“智能優(yōu)化算法”碩士課程教學(xué)設(shè)計與實踐

“智能優(yōu)化算法〞碩士課程教學(xué)設(shè)計與理論〔〕:

摘要：針對"智能優(yōu)化算法";碩士課程教學(xué)形式改革和建立，從教學(xué)目的、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與手段、教學(xué)實驗等教學(xué)環(huán)節(jié)對課程的全過程進展了重新設(shè)計。將目的教學(xué)、探究式教學(xué)、案例教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)方法綜合運用到課程的教學(xué)理論中，采用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺、多媒體等教學(xué)手段，將課前線上預(yù)習(xí)，課中線上線下混合教學(xué)，課后線下編程實驗和線上提交實驗報告有機結(jié)合，拓展延伸了課堂，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性，培養(yǎng)了學(xué)生的研究才能和個性化開展。

關(guān)鍵詞：智能優(yōu)化算法；課程教學(xué)設(shè)計；網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺；混合教學(xué)形式；翻轉(zhuǎn)課堂

本文引用格式：李宏."智能優(yōu)化算法";碩士課程教學(xué)設(shè)計與理論[J].教育現(xiàn)代化,2022,7(50):135-138.

TeachingDesignandPracticeof"IntelligentOptimizationAlgorithm"MasterCourse

LIHong

(SchoolofMathematicsandStatisticsofXidianUniversity,Xi'anShaanxi)

Abstract:Inviewofthereformandconstructionoftheteachingmodeof"intelligentoptimizationalgorithm"mastercourse,thewholeprocessofthecourseisredesignedfromtheteachingobjectives,teachingcontents,teachingmethodsandmeans,teachingexperimentsandotherteachinglinks.Objectiveteaching,inquiryteaching,caseteaching,flippedclassroomandotherteachingmethodsareprehensivelyappliedtotheteachingpracticeofthecourse.Thenetworklearningplatform,multimediaandotherteachingmeansareusedtoorganicallybinethepreviewonthefrontlineoftheclass,theonlineandofflinemixedteachingintheclass,theofflineprogrammingexperimentafterclassandtheonlinesubmissionoftheexperimentalreport,whichexpandstheclassroomandstimulatesthestudents'interestinlearningInterestandinitiative,cultivatestudents'researchabilityandpersonalizeddevelopment.

Keywords:Intelligentoptimizationalgorithm;Courseteachingdesign;Networklearningplatform;Mixedteachingmode;Flippedclassroom

一引言

隨著國內(nèi)第一份?"互聯(lián)網(wǎng)+";研究報告?的出臺，推動了"互聯(lián)網(wǎng)+";在高等教育教學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)新的探究與理論[1,2]。在此背景下，以"互聯(lián)網(wǎng)+教育";為特征的3.0教學(xué)形式應(yīng)運而生，形成了一種全新的教學(xué)形態(tài)【3】。翻轉(zhuǎn)課堂、慕課、微課程等教學(xué)形式快速崛起，信息技術(shù)對教育教學(xué)產(chǎn)生了極大的影響，因此，需要重新考慮新形式下的教育教學(xué)信息化問題，打造教育教學(xué)新生態(tài)，構(gòu)建開放、靈敏、多元、富有活力的教學(xué)形式，從而為學(xué)生提供適宜的高質(zhì)量教育教學(xué)【3】。為此，我校打造和建立智能校園，搭建智慧教室、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺等互聯(lián)網(wǎng)教育資源軟硬件配置，互聯(lián)網(wǎng)覆蓋到全校，促進學(xué)校教育智能化深度、可持續(xù)開展，為課程教學(xué)形式改革與理論提供了效勞平臺。我們課題團隊負(fù)責(zé)的碩士課程"智能優(yōu)化算法";是非常適宜在這些效勞平臺進展課程探究、設(shè)計和理論的課程之一。

目前，國內(nèi)外許多理工科院校都開設(shè)了相關(guān)課程講解智能優(yōu)化算法及其應(yīng)用，雖然課程名稱不同，但涉及的內(nèi)容大體相仿，只是側(cè)重點有所不同[4-7]。我院開設(shè)的"智能優(yōu)化算法";是專門為應(yīng)用數(shù)學(xué)、運籌學(xué)與控制論、統(tǒng)計學(xué)專業(yè)所設(shè)置，側(cè)重于理論分析和算法設(shè)計。該課程最初開設(shè)于1998年，是一門理論性與理論性結(jié)合嚴(yán)密的穿插性算法課程。需要有概率論與統(tǒng)計學(xué)、隨機過程、運籌學(xué)、數(shù)值方法、最優(yōu)化方法等知識，也需要熟悉Matlab、Python、C語言等編程語言。

作為一種優(yōu)化工具，智能優(yōu)化算法與傳統(tǒng)的最優(yōu)化方法具有互補性。那些不適宜傳統(tǒng)優(yōu)化算法求解的優(yōu)化問題可以借助于智能優(yōu)化算法解決。目前，國內(nèi)外許多學(xué)術(shù)機構(gòu)和專家學(xué)者都建有相關(guān)的智能優(yōu)化算法的網(wǎng)站和個人主頁，提供相關(guān)最新的研究成果和程序代碼，這些對學(xué)習(xí)本門課程都是有幫助的。同時有關(guān)計算機、人工智能等領(lǐng)域的學(xué)術(shù)刊物和國際會議提供了大量的學(xué)術(shù)論文可供教師和學(xué)生學(xué)習(xí)和參考。由于智能優(yōu)化算法內(nèi)容豐富、更新速度快、應(yīng)用廣泛，這就需要教師閱讀大量文獻，然后不斷更新教案內(nèi)容，提供應(yīng)學(xué)生一些新的優(yōu)秀的成果，為學(xué)生以后應(yīng)用智能優(yōu)化算法打好根底。

二教學(xué)改革目的和內(nèi)容設(shè)置

在"互聯(lián)網(wǎng)+教育";背景下，"智能優(yōu)化算法";這門課主要目的應(yīng)該以將理論知識有效轉(zhuǎn)化為理論才能為主，做到學(xué)以致用。通過學(xué)習(xí)一些代表性智能優(yōu)化方法的理論和算法，掌握智能優(yōu)化算法的設(shè)計原理和技巧，進步學(xué)生編寫代碼的程度，以及將智能優(yōu)化算法應(yīng)用于實際問題的才能。

我院開設(shè)的"智能優(yōu)化算法";課程的教學(xué)包括以下幾方面模塊：簡要介紹智能優(yōu)化算法概況，提出學(xué)習(xí)要求和學(xué)習(xí)方法。詳細(xì)講解有廣泛應(yīng)用的代表性智能優(yōu)化算法原理、理論、實現(xiàn)技術(shù)與開展。智能優(yōu)化算法在全局優(yōu)化、約束優(yōu)化、多目的優(yōu)化、組合優(yōu)化、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。針對性的最新專題文獻閱讀，代表性算法的代碼分析、理解與實現(xiàn)。詳細(xì)教學(xué)模塊和教學(xué)內(nèi)容列在表1中。

三教學(xué)方法與手段

智能優(yōu)化算法是一門集數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)和人工智能的穿插學(xué)科，具有理論性強、更新速度快、應(yīng)用廣泛等特點，要求教師具有跟蹤最新文獻的才能、較高的編程才能和計算機應(yīng)用才能。由于內(nèi)容多，實際操作性強，所以僅靠課堂學(xué)習(xí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要借助"互聯(lián)網(wǎng)+";的教學(xué)形式，使得課內(nèi)外有機結(jié)合，形成閉環(huán)。圖1是智能優(yōu)化算法教學(xué)方法與手段總體框架設(shè)計，其流程構(gòu)造包含課前、課中和課后全過程，有前饋途徑和反響途徑，形成整個課程閉環(huán)。

〔一〕線上建課

按照教學(xué)大綱〔每三年修訂一次〕的總體要求，查閱本領(lǐng)域的有影響力的中英文參考書和文獻資料，寫教案，并設(shè)計課件。在學(xué)校搭建的空間網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺上，開展課程的網(wǎng)絡(luò)化建立。可編輯教學(xué)大綱、教學(xué)目錄和教學(xué)內(nèi)容，上傳學(xué)習(xí)資料，如課件、參考書和相關(guān)論文等文獻、建算法代碼庫，錄微課等供學(xué)生自主學(xué)習(xí)。布置作業(yè)、發(fā)放通知和課程評價問卷，學(xué)生簽到，互動討論等，都可通過網(wǎng)絡(luò)平臺進展，并對學(xué)生學(xué)習(xí)情況統(tǒng)計分析。不受時間地點限制，延伸了課堂教學(xué)。

〔二〕課程教學(xué)設(shè)計規(guī)劃與施行

表1針對詳細(xì)教學(xué)模塊列出了所使用的教學(xué)方法。為了增大課程的信息量，展示算法程序代碼、各種圖形、曲線和表格等，采用線上和線下、板書和多媒體等教學(xué)手段相結(jié)合的授課方式，擴大知識面，進步學(xué)習(xí)興趣。為了進步學(xué)生對課堂教學(xué)內(nèi)容的理解和應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新才能和動手才能，采用課堂講授與課外編程實驗相結(jié)合。根據(jù)學(xué)生的實際情況，將學(xué)生分組，采用分組討論完成專題研討任務(wù)。對不同的課程內(nèi)容和環(huán)節(jié)，采用靈敏多樣的教學(xué)方法。如采用教師設(shè)問，學(xué)生分組討論，給出解答的啟發(fā)式教學(xué)；也可采用教師設(shè)定專題目的，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)查找文獻、自我消化，給出自己方案的目的教學(xué)；根據(jù)學(xué)生對某方面問題的學(xué)習(xí)興趣和研究方向，開展以學(xué)生自學(xué)為主，教師指導(dǎo)為輔的探究性教學(xué)，也可多種教法結(jié)合使用。在"互聯(lián)網(wǎng)+";背景下催生的翻轉(zhuǎn)課堂，特別適宜本課程教學(xué)，在不同的章節(jié)增加了這種教學(xué)方式，進步學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)才能。對某些知識點或?qū)ｎ}，自己錄制一些微課，也可以采用國內(nèi)外專家的短視頻，以豐富課程資源。

〔三〕教學(xué)實驗

本課程的最大特點就是理論性和理論性相結(jié)合，通過編寫算法代碼，實現(xiàn)算法，才能理解算法，將算法的應(yīng)用到求解實際問題。表1列出了各教學(xué)模塊所要完成的實驗。教師課前對各實驗列出詳細(xì)要求，算法結(jié)果的展示形式，如需要什么樣的表和圖，結(jié)論是什么，發(fā)到課程學(xué)習(xí)平臺。課中教師講授算法原理，算法過程，理論分析，參數(shù)設(shè)置等知識。學(xué)生需要課后編寫程序代碼，并調(diào)試程序，給出算法結(jié)果，并根據(jù)要求對結(jié)果作統(tǒng)計分析，完成實驗報告。實驗報告和算法代碼由學(xué)生提交到課程網(wǎng)絡(luò)平臺。教師根據(jù)代碼的編寫質(zhì)量、運行效果，實驗報告的完成情況，給出評分。

為了對算法有深化認(rèn)識，課外需要不斷閱讀新文獻，吸收新成果，定期發(fā)到課程學(xué)習(xí)平臺，供學(xué)生學(xué)習(xí)。對附有代碼的文獻，學(xué)生可以實現(xiàn)源代碼，加深對原文理解。學(xué)生根據(jù)自己興趣，課外對某一類算法進展專題文獻查找、閱讀與分析，改良原算法，完成實驗任務(wù)。

〔四〕教學(xué)測量與評估

為了全面、科學(xué)地評價學(xué)生的理論學(xué)習(xí)程度、文獻閱讀才能、動手編程才能，考核方式采用期末閉卷考試、自選專題文獻閱讀作業(yè)和實驗報告三局部。閉卷考試占70%，主要考核學(xué)生對相關(guān)知識的理論學(xué)習(xí)程度，以及分析問題、解決問題的才能。自選專題文獻閱讀作業(yè)占10%，根據(jù)個人興趣和應(yīng)用需要，選擇一個專題，自己查閱近三年中英文相關(guān)文獻假設(shè)干篇，分析、總結(jié)、整理得到核心知識，形成作業(yè)。主要考核學(xué)生的閱讀和寫作才能。編程實驗占20%，針對每個教學(xué)模塊的程序代碼和實驗報告的評分情況，網(wǎng)絡(luò)平臺匯總給出此項成績。主要考核學(xué)生的算法理解和實現(xiàn)、算法的評價，以及編寫程序、調(diào)試程序等才能。通過這種評價方式，盡可能地全面評價學(xué)生對本門課程的掌握程度，也能催促學(xué)生學(xué)好理論知識的同時，加強文獻閱讀、編程和寫作等動手才能的訓(xùn)練。

〔五〕教學(xué)反響

為了評估教學(xué)滿意度和存在問題，可以在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺上設(shè)計和發(fā)布匿名調(diào)查問卷，并反響調(diào)查結(jié)果，作為進一步改良教學(xué)的根據(jù)。結(jié)合學(xué)生成績，綜合分析評價教學(xué)效果，提出改良方案。

四分析與考慮

為了進步"智能優(yōu)化算法";課程的教學(xué)質(zhì)量，我們給出了下面的分析與考慮。

〔一〕課程教學(xué)與科研理論相結(jié)合

教師的科研才能和科研程度對進步教學(xué)質(zhì)量有重要影響。一般而言，科研方向和課題具有一定的前瞻性，教師對相關(guān)領(lǐng)域的國內(nèi)外研究動態(tài)充分理解，因此，可以把一些新思想、新方法作為補充在課堂上講給學(xué)生，給他們以啟發(fā)，在條件允許的情況下引導(dǎo)學(xué)生進一步探究。

〔二〕課堂講授與專題討論相結(jié)合

教師在課堂只講授根本原理和方法，對細(xì)節(jié)問題并不深究。為了對詳細(xì)問題和相關(guān)知識進展深化探究，需要對它們做專題討論。例如，在學(xué)完全局優(yōu)化問題及其求解算法后，學(xué)生想深化理解差分進化算法和粒子群算法以及它們的改良算法求解全局優(yōu)化問題的性能比擬，就可以查找假設(shè)干篇有代表性的文獻進展專題討論，或自己編程測試標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)比照算法性能。

〔三〕算法講解與程序分析相結(jié)合

分析和講解一些代表性的智能優(yōu)化算法，是本課程教學(xué)的重點，也是智能優(yōu)化算法的核心和算法應(yīng)用的根底。為了理解算法的性能〔可行性、魯棒性和有效性〕，需要編程和計算機實現(xiàn)。編程是多數(shù)初學(xué)者欠缺的地方和難點。因此，有必要以專題形式將局部算法和程序?qū)φ罩v解和分析，這些算法的源代碼，可以是MATLAB語言，也可以是C語言。例如，講了遺傳算法后，可以展示二進制編碼的遺傳算法和實數(shù)編碼的遺傳算法求解無約束優(yōu)化問題的MATLAB代碼，從而對兩種編碼的優(yōu)缺點有了一定認(rèn)識，加深學(xué)生對算法的感性認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。

〔四〕課程教學(xué)與文獻研讀相結(jié)合

從教師角度來講，需要研讀智能優(yōu)化算法領(lǐng)域國內(nèi)外最新的成果來補充教案，防止知識老化，跟不上時代。從學(xué)生角度來講，學(xué)完某一類智能優(yōu)化算法后，對該類算法有了一定的理解和根底，假設(shè)從興趣和以后的應(yīng)用出發(fā)，需要研讀最新的相關(guān)文獻，以加深理解和擴大知識面。

五結(jié)語

"智能優(yōu)化算法";課程是一門開放的課程，課程內(nèi)容豐富，教學(xué)方法靈敏，應(yīng)用廣泛，學(xué)生對本課程興趣濃重。本課程教學(xué)改革及課程建立是加強本課程的開展和進步教學(xué)質(zhì)量的必由之路，同時，也是相關(guān)專業(yè)建立與開展的關(guān)鍵一環(huán)。本文主要討論了該課程教學(xué)環(huán)節(jié)的相關(guān)內(nèi)容，除此之外，該課程的施行還涉及到教材規(guī)劃與建立、課程軟件庫的建立、因材施教的詳細(xì)措施等多方面的研究。課程教學(xué)設(shè)計與理論是教學(xué)改革的重要環(huán)節(jié)，必須與當(dāng)前的"互聯(lián)網(wǎng)+教育";的教學(xué)3.0時代步伐一致，在開展中求創(chuàng)新，在創(chuàng)新中求質(zhì)量。

參考文獻

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【3】曹培杰