《最優(yōu)化方法》課程教學大綱

《最優(yōu)化方法》教學大綱課程名稱：最優(yōu)化方法課程編號：F062092222英文名稱：PythonProgramming學時：48學時 學分：3學分開課學期：第4學期適用專業(yè)：數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術專業(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、線性代數(shù)、Python程序設計、程序設計基礎（C語言）、數(shù)據(jù)結構一、課程的性質(zhì)及任務《最優(yōu)化方法》是數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術專業(yè)的一門專業(yè)選修課及信息與計算科學專業(yè)的必修課。它以數(shù)學為主要工具，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。通過學習本課程，既能為學生今后工作提供指導生產(chǎn)實踐、提高經(jīng)濟效益的有利工具，又能為學生攻讀相關專業(yè)的碩士研究生，設計系統(tǒng)軟件和應用軟件等，打下堅實的基礎。依據(jù)河北工程大學數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術專業(yè)培養(yǎng)計劃，本課程需要培養(yǎng)學生的能力是：理解最優(yōu)化方法中涉及的基本概念和基礎知識（畢業(yè)要求指標2.2）。熟悉一些最優(yōu)化方法的基本模型及其求解思路，能熟練應用課程介紹的方法來解決實際問題（畢業(yè)要求指標2.4）。通過對最優(yōu)化方法實案例的分析，進一步加深對最優(yōu)化方法的認識和理解，鍛煉獨立分析問題和解決問題的能力（畢業(yè)要求指標4.2）。二、課程目標與要求2.1課程目標掌握針對實際規(guī)劃問題進行數(shù)學模型建立。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。

算法設計與分析課程教學大綱PAGE8PAGE92.2課程目標與畢業(yè)要求對應關系課程目標畢業(yè)要求二級指標畢業(yè)要求123●2.2能夠基于數(shù)據(jù)科學相關科學原理和數(shù)學模型方法正確表達大數(shù)據(jù)應用領域的復雜工程問題2.掌握統(tǒng)計與機器學習的基本方法，能夠綜合運用數(shù)學、自然科學和數(shù)據(jù)科學的基本原理，對復雜的工程系統(tǒng)，識別問題、描述問題并通過文獻研究分析與大數(shù)據(jù)相關的工程問題，以獲得有效結論。●2.4能運用數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術的基本原理，借助文獻研究，分析過程的影響因素，獲得有效結論●4.2能夠針對智能信息系統(tǒng)設計、大數(shù)據(jù)技術應用等大數(shù)據(jù)應用領域的復雜工程問題設計實驗方案、構建實驗系統(tǒng)和測試平臺、獲得實驗結果4.能夠基于數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術原理并采用科學方法對大數(shù)據(jù)應用領域的復雜工程問題進行研究，包括設計實驗、分析與解釋數(shù)據(jù)、并通過信息綜合得到合理有效的結論。2.3課程目標與培養(yǎng)環(huán)節(jié)對應矩陣序號課程目標理論教學上機操作課后作業(yè)1掌握針對實際規(guī)劃問題進行數(shù)學模型建立。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)重點培養(yǎng)；M表示該能力在此環(huán)節(jié)有應用要求；L表示該能力在此環(huán)節(jié)有所涉及。離散數(shù)學課程教學大綱PAGE2PAGE12.4目標達成度的評價課程目標1主要通過理論教學環(huán)節(jié)和上機操作進行培養(yǎng)，在課后作業(yè)和上機部分中有應用要求。主要通過課堂測試、課后作業(yè)進行考核，在上機課中能夠完成指定問題的模型求解。目標達成綜合以上內(nèi)容進行評價。課程目標2主要通過理論教學環(huán)節(jié)進行培養(yǎng)，在課后作業(yè)中有所涉及。主要通過課堂提問、課后作業(yè)和期末考試中進行考核。目標達成綜合以上內(nèi)容進行評價。課程目標3主要通過理論教學環(huán)節(jié)。主要通過課堂提問和期末考試中進行考核。目標達成綜合以上內(nèi)容進行評價。三、教學方法及手段理論教學以課堂講授為主，面向基礎知識的準確、扎實掌握，突出對最優(yōu)化方法的講解、對相關實例的講授。理論教學與課后作業(yè)相結合，進行優(yōu)化算法的應用訓練。課程強調(diào)學生的自主學習，強調(diào)通過自學的方式消化、吸收課程的龐大知識量。四、課程的基本內(nèi)容與教學要求第1章基礎知識[教學目的與要求]：了解最優(yōu)化方法的概況；能夠進行簡單的最優(yōu)化方法數(shù)學建模。[本章主要內(nèi)容]：1.1最優(yōu)化方法的概況（支撐課程目標1）1.2優(yōu)化問題的數(shù)學模型（支撐課程目標2）1.3課程主要內(nèi)容[本章重點]：最優(yōu)化方法的數(shù)學模型。教學計劃安排。[本章難點]：問題的數(shù)學表達分析。第2章線性規(guī)劃[教學目的與要求]：熟悉線性規(guī)劃可行區(qū)域的幾何結構，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，對偶性及對偶單純形法。[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1）2.2單純形法（支撐課程目標1、3）2.3對偶性及對偶單純形法（支撐課程目標3）[本章重點]：單純形法。對偶單純形法。[本章難點]：初始解。第3章整數(shù)線性規(guī)劃[教學目的與要求]：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2）3.2Gomory割平面法3.3分枝定界法（支撐課程目標2、3）[本章重點]：Gomory割平面法。[本章難點]：割平面法。分枝定界法求解。第4章非線性規(guī)劃[教學目的與要求]：了解無約束最優(yōu)化方法的數(shù)學模型，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無約束最優(yōu)化方法（支撐課程目標3）4.2凸函數(shù)和凸規(guī)劃（支撐課程目標3）[本章重點]：無約束最優(yōu)化方法。[本章難點]：凸規(guī)劃。五、上機部分5.1本課程上機部分的地位和作用上機課是鞏固和擴展計算機語言課程理論知識的必要環(huán)節(jié)。最優(yōu)化方法是一門實踐性很強的課程，其主要任務是培養(yǎng)學生的優(yōu)化算法理論與實例應用的綜合能力，強調(diào)計算思維的培養(yǎng)，同時兼顧計算機實際編程能力的提升，為學生進一步學習和應用計算機和大數(shù)據(jù)打下堅實的基礎。最優(yōu)化方法上機部分是該課程教學的重要組成部分，是理論教學的深化和補充，具有很強的實踐性，其目的是使學生將課堂所學理論知識與實際操作相結合，全面培養(yǎng)學生的計算機編程應用能力，培養(yǎng)學生的問題分析與利用計算語言求解的能力。5.2教學基本要求通過講解和課堂實踐，使學生運用所學的優(yōu)化方法，能夠?qū)栴}進行數(shù)學建模，并進行代碼編寫，得到模型的計算結果。結合實際應用，提供自己獨立分析和解決問題的能力。5.3上機部分內(nèi)容及要求大綱基本內(nèi)容包括1個上機項目，在8個學時內(nèi)完成。上機操作利用python軟件求解和分析實際案例。主要練習第二章的內(nèi)容。給出示例，要求學生通過實際上機操作，理解其過程，得到計算結果。上機內(nèi)容要求如下：對線性規(guī)劃問題進行建模。對模型進行程序設計。進行編程工作，求解模型，得到問題的解。5.4教學文件及教學形式教學文件：刁在筠等編著，運籌學（第四版），高等教育出版社，2016。教學形式主要包括：課堂講解、課堂指導與上機操作、編寫程序。5.5上機項目及學時分配序號上機項目上機學時上機類型上機類別上機性質(zhì)1問題分析2實踐專業(yè)必修2程序設計6實踐專業(yè)必修5.6本課程上機用到的設備和工具計算機，Anaconda3開發(fā)環(huán)境，jupyternotebook。六、課程學時分配教學課次教學內(nèi)容教學環(huán)節(jié)與計劃時數(shù)教學環(huán)節(jié)計劃時數(shù)1基礎知識理論課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*問題分析上機課26*程序設計上機課6注：上機課由教師負責協(xié)調(diào)安排時間，原則上安排在課堂教學結束后、考試之前一周以上完成。七、課程考核與成績評定7.1考核方式考核環(huán)節(jié)包括課程學習過程考核和期末考試，其中課程過程考核占總成績的30%，分別由課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、上機情況進行評定；期末考試成績占總成績的70%。各環(huán)節(jié)的比重如下。考核環(huán)節(jié)比重合計過程考核（平時成績）課堂表現(xiàn)8%30%作業(yè)12%上機10%期末成績期末測試70%70%總計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)容分值課程目標總分值期末考試70%基礎知識4～15目標1、2100分線性規(guī)劃30～40目標1、3整數(shù)線性規(guī)劃10～30目標2、3非線性規(guī)劃10～15目標3過程考核30%課堂表現(xiàn)課堂測試、出勤情況8目標1、2、38分課后作業(yè)作業(yè)完成情況12目標2、312分上機上機出勤、上機表現(xiàn)及上機作業(yè)10目標1、2、310分7.3成績評定1.課堂表現(xiàn)課堂表現(xiàn)總分8分，由課堂測試與課堂出勤情況評定。其中，課堂測試滿分5分，以客觀題（填空、選擇、判斷）為主，每學期隨堂測試5~10次，每次測試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)完成情況評定。每學期布置作業(yè)4次，每次作業(yè)占3分，評分標準如下；評分標準分值標準描述課后作業(yè)3能夠按時認真完成作業(yè)、作業(yè)態(tài)度認真、書寫清楚、分析計算正確2能夠按時完成作業(yè)、作業(yè)態(tài)度較好、書寫較清楚、分析計算基本正確1能夠按時完成作業(yè)、作業(yè)態(tài)度一般、書寫不清楚、分析計算錯誤較多0不交作業(yè)或作業(yè)態(tài)度不認真、抄襲他人作業(yè)3.上機成績上機成績占所學課程的10%，即10分。根據(jù)學生的上機表現(xiàn)及上機編程作業(yè)，進行綜合評定。具體評分標準如下表所示。評分標準分值標準描述上機表現(xiàn)（5）5無遲到、早退現(xiàn)象，態(tài)度端正，認真進行上機操作。4有遲到、早退現(xiàn)象或上機操作不夠認真。3有遲到、早退現(xiàn)象且上機操作不認真。1有遲到、早退現(xiàn)象，上機操作不動手，渾水摸魚。0曠課上機作業(yè)（5）5編程作業(yè)書寫規(guī)范，能夠正確運行，書寫認真。4部分語句冗余，但能運行處結果，書寫較認真。3部分語句錯誤，運行不出正確結果，書寫不夠認真。2運行不出結果，書寫不認真，明顯錯誤。0沒有提交上機作業(yè)。4.期末考試采用閉卷考試形式進行，期末成績?yōu)榘俜种?，計入總成績時乘以70%，由教務處安排考試流程，考試內(nèi)容須覆蓋支撐全部畢業(yè)要求指標的授課內(nèi)容，考試完成后在綜合教務系統(tǒng)中按照設定的占比系數(shù)錄入成績。八、課程評價與持續(xù)改進8.1課程評價課程評價周期定為每1年評價一次。設置達成情況目標值，采用成績分析法進行評價。課程達成評價根據(jù)數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術專業(yè)課程達成評價方法進行計算，評價結果用于持續(xù)改進。大數(shù)據(jù)科學系負責人組織教師實施課程評價，制定持續(xù)改進措施，監(jiān)督持續(xù)改進過程。課程負責人負責撰寫課程考核總結報告，實施課程評價持續(xù)改進。8.2持續(xù)改進1）日常教學：根據(jù)學生學習情況，教師采取座談會、與學生單獨交流，及時調(diào)整教學方法、進度，做出教學改進。2）上機：根據(jù)學生上機操作及上機報告情況，