工程認證理念下“智能優化算法”課程改革研究與實踐

摘"要：隨著工程教育專業認證制度在高校的推廣，其所倡導的以學生為中心，以成果為導向的OBE教育理念，對本科教學模式的發展產生了深遠的影響，但對于該理念是否同樣適用于研究生課程的研究相對較少。本文從我校碩士研究生課程“智能優化算法”入手，對此問題進行了探討。首先分析了研究生課程當前存在的問題，其次研究了在課程目標、教學內容、教學方法和考核評價等方面的問題，踐行OBE教育理念的途徑，以期通過課程改革，提高研究生的科研素養和創新能力。

關鍵詞：智能優化算法；OBE理念；工程認證；課程改革

1"概述

隨著我國2016年加入工程教育學位互認協議——《華盛頓協議》，作為工程教育專業認證的核心理念，OBE（Outcome"Based"Education）教育理念在我國高校本科專業建設中得到了大力推廣。OBE教育理念強調在整個教學活動過程中，以學生為中心，以學習成果為導向，持續改進教學質量，最終實現對學生能力的培養。OBE教育理念對于促進學生達成專業畢業要求，實現人才培養目標，滿足社會人才需求，發揮了極其重要的作用［13］。

相較于本科課程，現有文獻對碩士研究生課程該如何踐行OBE教育理念，如何以學生能力培養為中心組織教學活動，如何利用該理念提升學生的科研能力和專業素質，研究相對較少。

本文以我校信息與通信工程專業的“智能優化算法”課程為例，對基于OBE教育理念的研究生課程教學改革進行了探討。首先，分析了信息與通信工程專業研究生課程現有教學活動中存在的問題；其次，基于OBE教育理念，針對問題，對“智能優化算法”課程目標、課程內容、教學方法和考核評價四個方面進行了課程教學改革探索，以期實現對研究生科研素質和創新能力的綜合提高。本課題的研究可為同類高校的相關課程提供教學模式參考。

2"目前研究生課程教學存在的問題

2.1"課程定位不清晰

課程教學中，主講教師不清楚所講課程對研究生能力培養的支撐作用，不能以研究生能力培養為中心組織教學，課堂上不能引導學生理解課程在培養過程中的地位和角色，致使研究生對課程的作用了解不深，不清楚課程知識和科學研究的相互關系。學習的目的僅僅是為了完成培養方案規定的教學任務，過于注重考試內容，課程參與度不高，缺乏與課程內容相關的深度知識探索，難以培養學生的科研能力和綜合素質。

2.2"教學內容更新慢

信息與通信工程專業知識日新月異，如當前人工智能生成技術的大規模應用，6G通信技術的大規模研究等，對信息與通信工程專業的課程內容都提出了新的要求。相反的是，研究生的教材內容更新相對緩慢。比如本課題所研究的“智能優化算法”課程，課本中所講述的優化算法多是以粒子群、遺傳算法等傳統優化算法為主，缺少對當前最新研究成果的追蹤。其優化實例也多是針對信息與通信工程專業的老問題，缺乏符合當前現實的案例分析，以及與行業發展趨勢接軌的項目探究，致使學生知識面狹窄，對當前新技術、新問題的研究不充分，無法獲得行業內最新的知識與經驗，影響學生創新能力的培養。

2.3"教學過程缺少知識探索

目前教學活動中，教師對學生能力培養普遍重視不足，更傾向于理論教學，課堂直接傳授課本知識，研究生被動接收，屬于照本宣科式教學。授課過程缺少知識的探索與碰撞，不能從多個角度和多個層次激發學生的學習興趣，學生難以從課程學習中受到啟發，所學知識難以指導自己的科研探索，使得教學實效大打折扣，難以滿足研究生解決復雜科研問題的能力需要。另外，目前的課程考核機制不是專門針對學生能力水平的考核，起不到能力培養的引導作用，課程考核體系還有待進一步完善和細化。

3"OBE理念下的“智能優化算法”課程教學設計

“智能優化算法”是一門以數學為基礎，模擬生物進化、種群行為或物理現象的算法設計和分析課程，是傳統最優化算法的補充和改進［46］。從課程地位來講，在信息與通信工程專業的課程體系中，“智能優化算法”是一門專業選修課程，希望通過本課程系統地學習智能優化領域的專業知識和技能，在以后的實際科研活動中，能針對通信或信號處理領域的復雜待優化工程問題，提出有獨到見解的智能優化解決方案，從而培養學生對信息與通信領域復雜工程問題的分析能力、算法設計能力和創新能力，對學生獨立科研能力的提高具有重要作用［7］。

在課程整體教學設計中，從課程目標、教學內容、授課方式到課程考核，始終貫徹工程認證OBE教育理念，以學生為中心，以學生能力培養為導向，持續改進課程教學效果。

3.1"設立有明確能力要求的課程目標

課程目標是課程大綱中的首要內容，體現了課程在整個培養體系中對畢業要求的支撐作用，規定了學生學習該課程的直接目的。根據OBE教育理念以學生能力培養為中心的要求，依據學生畢業要求中關于能力培養的需要，制定課程的課程目標。具體到“智能優化算法”課程，要求研究生通過課程的學習，從理論和技術上掌握經典的和新穎的智能優化算法，提升解決復雜工程問題的能力和獨立進行學術研究的能力，培養具有科學思維、創新意識和開闊視野的高端專業技術人才。具體的課程目標包括以下方面。

（1）科學思維養成。能夠基于科學原理、采用科學方法對研究中遇到的復雜工程問題進行分析與解釋，并能科學地設計實驗方案，通過信息綜合得到合理有效的結論。

（2）創新能力培養。對智能優化算法的特性有深刻的認知，能夠對研究中遇到的復雜工程問題進行建模，并有針對性地根據模型特點選用和改進優化算法，或創新性地提出新的優化解決方案。

（3）開闊的視野。具備一定的國際視野，對優化算法的國內外發展動態有良好的掌握，能運用優化算法的新理論、新方法解決研究中遇到的問題，并理解其局限性。

為了實現上述課程目標，“智能優化算法”的課程內容、授課方式和課程考核都圍繞其課程目標進行設計。

3.2"制定面向能力培養的課程內容

課程內容是學生學習的重點，是課程目標的具象化。只有通過對課程內容的學習，學生才有可能達到課程目標的要求，實現課程教學的目的。在工程教育認證OBE理念下，首先，根據“智能優化算法”課程的課程目標，反向設計課程教學內容。“智能優化算法”的課程內容主要包括啟發式優化的理論基礎、典型的智能優化算法和算法特性分析等知識模塊。在具體內容上，注重和信息與通信工程學科前沿相結合，緊跟學科前沿發展趨勢，動態學習新知識新方法，培養研究生創新意識。其次，注重課程內容的深度和廣度，提升課程內容的高階性。為了培養學生的創新能力，以科研反哺教學，將智能優化算法學術前沿成果運用到信息與通信工程專業研究生的真實科研中，形成經典案例。最后，在課程中適當引入思政內容，提高學生科學素養。教學內容和課程目標之間的關系如表1所示。

表1"課程目標、教學內容和授課方式對應關系表

課程目標課程教學內容授課方式

課程目標（1）智能優化算法概論、啟發式優化的基本概念及思想、經典測試函數、問題的計算復雜性、NP問題、鄰域的概念多媒體講授、探究、案例教學

課程目標（2）貪婪算法、禁忌搜索、模擬退火、遺傳算法、粒子群算法、經典案例分析案例教學、翻轉課堂、實訓項目

課程目標（3）國內外文獻查閱、自學蟻群、蜂群、哈里斯鷹優化算法、Matlab程序實現自主學習

課程目標（1）的課程內容包括：（1）智能優化算法概論、啟發式優化算法的基本概念及思想等。通過從簡單搜索到智能優化算法知識，從遺傳算法的起源到現代優化技術，讓學生從算法演化過程中體會前人對復雜問題的處理脈絡，從而形成啟發式優化的思想，實現從簡單到復雜的科學思維發展。（2）復雜待優化問題描述，包含了問題的計算復雜性、NP問題的概念等。通過問題的計算復雜性的分析和對NP問題的介紹，讓學生掌握復雜問題的分類，理清什么樣的問題需要優化，什么樣的問題才需要智能優化，并對問題的復雜性有一定的認知，如多峰問題、動態問題、多目標問題等。只有這樣，才能在后期優化算法設計中提出有針對性的解決方案。

課程目標（2）的課程內容包括：（1）從簡單的智能優化算法貪婪算法講起，逐漸根據問題的復雜性深入復雜的智能優化算法，如禁忌搜索、模擬退火、遺傳算法、粒子群算法等，讓學生實現從簡單到復雜的思維跳轉，并在算法的魯棒性、精度、速度等性能分析中，體會算法如何通過設計實現探索與開發、精度與速度的平衡。（2）對算法進行經典問題案例分析。通過對信息與通信工程領域存在的經典問題進行建模，通過優化算法解決該問題，并進行算法性能分析，讓學生掌握算法的應用方式。同時要求學生針對自己科研中遇到的優化問題進行建模，并選用合適的智能優化算法，在此基礎上改進并進行性能分析，增加研究生實踐能力和創新能力。

課程目標（3）對應的課程內容主要通過國內外文獻查閱、最新的智能優化算法自學等方式實現，并在學生自學的基礎上，分析幾個較新的如哈里斯鷹優化智能算法，以拓寬學生視野，開闊思維模式，提高創新能力。

3.3"采用能實現能力訓練的授課方式

授課方式是教師在知識傳授過程中采用的手段和方法，不同的授課方式會對學生的學習效果產生不同的影響。研究生的課程具有和本科生課程不同的特點，更強調通過采用不同的授課方式，促進學生科研能力的培養。在工程教育認證OBE理念下，“智能優化算法”課程授課方式采取了以學生為中心，以學生能力培養為導向，針對“智能優化算法”課程目標的特點和要求，確定能支撐課程目標實現的授課方式、方法，針對不同課程目標的主要授課方式如表1所示。

針對課程目標（1）科學思維養成，課堂對于智能優化算法的基本概念和核心思想，主要采用多媒體講授和探討的方式進行學習。通過討論或探究活動，引導學生分析和認識問題。以實際通信工程問題為例進行研討，如對頻譜利用率最優化設計，在研討過程中拆解數學建模步驟，分析問題的復雜性及特點，引導學生采用智能優化算法進行求解。每個學生獨立完成優化方案，并進行優化效果對比分析，如各種方案的收斂速度、收斂精度，查找差別原因，對算法調優。通過此過程訓練，學生形成科學的思維方式，培養學生解決復雜工程問題的綜合能力。

針對課程目標（2）創新能力培養，課堂主要采用案例教學的方式，對鄰域優化和全局優化進行分類，并主要分析禁忌搜索、模擬退火、遺傳算法和粒子群算法的各自特點、適用場景。通過對多個智能優化算法進行分析，提出一般性優化規律。采用翻轉課堂互動方式，轉變師生角色，提升互動效能。分小組研討優化過程中跳出局部最優陷阱的方法、算法全局探索和局部開發的平衡、收斂速度和收斂質量的平衡，實現研究生對智能優化算法的深刻認知。在此基礎上，課后布置工程優化真實案例問題，訓練學生根據問題特征有針對性地改進或創新優化方式，并分析其優化性能，鼓勵學生進行獨立思考和探究，提高創新性地解決工程問題的能力。

針對課程目標（3）開闊的視野，主要通過自主學習，引導學生查閱最新文獻資料，緊跟發展最新動態，了解最新發展趨勢。另外，自學課堂中沒有講到的蟻群、蜂群和哈里斯鷹等優化算法，吸取多種優化算法的精髓，拓寬視野。

在授課過程中，及時進行學習效果形成性評價，掌握學生學習狀態，改進教學方法。期末根據學生課程論文的質量，對每個課程目標的達成情況進行綜合評價分析，查找反饋授課過程中存在的問題，持續改進課程教學質量，以提升課程目標達成度。

結語

研究生在科研活動過程中會遇到各種各樣的復雜工程問題，其中可能是NP問題，難以通過傳統解析方法求解。本文依據OBE教育理念，面向產出的“智能優

化算法”課程教學，研究了如何針對能力培養要求，科學合理地設計教學過程，最終提高學生的科學素養和解決復雜工程問題的能力。

參考文獻：

［1］賓辰忠，李德明.OBE理念下網絡空間安全專業操作系統課程改革研究［J］.創新創業理論研究與實踐，2024，7（04）：1921.

［2］黃喆.基于OBE理念的西方經濟學課程改革的思考［J］.現代商貿工業，2024，45（09）：238240.

［3］孟超，李赫亮，董世知，等.基于OBE理念的材料制備技術課程教學改革與實踐［J］.高教學刊，2024，10（12）：150153.

［4］李宏.“智能優化算法”碩士課程教學設計與實踐［J］.教育現代化，2020，7（50）：135138.

［5］黃宏博，潘淑文.數據智能類專業最優化類課程教學研究［J］.高教學刊，2020（21）：113115.

［6］張國輝，朱捷，郭勝會，等.新時代“智能優化與算法”課程教學改革探索與實踐［J］.科教文匯，2023（23）：109112.

［7］劉淼.智能算法在通信技術課程教學優化中的應用［J］.集成電路應用，2024，41（02）：314315.

基金項目：河北省省級研究生示范課程立項建設項目《智能優化算法》（項目編號：KCJSX2024078）

作者簡介：賈東立（1972—"），男，漢族，河北邯鄲人，博士研究生，教授，碩士生導師，研究方向：智能信號處理。