忌不留意学生们的反响，过快并且接连地演示[6]。

（二）讲课思路应与多媒体亲近配合

体系工程根底大部分的内容是用来介绍数学模型的求解办法，因而，一般情况下是依照“概念”“原理”“进程”“示例”“几许含义”“特色”的思路来解说。例如在教育整数规划分枝定界法时，应先对该办法的概念和原理进行扼要介绍，并重一个寻觅某地最高峰的例子来协助学生了解“定界”和“分枝”;然后解说分枝定界法的进程，一起结合例题解说核算寻优的进程，该进程中应特别留意着重与各求解进程对应的模型;最终选用几许表明的办法来阐明分枝定界法的求解进程，得出其实质就是把整数规划问题转化为对应的线性规划松懈问题，并在其可行域内进行的一系列线性规划求解的进程。在多媒体课件的配合上，要求到达动态相宜的作用，并不要求每个环节都要动，而是要动态结合，动则接连、调和、浓艳而不烦乱，静则严肃、夺目、明晰而无死气。如“概念”“原理”“特色”环节的多媒体应以静为主，“进程”“示例”“几许含义”环节的多媒体则应以动为主。

（三）课件的页面布局应紧凑合理

体系工程根底中的每一个问题，每一种办法的结构都是比较紧凑的，每个进程之间的逻辑性比较强，讲堂教育的时分，既要留意细节问题，又要特别留意全体的逻辑联系。例如在推导不同类型的对偶问题的时分，公式较多，联系比较复杂，多媒体中课件制造中应尽量在一个页面之内完结一种类型的推导，如图2所示。讲堂上逐渐播映解说，这样使学生对推导进程在全体上有必定了解，一起，关于需求把握的部分，在课件顶用蓝色加粗字体将原型（LP）和对偶型（LD）模型要点表明出来，做到主次清楚。

图2  多媒体课件推演布局

五、影响教育作用的要素

讲堂教育作用除了与教师课前预备、讲堂发挥有关以外，还与下列要素有关。

开课时刻对教育作用的影响。体系工程是一门专业根底课程，学生们在学习该课程前须懂得相关专业常识。如对水利专业学生而言，在讲到规划问题数学模型的树立时，触及灌溉排水工程学、水利工程经济等相关课程内容，假如开课学期过早，学生对灌水定额、年金现值因子等概念不了解，体系工程课程运用就无从谈起。但若本门课程开课时刻过晚，学生又会对与本课程求解办法相关的线性代数有所忘记。依据作者多年来授课实践，关于四年制8学期的本科专业学生来说，本课程授课学期主张设在第5学期为好。

别的，本课程对教与学的同步性要求很高，学生遍及感觉，假如讲堂上不仔细听，课后自学费时许多，作用却不抱负。鉴于上述情况，尽量选用小班上课，在教室安排上争夺在小教室上课。实践证明，大班用大教室上课的作用比小班用大教室上课的作用要好。这些尽管看似细枝末节，可是对教育作用却有适当的影响。

体系工程的原理和办法对进步农业院校本科学生的全体观、体系观和运用才干培育是十分重要的。本文针对现在教育中存在的问题，从教育内容和办法、规划求解软件的引入、多媒体的运用、教育作用的影响要素等多个方面进行了论说和剖析，此外，还能够充分利用网络课程渠道，讲堂教育与课后网络教导相结合，调集学生自我学习的热心和动力，归纳进步体系工程课程教育作用。

参考文献：

[1]刘肇祎.灌排工程体系剖析[M].北京：我国水利水电出版社，2010：14.

[2]尚松浩.水资源体系剖析办法及运用[M].北京：清华大学出版社，2006：8.

[3]王先甲.水利水电体系工程的研讨现状及发展趋势[J].武汉水利电力大学学报，2000，（1）.

[4]陈芳华，欧志强.节水农业与农业体系工程[J].农机化研讨，2006，（12）.

[5]钱学森.论体系工程[M].长沙：湖南科学技能出版社，1982：16.

[6]刘晓宇，王洪来，明霞.多媒体辅佐教育在高级教育中的挑选性运用[J].高级农业教育，2010，（10）.