研究生“计算智能”课程教改实践探索

武 越，王梦琪，马文萍，张希颖

(西安电子科技大学 a.计算机科学与技术学院；b.本科生院；c.人工智能学院，陕西 西安 710071)

引言

计算智能通过对自然智能原理和模式进行学习形成优化模型，并将其应用于解决实际工程问题。在人工智能高速发展的今天，海量、非结构化的数据处理给信息科学带来了巨大的挑战，计算智能的发展已经成为智能理论和技术发展的崭新阶段。因此，“计算智能”课程是信息科学中发展最快的热点问题之一，通过对课程的学习可以为学生深入研究计算机科学奠定理论基础和提供技术支持［1］。

一、“计算智能”课程教学现状分析

研究生“计算智能”课程在教学过程中仍然存在以下主要问题。

（一）课程体系性差

因为计算智能与人工智能、脑科学、生物学、语言学和神经科学等学科交叉发展，互相影响，理论性较强，起点高，不易理解，并且“计算智能”课程涉及内容多，分类体系杂，所以怎样选择适合的教学内容十分重要。现有课程的学习目标只是笼统地罗列知识点，对知识的梳理讲解不够透彻，使得课程教学滞留在知识灌输阶段，不利于学生创新、科研能力的培养。

（二）教学内容陈旧，教学方法单一

近几年，计算智能领域得到了极大的发展，相关国际领先研究和落地项目层出不穷，国内外科技领域对相关热门方向人才需求的缺口也逐渐增大。然而，“计算智能”课程的教学多数依然停留在以知识灌输为特征的教材基础理论讲解为主，上机实验和课后作业为辅的传统教学阶段，学生无法了解最新的理论和技术，且与实际应用存在割裂，极大地限制了学生实践能力、创新能力和科研能力的培养［2］。

“计算智能”课程的原理具有抽象性，而应用则具有很强的实践性。在实际教学过程中，大多数教师以理论讲授为主，学生很难接触具体的应用场景和实践课题，同时由于缺乏讨论交流，学生难以运用理论知识解决现实或科研中遇到的问题，与实行产学研用协同育人的人才培养理念相矛盾。

（三）课程考核方式单一

传统“计算智能”课程的考核方式一般以期末闭卷考试成绩或大作业完成情况来评定学生的学习效果，具有一定的局限性，经常有学生将全部的希望寄托于考前其他同学快速讲解的重点，完全不利于对知识的理解、能力的提升和思想的创新。学习是一种过程性的行为，因此需要建立一种全面的、过程性的考核方式来评价学生的学习效果［3］。

二、“计算智能”课程教学改革措施

研究生“计算智能”课程强调从“知识输出”转变为“能力导向”。以知识理解为基础、实践应用为手段、能力提高为指向，为培养一流人才奠定信息化的基础。“计算智能”课程教改设计框架如图1所示。

（一）细化教学目标，重构教学内容

研究生“计算智能”课程的教学目标是为了让学生能做到以下三点：一是了解计算智能领域的发展及现状；二是掌握计算智能的基本概念、常用算法和相关方法；三是能够运用计算智能知识来分析和解决实际问题。在课程内容的组织上强调计算智能基本算法原理的教学，注重从实际问题和实际课题入手，构建“教—学—研—用”一体化培养模式(如图2所示)，使学生学会独立自主学习。

图2 “教—学—研—用”一体化培养模式

课程重构整合后的内容分为四部分：第一部分为绪论，主要介绍相关的基础理论，并且以实际案例来介绍神经网络、模糊系统和进化计算，将理论与实践联系起来。其他三部分分别介绍了神经网络、模糊系统和进化计算的相关概念、案例、拓展应用和学术前沿，增加课程的时效性和实用性。

（二）改进教学方法，提高创新能力

“计算智能”是一门范围广、知识点多、与现实结合紧密的课程［4］。为了拓展学生的科研视野，研究生“计算智能”课程内容应以知识理解为基础、实践应用为手段、能力提高为指向。首先，要重视教学，“以本为本”，基于课堂的教学是人才培养的基础，在课堂上完成知识的传授是目前效率最高的手段之一；其次，采用新颖有效的教学方法，以保证课堂教学内容能被学生理解甚至融会贯通，让学生主动思考，避免填鸭式教育的弊端。通过分享学校或当前最新的研究成果激发学生的研究兴趣，通过实践项目激发学生对课程相关专业知识的兴趣；最后，合理利用网络资源，结合高校、企业平台让学生真正把知识内化为创造力。为此，从教学方法入手，采取以学生为中心、问题驱动的理论教学和课题驱动的实践教学［5］融合的教学方式，通过启发式教学［6］、讨论式教学［7］培养学生主动发现问题、解决问题的意识，提高学生的创造力，并在“计算智能”课程教学过程中加以实施，以提高教学质量。

1.问题驱动的理论教学法。问题驱动的教学实施过程是以日常生活中出现的与课程内容相关的问题或当前的热点问题为契机，引导学生对问题进行分析、交流，尝试让学生发现问题，进而引出其背后相关的概念、技术等。以遗传算法中的多目标优化为例，首先设计多目标场景，引导学生利用已掌握的知识尝试解决，进而围绕怎么比较两个解的优劣、最优解的数量、最优解的求解方法与学生展开讨论，然后提出目前的难点问题供学生讨论以及提供难度适中的例题来帮助学生巩固课堂知识。问题驱动教学的效果与教师的课堂掌控能力和引导能力有很大的关系，因此需要教师与学生进行深度交流，及时反馈。

2.启发式讨论式教学法。从学生的实际出发，在教学过程中引导学生独立思考，尝试创新，调动学生的主观能动性，让学生结合目前的研究方向与计算智能知识进行结合，尝试解决科研或项目中遇到的问题，同时通过小组交流讨论促使不同领域的学生有意识地进行跨学科交流，自发学习掌握应用相关的知识，进而培养学生的创新意识。具体模式为设计问题—提供资料—启发思路—讨论互动—得出结论等。学期内增加中期总结、讨论交流、汇报分享等流程，发挥学生的主观能动性，让学生逐渐掌握“计算智能”课程相关基础知识，进而独立完成相关方向的进一步研究或相关项目。以目前比较火的神经网络为例，讲解相关的知识前让学生提前调研神经网络在其研究方向上的一些应用，并组织学生进行汇报交流，通过跨学科交流发散学生的思维，促使其将神经网络的知识应用在遇到的问题中。最后为学生提供一些硬件平台和相关的基础代码，降低学生的负担，使学生专注于自身研究方向上难点问题的解决。

3.课题驱动的实践教学法。与本科生不同，研究生大多具有自己的研究方向和课题，“计算智能”课程可以为研究提供技术支持，鉴于课时和实际情况的限制，教师应精心挑选演示课题启发学生思考，研究如何运用计算智能知识发现、分析、解决研究方向上的问题，提升学生的创新实践能力。课题驱动的实践教学法过程包含教师选择擅长的研究领域或学校的重大科研成果作为研究课题供学生选择，提供相关的基础背景知识和一些经典方法供学生参考，引导学生对课题进行分析、交流、实现，并鼓励学生进行深入研究。与此同时，选择一些最新的研究成果进行专题汇报，发散学生的思维，以小组的形式让学生设计、实现、汇报课题的研究成果。最后对实践成果进行评价和相互打分，并提供研究工具以便学生后续深入研究。

4.线上线下融合式教学法。目前，我国高等教育数字化改革不断深化，高校教师使用混合式教学的比例已经从2020年前的34.8%提升至84.2%，基本形成了一整套包括理念、技术、标准、方法、评价等在内的中国特色高等教育数字化发展方案［8］。相比于传统的线下教育，线上教育时间更加自由，方式更加灵活，更适合“计算智能”这种具有实践性、理论性的课程。教师应充分结合线上线下教育资源合理安排课程内容，将具有理论性、扩展性的课程放在线上供学生研究学习，具有讨论性和启发性的课程放在线下与学生互动交流，提高线下交流的效率，丰富和充实教学内容。

（三）制订实施新的教学方案

根据学生的知识掌握情况和目前接触的教学内容制订教学计划、实施教学方案。首先教师对课程需要掌握的理论知识以及学生现有的知识体系进行综合分析和评估，对每个项目案例设计有效的教学环节，结合新的教学方法，使学生快速掌握相关知识点、拓宽学生视野的同时，让学生尝试跨学科解决遇到的现实问题，提高学生的创新能力和动手能力。此外，在教学方案的设计中，还要充分结合课程内容体系、网络资源、课外拓展及课时的安排情况，将理论教学、项目实践教学以及热点研究教学进行融合。设计教学方案时可借鉴国际一流大学的“计算智能”课程以及目前国际领先的研究成果，扩大学生国际视野的同时增加课程的趣味性和时效性。

为了增强学习效果，在每个章节每个问题讲解后提出一些疑难问题、新的研究热点或本校的相关研究成果，激发学生进一步探索的兴趣并给学生提供相关的基础代码和硬软件平台，增加课后交流的渠道，引导学生独立自主学习，提高创新实践能力，为学生日后在相关领域的研究、实践提供基础。

（四）优化考核方式

考核方式在课堂教学体系中有着重要的导向作用，良好的考核方式有利于提高学生的主观能动性，让学生取得更好的学习效果。传统的“计算智能”课程考核模式一般由期末成绩和平时成绩组成，期末成绩一般为考试成绩或者大作业的评价，是一种终结性的考核；平时成绩由上课表现、出勤率等组成，如果讨论分享阶段太少则无法有效地检测学生的学习效果。学习是一种过程性的行为，因此需要建立一种全面的、过程性的考核方式评价学生的学习效果。着重考核学生平时在课堂教学中的讨论和分享情况，设置专题汇报和代码实践作为平时作业考核的依据，通过问题的讨论和作业的完成情况评价学生对知识的掌握情况和思维发散情况，针对学生的薄弱点动态调整教学策略。此外，提高课题实践环节的分数比重，鼓励同学汇报并互相打分，提高学生的课堂参与感，激发学生的学习积极性，有利于提高教学质量。

结语

面向研究生的“计算智能”课程教学，应使学生能依据所学的计算智能基本原理和方法来分析、解决实际问题，开阔学生视野，培养学生自主探索新方法、新技术的能力，为之后继续深造或就业提供基础支持。在今后的教学实践中，笔者将继续探索“计算智能”课程相关的创新型人才培养教学改革方法，完善课程内容和教学案例，进一步丰富教学手段，持续提升教学质量。