“智能計算”研究生課程教學方法與實踐

　　摘要：智能計算是近年來興起的一類仿生計算方法，已在許多實際領域得到成功的應用。本文以“智能計算”研究生課程為背景，結合多年來研究生課堂教學實踐，分別從教學內容、課程特點、教學方法、教材建設和教學效果等方面進行總結，對目前從事智能計算教學和學習者具有一定的參考價值。
　　關鍵詞：智能計算；課程特點；教學方法；教學效果
　　
　　1　背景
　　
　　目前，智能計算已成為人工智能界一個研究的熱點領域，研究的最終目標就是為了實現真正意義的人工智能圖景，為了讓計算機和集成有計算功能的各種工具及設備更加獨立、更加聰明、能夠自主思考和行動，最終成為我們工作和生活中必不可少的得力助手。特別，物聯網作為信息產業第三次浪潮，從物聯網的概念中，我們不難看出它與計算，特別是智能計算的密切聯系，現在的互聯網上各種終端之間、它們與服務器端和存儲系統之間的溝通與互相響應，其實都是有人在后面操作和控制的，但是在未來的物聯網里，物與物、物與人以及物與計算機設備之間的協作則要實現智能化和自動化，不需要人們花費太多的時間去介入、控制和管理。
　　舉例來說，一個物聯網時代的超市，其物流完全可以實現全自動化的管理。例如它可以通過設置在貨架和倉庫中的RFID標簽讀取設備了解存貨信息，一旦要出現缺貨現象時，它就會立即將信息發送給超市的服務器系統，并由它自動聯系行駛在路上的眾多送貨車輛里的計算機系統，查找哪輛貨車中有足夠的相應商品，最后才會通知相關的司機，讓他將車駛向缺貨的超市，而此前的一切計算和通信的過程，都無需人工介入。
　　通過這個例子可以了解到，即時了解外界的環境和需求變化，并就變化進行智能化、自動化的信息處理和通信就是物聯網的核心技術。而這一技術，其實就是智能計算技術。智能計算的理論與方法已成功應用于幾乎所有的科學與工程領域，特別是非線性系統辨識與控制、模式識別與智能系統、復雜系統建模與預測、計算材料學、生物醫學圖像處理、生物信息學與系統生物學等。因此，學習和研究智能計算技術，推動智能科學技術專業教育，培養高層次智能計算技術人才，有著極為重要的現實意義。
　　在國外，開設智能計算課程的大學已非常普遍。在國內，近幾年開設智能計算課程的中國大學越來越多，如清華大學、北京大學、哈爾濱工業大學、中國科技大學、西安電子科技大學等。另外，在計算機、電子、自動化、系統和控制、材料等有關的國際會議上，均有智能計算相關的研究主題。智能計算相關的國際雜志和協會近幾年也越來越多，如：Spring出版的Swarm Intelligence，IEEE出版的IEEE Transactions on Evolutionary Computation，IEEE／ACM Transactions 0nComputationalBiology andBioinformatics等學術刊物。隨著計算機技術及相關前沿學科的發展，智能計算已經成為計算機、信息技術等專業開設的必修課之一，國內外有關智能計算的教學內容基本上大同小異。我校從2005年開始，在計算機應用技術、計算數學碩士點開設智能計算必修課程，筆者主講該課程，以下結合自己的教學實踐，談談研究生智能計算課程的一些教學方法和經驗，并提出自己對該課程建設的一些看法和建議。
　　
　　2　教學內容及課程特點
　　
　　智能計算課程的主要內容包括：人工神經網絡、進化算法、模糊系統、人工免疫系統、群體智能(模擬退火、蟻群、粒子群、蜂群、魚群、人口遷移、螢火蟲算法等)、量子計算、DNA計算等。智能計算不同于其他課程特點，它是一個交叉學科，主要特點有以下幾方面。
　　1)仿生法：仿生是智能計算一個非常重要的研究方法，它強調向自然界學習，采用類比的方法，通過模仿其中的原理規律以得到解決問題的一般方法。如蟻群、粒子群、蜂群、魚群、螢火蟲算法等，無不體現了仿生這一研究方法。此外，還有很多群智能算法通過模仿一些自然或物理現象和規律，如模擬退火算法通過模擬液體的結晶過程設計；免疫算法是模擬生物、植物或動物免疫系統自適應調節功能設計的；量子、分子計算模擬量子論原理而設計；人工神經網絡是模擬人的大腦結構及信號處理過程而設計的；進化算法是基于達爾文的“優勝劣汰、適者生存”原理設計的。
　　2)實驗法：智能計算源自于計算機技術的發展及人們對自然界的深入思考，其中的算法有著合理的仿生背景，要徹底說清楚算法為什么行之有效，目前大多算法都缺乏嚴格的數學理論證明，從數學的角度分析算法的性能是比較困難的。因此，只能通過計算機仿真實驗去分析算法的性能，通過實驗分析提高對算法機理的認識，然后，尋求理論上的嚴格證明，改進算法的性能。
　　3)融合策略：大量復雜問題的存在使得沒有一個算法是通用的，同樣，智能計算中的方法各有有點，也都有不足之處。算法的融合策略是取長補短，將不同的算法有機地結合起來，以提高算法的整體性能，提高算法的求解能力。融合策略通常將待融合的算法采用“串聯”、“并聯”、“包含”等模型來融合，其中待融合的算法考慮將智能算法和傳統的算法結合起來。這一方面，人們己作了大量的工作，取得了良好的效果。
　　4)系統理論：智能計算是為了解決復雜問題而發展起來的，系統理論主要包括協同論、突變論和耗散結構等內容，這些對于指導算法設計、改進算法和理解算法的復雜行為方面有指導意義。
　　
　　3　教學方法及教材建設
　　
　　針對智能計算課程內容及其研究內容，根據研究生教育規律、研究生學習的特點，筆者采用的教學方法是“課堂講授、問題討論、課外研讀”相結合的教學方法，借助于多媒體教學手段，采用動漫技術來實現智能算法的仿生機制，從源頭上讓學生體會每一種智能算法的仿生機制或一些自然或物理現象和規律，歸納起來有以下幾點：
　　1)結合智能計算課程的特點，確立“以大自然、社會等為學習對象，善于觀察其仿生機制或一些自然或物理現象和規律”作為理解智能計算課程概念、原理的關鍵點。
　　2)啟發學生在理解仿生機制或一些自然或物理現象和規律的基礎上，抽象出模擬進化計算的一般框架。
　　3)講解計算智能的有關理論和算法，課程中穿插了大量的研究案例，告訴研究生如何使用計算智能方法解決各個工程領域的具體問題。
　　4)要求學生通過具體的研究項目，親自編寫自己的算法程序源代碼，培養研究生獨立解決問題的能力。總之，隨著計算智能的快速發展，每年我們的教，學內容和課件都在更新，以包括最新的研究內容，尤其是我們自己的研究內容，擴大研究生的知識范圍。
　　近幾年，我們使用過國內出版的多種有關智能計算教材，如高等教育出版社的《計算智能(第一分冊)》、科學出版社的《計算智能中的仿生學：理論與算法》、《計算智能——理論、技術與應用》等教材，但很快發現其中很多地方不適用，因此，我們在教學的過程中，對目前國內出版有關智能計算教材，結合我們課題的研究，針對性選取一些內容來制作課件和講義進行教學。因此，建議智能計算相關專業的協會或出版社盡快組織教學經驗教師編寫適合于研究生教學的智能計算教材。
　　
　　4　教學效果評價方法
　　
　　智能計算理論與應用這門具體課程來說，最重要的是注重學生的交叉學科知識和能力的培養。因此，本課程學習結束考察方式主要采用：1)閉卷考試。主要考察對智能算法原理的理解和綜合運用能力。2)小作業。要求對介紹過群智能算法總結、分析、對比等，形成一個簡要總結報告，對介紹過多種智能算法的概念、原理、方法、應用等方面進行總結。3)大作業。檢查學生的動手編程能力，要求對介紹過群智能算法的源代碼集成，形成一個演示系統。該門課成績分配如下：成績=閉卷考試(50％)+小作業(30％)+大作業(20％)。
　　
　　5　結語
　　
　　智能計算是隨著計算機技術的飛速發展和人們對自然界的深入理解而發展起來，它強調對人類和其他生物、植物等智能行為的模擬，注重向自然界學習，汲取其中有益的規律和原理。與傳統的方法相比，智能計算具有自適應、并行性、全局搜索等能力，尤其可解決一些大規模復雜問題。智能計算是人們研究自然以及人類社會自身的一種非常有效的手段，其應用前景非常廣泛，目前已經成為人工智能界研究的熱點領域。因此，在計算機科學與技術、人工智能等相關專業開設智能計算課程是勢在必行，這有著重要的現實意義。
　　
　　參考文獻：
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　　(編輯：姚彥