《最優(yōu)化方法》課程教學(xué)大綱

《最優(yōu)化方法》教學(xué)大綱課程名稱：最優(yōu)化方法課程編號(hào)：2222英文名稱：PythonProgramming學(xué)時(shí)：48學(xué)時(shí) 學(xué)分：3學(xué)分開課學(xué)期：第4學(xué)期適用專業(yè)：數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)課程類別：理論課課程性質(zhì)：專業(yè)核心課先修課程：高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、Python程序設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（C語(yǔ)言）、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一、課程的性質(zhì)及任務(wù)《最優(yōu)化方法》是數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)選修課及信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)的必修課。它以數(shù)學(xué)為主要工具，尋求由生產(chǎn)、管理和生活中提出的若干問題的最優(yōu)方案。通過(guò)學(xué)習(xí)本課程，既能為學(xué)生今后工作提供指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐、提高經(jīng)濟(jì)效益的有利工具，又能為學(xué)生攻讀相關(guān)專業(yè)的碩士研究生，設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件等，打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。依據(jù)河北工程大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃，本課程需要培養(yǎng)學(xué)生的能力是：理解最優(yōu)化方法中涉及的基本概念和基礎(chǔ)知識(shí)（畢業(yè)要求指標(biāo)2.2）。熟悉一些最優(yōu)化方法的基本模型及其求解思路，能熟練應(yīng)用課程介紹的方法來(lái)解決實(shí)際問題（畢業(yè)要求指標(biāo)2.4）。通過(guò)對(duì)最優(yōu)化方法實(shí)案例的分析，進(jìn)一步加深對(duì)最優(yōu)化方法的認(rèn)識(shí)和理解，鍛煉獨(dú)立分析問題和解決問題的能力（畢業(yè)要求指標(biāo)4.2）。二、課程目標(biāo)與要求2.1課程目標(biāo)掌握針對(duì)實(shí)際規(guī)劃問題進(jìn)行數(shù)學(xué)模型建立。掌握線性規(guī)劃問題和整數(shù)規(guī)劃問題的求解。了解非線性規(guī)劃的基本概念和幾種方法。

算法設(shè)計(jì)與分析課程教學(xué)大綱PAGE8PAGE2642.2課程目標(biāo)與畢業(yè)要求對(duì)應(yīng)關(guān)系課程目標(biāo)畢業(yè)要求二級(jí)指標(biāo)畢業(yè)要求123●2.2能夠基于數(shù)據(jù)科學(xué)相關(guān)科學(xué)原理和數(shù)學(xué)模型方法正確表達(dá)大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題2.掌握統(tǒng)計(jì)與機(jī)器學(xué)習(xí)的基本方法，能夠綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和數(shù)據(jù)科學(xué)的基本原理，對(duì)復(fù)雜的工程系統(tǒng)，識(shí)別問題、描述問題并通過(guò)文獻(xiàn)研究分析與大數(shù)據(jù)相關(guān)的工程問題，以獲得有效結(jié)論?！?.4能運(yùn)用數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)的基本原理，借助文獻(xiàn)研究，分析過(guò)程的影響因素，獲得有效結(jié)論●4.2能夠針對(duì)智能信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)、大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用等大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和測(cè)試平臺(tái)、獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果4.能夠基于數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)原理并采用科學(xué)方法對(duì)大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題進(jìn)行研究，包括設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析與解釋數(shù)據(jù)、并通過(guò)信息綜合得到合理有效的結(jié)論。2.3課程目標(biāo)與培養(yǎng)環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)矩陣序號(hào)課程目標(biāo)理論教學(xué)上機(jī)操作課后作業(yè)1掌握針對(duì)實(shí)際規(guī)劃問題進(jìn)行數(shù)學(xué)模型建立。HMH2掌握線性規(guī)劃問題和整數(shù)規(guī)劃問題的求解。HH3了解非線性規(guī)劃的基本概念和幾種方法。LL注：H表示該能力的在此環(huán)節(jié)重點(diǎn)培養(yǎng)；M表示該能力在此環(huán)節(jié)有應(yīng)用要求；L表示該能力在此環(huán)節(jié)有所涉及。離散數(shù)學(xué)課程教學(xué)大綱PAGE2PAGE2712.4目標(biāo)達(dá)成度的評(píng)價(jià)課程目標(biāo)1主要通過(guò)理論教學(xué)環(huán)節(jié)和上機(jī)操作進(jìn)行培養(yǎng)，在課后作業(yè)和上機(jī)部分中有應(yīng)用要求。主要通過(guò)課堂測(cè)試、課后作業(yè)進(jìn)行考核，在上機(jī)課中能夠完成指定問題的模型求解。目標(biāo)達(dá)成綜合以上內(nèi)容進(jìn)行評(píng)價(jià)。課程目標(biāo)2主要通過(guò)理論教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行培養(yǎng)，在課后作業(yè)中有所涉及。主要通過(guò)課堂提問、課后作業(yè)和期末考試中進(jìn)行考核。目標(biāo)達(dá)成綜合以上內(nèi)容進(jìn)行評(píng)價(jià)。課程目標(biāo)3主要通過(guò)理論教學(xué)環(huán)節(jié)。主要通過(guò)課堂提問和期末考試中進(jìn)行考核。目標(biāo)達(dá)成綜合以上內(nèi)容進(jìn)行評(píng)價(jià)。三、教學(xué)方法及手段理論教學(xué)以課堂講授為主，面向基礎(chǔ)知識(shí)的準(zhǔn)確、扎實(shí)掌握，突出對(duì)最優(yōu)化方法的講解、對(duì)相關(guān)實(shí)例的講授。理論教學(xué)與課后作業(yè)相結(jié)合，進(jìn)行優(yōu)化算法的應(yīng)用訓(xùn)練。課程強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)通過(guò)自學(xué)的方式消化、吸收課程的龐大知識(shí)量。四、課程的基本內(nèi)容與教學(xué)要求第1章基礎(chǔ)知識(shí)[教學(xué)目的與要求]：了解最優(yōu)化方法的概況；能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單的最優(yōu)化方法數(shù)學(xué)建模。[本章主要內(nèi)容]：1.1最優(yōu)化方法的概況（支撐課程目標(biāo)1）1.2優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型（支撐課程目標(biāo)2）1.3課程主要內(nèi)容[本章重點(diǎn)]：最優(yōu)化方法的數(shù)學(xué)模型。教學(xué)計(jì)劃安排。[本章難點(diǎn)]：?jiǎn)栴}的數(shù)學(xué)表達(dá)分析。第2章線性規(guī)劃[教學(xué)目的與要求]：熟悉線性規(guī)劃可行區(qū)域的幾何結(jié)構(gòu)，掌握基本可行解及線性規(guī)劃基本定理，單純形法，兩階段法，對(duì)偶性及對(duì)偶單純形法。[本章主要內(nèi)容]：2.1線性規(guī)劃可行區(qū)域（支撐課程目標(biāo)1）2.2單純形法（支撐課程目標(biāo)1、3）2.3對(duì)偶性及對(duì)偶單純形法（支撐課程目標(biāo)3）[本章重點(diǎn)]：?jiǎn)渭冃畏?。?duì)偶單純形法。[本章難點(diǎn)]：初始解。第3章整數(shù)線性規(guī)劃[教學(xué)目的與要求]：理解Gomory割平面法和分枝定界法的基本思想，掌握他們的求解方法。[本章主要內(nèi)容]：3.1整數(shù)線性規(guī)劃問題（支撐課程目標(biāo)2）3.2Gomory割平面法3.3分枝定界法（支撐課程目標(biāo)2、3）[本章重點(diǎn)]：Gomory割平面法。[本章難點(diǎn)]：割平面法。分枝定界法求解。第4章非線性規(guī)劃[教學(xué)目的與要求]：了解無(wú)約束最優(yōu)化方法的數(shù)學(xué)模型，了解凸函數(shù)和凸規(guī)劃的基本概念。[本章主要內(nèi)容]：4.1無(wú)約束最優(yōu)化方法（支撐課程目標(biāo)3）4.2凸函數(shù)和凸規(guī)劃（支撐課程目標(biāo)3）[本章重點(diǎn)]：無(wú)約束最優(yōu)化方法。[本章難點(diǎn)]：凸規(guī)劃。五、上機(jī)部分5.1本課程上機(jī)部分的地位和作用上機(jī)課是鞏固和擴(kuò)展計(jì)算機(jī)語(yǔ)言課程理論知識(shí)的必要環(huán)節(jié)。最優(yōu)化方法是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，其主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生的優(yōu)化算法理論與實(shí)例應(yīng)用的綜合能力，強(qiáng)調(diào)計(jì)算思維的培養(yǎng)，同時(shí)兼顧計(jì)算機(jī)實(shí)際編程能力的提升，為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)和應(yīng)用計(jì)算機(jī)和大數(shù)據(jù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。最優(yōu)化方法上機(jī)部分是該課程教學(xué)的重要組成部分，是理論教學(xué)的深化和補(bǔ)充，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，其目的是使學(xué)生將課堂所學(xué)理論知識(shí)與實(shí)際操作相結(jié)合，全面培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)編程應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生的問題分析與利用計(jì)算語(yǔ)言求解的能力。5.2教學(xué)基本要求通過(guò)講解和課堂實(shí)踐，使學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的優(yōu)化方法，能夠?qū)栴}進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并進(jìn)行代碼編寫，得到模型的計(jì)算結(jié)果。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，提供自己獨(dú)立分析和解決問題的能力。5.3上機(jī)部分內(nèi)容及要求大綱基本內(nèi)容包括1個(gè)上機(jī)項(xiàng)目，在8個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)完成。上機(jī)操作利用python軟件求解和分析實(shí)際案例。主要練習(xí)第二章的內(nèi)容。給出示例，要求學(xué)生通過(guò)實(shí)際上機(jī)操作，理解其過(guò)程，得到計(jì)算結(jié)果。上機(jī)內(nèi)容要求如下：對(duì)線性規(guī)劃問題進(jìn)行建模。對(duì)模型進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。進(jìn)行編程工作，求解模型，得到問題的解。5.4教學(xué)文件及教學(xué)形式教學(xué)文件：刁在筠等編著，運(yùn)籌學(xué)（第四版），高等教育出版社，2016。教學(xué)形式主要包括：課堂講解、課堂指導(dǎo)與上機(jī)操作、編寫程序。5.5上機(jī)項(xiàng)目及學(xué)時(shí)分配序號(hào)上機(jī)項(xiàng)目上機(jī)學(xué)時(shí)上機(jī)類型上機(jī)類別上機(jī)性質(zhì)1問題分析2實(shí)踐專業(yè)必修2程序設(shè)計(jì)6實(shí)踐專業(yè)必修5.6本課程上機(jī)用到的設(shè)備和工具計(jì)算機(jī)，Anaconda3開發(fā)環(huán)境，jupyternotebook。六、課程學(xué)時(shí)分配教學(xué)課次教學(xué)內(nèi)容教學(xué)環(huán)節(jié)與計(jì)劃時(shí)數(shù)教學(xué)環(huán)節(jié)計(jì)劃時(shí)數(shù)1基礎(chǔ)知識(shí)理論課42線性規(guī)劃理論課183整數(shù)線性規(guī)劃理論課12４非線性規(guī)劃理論課65*問題分析上機(jī)課26*程序設(shè)計(jì)上機(jī)課6注：上機(jī)課由教師負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)安排時(shí)間，原則上安排在課堂教學(xué)結(jié)束后、考試之前一周以上完成。七、課程考核與成績(jī)?cè)u(píng)定7.1考核方式考核環(huán)節(jié)包括課程學(xué)習(xí)過(guò)程考核和期末考試，其中課程過(guò)程考核占總成績(jī)的30%，分別由課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、上機(jī)情況進(jìn)行評(píng)定；期末考試成績(jī)占總成績(jī)的70%。各環(huán)節(jié)的比重如下?？己谁h(huán)節(jié)比重合計(jì)過(guò)程考核（平時(shí)成績(jī)）課堂表現(xiàn)8%30%作業(yè)12%上機(jī)10%期末成績(jī)期末測(cè)試70%70%總計(jì)100%100%7.2考核內(nèi)容及要求本課程為考試課?？己藘?nèi)容及分值分配如下。考核方式考核內(nèi)容分值課程目標(biāo)總分值期末考試70%基礎(chǔ)知識(shí)4～15目標(biāo)1、2100分線性規(guī)劃30～40目標(biāo)1、3整數(shù)線性規(guī)劃10～30目標(biāo)2、3非線性規(guī)劃10～15目標(biāo)3過(guò)程考核30%課堂表現(xiàn)課堂測(cè)試、出勤情況8目標(biāo)1、2、38分課后作業(yè)作業(yè)完成情況12目標(biāo)2、312分上機(jī)上機(jī)出勤、上機(jī)表現(xiàn)及上機(jī)作業(yè)10目標(biāo)1、2、310分7.3成績(jī)?cè)u(píng)定1.課堂表現(xiàn)課堂表現(xiàn)總分8分，由課堂測(cè)試與課堂出勤情況評(píng)定。其中，課堂測(cè)試滿分5分，以客觀題（填空、選擇、判斷）為主，每學(xué)期隨堂測(cè)試5~10次，每次測(cè)試1~2道題目；課堂出勤滿分3分。2.課后作業(yè)課后作業(yè)總分12分，由作業(yè)完成情況評(píng)定。每學(xué)期布置作業(yè)4次，每次作業(yè)占3分，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如下；評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)分值標(biāo)準(zhǔn)描述課后作業(yè)3能夠按時(shí)認(rèn)真完成作業(yè)、作業(yè)態(tài)度認(rèn)真、書寫清楚、分析計(jì)算正確2能夠按時(shí)完成作業(yè)、作業(yè)態(tài)度較好、書寫較清楚、分析計(jì)算基本正確1能夠按時(shí)完成作業(yè)、作業(yè)態(tài)度一般、書寫不清楚、分析計(jì)算錯(cuò)誤較多0不交作業(yè)或作業(yè)態(tài)度不認(rèn)真、抄襲他人作業(yè)3.上機(jī)成績(jī)上機(jī)成績(jī)占所學(xué)課程的10%，即10分。根據(jù)學(xué)生的上機(jī)表現(xiàn)及上機(jī)編程作業(yè)，進(jìn)行綜合評(píng)定。具體評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如下表所示。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)分值標(biāo)準(zhǔn)描述上機(jī)表現(xiàn)（5）5無(wú)遲到、早退現(xiàn)象，態(tài)度端正，認(rèn)真進(jìn)行上機(jī)操作。4有遲到、早退現(xiàn)象或上機(jī)操作不夠認(rèn)真。3有遲到、早退現(xiàn)象且上機(jī)操作不認(rèn)真。1有遲到、早退現(xiàn)象，上機(jī)操作不動(dòng)手，渾水摸魚。0曠課上機(jī)作業(yè)（5）5編程作業(yè)書寫規(guī)范，能夠正確運(yùn)行，書寫認(rèn)真。4部分語(yǔ)句冗余，但能運(yùn)行處結(jié)果，書寫較認(rèn)真。3部分語(yǔ)句錯(cuò)誤，運(yùn)行不出正確結(jié)果，書寫不夠認(rèn)真。2運(yùn)行不出結(jié)果，書寫不認(rèn)真，明顯錯(cuò)誤。0沒有提交上機(jī)作業(yè)。4.期末考試采用閉卷考試形式進(jìn)行，期末成績(jī)?yōu)榘俜种?，?jì)入總成績(jī)時(shí)乘以70%，由教務(wù)處安排考試流程，考試內(nèi)容須覆蓋支撐全部畢業(yè)要求指標(biāo)的授課內(nèi)容，考試完成后在綜合教務(wù)系統(tǒng)中按照設(shè)定的占比系數(shù)錄入成績(jī)。八、課程評(píng)價(jià)與持續(xù)改進(jìn)8.1課程評(píng)價(jià)課程評(píng)價(jià)周期定為每1年評(píng)價(jià)一次。設(shè)置達(dá)成情況目標(biāo)值，采用成績(jī)分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)。課程達(dá)成評(píng)價(jià)根據(jù)數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)課程達(dá)成評(píng)價(jià)方法進(jìn)行計(jì)算，評(píng)價(jià)結(jié)果用于持續(xù)改進(jìn)。大數(shù)據(jù)科學(xué)系負(fù)責(zé)人組織教師實(shí)施課程評(píng)價(jià)，制定持續(xù)改進(jìn)措施，監(jiān)督持續(xù)改進(jìn)過(guò)程。課程負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)撰寫課程考核總結(jié)報(bào)告，實(shí)施課程評(píng)價(jià)持續(xù)改進(jìn)。8.2持續(xù)改進(jìn)1）日常教學(xué)：根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況，教師采取座談會(huì)、與學(xué)生單獨(dú)交流，及時(shí)調(diào)整教學(xué)方法、進(jìn)度，做出教學(xué)改進(jìn)。2）上機(jī)：根據(jù)學(xué)生上機(jī)操作及上機(jī)報(bào)告情況，對(duì)學(xué)生理解最優(yōu)化方法求解進(jìn)行分析，及時(shí)調(diào)整教學(xué)方法和內(nèi)容，提出改