《最优化方法》课程教学大纲

《最优化方法》教学大纲课程名称：最优化方法课程编号：2222英文名称：PythonProgramming学时：48学时 学分：3学分开课学期：第4学期适用专业：数据科学与大数据技术专业课程类别：理论课课程性质：专业核心课先修课程：高等数学、线性代数、Python程序设计、程序设计基础（C语言）、数据结构一、课程的性质及任务《最优化方法》是数据科学与大数据技术专业的一门专业选修课及信息与计算科学专业的必修课。它以数学为主要工具，寻求由生产、管理和生活中提出的若干问题的最优方案。通过学习本课程，既能为学生今后工作提供指导生产实践、提高经济效益的有利工具，又能为学生攻读相关专业的硕士研究生，设计系统软件和应用软件等，打下坚实的基础。依据河北工程大学数据科学与大数据技术专业培养计划，本课程需要培养学生的能力是：理解最优化方法中涉及的基本概念和基础知识（毕业要求指标2.2）。熟悉一些最优化方法的基本模型及其求解思路，能熟练应用课程介绍的方法来解决实际问题（毕业要求指标2.4）。通过对最优化方法实案例的分析，进一步加深对最优化方法的认识和理解，锻炼独立分析问题和解决问题的能力（毕业要求指标4.2）。二、课程目标与要求2.1课程目标掌握针对实际规划问题进行数学模型建立。掌握线性规划问题和整数规划问题的求解。了解非线性规划的基本概念和几种方法。

算法设计与分析课程教学大纲PAGE8PAGE2642.2课程目标与毕业要求对应关系课程目标毕业要求二级指标毕业要求123●2.2能够基于数据科学相关科学原理和数学模型方法正确表达大数据应用领域的复杂工程问题2.掌握统计与机器学习的基本方法，能够综合运用数学、自然科学和数据科学的基本原理，对复杂的工程系统，识别问题、描述问题并通过文献研究分析与大数据相关的工程问题，以获得有效结论。●2.4能运用数据科学与大数据技术的基本原理，借助文献研究，分析过程的影响因素，获得有效结论●4.2能够针对智能信息系统设计、大数据技术应用等大数据应用领域的复杂工程问题设计实验方案、构建实验系统和测试平台、获得实验结果4.能够基于数据科学与大数据技术原理并采用科学方法对大数据应用领域的复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。2.3课程目标与培养环节对应矩阵序号课程目标理论教学上机操作课后作业1掌握针对实际规划问题进行数学模型建立。HMH2掌握线性规划问题和整数规划问题的求解。HH3了解非线性规划的基本概念和几种方法。LL注：H表示该能力的在此环节重点培养；M表示该能力在此环节有应用要求；L表示该能力在此环节有所涉及。离散数学课程教学大纲PAGE2PAGE2712.4目标达成度的评价课程目标1主要通过理论教学环节和上机操作进行培养，在课后作业和上机部分中有应用要求。主要通过课堂测试、课后作业进行考核，在上机课中能够完成指定问题的模型求解。目标达成综合以上内容进行评价。课程目标2主要通过理论教学环节进行培养，在课后作业中有所涉及。主要通过课堂提问、课后作业和期末考试中进行考核。目标达成综合以上内容进行评价。课程目标3主要通过理论教学环节。主要通过课堂提问和期末考试中进行考核。目标达成综合以上内容进行评价。三、教学方法及手段理论教学以课堂讲授为主，面向基础知识的准确、扎实掌握，突出对最优化方法的讲解、对相关实例的讲授。理论教学与课后作业相结合，进行优化算法的应用训练。课程强调学生的自主学习，强调通过自学的方式消化、吸收课程的庞大知识量。四、课程的基本内容与教学要求第1章基础知识[教学目的与要求]：了解最优化方法的概况；能够进行简单的最优化方法数学建模。[本章主要内容]：1.1最优化方法的概况（支撑课程目标1）1.2优化问题的数学模型（支撑课程目标2）1.3课程主要内容[本章重点]：最优化方法的数学模型。教学计划安排。[本章难点]：问题的数学表达分析。第2章线性规划[教学目的与要求]：熟悉线性规划可行区域的几何结构，掌握基本可行解及线性规划基本定理，单纯形法，两阶段法，对偶性及对偶单纯形法。[本章主要内容]：2.1线性规划可行区域（支撑课程目标1）2.2单纯形法（支撑课程目标1、3）2.3对偶性及对偶单纯形法（支撑课程目标3）[本章重点]：单纯形法。对偶单纯形法。[本章难点]：初始解。第3章整数线性规划[教学目的与要求]：理解Gomory割平面法和分枝定界法的基本思想，掌握他们的求解方法。[本章主要内容]：3.1整数线性规划问题（支撑课程目标2）3.2Gomory割平面法3.3分枝定界法（支撑课程目标2、3）[本章重点]：Gomory割平面法。[本章难点]：割平面法。分枝定界法求解。第4章非线性规划[教学目的与要求]：了解无约束最优化方法的数学模型，了解凸函数和凸规划的基本概念。[本章主要内容]：4.1无约束最优化方法（支撑课程目标3）4.2凸函数和凸规划（支撑课程目标3）[本章重点]：无约束最优化方法。[本章难点]：凸规划。五、上机部分5.1本课程上机部分的地位和作用上机课是巩固和扩展计算机语言课程理论知识的必要环节。最优化方法是一门实践性很强的课程，其主要任务是培养学生的优化算法理论与实例应用的综合能力，强调计算思维的培养，同时兼顾计算机实际编程能力的提升，为学生进一步学习和应用计算机和大数据打下坚实的基础。最优化方法上机部分是该课程教学的重要组成部分，是理论教学的深化和补充，具有很强的实践性，其目的是使学生将课堂所学理论知识与实际操作相结合，全面培养学生的计算机编程应用能力，培养学生的问题分析与利用计算语言求解的能力。5.2教学基本要求通过讲解和课堂实践，使学生运用所学的优化方法，能够将问题进行数学建模，并进行代码编写，得到模型的计算结果。结合实际应用，提供自己独立分析和解决问题的能力。5.3上机部分内容及要求大纲基本内容包括1个上机项目，在8个学时内完成。上机操作利用python软件求解和分析实际案例。主要练习第二章的内容。给出示例，要求学生通过实际上机操作，理解其过程，得到计算结果。上机内容要求如下：对线性规划问题进行建模。对模型进行程序设计。进行编程工作，求解模型，得到问题的解。5.4教学文件及教学形式教学文件：刁在筠等编著，运筹学（第四版），高等教育出版社，2016。教学形式主要包括：课堂讲解、课堂指导与上机操作、编写程序。5.5上机项目及学时分配序号上机项目上机学时上机类型上机类别上机性质1问题分析2实践专业必修2程序设计6实践专业必修5.6本课程上机用到的设备和工具计算机，Anaconda3开发环境，jupyternotebook。六、课程学时分配教学课次教学内容教学环节与计划时数教学环节计划时数1基础知识理论课42线性规划理论课183整数线性规划理论课12４非线性规划理论课65*问题分析上机课26*程序设计上机课6注：上机课由教师负责协调安排时间，原则上安排在课堂教学结束后、考试之前一周以上完成。七、课程考核与成绩评定7.1考核方式考核环节包括课程学习过程考核和期末考试，其中课程过程考核占总成绩的30%，分别由课堂表现、课后作业、上机情况进行评定；期末考试成绩占总成绩的70%。各环节的比重如下。考核环节比重合计过程考核（平时成绩）课堂表现8%30%作业12%上机10%期末成绩期末测试70%70%总计100%100%7.2考核内容及要求本课程为考试课。考核内容及分值分配如下。考核方式考核内容分值课程目标总分值期末考试70%基础知识4～15目标1、2100分线性规划30～40目标1、3整数线性规划10～30目标2、3非线性规划10～15目标3过程考核30%课堂表现课堂测试、出勤情况8目标1、2、38分课后作业作业完成情况12目标2、312分上机上机出勤、上机表现及上机作业10目标1、2、310分7.3成绩评定1.课堂表现课堂表现总分8分，由课堂测试与课堂出勤情况评定。其中，课堂测试满分5分，以客观题（填空、选择、判断）为主，每学期随堂测试5~10次，每次测试1~2道题目；课堂出勤满分3分。2.课后作业课后作业总分12分，由作业完成情况评定。每学期布置作业4次，每次作业占3分，评分标准如下；评分标准分值标准描述课后作业3能够按时认真完成作业、作业态度认真、书写清楚、分析计算正确2能够按时完成作业、作业态度较好、书写较清楚、分析计算基本正确1能够按时完成作业、作业态度一般、书写不清楚、分析计算错误较多0不交作业或作业态度不认真、抄袭他人作业3.上机成绩上机成绩占所学课程的10%，即10分。根据学生的上机表现及上机编程作业，进行综合评定。具体评分标准如下表所示。评分标准分值标准描述上机表现（5）5无迟到、早退现象，态度端正，认真进行上机操作。4有迟到、早退现象或上机操作不够认真。3有迟到、早退现象且上机操作不认真。1有迟到、早退现象，上机操作不动手，浑水摸鱼。0旷课上机作业（5）5编程作业书写规范，能够正确运行，书写认真。4部分语句冗余，但能运行处结果，书写较认真。3部分语句错误，运行不出正确结果，书写不够认真。2运行不出结果，书写不认真，明显错误。0没有提交上机作业。4.期末考试采用闭卷考试形式进行，期末成绩为百分制，计入总成绩时乘以70%，由教务处安排考试流程，考试内容须覆盖支撑全部毕业要求指标的授课内容，考试完成后在综合教务系统中按照设定的占比系数录入成绩。八、课程评价与持续改进8.1课程评价课程评价周期定为每1年评价一次。设置达成情况目标值，采用成绩分析法进行评价。课程达成评价根据数据科学与大数据技术专业课程达成评价方法进行计算，评价结果用于持续改进。大数据科学系负责人组织教师实施课程评价，制定持续改进措施，监督持续改进过程。课程负责人负责撰写课程考核总结报告，实施课程评价持续改进。8.2持续改进1）日常教学：根据学生学习情况，教师采取座谈会、与学生单独交流，及时调整教学方法、进度，做出教学改进。2）上机：根据学生上机操作及上机报告情况，对学生理解最优化方法求解进行分析，及时调整教学方法和内容，提出改