科研驅動教學在調度原理與算法課程中的應用

摘" 要：研究生課程教學方式如果缺乏有效的教學方法將相關領域的最新研究成果融入教學內容中，導致研究生對研究前沿進展了解較少，不利于激發研究生的研究興趣和創新能力。針對這一問題，該文探討科研驅動教學方法在調度原理與算法課程中的實踐應用，將生產調度理論中調度模型建模、算法設計、算法評估的基本研究理論與前沿研究相結合，鼓勵學生通過課堂學習內容完成一些領域前沿研究探索，實現教師教學與科研的有機結合。課程實踐表明，科研驅動教學法能夠很好地激發學生的學習熱情，強化知識的轉化能力，獲得較好的學習效果。

關鍵詞：研究生教育；科研驅動教學；調度原理與算法；生產調度理論；實踐探究

中圖分類號：G643" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2023）29-0061-04

Abstract： Without effective teaching method to integrate the latest research achievements in relevant fields into the teaching content of postgraduate courses， it will lead to less understanding of the research frontier progress， which is not conducive to stimulating the postgraduate research interest and innovation ability. To address this problem， this paper discusses the practical application of research driven teaching method in the course of Scheduling Principle and Algorithm. It combines the basic research theory of scheduling model modeling， algorithm design， algorithm evaluation in scheduling theory with cutting-edge research， encourages students to complete cutting-edge research and exploration in some fields through classroom learning， and realizes the combination of teachers' teaching and research. The course practice shows that the research driven teaching method can stimulate students' enthusiasm for learning， strengthen their ability to transform knowledge， and achieve good learning results.

Keywords： postgraduate education; research-driven teaching; Scheduling Principle and Algorithm; production scheduling theory; practical inquiry

基金項目：清華大學研究生教育教學改革項目“科研驅動教學法在《生產調度原理與算法》課程教學中的實踐探究”（201905J004）

第一作者簡介：張智海（1974-），男，漢族，湖南沅江人，博士，副教授，博士研究生導師。研究方向為工業工程、生產計劃與調度。

目前，我國研究生課程仍然以講授式教學為主。在這種教學模式下，學生們被動接受教學知識，對知識的接受效率不高，理解不夠深刻。同時傳統的教學課程教學中普遍存在知識系統陳舊，與實際應用差距較大，對相關課程前沿研究內容涉及較少的現象，這在很大程度上削弱了學生的學習興趣，學習效果不理想，與培養研究生專業性能力的目標不符。

本文探討了科研驅動教學方法在調度原理與算法課程中的實踐應用，該方法的核心思想是在教學過程中，對教學內容進行調整，圍繞科研驅動教學的要求來組織課堂講解內容。同時增強了研究實踐的環節，針對生產調度相關的研究前沿問題，挑選若干科研方向或課題，形成科研實踐教學的切入點，鼓勵學生通過課上所學知識解決前沿問題，引導學生從最新文獻研讀、本研究領域的研究方法實踐、研究成果總結發表等若干環節開展科研驅動教學實踐。通過引入研究實踐環節，學生學習興趣、學習效果顯著提升，教學效果得到明顯提高。

一" 文獻綜述

以培養學生創新精神和研究能力為目標的科研驅動（研究性）教學已成為世界高等教育改革的趨勢[1-7]。科研驅動教學模式的主要優點包括[3]：①有利于不斷更新教學內容，使學生始終獲取本課程的前沿進展；②有利于激發學生研究興趣，從而提升其創新能力；③有利于實現教師教學與科研的有機結合、教師與學生的良性互動。

針對國外相關研究，劉贊英等[7]對國外大學研究性教學的經驗及啟示進行了分析總結。其從美國大學研究性教學目標、相應的管理機制、相配套的教師獎勵激勵機制、研究成果的發表、研究性課外教學和研究性實踐教學等多個方面進行了分析研究。雖然該研究主要針對本科生教學，但是對于研究生教學同樣具有借鑒價值。

國內相關研究主要集中在以下幾個方向：①科研驅動教學的理論分析[2-3，8-9]；②科研驅動教學方法教學評價體系的研究[10-12]；③科研驅動教學方法的現狀分析[13-14]；④科研驅動教學方法在具體專業課程中的實踐研究，例如，數學[15]、安全工程[16]、工科物理[17]、法學[18]、細胞生物學[19]和工程教育[20]等。

由于不同課程之間的差異性，針對具體的課程開展科研驅動教學方法的實踐探究，對于提升學生學術研究能力和學習熱情具有重要作用。本文探討了科研驅動教學方法在調度原理與算法課程中的實踐應用，對于豐富和發展科研驅動教學方法具有參考價值。

二" 面向科研驅動教學方法的教學內容設計

調度原理與算法課程主要針對生產調度理論，從調度模型建模、算法設計、算法評估等幾個方面進行深入的學習，使學生能夠掌握調度研究領域中的基本研究模型、研究方法，并了解當前本領域的最新研究動態。針對以上教學目標與特點，課程選擇了施普林格出版社的《Scheduling Theory， Algorithms， and Systems》作為教材，該書作者Pinedo為調度領域國際知名專家。該書內容涵蓋了調度模型建模、算法設計、算法評估等幾個調度理論中的重要方面。考慮到調度領域的前沿發展，本課程結合科研驅動教學方法，引入研究領域最新的研究內容作為課堂研究課題，開展科研驅動式的教學實踐。

在課程教學上，首先介紹調度的基本知識，包括調度的基本概念、術語和符號、算法復雜度。之后學習與掌握單機、復雜單機、平行機、流水車間及作業車間調度等相關的經典調度問題的建模和算法設計方法，讓學生對調度理論的基本模型有系統地認識與理解。此外，結合該課程強調算法設計的特點，開展對算法設計與分析的學習。內容涵蓋了算法性能分析、近似算法及算法設計、精確及智能優化算法設計等。算法性能分析方面，著重學習算法最壞情況及漸進性能分析。對應簡單的啟發式算法，通過對算法性能的緊界概念的探索，提升學生的算法分析能力。通過介紹優勢規則和有效不等式，講授提升算法性能的常見技巧。

系統學習經典調度模型的過程中，根據當前調度領域的前沿問題，提煉恰當的研究課題，促進研究生的科研實踐。如何選擇合適的研究課題，是實現科研驅動教學的重要問題之一。其中既要考慮課堂教學的課時限制和選課研究生研究方向各不相同的特點，同時研究課題的設計也要體現當前相應研究領域的最新研究熱點，并具有一定的挑戰性。為此，需結合教師自己的研究經驗，針對領域研究熱點、實際車間情況和學生興趣，加入學習、退化和耦合效應等新的研究要素，提煉出新的研究問題。選取的研究課題相比于經典調度模型，更加貼近實際情況，模型需要考慮的要素也更為復雜，具有一定的解決難度。同時，在當今經濟全球化、供應鏈全球化的背景下，解決相關的調度問題也更加具有實際意義。通過這些課題的研究，學生們能夠更加深刻地體會到調度理論在實際問題中的應用，提升學生學習、科研興趣，并通過科研實踐鞏固學習成果。

三" 科研驅動教學方法實踐

針對上述教學內容，通過教學實踐，對科研驅動教學方法在課程中的具體應用實施流程和效果進行了梳理分析。課程的前八周，主要是理論教學為主。在調度模型建模方面，課程內容設置由淺及深，從單機調度模型到流水車間，作業車間調度模型。與以往講授方式不同的是，在課后作業的環節上追加了與當周課程內容相關的經典文獻研讀，教師根據課堂內容，通過網絡學堂分享相關的經典文獻和前沿文獻（圖1），供學生參考學習。鼓勵學生閱讀經典原創性文獻，對教材中的理論有更加細致、深入地理解。同時閱讀相關研究領域的前沿文獻，理解當前研究熱門和研究方法。在課程后八周，將同學們進行分組，以大作業的形式進行前沿研究課題（圖2）的科研實踐探索。要求學生完成相關內容的文獻綜述、模型創建、相關調度規則探索、精確算法和智能優化算法設計、算法性能評估和論文撰寫等科研環節。鼓勵學生對創新度和完成度較高的大作業，采用期刊論文模板，進行研究成果總結，乃至發表。

傳統課堂研究往往以大作業報告的形式來完成，但是缺乏師生之間的互動；并且受限于課時，學生在完成大作業后，幾乎沒有時間對其進行完善和修改。而科研驅動式的教學，應該讓同學可以參與到一個課題較為完整的研究過程中，從而對課程內容有一個深入全面的認識和體驗。因此，通過加強師生間的科研交流來加強師生互動，并且預留時間供學生們對研究成果進行完善和修改。此外，在課題研究實踐階段，每次授課過程中安排短時間的研究進展討論，對學生的研究進展進行快速交流，了解學生在實際探究中遇到的難題，教師對研究內容及如何解決難題給出具體建議；對于不能短時間完成的研究交流，將網絡學堂等網絡工具作為交流平臺，學生們在遇到問題或者困難時可以隨時在網絡學堂上提出，教師收到學生提出的問題后可以及時反饋，實現了課下的師生研究互動。在教學最后一周完成最終報告后，要求學生根據相應反饋意見，利用考試周時間進行研究內容完善后，再提交最終科研報告。最后，針對較好的研究成果，鼓勵同學完善后投稿發表，提高學生的科研積極性和參與度，同時提高其科研獲得感。

科研驅動教學中，如何設計有效的教學成果考核也十分關鍵。科研驅動教學需要對學生的全程課堂參與度、科研創新性與大作業成果進行一個合理的考核。實踐過程中，從三個方面對學生研究成果進行綜合考核（圖3）：根據學生的課堂參與度、科研創新性（如探索模型結構性質等）、算法有效性等內容進行的教師評估；大作業的學生間互評結果；以及最后成果展示過程中邀請相關領域專家對學生大作業點評形成的專家評估結果。

四" 教學結果分析

采用科研驅動教學法后，學生對調度原理與算法課程學習的興趣和主動性顯著提高。相比于傳統講授式的教學，在科研驅動教學過程中，老師與學生互動性更強，同時，學生對知識的掌握程度和運用實踐能力也顯著提高，針對挑戰性較高的課題，同學們均完成了文獻綜述、模型創建、相關調度規則探索、精確算法和智能優化算法設計，以及算法性能評估和論文撰寫等科學研究的一系列過程，提交的科研報告質量較高。同時，通過一次完整的科研探索，學生們對做科學研究有一個更全面的認知，在助力教學目標實現的同時，激發研究生的科研興趣，提升科研創新能力，為今后進行獨立科研奠定良好的基礎。

五" 結束語

為了加深研究生對調度理論的理解，激發科研興趣，提升科研創新能力，對調度原理與算法課程的傳統教學方式進行改革勢在必行。在采用科研驅動教學過程中，如何將一次完整的科研活動，濃縮到一個學期的課程教學中，需要針對課堂教學活動，對相應的課題研究活動進行科學設計，對其中的研究內容和流程進行細致地梳理和優化，從而通過有效的科研活動來配合教學方案的有效實施。本文對科研驅動教學方法在調度原理與算法課程中的實踐應用進行了討論，闡述了科研驅動教學方式下的教學內容設置、教學方法實踐，并對教學結果進行分析，從而形成一套科研驅動教學方法在該課程教學中的教學流程（圖4）。實踐表明，將課程的基礎理論講授與科研前沿內容探索相結合，可以提升學生對基礎理論的理解，激發學生科研興趣，增強學生創新意識。

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