計算機博弈競賽與創新人才培養模式改革

王亞杰, 邱虹坤, 尹　航, 徐　晗, 張　潔

(沈陽航空航天大學 工程訓練中心, 沈陽 遼寧　110136)

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計算機博弈競賽與創新人才培養模式改革

王亞杰, 邱虹坤, 尹航, 徐晗, 張潔

(沈陽航空航天大學 工程訓練中心, 沈陽 遼寧110136)

介紹了計算機博弈在國內外的發展情況,以及計算機博弈競賽在國內的發展與改革、意義和特點；提出了基于計算機博弈的寓教于樂、寓教于研、以研促教、以賽促學的創新人才培養模式,論述了計算機博弈既是深受師生喜愛的科教項目、也是培養大學生計算思維能力的落地項目。

計算機博弈； 創新能力； 計算思維； 人才培養

計算機博弈,也稱之為機器博弈,就是讓計算機學習人的思維模式,像人類一樣,能夠思維、判斷和推理,做出理性決策,與人類選手或另一臺計算機進行各種棋類的對弈,例如:圍棋、國際象棋、西洋跳棋、六子棋等。計算機博弈是人工智能領域的挑戰性課題,是人工智能的果蠅[1]。

2015年,國務院出臺了關于積極推進“大眾創業、萬眾創新”和“互聯網+”行動的指導意見,明確了人工智能作為形成新產業模式的11個重點發展領域之一,將人工智能提高到了國家戰略層面上。2016年,在世界人工智能科學迎來60華誕、谷歌公司的阿爾法圍棋(AlphaGO)軟件與世界圍棋冠軍李世石上演“世紀人機大戰”之際,人工智能引發了世界范圍內的研究與開發熱潮,促進了學術和產業上人工智能的快速發展。教育部在近幾年的有關文件中多次強調“要把深化高校創新創業教育改革作為推進高等教育綜合改革的重要抓手和突破口”“辦好全國大學生創新創業大賽,通過大賽推動成果轉化、產教結合、教學相長”。為此,很多高校積極開展基于學科競賽的人才培養模式的研究與實踐[2],本文主要總結了計算機博弈競賽在我國的發展情況,論述了基于計算機博弈的創新人才培養模式改革。

1　計算機博弈的發展

阿蘭圖靈(Alan Turing)先生最早寫下了能夠讓機器下棋的指令[3],計算機之父馮.諾依曼(John von Neumann)提出了用于博弈的極大極小定理[4],而信息論的創始人香濃(Claude E. Shanon)首次提出了國際象棋的解決方案,這些都為機器博弈的研究與開發奠定了良好的基礎[5]。計算機問世的10多年,很多西方科學家從事機器博弈研究,但成果并不明顯,1958年阿伯恩斯坦(Alex Bernstein)等人在IBM704機上開發的第一個成熟的國際象棋程序,也只能達到孩童的博弈水平。

IBM公司一直對博弈研究投入較大,1989年研制的“深思”在與世界棋王卡斯帕羅夫進行的“人機大戰”中,以0比2敗北。1995年IBM“深藍”更新了程序,并使用新的集成電路將思考速度提高到每秒300萬步,在1996年與卡斯帕羅夫的挑戰賽中以2比4敗北。1997年“超級深藍”融入了更深的開發,以3.5∶2.5擊敗了卡斯帕羅夫,這場勝利引起了世界范圍內的轟動,它表明“計算機智能戰勝了人類天才”。

2007年美國科學雜志(Science) 評出的人類10大科學突破中,包括了加拿大阿爾波特大學科學家歷時18年破解了國際跳棋(64)的研究成果,這是整個機器博弈發展史上的一個里程碑[6]。

2016年1月,谷歌公司的DeepMind團隊在自然雜志(Nature)上發表封面論文稱,他們研發出能夠在極其復雜的圍棋游戲中擊敗專家級人類選手的計算機[7]。該團隊表明,他們的一款AlphaGo的計算機程序擊敗了歐洲圍棋冠軍Fan Hui,戰績為5∶0。該團隊還表示,AlphaGo的關鍵在于使用了深度學習算法,共有兩種不同的神經網絡,一種是策略網絡,用于預測下一步,另一種是價值網絡,用于預測棋盤上不同的分布會帶來什么不同的結果。2016年3月,谷歌公司的AlphaGo以4∶1戰勝世界圍棋冠軍李世石,在學術界產生了空前的影響,這是機器博弈發展史上的重大勝利,也是人工智能發展史上的一次大的躍遷。

目前國際上有很多國家的專家教授都在開展計算機博弈研究,國際機器博弈協會(ICGA )每年組織一次計算機博弈大賽和學術研討會,推動了計算機博弈在世界范圍內的發展。近10多年來,臺灣和大陸的學者也紛紛開展了計算機博弈研究[8-10],部分院校在中國象棋和六子棋的計算機博弈方面取得了一定的突破,但是從活動的普及和研究的深入程度上與先進國家仍然有著很大的差距。

2　計算機博弈競賽在國內的發展與改革

2.1競賽基本情況

2005年由東北大學徐心和教授組織申請、中國人工智能學會批準成立了機器博弈專業委員會,吸引了一批國內的科技工作者加入機器博弈領域的研究。專業委會每年組織一次學術活動和全國性的比賽,通過競賽不斷提升了國內的計算機博弈水平,一些棋種的冠軍得主每年在更替,也產生了北京郵電大學的“圍棋—本手”、東北大學的“中國象棋—棋天大圣”等知名軟件,促進了計算機博弈技術的普及與發展。表1為歷屆計算機博弈比賽的參賽數據。

表1　歷屆計算機博弈比賽的參賽數據

全國計算機博弈比賽經歷了3個階段:

第一階段:2006—2010,全國計算機博弈錦標賽階段,由中國人工智能學會主辦。這是比賽發展的初期,參加的學校和隊數都相對較少。

第二階段:2011—2014,全國大學生計算機博弈大賽暨全國計算機博弈錦標賽階段,由中國人工智能學會和教育部高等學校計算機類專業教學指導委員會共同主辦。在這一階段,徐心和教授帶領機器博弈專委會做了大量的宣傳工作,先后去了100多所院校進行講學,所設置的項目數、參賽隊數和參加的學校數也都明顯增多。

第三階段:2015—現在,比賽正式成為國家級別的科技競賽活動,競賽名稱仍是全國大學生計算機博弈大賽暨全國計算機博弈錦標賽,但主辦單位不同了,由國家體育總局棋牌運動管理中心、中國人工智能學會和教育部高等學校計算機類專業教學指導委員會共同主辦,并被國家體育總局納入第三屆全國智力運動會項目,計算機博弈競賽與棋牌運動可以良性互動,即可以激發大學生創新潛能,又能有力促進棋牌運動的快速發展。這是中國計算機博弈發展史上的一個新的里程碑,是更有意義、更有影響的一次賽會。

2015年的比賽共設置了17個項目,大學生項目包括:五子棋、六子棋、點格棋、蘇拉卡爾塔棋、亞馬遜棋、幻影圍棋、不圍棋、愛恩斯坦棋、軍棋9種棋類；錦標賽項目包括:中國象棋、圍棋、13路圍棋、9路圍棋、國際跳棋(100格)、國際跳棋(64格)、 二打一撲克牌(斗地主)和橋牌8種棋牌類,部分項目與智力運動會的“五棋一牌”相呼應。據統計,2015年參加選拔賽和國賽的人數達5 000左右,可以說經過10年的發展,中國已經是世界上計算機博弈發展的大國,但還不是強國,還需要不懈的努力。

2.2競賽的意義與特點

計算機博弈是人工智能領域的重要研究方向,是推動其他學科發展的要素之一。所謂人工智能就是研究如何讓計算機理解和實現人類(包括生物)智能的一門科學。人類智能的范圍非常廣泛,其中最為重要的便是思維,包括邏輯思維、形象思維、靈感思維等,而所有這些思維能力都在下棋過程中有所體現,于是,讓計算機下棋便是對于人類思維的挑戰。計算機博弈競賽通過將計算機技術和人工智能技術相結合引入博弈項目,巧妙地引導青年學生提前接觸、理解智能科學與技術,激發科學創新潛能,將所學的理論知識與實際領域技術相結合,由此培養科技創新人才所必備的基本能力。

競賽具有以下特點:

(1) 計算機博弈項目能迎合青年學生的愉悅、冒險、好奇和高對抗需求,讓他們在快樂中分析、編程、斗智,既長知識、也長能力,又能把學生從一般的網游中解脫出來,自已編程,自我娛樂。

(2) 這項大賽投入低,一臺電腦即可滿足基本需求,適合團隊協作,便于組隊,可操作性強。

(3) 競賽規則透明,競賽成績判定準確、客觀,對弈結果只有輸棋、贏棋或和棋,沒有主觀因素,不需要專家評判和打分,容易保證競賽的公平、公開和公正。

(4) 這項大賽受益面廣,信息時代,計算機能力已成為不分專業的全員所需,只要學習過計算機語言課的學生都可以參與,可有效提高計算機課程的教學質量。

(5) 博弈項目喜聞樂見,可以調動大學生的學習與研究熱情,有利于促進校園計算機創新文化建設。

(6) 與國際比賽接軌。由國際機器博弈協會(ICGA-International Computer Games Association)組織的國際計算機博弈比賽(CO-Computer Olympiad)每年一屆,已經有了30多年的歷史。我國的北京科技大學、北京理工大學、沈陽航空航天大學等高校近幾年都派出代表隊參加了國際比賽,并獲得了比較好的成績,還有部分學生被國際上高水平的大學直接錄取。

2.3競賽的發展與改革

經過多年的競賽實踐,特別是在“大眾創業、萬眾創新”計劃的指導下,組委會提出了計算機博弈競賽新的指導思想:競賽促進人才培養質量、競賽提升教師教學水平、競賽助推創新與創業。新的競賽目的:努力培養學生的科研思維與創新意識、團隊合作精神與溝通交流能力。新的競賽宗旨:真實比賽、文明比賽、友誼比賽,重在參與、重在交流、重在提高。

2015年的博弈比賽工作開展了以下幾方面的改革:

(1) 不斷調整競賽項目。為了配合全國智力運動會項目和鼓勵社會專業選手的參與,錦標賽項目調為8個項目,大學生項目調為9個項目。

(2) 每個項目每個學校最多可以報2項,較好地避免了以前比賽中偶爾發現的一個學校相同程序以不同隊名參加比賽的現象。

(3) 提前上交電子版的程序設計說明書。說明書是參賽的依據,描述了程序的起源、主要算法和創新點,并有教師和學生簽字。競賽過程中也以此作為被質疑時的答辯依據。

(4) 賽前分組抽簽采用電子版形式,抽簽順序和分組均隨機生成,較好地避免了以前人工紙制抽簽的混亂現象。

(5) 錦標賽項目評獎時冠亞季軍一起評定,而一、二、三等獎社會代表隊和學生代表隊分別評定,這樣有利于調動大學生參加錦標賽項目的積極性,同時也能通過社會專業代表隊的參與,促進計算機博弈技術的發展。

(6) 冠亞季軍除了頒發獎杯外,還頒發獎牌和證書,這一點也很利于調動學生的參賽熱情,也與全國智力運動會的其他項目相接軌。

(7) 競賽與企業相結合。2015年計算機博弈競賽得到了北京聯眾互動網絡有限公司的有力支持,該公司除了開展宣傳工作以外,還為獲獎選手提供了就業與實習的機會,使得競賽、人才、需求有機結合,深受大學生的認可。

實際上近幾年的統計數據表明:參加計算機博弈競賽獲獎的大學生都有較好的就業前景,很容易進入信息化和互聯網+的項目中,深受用人單位歡迎,另外他們在申讀碩博士研究生或申請國外留學時也都得到了很好的認可。

3　計算機博弈促進了創新人才培養模式的改革

3.1提出了寓教于樂，寓教于研，以研促教，以賽促學的教學模式

下棋本來是孩童就會玩的事情,但是讓計算機實現這種思維過程,需要學習很多知識。因為在計算機博弈程序的設計與開發當中,不僅涉及到程序語言、程序設計方法學、圖形人機界面、數據結構、軟件工程、數據庫、知識庫、優化與學習算法等,而且必然面對規模龐大(天文數字)的博弈樹的各種搜索算法,例如:極大極小、α-β剪枝、迭代深化、蒙特卡洛、基于威脅和證據計數算法等,內容豐富,變化無窮,可以讓年輕人的聰明才智得到充分的發揮。一段時間以來,學生網游上癮困惑著家長和教育工作者,用什么引導、牽引青年學生遠離那些對提高科學素養沒有實際意義的網游呢，目前已有多所高校將博弈項目融入計算機課程教學中[11-13],他們的教學實踐表明:計算機博弈項目具有喜聞樂見、趣味性強的特點,特別能引發學生的好奇心和學習興趣。因為棋類本身就是一種游戲,學生自已編寫游戲程序,自我娛樂,將學習與樂趣融合在一起,實現了一種寓教于樂的提高青年學生計算機應用能力的實踐教學形式。

讓計算機像人類一樣,能夠思維、判斷和推理,做出理性決策,這是計算機與人工智能領域頗具挑戰性的研究課題,容易調動一些教師和大學生的研究熱情。很多學校已有多名教師將計算機博弈作為科研項目,申報課題、撰寫科研論文、參加學術會議,教師科研成果的取得,促進了大學生計算機博弈科技活動的開展,也更好地促進了將科研成果轉化為教學內容,例如:博弈項目的界面設計、數據結構、開局設計、簡單評估與判斷等都可作為教學案例引入計算機教學中,很多高校還將博弈項目作為課程設計與畢業設計的題目,實現了以科研促進教學的科教結合模式。

一些高校的學生在教師的指導下申報了基于博弈的國家級、省市或校級的大學生創新創業訓練計劃項目(簡稱大創項目),學生邊學習邊開展博弈的深入研究,提高了大學生的科研能力和創新水平,實現了寓教于研的教學模式。據統計,2012—2015年間,基于博弈立項的國家級大創項目共有20余項,表2是近幾年各校大學生申報的部分大創項目。

表2　2012—2015年間學生獲批的部分國家級大創項目

計算機博弈是軟件博弈,具有挑戰無窮的特點。競賽雙方通過軟件對弈一決高低,道高一尺,魔高一丈,失敗者必然爆發強大的動力,激起開發潛力,迎接新的挑戰。計算機博弈就像奧林匹克精神“更快,更高,更強“一樣,運動員總是不懈努力。在Computer Olympiad(計算機博弈奧林匹克大賽)賽場上,許多專家教授都是若干年如一日地不懈鉆研與開發,一步步艱苦前行。而大學生之間的比賽更是具有很大的發展空間,呈現出你追我趕的激烈競爭局面,很多學生為學校的榮譽而戰也成為他們參加競賽的不竭動力,從而使得博弈比賽經久不衰。總之,以競賽為牽引,激發了學生深入挖掘的積極性,促進了學生學習的主觀能動性,實現了以賽促學的良性人才培養方式。

依托博弈項目,開展寓教于樂、寓教于研、以研促教、以賽促學的教學模式,較好地解決了學生主動學習興趣不濃、應用能力不強、缺乏創造性思維等深層次問題。總之,計算機博弈是一項深受教師和學生歡迎的科教結合項目。

3.2計算機博弈是培養大學生計算思維能力的落地項目

有了計算思維的課程指導思想后,多所學校的多位專家開始研究計算思維的落地問題[16-17],專家教授普遍認為:在計算機基礎教學中,計算思維不是教學內容上的變化,而是教學方法、教學方式的改變。計算思維的“落地”就是如何在計算機教學內容與教學方法上提高學生用計算機解決實際問題的能力。計算思維的最好落地項目之一就是案例式教學。

計算機博弈項目就是非常好的教學案例。計算機博弈項目的實施涵蓋了:問題的描述方法——抽象和建模；模型形式化數據描述——數據及其結構；模型的計算機描述——算法及其實現；程序設計思想和問題求解的效率——算法的優化與并行；問題求解的工程思維——計算機軟件工程思想；問題求解的交互——人機處理技術等,這些內容剛好是落實計算思維能力培養的最好形式。

興趣是最好的教師,而計算機博弈項目是學生非常感興趣的案例,這些案例能引發學生的學習積極性。在教學中教師盡量以問題驅動和問題求解訓練學生的計算思維方法,使學生知其然,也知其所以然,并能使學生體驗計算之美、感受成功的快樂,以達到培養學生計算思維能力的目的。通過計算思維的培養促進學生創造性思維的形成,進而實現創新人才培養的教學目標。

4　結語

計算機博弈作為初學者可以很快進入這個領域,但是若想提高水平,必須學習更多的算法,靈活運用各種算法,提高搜索效率,減少時間與空間的開銷,在這方面的研究潛力是無限的,是需要認真研究和探索的。全國大學生計算機博弈大賽暨全國錦標賽,還有國際ICGA的計算機奧林匹克大賽都是國內外高水平的賽事,都是向科技高峰挑戰的平臺,每年都有科技精英涌現,每年都有新的科研成果產生。計算機博弈技術已在我國生根和開花,希望通過教學、競賽和科研的有機融合與推動,希望通過廣大科技工作者和青年學生的不懈努力,能結出累累碩果。我們不但要做計算機博弈的大國,更要做計算機博弈的強國。

計算機博弈不僅可以激發學生的學習與科技熱情,而且對于提高學生的計算機水平、創新意識、科研能力、以及把學生從一般的網游中解脫出來都是有積極作用的。智能科學與技術已經成為促進所有學科發展的要素,學習將人的思維過程用計算機來實現,學習如何處理與對策相關的問題,學習如何做好最優決策,這對于所有學生來說都是有助益的。

References)

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Computer game competition and reform of innovative talent training mode

Wang Yajie, Qiu Hongkun, Yin Hang, Xu Han, Zhang Jie

(Engineering Training Center, Shenyang Aerospace University, Shengyang 110136, China)

The development of computer game at home and abroad is introduced. The development and reform,significance and characteristics of computer game competition in China are also presented. The innovative talent cultivating mode of teaching with fun,teaching with research,research promoting teaching and contests promoting study based on the computer game are put forward. The computer game is a science and education project, which is popular with teachers and students. The computer game is also a case project of cultivating computational thinking ability of college students.

computer game; innovation ability; computational thinking; talent training

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.004

實驗室創新

2016-04-11修改日期：2016-05-25

遼寧省普通高等教育本科教學改革研究項目(UPRP20140436)

王亞杰(1968—)，女，遼寧鐵嶺，博士，教授，中國人工智能學會機器博弈專業委員會主任，研究方向為模式識別、圖像融合、機器博弈.E-mail：wangyajie@sina.com

G642.0

A

1002-4956(2016)10-0010-05