研究生《計(jì)算智能》課程教學(xué)方法探討

劉叢 鄔春學(xué) 蔣林華

摘要：計(jì)算智能是一門(mén)理論基礎(chǔ)比較強(qiáng)的課程。本文結(jié)合近幾年計(jì)算智能課程教學(xué)中教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)體會(huì)，總結(jié)出一套新的教學(xué)模式。該模式主要包括啟蒙-自學(xué)-討論完善等三個(gè)階段。該模式對(duì)目前的計(jì)算智能學(xué)習(xí)者具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：計(jì)算智能；教學(xué)經(jīng)驗(yàn)；教學(xué)模式

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）27-0160-02

計(jì)算智能是我校為計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、軟件工程和計(jì)算機(jī)技術(shù)等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的碩士研究生開(kāi)設(shè)的一門(mén)理論性比較強(qiáng)的學(xué)位課。該課程的內(nèi)容非常廣泛，具有很強(qiáng)的應(yīng)用性、綜合性、挑戰(zhàn)性，并且該課程是模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)以及數(shù)據(jù)挖掘等學(xué)科的重要基礎(chǔ)。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以獲得一種新的思維方式和問(wèn)題求解方法。

一、計(jì)算智能的重要性

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，信息化是未來(lái)社會(huì)和科技發(fā)展的主要方向。特別是智能家居和物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，更將世間萬(wàn)物納入廣義信息化的范疇中。隨著信息化范圍的不斷增大，人們可獲得的數(shù)據(jù)規(guī)模也越來(lái)越大，導(dǎo)致了大數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。如何在這片浩瀚的數(shù)據(jù)海洋中找出所需要的知識(shí)是需要解決的主要問(wèn)題。數(shù)據(jù)挖掘、模式識(shí)別和機(jī)器學(xué)習(xí)便是解決該問(wèn)題的主要方法。數(shù)據(jù)挖掘從大量的數(shù)據(jù)中尋找出有用的數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)挖掘出想要的知識(shí)；模式識(shí)別可以在特定知識(shí)中識(shí)別出相應(yīng)的模式；機(jī)器學(xué)習(xí)可以根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)模式學(xué)習(xí)出相應(yīng)的規(guī)律便于對(duì)未知的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。三個(gè)方面發(fā)展非常迅速，但都離不開(kāi)計(jì)算智能的發(fā)展。計(jì)算智能是模擬生物進(jìn)化的思想提取出來(lái)的求解問(wèn)題方法，它將大自然和人類(lèi)的智慧添加到搜索方法中，從而衍生出的一種類(lèi)人啟發(fā)式算法集合。該算法集合擁有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力和全局搜索能力，所以為眾多專(zhuān)家學(xué)者所青睞。近年來(lái)，計(jì)算智能已成為計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)的核心課程之一。特別是對(duì)于計(jì)算機(jī)系的高年級(jí)本科生和研究生更應(yīng)該熟練掌握。因此，如何提高這門(mén)課的教學(xué)模式，滿足學(xué)生的不同需要，緊跟市場(chǎng)的不同需求，對(duì)于培養(yǎng)高科技的創(chuàng)新型及應(yīng)用型人才具有重要的意義。

二、課程教學(xué)目標(biāo)

本課程的教學(xué)目標(biāo)分為兩個(gè)方面：（1）對(duì)學(xué)生來(lái)講，使學(xué)生掌握計(jì)算智能的基本概念、基礎(chǔ)知識(shí)和計(jì)算智能中主要算法的算法思想，包括算法的起源、算法步驟、算法優(yōu)缺點(diǎn)以及如何對(duì)現(xiàn)有算法進(jìn)行改進(jìn)，了解計(jì)算智能最新算法理論和使用，增加學(xué)生對(duì)計(jì)算智能的興趣，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。（2）對(duì)教師自身發(fā)展來(lái)講，經(jīng)過(guò)幾年的積累經(jīng)驗(yàn)，爭(zhēng)取將本課程建設(shè)成核心經(jīng)典課程，發(fā)揮其教學(xué)示范作用。設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的教學(xué)模塊和中英文電子課件，以供國(guó)內(nèi)外學(xué)者參考，使學(xué)生既能夠?qū)W習(xí)到計(jì)算智能的相關(guān)原理，又能鍛煉學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，還能提高學(xué)有余力的學(xué)生創(chuàng)新思維。

三、計(jì)算智能課程特點(diǎn)

計(jì)算智能有兩個(gè)比較明顯的特點(diǎn)：（1）借鑒仿生學(xué)思想；（2）算法比較多并且更新速度比較快。在此做簡(jiǎn)單介紹。

（一）仿生學(xué)思想

計(jì)算智能依照仿生學(xué)的思想，以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)設(shè)計(jì)合適的優(yōu)化規(guī)則而對(duì)問(wèn)題進(jìn)行求解的方法。主要內(nèi)容包括神經(jīng)計(jì)算、進(jìn)化計(jì)算以及模糊計(jì)算。神經(jīng)計(jì)算使用神經(jīng)元來(lái)模擬人腦進(jìn)行工作，通過(guò)學(xué)習(xí)大量數(shù)據(jù)的連接權(quán)重來(lái)設(shè)計(jì)合適的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)模型。神經(jīng)計(jì)算包括感知機(jī)學(xué)習(xí)算法和反向傳播學(xué)習(xí)算法等。進(jìn)化計(jì)算是模擬自然界千百年來(lái)形成的優(yōu)勝劣汰、適者生存的原則建立的一套自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自組織模型。它將自然界中的選擇思想、交叉思想和變異思想融合到隨機(jī)搜索算法中，使新的優(yōu)化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于隨機(jī)搜索速度。進(jìn)化計(jì)算又可分為遺傳算法、進(jìn)化規(guī)劃、進(jìn)化策略、群智能算法、模擬退火算法和人工免疫算法。其中群智能算法還可分為粒子群算法、蟻群算法、人工魚(yú)群算法等。每個(gè)算法都有其來(lái)源思想和算法流程。模糊計(jì)算以模糊集和理論、模糊推理為基礎(chǔ)，將人類(lèi)對(duì)事物認(rèn)知的不確定性能力融合到計(jì)算機(jī)優(yōu)化中，可解決和處理現(xiàn)實(shí)中的不確定性和不準(zhǔn)確性問(wèn)題。所以，依照仿生學(xué)思想是計(jì)算智能的第一大特點(diǎn)。

（二）算法比較多且更新比較快

據(jù)上所述，計(jì)算智能包括很多仿生學(xué)算法，并且新的算法也在源源不斷地被設(shè)計(jì)出，所以算法比較多是該課程的一大特點(diǎn)。需要我們?cè)O(shè)置針對(duì)算法學(xué)習(xí)的教學(xué)模式，在學(xué)習(xí)算法的過(guò)程中，不能光靠死記硬背，必須讓學(xué)生理解算法的思想和精髓，并在理解的基礎(chǔ)上進(jìn)行靈活應(yīng)用。根據(jù)程序?qū)W習(xí)得出的經(jīng)驗(yàn)，如果對(duì)一個(gè)算法深刻的熟悉，最好的方法是使用程序代碼將該算法實(shí)現(xiàn)。

近年來(lái)越來(lái)越多的專(zhuān)家學(xué)者致力于該領(lǐng)域的研究，所以新的算法及對(duì)原算法的改進(jìn)算法也源源不斷地被提出來(lái)。特別是進(jìn)化計(jì)算領(lǐng)域，量子計(jì)算、分布估計(jì)算法、進(jìn)化多目標(biāo)算法等更高級(jí)的算法也越來(lái)越多。這就需要教師在教學(xué)的過(guò)程中，不僅要將基礎(chǔ)性的算法思想介紹清楚，還應(yīng)該讓學(xué)生明白，如何創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)更好的算法，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

四、以學(xué)生為中心的創(chuàng)新教學(xué)理念

傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，教師以教為主，學(xué)生以學(xué)為主，面對(duì)不同基礎(chǔ)的學(xué)生使用相同的教學(xué)方法，這種教學(xué)模式對(duì)基礎(chǔ)比較好的學(xué)生會(huì)產(chǎn)生時(shí)間浪費(fèi)，而基礎(chǔ)相對(duì)薄弱學(xué)生無(wú)法進(jìn)入狀態(tài)。部分文獻(xiàn)提出可使用翻轉(zhuǎn)教學(xué)解決該問(wèn)題，學(xué)生在課下使用教師制作的視頻、課件等選擇適合自己的學(xué)習(xí)內(nèi)容，回到課堂上后，教師和學(xué)生對(duì)課下所學(xué)進(jìn)行討論并解決問(wèn)題。課堂變成了討論的場(chǎng)所，既學(xué)習(xí)了知識(shí)，又能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的能動(dòng)性。該方法在現(xiàn)階段產(chǎn)生了很大的吸引力。并產(chǎn)生了很好的效果。在本模式的教學(xué)中，我們主要把握以下四點(diǎn)；（1）理論與實(shí)踐相結(jié)合；（2）科研素質(zhì)的培養(yǎng)；（3）教師與學(xué)生并行；（4）前沿?zé)狳c(diǎn)問(wèn)題重點(diǎn)關(guān)注?；诖耍覀兲岢隽艘粋€(gè)新的教學(xué)方法，該教學(xué)過(guò)程主要包括三個(gè)階段，詳細(xì)內(nèi)容如下。

（一）啟蒙階段

為了讓學(xué)生盡快地對(duì)算法思想和算法內(nèi)涵進(jìn)行了解，減少不必要的時(shí)間浪費(fèi)。教師首先需要對(duì)算法的起源、算法的內(nèi)涵和算法的思想進(jìn)行仔細(xì)講解，讓學(xué)生盡快了解該算法的思想；其次需要將算法的特點(diǎn)做詳細(xì)介紹，包括算法的優(yōu)勢(shì)和不足，針對(duì)算法的不足，給學(xué)生提供一些可深入考慮的思維點(diǎn)。該階段是一個(gè)初步學(xué)習(xí)的階段，教師在其中占有很大作用。

（二）自學(xué)階段

自學(xué)階段是該教學(xué)模式的重中之中。該階段是在課堂外進(jìn)行的，所以，需要學(xué)生有高度的自主學(xué)習(xí)性。學(xué)生在文獻(xiàn)中尋找解決課堂上遺留的問(wèn)題，如果有能力的學(xué)生可設(shè)計(jì)新的解決方法。主要包括以下幾點(diǎn)：（1）幫學(xué)生選擇一個(gè)合適的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)去閱讀，該文獻(xiàn)可以是對(duì)課堂算法的綜述，可以是對(duì)算法缺點(diǎn)的創(chuàng)新，可以是對(duì)課堂算法編程實(shí)現(xiàn)。（2）以該算法為中心，根據(jù)自己的想法設(shè)計(jì)合適的創(chuàng)新算法。

（三）討論完善階段

課下文獻(xiàn)閱讀和課上討論是學(xué)生學(xué)習(xí)的主要環(huán)節(jié)。針對(duì)學(xué)生課下對(duì)文獻(xiàn)的學(xué)習(xí)，回到課上后，首先讓學(xué)生進(jìn)行文獻(xiàn)講解，該過(guò)程有兩個(gè)方面的意義：其一，通過(guò)文獻(xiàn)講解，可以了解學(xué)生對(duì)該文獻(xiàn)的掌握情況；其二，該過(guò)程也是其他學(xué)生學(xué)習(xí)并產(chǎn)生問(wèn)題的過(guò)程。經(jīng)過(guò)學(xué)生講解后，整個(gè)班級(jí)的學(xué)生會(huì)對(duì)該文獻(xiàn)有了深一步的了解。教師作為討論中掌控者和主持者，應(yīng)根據(jù)文獻(xiàn)的內(nèi)容，提出算法的缺陷，引導(dǎo)學(xué)生去思考。而后進(jìn)行討論，在討論中，學(xué)生可以深刻掌握算法的真諦，并可以碰撞出火花。

（四）考核形式

目前大多數(shù)課程的考試方法包括兩個(gè)部分：一部分為平時(shí)成績(jī)，所占比重為30%～40%，主要包括課堂表現(xiàn)、學(xué)生積極性以及課下作業(yè)的完成情況，二部分為考試階段，所占比重為60%～70%，可分為開(kāi)卷考試或閉卷考試。所以就造成了學(xué)生對(duì)考試非常在行，但分?jǐn)?shù)越高是否代表只是掌握的越好呢，在以死記硬背為主的專(zhuān)業(yè)中，或許是如此，但在以理解為主的理工科中，并不完全正確。而這種考核模式會(huì)讓很多學(xué)生只注重形式化的考試，而忽略了自己能力的培養(yǎng)。根據(jù)本文的教學(xué)模式，本文使用了一種新的考核方式。教學(xué)中的幾個(gè)模塊都應(yīng)有所考慮。課堂表現(xiàn)、文獻(xiàn)講解和課堂討論為主要模塊，占總成績(jī)的70%，而將結(jié)課后的試卷考核設(shè)計(jì)為30%。新的考核方式更注重學(xué)生能力的培養(yǎng)，削弱只會(huì)筆試的現(xiàn)狀。在評(píng)判時(shí)，如何確定各個(gè)模塊的分?jǐn)?shù)也比較重要，總的來(lái)說(shuō)，應(yīng)遵循創(chuàng)新性、認(rèn)真性和準(zhǔn)確性原則。創(chuàng)新性是主要部分，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力尤為重要；認(rèn)真性只要保證學(xué)生在課堂或課下閱讀文獻(xiàn)時(shí)的態(tài)度，好的學(xué)習(xí)態(tài)度也是一個(gè)重要的部分；準(zhǔn)確性要求教師在分?jǐn)?shù)尺寸上不能有所偏差。期末考試比較容易評(píng)判。

五、總結(jié)

本文介紹了計(jì)算智能教學(xué)實(shí)踐的一種方法。包括啟蒙階段、自學(xué)階段和討論完善階段，以及如何對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核。本套教學(xué)方法已經(jīng)在兩屆學(xué)生中進(jìn)行了驗(yàn)證，根據(jù)學(xué)生課后的反應(yīng)情況來(lái)看，還是比較有作用的。主要表現(xiàn)在：（1）提高了學(xué)生課堂的積極性，學(xué)生在課堂的積極性有了顯著的提高，對(duì)文獻(xiàn)算法的質(zhì)疑度也有了極大地增加。（2）提高了學(xué)生對(duì)現(xiàn)有算法的質(zhì)疑性。（3）增加了學(xué)生對(duì)計(jì)算智能領(lǐng)域的興趣。結(jié)課后很多非本領(lǐng)域的學(xué)生也希望能在計(jì)算智能上有所發(fā)展。

教學(xué)是一門(mén)藝術(shù)，更有其永無(wú)止境的探索性。本文只是筆者的一些個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，難免有些瑕疵和不完善，筆者會(huì)在以后的教學(xué)中逐漸完善，使計(jì)算智能的教學(xué)得到提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]李陽(yáng)陽(yáng)，尚榮華，焦李成.量子計(jì)算智能導(dǎo)論教學(xué)探索[J].計(jì)算機(jī)教育，2011，（15）：55-57.

[2]周永權(quán).智能計(jì)算研究生課程教學(xué)方法與實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2011，（3）：95-96.

[3]馮愛(ài)祥，羅雄麟.本科“人工智能”課程的教學(xué)改革探索[J].中國(guó)電力教育，2011，（4）：111-112.