研究生“計算智能”課程教改實踐探索

武 越，王夢琪，馬文萍，張希穎

(西安電子科技大學 a.計算機科學與技術學院；b.本科生院；c.人工智能學院，陜西 西安 710071)

引言

計算智能通過對自然智能原理和模式進行學習形成優(yōu)化模型，并將其應用于解決實際工程問題。在人工智能高速發(fā)展的今天，海量、非結構化的數(shù)據(jù)處理給信息科學帶來了巨大的挑戰(zhàn)，計算智能的發(fā)展已經(jīng)成為智能理論和技術發(fā)展的嶄新階段。因此，“計算智能”課程是信息科學中發(fā)展最快的熱點問題之一，通過對課程的學習可以為學生深入研究計算機科學奠定理論基礎和提供技術支持［1］。

一、“計算智能”課程教學現(xiàn)狀分析

研究生“計算智能”課程在教學過程中仍然存在以下主要問題。

（一）課程體系性差

因為計算智能與人工智能、腦科學、生物學、語言學和神經(jīng)科學等學科交叉發(fā)展，互相影響，理論性較強，起點高，不易理解，并且“計算智能”課程涉及內(nèi)容多，分類體系雜，所以怎樣選擇適合的教學內(nèi)容十分重要?，F(xiàn)有課程的學習目標只是籠統(tǒng)地羅列知識點，對知識的梳理講解不夠透徹，使得課程教學滯留在知識灌輸階段，不利于學生創(chuàng)新、科研能力的培養(yǎng)。

（二）教學內(nèi)容陳舊，教學方法單一

近幾年，計算智能領域得到了極大的發(fā)展，相關國際領先研究和落地項目層出不窮，國內(nèi)外科技領域?qū)ο嚓P熱門方向人才需求的缺口也逐漸增大。然而，“計算智能”課程的教學多數(shù)依然停留在以知識灌輸為特征的教材基礎理論講解為主，上機實驗和課后作業(yè)為輔的傳統(tǒng)教學階段，學生無法了解最新的理論和技術，且與實際應用存在割裂，極大地限制了學生實踐能力、創(chuàng)新能力和科研能力的培養(yǎng)［2］。

“計算智能”課程的原理具有抽象性，而應用則具有很強的實踐性。在實際教學過程中，大多數(shù)教師以理論講授為主，學生很難接觸具體的應用場景和實踐課題，同時由于缺乏討論交流，學生難以運用理論知識解決現(xiàn)實或科研中遇到的問題，與實行產(chǎn)學研用協(xié)同育人的人才培養(yǎng)理念相矛盾。

（三）課程考核方式單一

傳統(tǒng)“計算智能”課程的考核方式一般以期末閉卷考試成績或大作業(yè)完成情況來評定學生的學習效果，具有一定的局限性，經(jīng)常有學生將全部的希望寄托于考前其他同學快速講解的重點，完全不利于對知識的理解、能力的提升和思想的創(chuàng)新。學習是一種過程性的行為，因此需要建立一種全面的、過程性的考核方式來評價學生的學習效果［3］。

二、“計算智能”課程教學改革措施

研究生“計算智能”課程強調(diào)從“知識輸出”轉變?yōu)椤澳芰颉?。以知識理解為基礎、實踐應用為手段、能力提高為指向，為培養(yǎng)一流人才奠定信息化的基礎?！坝嬎阒悄堋闭n程教改設計框架如圖1所示。

（一）細化教學目標，重構教學內(nèi)容

研究生“計算智能”課程的教學目標是為了讓學生能做到以下三點：一是了解計算智能領域的發(fā)展及現(xiàn)狀；二是掌握計算智能的基本概念、常用算法和相關方法；三是能夠運用計算智能知識來分析和解決實際問題。在課程內(nèi)容的組織上強調(diào)計算智能基本算法原理的教學，注重從實際問題和實際課題入手，構建“教—學—研—用”一體化培養(yǎng)模式(如圖2所示)，使學生學會獨立自主學習。

圖2 “教—學—研—用”一體化培養(yǎng)模式

課程重構整合后的內(nèi)容分為四部分：第一部分為緒論，主要介紹相關的基礎理論，并且以實際案例來介紹神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊系統(tǒng)和進化計算，將理論與實踐聯(lián)系起來。其他三部分分別介紹了神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊系統(tǒng)和進化計算的相關概念、案例、拓展應用和學術前沿，增加課程的時效性和實用性。

（二）改進教學方法，提高創(chuàng)新能力

“計算智能”是一門范圍廣、知識點多、與現(xiàn)實結合緊密的課程［4］。為了拓展學生的科研視野，研究生“計算智能”課程內(nèi)容應以知識理解為基礎、實踐應用為手段、能力提高為指向。首先，要重視教學，“以本為本”，基于課堂的教學是人才培養(yǎng)的基礎，在課堂上完成知識的傳授是目前效率最高的手段之一；其次，采用新穎有效的教學方法，以保證課堂教學內(nèi)容能被學生理解甚至融會貫通，讓學生主動思考，避免填鴨式教育的弊端。通過分享學校或當前最新的研究成果激發(fā)學生的研究興趣，通過實踐項目激發(fā)學生對課程相關專業(yè)知識的興趣；最后，合理利用網(wǎng)絡資源，結合高校、企業(yè)平臺讓學生真正把知識內(nèi)化為創(chuàng)造力。為此，從教學方法入手，采取以學生為中心、問題驅(qū)動的理論教學和課題驅(qū)動的實踐教學［5］融合的教學方式，通過啟發(fā)式教學［6］、討論式教學［7］培養(yǎng)學生主動發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的意識，提高學生的創(chuàng)造力，并在“計算智能”課程教學過程中加以實施，以提高教學質(zhì)量。

1.問題驅(qū)動的理論教學法。問題驅(qū)動的教學實施過程是以日常生活中出現(xiàn)的與課程內(nèi)容相關的問題或當前的熱點問題為契機，引導學生對問題進行分析、交流，嘗試讓學生發(fā)現(xiàn)問題，進而引出其背后相關的概念、技術等。以遺傳算法中的多目標優(yōu)化為例，首先設計多目標場景，引導學生利用已掌握的知識嘗試解決，進而圍繞怎么比較兩個解的優(yōu)劣、最優(yōu)解的數(shù)量、最優(yōu)解的求解方法與學生展開討論，然后提出目前的難點問題供學生討論以及提供難度適中的例題來幫助學生鞏固課堂知識。問題驅(qū)動教學的效果與教師的課堂掌控能力和引導能力有很大的關系，因此需要教師與學生進行深度交流，及時反饋。

2.啟發(fā)式討論式教學法。從學生的實際出發(fā)，在教學過程中引導學生獨立思考，嘗試創(chuàng)新，調(diào)動學生的主觀能動性，讓學生結合目前的研究方向與計算智能知識進行結合，嘗試解決科研或項目中遇到的問題，同時通過小組交流討論促使不同領域的學生有意識地進行跨學科交流，自發(fā)學習掌握應用相關的知識，進而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。具體模式為設計問題—提供資料—啟發(fā)思路—討論互動—得出結論等。學期內(nèi)增加中期總結、討論交流、匯報分享等流程，發(fā)揮學生的主觀能動性，讓學生逐漸掌握“計算智能”課程相關基礎知識，進而獨立完成相關方向的進一步研究或相關項目。以目前比較火的神經(jīng)網(wǎng)絡為例，講解相關的知識前讓學生提前調(diào)研神經(jīng)網(wǎng)絡在其研究方向上的一些應用，并組織學生進行匯報交流，通過跨學科交流發(fā)散學生的思維，促使其將神經(jīng)網(wǎng)絡的知識應用在遇到的問題中。最后為學生提供一些硬件平臺和相關的基礎代碼，降低學生的負擔，使學生專注于自身研究方向上難點問題的解決。

3.課題驅(qū)動的實踐教學法。與本科生不同，研究生大多具有自己的研究方向和課題，“計算智能”課程可以為研究提供技術支持，鑒于課時和實際情況的限制，教師應精心挑選演示課題啟發(fā)學生思考，研究如何運用計算智能知識發(fā)現(xiàn)、分析、解決研究方向上的問題，提升學生的創(chuàng)新實踐能力。課題驅(qū)動的實踐教學法過程包含教師選擇擅長的研究領域或?qū)W校的重大科研成果作為研究課題供學生選擇，提供相關的基礎背景知識和一些經(jīng)典方法供學生參考，引導學生對課題進行分析、交流、實現(xiàn)，并鼓勵學生進行深入研究。與此同時，選擇一些最新的研究成果進行專題匯報，發(fā)散學生的思維，以小組的形式讓學生設計、實現(xiàn)、匯報課題的研究成果。最后對實踐成果進行評價和相互打分，并提供研究工具以便學生后續(xù)深入研究。

4.線上線下融合式教學法。目前，我國高等教育數(shù)字化改革不斷深化，高校教師使用混合式教學的比例已經(jīng)從2020年前的34.8%提升至84.2%，基本形成了一整套包括理念、技術、標準、方法、評價等在內(nèi)的中國特色高等教育數(shù)字化發(fā)展方案［8］。相比于傳統(tǒng)的線下教育，線上教育時間更加自由，方式更加靈活，更適合“計算智能”這種具有實踐性、理論性的課程。教師應充分結合線上線下教育資源合理安排課程內(nèi)容，將具有理論性、擴展性的課程放在線上供學生研究學習，具有討論性和啟發(fā)性的課程放在線下與學生互動交流，提高線下交流的效率，豐富和充實教學內(nèi)容。

（三）制訂實施新的教學方案

根據(jù)學生的知識掌握情況和目前接觸的教學內(nèi)容制訂教學計劃、實施教學方案。首先教師對課程需要掌握的理論知識以及學生現(xiàn)有的知識體系進行綜合分析和評估，對每個項目案例設計有效的教學環(huán)節(jié)，結合新的教學方法，使學生快速掌握相關知識點、拓寬學生視野的同時，讓學生嘗試跨學科解決遇到的現(xiàn)實問題，提高學生的創(chuàng)新能力和動手能力。此外，在教學方案的設計中，還要充分結合課程內(nèi)容體系、網(wǎng)絡資源、課外拓展及課時的安排情況，將理論教學、項目實踐教學以及熱點研究教學進行融合。設計教學方案時可借鑒國際一流大學的“計算智能”課程以及目前國際領先的研究成果，擴大學生國際視野的同時增加課程的趣味性和時效性。

為了增強學習效果，在每個章節(jié)每個問題講解后提出一些疑難問題、新的研究熱點或本校的相關研究成果，激發(fā)學生進一步探索的興趣并給學生提供相關的基礎代碼和硬軟件平臺，增加課后交流的渠道，引導學生獨立自主學習，提高創(chuàng)新實踐能力，為學生日后在相關領域的研究、實踐提供基礎。

（四）優(yōu)化考核方式

考核方式在課堂教學體系中有著重要的導向作用，良好的考核方式有利于提高學生的主觀能動性，讓學生取得更好的學習效果。傳統(tǒng)的“計算智能”課程考核模式一般由期末成績和平時成績組成，期末成績一般為考試成績或者大作業(yè)的評價，是一種終結性的考核；平時成績由上課表現(xiàn)、出勤率等組成，如果討論分享階段太少則無法有效地檢測學生的學習效果。學習是一種過程性的行為，因此需要建立一種全面的、過程性的考核方式評價學生的學習效果。著重考核學生平時在課堂教學中的討論和分享情況，設置專題匯報和代碼實踐作為平時作業(yè)考核的依據(jù)，通過問題的討論和作業(yè)的完成情況評價學生對知識的掌握情況和思維發(fā)散情況，針對學生的薄弱點動態(tài)調(diào)整教學策略。此外，提高課題實踐環(huán)節(jié)的分數(shù)比重，鼓勵同學匯報并互相打分，提高學生的課堂參與感，激發(fā)學生的學習積極性，有利于提高教學質(zhì)量。

結語

面向研究生的“計算智能”課程教學，應使學生能依據(jù)所學的計算智能基本原理和方法來分析、解決實際問題，開闊學生視野，培養(yǎng)學生自主探索新方法、新技術的能力，為之后繼續(xù)深造或就業(yè)提供基礎支持。在今后的教學實踐中，筆者將繼續(xù)探索“計算智能”課程相關的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)教學改革方法，完善課程內(nèi)容和教學案例，進一步豐富教學手段，持續(xù)提升教學質(zhì)量。