摘要：智能計(jì)算是近年來興起的一類仿生計(jì)算方法，已在許多實(shí)際領(lǐng)域得到成功的應(yīng)用。本文以“智能計(jì)算”研究生課程為背景，結(jié)合多年來研究生課堂教學(xué)實(shí)踐，分別從教學(xué)內(nèi)容、課程特點(diǎn)、教學(xué)方法、教材建設(shè)和教學(xué)效果等方面進(jìn)行總結(jié)，對(duì)目前從事智能計(jì)算教學(xué)和學(xué)習(xí)者具有一定的參考價(jià)值。
　　關(guān)鍵詞：智能計(jì)算；課程特點(diǎn)；教學(xué)方法；教學(xué)效果
　　
　　1　背景
　　
　　目前，智能計(jì)算已成為人工智能界一個(gè)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，研究的最終目標(biāo)就是為了實(shí)現(xiàn)真正意義的人工智能圖景，為了讓計(jì)算機(jī)和集成有計(jì)算功能的各種工具及設(shè)備更加獨(dú)立、更加聰明、能夠自主思考和行動(dòng)，最終成為我們工作和生活中必不可少的得力助手。特別，物聯(lián)網(wǎng)作為信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮，從物聯(lián)網(wǎng)的概念中，我們不難看出它與計(jì)算，特別是智能計(jì)算的密切聯(lián)系，現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)上各種終端之間、它們與服務(wù)器端和存儲(chǔ)系統(tǒng)之間的溝通與互相響應(yīng)，其實(shí)都是有人在后面操作和控制的，但是在未來的物聯(lián)網(wǎng)里，物與物、物與人以及物與計(jì)算機(jī)設(shè)備之間的協(xié)作則要實(shí)現(xiàn)智能化和自動(dòng)化，不需要人們花費(fèi)太多的時(shí)間去介入、控制和管理。
　　舉例來說，一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的超市，其物流完全可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的管理。例如它可以通過設(shè)置在貨架和倉庫中的RFID標(biāo)簽讀取設(shè)備了解存貨信息，一旦要出現(xiàn)缺貨現(xiàn)象時(shí)，它就會(huì)立即將信息發(fā)送給超市的服務(wù)器系統(tǒng)，并由它自動(dòng)聯(lián)系行駛在路上的眾多送貨車輛里的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，查找哪輛貨車中有足夠的相應(yīng)商品，最后才會(huì)通知相關(guān)的司機(jī)，讓他將車駛向缺貨的超市，而此前的一切計(jì)算和通信的過程，都無需人工介入。
　　通過這個(gè)例子可以了解到，即時(shí)了解外界的環(huán)境和需求變化，并就變化進(jìn)行智能化、自動(dòng)化的信息處理和通信就是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。而這一技術(shù)，其實(shí)就是智能計(jì)算技術(shù)。智能計(jì)算的理論與方法已成功應(yīng)用于幾乎所有的科學(xué)與工程領(lǐng)域，特別是非線性系統(tǒng)辨識(shí)與控制、模式識(shí)別與智能系統(tǒng)、復(fù)雜系統(tǒng)建模與預(yù)測、計(jì)算材料學(xué)、生物醫(yī)學(xué)圖像處理、生物信息學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)等。因此，學(xué)習(xí)和研究智能計(jì)算技術(shù)，推動(dòng)智能科學(xué)技術(shù)專業(yè)教育，培養(yǎng)高層次智能計(jì)算技術(shù)人才，有著極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　在國外，開設(shè)智能計(jì)算課程的大學(xué)已非常普遍。在國內(nèi)，近幾年開設(shè)智能計(jì)算課程的中國大學(xué)越來越多，如清華大學(xué)、北京大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國科技大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等。另外，在計(jì)算機(jī)、電子、自動(dòng)化、系統(tǒng)和控制、材料等有關(guān)的國際會(huì)議上，均有智能計(jì)算相關(guān)的研究主題。智能計(jì)算相關(guān)的國際雜志和協(xié)會(huì)近幾年也越來越多，如：Spring出版的Swarm Intelligence，IEEE出版的IEEE Transactions on Evolutionary Computation，IEEE／ACM Transactions 0nComputationalBiology andBioinformatics等學(xué)術(shù)刊物。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及相關(guān)前沿學(xué)科的發(fā)展，智能計(jì)算已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)等專業(yè)開設(shè)的必修課之一，國內(nèi)外有關(guān)智能計(jì)算的教學(xué)內(nèi)容基本上大同小異。我校從2005年開始，在計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、計(jì)算數(shù)學(xué)碩士點(diǎn)開設(shè)智能計(jì)算必修課程，筆者主講該課程，以下結(jié)合自己的教學(xué)實(shí)踐，談?wù)勓芯可悄苡?jì)算課程的一些教學(xué)方法和經(jīng)驗(yàn)，并提出自己對(duì)該課程建設(shè)的一些看法和建議。
　　
　　2　教學(xué)內(nèi)容及課程特點(diǎn)
　　
　　智能計(jì)算課程的主要內(nèi)容包括：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)化算法、模糊系統(tǒng)、人工免疫系統(tǒng)、群體智能(模擬退火、蟻群、粒子群、蜂群、魚群、人口遷移、螢火蟲算法等)、量子計(jì)算、DNA計(jì)算等。智能計(jì)算不同于其他課程特點(diǎn)，它是一個(gè)交叉學(xué)科，主要特點(diǎn)有以下幾方面。
　　1)仿生法：仿生是智能計(jì)算一個(gè)非常重要的研究方法，它強(qiáng)調(diào)向自然界學(xué)習(xí)，采用類比的方法，通過模仿其中的原理規(guī)律以得到解決問題的一般方法。如蟻群、粒子群、蜂群、魚群、螢火蟲算法等，無不體現(xiàn)了仿生這一研究方法。此外，還有很多群智能算法通過模仿一些自然或物理現(xiàn)象和規(guī)律，如模擬退火算法通過模擬液體的結(jié)晶過程設(shè)計(jì)；免疫算法是模擬生物、植物或動(dòng)物免疫系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能設(shè)計(jì)的；量子、分子計(jì)算模擬量子論原理而設(shè)計(jì)；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬人的大腦結(jié)構(gòu)及信號(hào)處理過程而設(shè)計(jì)的；進(jìn)化算法是基于達(dá)爾文的“優(yōu)勝劣汰、適者生存”原理設(shè)計(jì)的。
　　2)實(shí)驗(yàn)法：智能計(jì)算源自于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及人們對(duì)自然界的深入思考，其中的算法有著合理的仿生背景，要徹底說清楚算法為什么行之有效，目前大多算法都缺乏嚴(yán)格的數(shù)學(xué)理論證明，從數(shù)學(xué)的角度分析算法的性能是比較困難的。因此，只能通過計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)去分析算法的性能，通過實(shí)驗(yàn)分析提高對(duì)算法機(jī)理的認(rèn)識(shí)，然后，尋求理論上的嚴(yán)格證明，改進(jìn)算法的性能。
　　3)融合策略：大量復(fù)雜問題的存在使得沒有一個(gè)算法是通用的，同樣，智能計(jì)算中的方法各有有點(diǎn)，也都有不足之處。算法的融合策略是取長補(bǔ)短，將不同的算法有機(jī)地結(jié)合起來，以提高算法的整體性能，提高算法的求解能力。融合策略通常將待融合的算法采用“串聯(lián)”、“并聯(lián)”、“包含”等模型來融合，其中待融合的算法考慮將智能算法和傳統(tǒng)的算法結(jié)合起來。這一方面，人們己作了大量的工作，取得了良好的效果。
　　4)系統(tǒng)理論：智能計(jì)算是為了解決復(fù)雜問題而發(fā)展起來的，系統(tǒng)理論主要包括協(xié)同論、突變論和耗散結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，這些對(duì)于指導(dǎo)算法設(shè)計(jì)、改進(jìn)算法和理解算法的復(fù)雜行為方面有指導(dǎo)意義。
　　
　　3　教學(xué)方法及教材建設(shè)
　　
　　針對(duì)智能計(jì)算課程內(nèi)容及其研究內(nèi)容，根據(jù)研究生教育規(guī)律、研究生學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，筆者采用的教學(xué)方法是“課堂講授、問題討論、課外研讀”相結(jié)合的教學(xué)方法，借助于多媒體教學(xué)手段，采用動(dòng)漫技術(shù)來實(shí)現(xiàn)智能算法的仿生機(jī)制，從源頭上讓學(xué)生體會(huì)每一種智能算法的仿生機(jī)制或一些自然或物理現(xiàn)象和規(guī)律，歸納起來有以下幾點(diǎn)：
　　1)結(jié)合智能計(jì)算課程的特點(diǎn)，確立“以大自然、社會(huì)等為學(xué)習(xí)對(duì)象，善于觀察其仿生機(jī)制或一些自然或物理現(xiàn)象和規(guī)律”作為理解智能計(jì)算課程概念、原理的關(guān)鍵點(diǎn)。
　　2)啟發(fā)學(xué)生在理解仿生機(jī)制或一些自然或物理現(xiàn)象和規(guī)律的基礎(chǔ)上，抽象出模擬進(jìn)化計(jì)算的一般框架。
　　3)講解計(jì)算智能的有關(guān)理論和算法，課程中穿插了大量的研究案例，告訴研究生如何使用計(jì)算智能方法解決各個(gè)工程領(lǐng)域的具體問題。
　　4)要求學(xué)生通過具體的研究項(xiàng)目，親自編寫自己的算法程序源代碼，培養(yǎng)研究生獨(dú)立解決問題的能力?？傊S著計(jì)算智能的快速發(fā)展，每年我們的教，學(xué)內(nèi)容和課件都在更新，以包括最新的研究內(nèi)容，尤其是我們自己的研究內(nèi)容，擴(kuò)大研究生的知識(shí)范圍。
　　近幾年，我們使用過國內(nèi)出版的多種有關(guān)智能計(jì)算教材，如高等教育出版社的《計(jì)算智能(第一分冊(cè))》、科學(xué)出版社的《計(jì)算智能中的仿生學(xué)：理論與算法》、《計(jì)算智能——理論、技術(shù)與應(yīng)用》等教材，但很快發(fā)現(xiàn)其中很多地方不適用，因此，我們?cè)诮虒W(xué)的過程中，對(duì)目前國內(nèi)出版有關(guān)智能計(jì)算教材，結(jié)合我們課題的研究，針對(duì)性選取一些內(nèi)容來制作課件和講義進(jìn)行教學(xué)。因此，建議智能計(jì)算相關(guān)專業(yè)的協(xié)會(huì)或出版社盡快組織教學(xué)經(jīng)驗(yàn)教師編寫適合于研究生教學(xué)的智能計(jì)算教材。
　　
　　4　教學(xué)效果評(píng)價(jià)方法
　　
　　智能計(jì)算理論與應(yīng)用這門具體課程來說，最重要的是注重學(xué)生的交叉學(xué)科知識(shí)和能力的培養(yǎng)。因此，本課程學(xué)習(xí)結(jié)束考察方式主要采用：1)閉卷考試。主要考察對(duì)智能算法原理的理解和綜合運(yùn)用能力。2)小作業(yè)。要求對(duì)介紹過群智能算法總結(jié)、分析、對(duì)比等，形成一個(gè)簡要總結(jié)報(bào)告，對(duì)介紹過多種智能算法的概念、原理、方法、應(yīng)用等方面進(jìn)行總結(jié)。3)大作業(yè)。檢查學(xué)生的動(dòng)手編程能力，要求對(duì)介紹過群智能算法的源代碼集成，形成一個(gè)演示系統(tǒng)。該門課成績分配如下：成績=閉卷考試(50％)+小作業(yè)(30％)+大作業(yè)(20％)。
　　
　　5　結(jié)語
　　
　　智能計(jì)算是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和人們對(duì)自然界的深入理解而發(fā)展起來，它強(qiáng)調(diào)對(duì)人類和其他生物、植物等智能行為的模擬，注重向自然界學(xué)習(xí)，汲取其中有益的規(guī)律和原理。與傳統(tǒng)的方法相比，智能計(jì)算具有自適應(yīng)、并行性、全局搜索等能力，尤其可解決一些大規(guī)模復(fù)雜問題。智能計(jì)算是人們研究自然以及人類社會(huì)自身的一種非常有效的手段，其應(yīng)用前景非常廣泛，目前已經(jīng)成為人工智能界研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。因此，在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、人工智能等相關(guān)專業(yè)開設(shè)智能計(jì)算課程是勢在必行，這有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　
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　　(編輯：姚彥