立足前沿理論與行業需求的研究性教學方法實踐

郭建媛 秦 勇 賈利民

（北京交通大學交通運輸學院 北京交通大學軌道交通控制與安全國家重點實驗室 北京 100044）

“研究性教學”是創新性人才培養的重要手段[1]，是通過教學過程的研究性，引導學生進行“研究性學習”，從而讓學生掌握知識、培養研究和創新能力的一種教育新理念[2]。研究性教學著眼于培養學生的探索精神和創造性，構建以培養學生的創新精神和創新能力為基本價值取向的教學內容和教學方法體系[3]。研究性教學近年來越來越受到重視，被引入到專業建設、課程建設和課程改革中[4-10]。研究性教學過程中通過學術引導[11]、實踐引導[12]、教學案例改進[13]等方式激發學生的學習興趣，教授學生發現問題、解決問題的研究過程與方法，通過教學提高學生的創造能力與創新精神。

本文以北京交通大學交通運輸學院開設的研究生課程——“計算智能”為例展開。該課程于2014年開始，已被學校批準立項為2018年研究生優質核心課程建設項目；并獲批2019年滴滴出行教育部第一批產學合作系統育人項目示范課程建設。本文以此課程為例，說明如何綜合前沿理論與行業需求的研究性教學方法，激發學生研究興趣、訓練學生研究能力，提高學生創新能力。

一、研究性教學方法指導思路

研究性教學以激發學生興趣，發揮學生能動性為出發點。結合行業需求談理論，結合理論發展談需求，能夠激發學生的興趣，發揮學生學習的能動性。不但使學生掌握從事專業研究的知識，更使學生具備了解決專業問題的研究能力。以“計算智能”課程為例，該課程面向的是未來就業于交通運輸行業的學生，而計算智能本身又代表了新興的技術與理論，它的發展以應用為推進動力，很適合使用前沿理論與行業需求相結合的教學方法。

結合研究性教學特點，在教學思路中，需要把握以下幾點：

（一）基礎知識與前沿理論兼顧

研究性教學中，教師不僅介紹知識內容，也介紹知識的發現過程，通過授課向學生展示科學研究發展的實際過程，培養學生發現問題，解決問題的能力[14]。一門課程的基礎知識，在提出該知識的時代也曾經是前沿理論。在教學過程中，以適合學生接受的虛擬場景，不斷提出理論以及應用存在問題，從基礎知識不斷過渡到前沿理論。

（二）經典理論與行業問題緊密結合

在研究性教學過程中，為了充分地發揮研究的過程，需要將教學重點集中到有限的幾個問題，從理論問題的發現、解決、應用、改進，使學生理解和學習到研究的過程和方法。所以在教學的過程中，需要選擇經典理論，從理論的提出、發展，以及對行業問題解決的能力，到目前發展的程度、對問題解決的程度，今后發展的方向，都需要一體化地講授。同時，結合課程建設特點，以交通行業為背景，圍繞軌道交通、道路交通中的安全與效率問題開展應用，達到理論方法的深化。

（三）教師以實際科研經歷引導學生研究

在研究性教學中，教師除了講授知識和傳統課堂組織管理的角色外，還需要引導和指導學生的研究過程，所以需要教師具備與課程相匹配的科研經歷。而科研本身也有理論、應用或方法的側重，所以具備不同科研特長的教師共同建設課程會使得課程內容設置更加合理。在教學過程中，教學從實際科研經歷出發，對比不同方法在解決行業問題的效果，不但更加客觀，也更加具有說服力。

二、研究性教學內容設計

教學內容設計是教學指導思路的第一步落實，也是教學實施的基礎。“計算智能”課程建設既要保持計算智能在行業應用的基礎共性技術，更要圍繞交通行業需求與前沿熱點，完成教學內容的調整。下面以該課程為例，說明教學內容的設計。

（一）講授內容設計

1.基礎知識與經典理論

課堂講授神經網絡、模糊計算、進化計算及群智能的基本知識，并利用經典的TSP問題、車輛多路徑配送問題貫穿多種理論與算法，有利于對知識的理解，以及對算法思想與適應性的掌握。

2.行業問題與科研案例

在模型算法講解時，注意引入行業的經典問題，如列車調整問題、交通擁擠問題、交通流（客流）預測及組織優化問題，并結合實際科研的需求與數據，展開建模和求解的案例講解，使學生能夠有的放矢。

3.前沿動態與發展趨勢

在理論與案例講解基礎上，結合前沿科技文獻，講解計算智能最新的理論與技術研究成果，并總結與判斷技術與理論的發展趨勢，為學生課后的研究提供有力的參考[15]。

（二）作業設計

作業是課堂講授的有利補充，課程從基礎理論、實踐實驗和文獻閱讀等幾個方面設計作業。

1.基礎理論推導

要求學生對基礎理論的核心公式能夠掌握，對神經網絡、模糊運算、遺傳算法等，能夠使用簡單的算例進行手工的步驟推演。

2.實踐建模實驗

要求學生能夠應用所學，選取實際的科研案例，進行模型設計，算法改進或實現，利用實際數據或開源的案例數據，進行模型的實驗，以及性能和適應程度的對比分析[16]。

3.前沿文獻閱讀

要求學生選擇感興趣的某種算法或理論，檢索高水平科技論文，在滿足課程研討整體規劃的前提下，進行閱讀和分析總結。

三、研究性教學組織實施

教學組織實施是教學指導思路的具體落實，是教學直接作用于學生的環節。教學組織實施既要考慮客觀的教學條件，又要考慮學生的能力與可引導性，同時教學效果的反饋，也將為教學方法的持續改進提供依據，為學生創新能力的不斷提高提供可能。

（一）教學方式靈活

1.充分利用在線教學平臺

在傳統的多媒體課堂教學基礎上，搭配利用學校課程平臺、雨課堂等在線教學工具。在線教學平臺，可以展示文字、PPT、視頻等多種教學資源，一方面可以不受時間地點限制，供學生預習和復習；另一方面能夠獲得學生對知識的掌握程度，及時調整授課內容與方式，優化教學。

2.開放實踐環節

鑒于實驗的復雜程度較高，學生水平不一，實驗周期不確定，因此放寬實踐環節的時間與空間限制，將實踐環節分為課堂指導與課下實踐兩部分。課堂指導以實驗例題入手進行方法講解；學生圍繞個人研究方向或課程提供的研究數據進行開放式的實驗選題，進行課下實踐。

3.全方位課堂研討

根據教學內容的不同特征，進行不同層面、全方位的研討設計，包括知識點討論、算法討論和應用討論等。對所學知識點的特點，不同知識點之間的聯系與區別，模型算法的應用范圍，應用案例與技巧進行討論。

（二）教學資源多樣化

根據教學的特點，開發并開放教學案例、實驗數據，以及實驗平臺等的教學資源，提高學生實驗開展的條件。

1.豐富的教學案例

結合教學內容，課程逐步開發了案例庫包括：基于神經網絡的客流預測、基于模糊理論的車站風險評估、基于粒子群算法的滾動軸承運行可靠性模型參數估計、基于遺傳算法的列車運行調整等，體現了經典理論方法在行業問題中的具體應用。

2.開放的實驗數據

受滴滴出行的蓋亞開放數據支持，提供滴滴出行的訂單數據、軌跡數據、擁擠指數數據、視頻數據等；同時開放部分科研活動積累中的數據，為學生的實驗提供基礎數據，使學生的實驗與行業問題更加緊密結合。

3.基于云平臺的實驗環境

受滴滴出行支持，提供滴滴云服務，包括云GPU、云服務器等，可以進行實驗所需的云計算以及實驗數據的云存儲等，保障學生實驗更加順利的開展。

（三）教學互動與互助

教學實施過程中，注重師生互動和學生間的互助，以促進教學計劃的順利推進，并增加學生的參與程度，調動學生的主動性。

1.師生間互動

教師通過啟發式問題，引導學生主動思考，有利于學生對知識點的理解；通過在線互動，調動學生積極性，并第一時間掌握學生的學習進度；通過總結回顧的形式，進行隔堂研討，使學生消化吸收學習到的知識。

2.學生間互助

根據教學環節不同，對學生進行靈活分組，如課堂研討、雨課堂對分、實踐實驗、文獻閱讀，都可以由不同人數、不同水平組合的分組形式。學生在學習的過程中，互相協作、幫助，有利于學生在協作過程中克服困難、激發靈感，不但完成學習計劃，并且能夠同步提高解決問題的能力。

四、結束語

本文以“計算智能”課程為例，闡述了立足前沿理論與行業需求的研究性教學方法。該課程在實踐過程中對教師實際科研的前沿問題進行細化，對學生的科研文獻閱讀、科研問題解決、科研論文撰寫起到促進作用。有部分學生使用課堂講授的理論方法解決正在從事的科研問題，效果得到明顯提升；還有部分同學將課程作業的建模求解內容進行完善，撰寫和發表了高水平的科研論文。通過課堂的學習，學生將課程所學知識應用于學科競賽中，獲得CVPR2018-NTIRE Challenge on Image Dehazing國際競賽世界第二名，2018年中國多媒體大會圖像去霧處理競賽第三名，并在Informs RAS 問題求解、華為杯中國研究生數學建模等競賽中獲得好成績。

通過5年的教學實踐，提升了交通運輸學院安全科學與工程，交通運輸工程、控制科學與工程等多個專業學生的研究能力，并培養了學生的探索精神與創新能力，為學生研究生階段學習打下良好基礎，為學生未來更好地服務于行業、建立交通強國提供強有力支撐。