白梅　李冠宇　張俊　寧博　王習(xí)特

摘 要：探討如何開(kāi)展進(jìn)化計(jì)算的教學(xué)工作，從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)安排兩方面展開(kāi)介紹，最后說(shuō)明幾點(diǎn)啟示。目的是將進(jìn)化計(jì)算這一重要思想介紹給學(xué)生，使他們能夠了解進(jìn)化計(jì)算的內(nèi)容，更能靈活掌握進(jìn)化計(jì)算的思想，解決今后實(shí)際生活和科研中遇到的各類問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：智能系統(tǒng)導(dǎo)論；遺傳算法；教學(xué)啟示

1 背 景

智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)是面向高新技術(shù)的基礎(chǔ)型本科專業(yè)[1-2]。隨著科技的不斷發(fā)展，智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的地位越發(fā)重要，為國(guó)家培養(yǎng)大量的專業(yè)型技術(shù)人才，是我國(guó)推動(dòng)人工智能發(fā)展的基礎(chǔ)。智能系統(tǒng)導(dǎo)論作為智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，主要對(duì)人工智能發(fā)展歷史過(guò)程中的各種主要技術(shù)展開(kāi)專題性的介紹，旨在幫助學(xué)生理清人工智能學(xué)習(xí)中的各類技術(shù)脈絡(luò)，從而對(duì)不同種類的人工智能技術(shù)進(jìn)行良好的梳理[3]。

進(jìn)化計(jì)算[4]是智能系統(tǒng)導(dǎo)論中的一個(gè)重要專題，其深入模仿進(jìn)化原理，是人工智能發(fā)展歷史上一項(xiàng)突破性的科研成果。進(jìn)化思想可以有效應(yīng)用在各類組合優(yōu)化問(wèn)題中，能夠?yàn)閷W(xué)生將來(lái)的工作和研究提供良好的理論基礎(chǔ)。

2 教學(xué)內(nèi)容

進(jìn)化計(jì)算就是用計(jì)算機(jī)程序來(lái)模擬自然進(jìn)化的過(guò)程，是人工智能發(fā)展歷史上一個(gè)里程碑式的進(jìn)展。進(jìn)化計(jì)算的授課內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面。

（1）進(jìn)化計(jì)算的簡(jiǎn)介。包括進(jìn)化計(jì)算的歷史起源、進(jìn)化計(jì)算的核心思想、進(jìn)化計(jì)算的分類以及進(jìn)化計(jì)算的應(yīng)用等方面。通過(guò)對(duì)進(jìn)化計(jì)算的簡(jiǎn)介，使學(xué)生對(duì)進(jìn)化計(jì)算有整體的了解。

（2）遺傳算法及其應(yīng)用。詳細(xì)講解遺傳算法的基本原理、遺傳算法的步驟以及各種遺傳操作，并通過(guò)案例對(duì)遺傳算法的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)介紹。

（3）進(jìn)化策略的介紹。詳細(xì)講解進(jìn)化策略的問(wèn)題編碼、算法步驟以及進(jìn)化策略的遺傳操作。

（4）遺傳編程的介紹。詳細(xì)講解遺傳編程的問(wèn)題編碼、算法步驟和遺傳操作。

（5）總結(jié)。對(duì)比3種不同進(jìn)化計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)及他們遺傳操作的不同之處，并概括總結(jié)他們適用的實(shí)際問(wèn)題。

3 教學(xué)安排

3.1 問(wèn)題引入

智能系統(tǒng)導(dǎo)論作為本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課，不僅需要讓學(xué)生明白所學(xué)的知識(shí)，更需要有效引導(dǎo)學(xué)生的興趣，使他們對(duì)該學(xué)科產(chǎn)生興趣自發(fā)學(xué)習(xí)。那么在進(jìn)行問(wèn)題引入時(shí)，就需要對(duì)學(xué)生進(jìn)行興趣引導(dǎo)，使他們明確該知識(shí)點(diǎn)所依托的實(shí)際背景。在進(jìn)行一些基礎(chǔ)學(xué)習(xí)時(shí)，學(xué)生經(jīng)常會(huì)有疑問(wèn)，這個(gè)知識(shí)有什么用、是否有實(shí)際使用背景。這種情況下，就需要老師對(duì)學(xué)生進(jìn)行有效的知識(shí)聯(lián)想，清楚地告訴學(xué)生這個(gè)知識(shí)點(diǎn)所依托的實(shí)際背景，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，由教師灌輸知識(shí)模式轉(zhuǎn)變成學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)知識(shí)模式。

為達(dá)到上述目的，在對(duì)進(jìn)化計(jì)算進(jìn)行問(wèn)題引入時(shí)，教師對(duì)進(jìn)化計(jì)算的開(kāi)發(fā)背景進(jìn)行深入探討，從達(dá)爾文進(jìn)化理論入手，以短片的形式來(lái)引起學(xué)生的興趣，接著對(duì)照短片中的每個(gè)場(chǎng)景，進(jìn)行逐步講解，從而歸納出進(jìn)化計(jì)算的核心思想，并引出進(jìn)化計(jì)算的重要發(fā)展分枝：遺傳算法、進(jìn)化策略和遺傳編程。

3.2 理論介紹

當(dāng)把進(jìn)化計(jì)算思想成功引入后，需要對(duì)進(jìn)化計(jì)算的理論進(jìn)行有效的歸納和總結(jié)。進(jìn)化計(jì)算在長(zhǎng)久的發(fā)展過(guò)程中，出現(xiàn)了3個(gè)重要分枝算法：遺傳算法、進(jìn)化策略和遺傳編程。盡管這3種算法的核心思想相同，都是模擬 “優(yōu)勝劣汰”的自然選擇機(jī)制和遺傳信息傳遞的計(jì)算機(jī)程序，但在處理信息時(shí)，他們所采用的遺傳操作卻并不相同。因此，在授課過(guò)程中，教師需要對(duì)3種進(jìn)化計(jì)算方法以流程圖的形式并結(jié)合具體的案例分別進(jìn)行描述，然后以問(wèn)答的形式總結(jié)3種進(jìn)化計(jì)算的各自特點(diǎn)，并與學(xué)生共同探討，最終以表格的形式來(lái)描述3種進(jìn)化計(jì)算方法的不同點(diǎn)（見(jiàn)表1）。

表1 遺傳算法、進(jìn)化策略和遺傳編程的不同處項(xiàng)目 遺傳算法 進(jìn)化策略 遺傳編程

染色體表示 二進(jìn)制數(shù)字串 范圍變量 LISP列表處理語(yǔ)言

遺傳操作 選擇、交叉、突變 突變 選擇、交叉、突變

優(yōu)化方式 數(shù)值優(yōu)化 數(shù)值優(yōu)化 函數(shù)優(yōu)化

染色體長(zhǎng)度 固定 固定 不固定

在清晰描述3種進(jìn)化計(jì)算的不同之處后，以遺傳算法為例進(jìn)行詳細(xì)的講解，使學(xué)生對(duì)該案例進(jìn)行充分的了解，然后引導(dǎo)學(xué)生采用其他2種進(jìn)化計(jì)算方法對(duì)相同的案例進(jìn)行解決，從而強(qiáng)化學(xué)生對(duì)3種不同進(jìn)化計(jì)算方法的理解。

3.3 知識(shí)應(yīng)用

進(jìn)化計(jì)算有著非常廣泛的應(yīng)用，尤其在求解最優(yōu)化問(wèn)題上取得非常好的效果。為了在各種實(shí)際問(wèn)題中活用進(jìn)化計(jì)算方法，使學(xué)生不只是生硬的照搬照抄該思想，還需要從多種案例入手，在保證進(jìn)化計(jì)算核心思想的前提下，靈活使用不同遺傳操作方式，達(dá)到解決實(shí)際問(wèn)題的效果。

在課堂教學(xué)過(guò)程中，可以把進(jìn)化計(jì)算思想帶入到傳統(tǒng)的最優(yōu)化問(wèn)題中，如最大覆蓋問(wèn)題、旅行商問(wèn)題、中位數(shù)問(wèn)題等。以遺傳算法為例，分別帶入不同的最優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行解決。在解題過(guò)程中，對(duì)于不同的題干要求，需要設(shè)計(jì)不同的染色體編碼，并對(duì)他們進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，使得他們滿足具體的問(wèn)題。通過(guò)這種加強(qiáng)學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠活用相關(guān)知識(shí)，做到具體問(wèn)題具體分析，并具備一定的科研創(chuàng)新能力。

3.4 實(shí)踐練習(xí)

為鞏固教學(xué)效果，在學(xué)生課程實(shí)踐中，安排相應(yīng)的最優(yōu)化問(wèn)題，使得學(xué)生能夠動(dòng)手實(shí)踐，更加深入地掌握進(jìn)化計(jì)算方法：以10個(gè)學(xué)生為一個(gè)小組進(jìn)行實(shí)踐練習(xí)，首先每個(gè)小組可以自主選擇實(shí)踐題目，而后以小組為單位進(jìn)行相應(yīng)題目的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，最終以小組的形式進(jìn)行成果演示和問(wèn)題講解，并提交實(shí)踐報(bào)告。

關(guān)于進(jìn)化計(jì)算的設(shè)計(jì)題目包括2個(gè)。題目一：旅行商系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。具體地，給出一系列城市和每?jī)蓚€(gè)城市之間的距離，求解一組序列，使得旅行商可以依照該序列依次訪問(wèn)每個(gè)城市僅1次，并保證旅行商走過(guò)的總路程最短。要求：在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，城市的數(shù)目和任意兩城市間的距離可以隨機(jī)生成，并在系統(tǒng)中采用進(jìn)化計(jì)算的方法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑的選取。題目二：最優(yōu)化選址問(wèn)題的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。具體地，某市計(jì)劃興建幾個(gè)供電站，共有n個(gè)候選地址，在任意候選地址興建供電站，可以解決周邊的供電問(wèn)題，如何興建盡可能少的供電站，使得興建的供電站可以覆蓋該城市的所有地區(qū)。要求：供電站的候選地址以及每個(gè)候選地址的覆蓋范圍可以隨機(jī)生成，且該城市的總區(qū)域可由一個(gè)矩形代替，在系統(tǒng)中采用進(jìn)化計(jì)算的方法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)候選地址的選取方案。endprint

通過(guò)上述實(shí)踐練習(xí)，不僅使學(xué)生深刻理解進(jìn)化計(jì)算的思想原理，還強(qiáng)化學(xué)生的能力鍛煉，在攻克一個(gè)個(gè)問(wèn)題的過(guò)程中，學(xué)生可以把所學(xué)知識(shí)與實(shí)踐良好地聯(lián)系起來(lái)。同時(shí)，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，也對(duì)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力進(jìn)行鍛煉，為學(xué)生今后進(jìn)入工作和科研系統(tǒng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 教學(xué)啟示

在教進(jìn)化計(jì)算的過(guò)程中，教師得到了教學(xué)以外的幾點(diǎn)啟示。

（1）案例與教學(xué)結(jié)合，是引起學(xué)生興趣的最好手段。都知道興趣是學(xué)生學(xué)習(xí)最好的老師，但是如何激發(fā)學(xué)生的興趣則是教師需要思考的問(wèn)題。由于人工智能科學(xué)的特殊性，教師可以發(fā)現(xiàn)，任何智能技術(shù)都有著一定仿生學(xué)的影子，因此，教師要以實(shí)際案例為導(dǎo)向，激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。只有當(dāng)學(xué)生清楚所學(xué)的知識(shí)有用，他們才會(huì)全身心的投入到該技術(shù)的學(xué)習(xí)中。

（2）豐富靈活的案例，是掌握知識(shí)的最好通道。掌握知識(shí)，不僅僅是指學(xué)生學(xué)會(huì)考試內(nèi)容，可以做出計(jì)算題，更多的是指學(xué)生掌握該技術(shù)，能夠把該技術(shù)用到合適的場(chǎng)景中。那么在教學(xué)過(guò)程中，就需要教師通過(guò)各類不同的案例，并且不斷變化案例的題干，來(lái)加深學(xué)生對(duì)該知識(shí)的了解。教師還需要多留思考題，開(kāi)動(dòng)學(xué)生的大腦，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行深入分析，從而盡早掌握該知識(shí)。

（3）理論聯(lián)系實(shí)際，是提高學(xué)生能力的最好方法。單純的理論學(xué)習(xí)，并不能使學(xué)生對(duì)該知識(shí)形成深刻的印象。那么在后期的課程實(shí)踐中，可以通過(guò)安排相應(yīng)的最優(yōu)化選題，不斷加深學(xué)生對(duì)進(jìn)化計(jì)算知識(shí)的掌握。在實(shí)踐過(guò)程中，可以使學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和科研創(chuàng)新能力得到全面的提升。

5 結(jié) 語(yǔ)

在課程教學(xué)中，筆者精心設(shè)計(jì)進(jìn)化計(jì)算中所需要的各類案例，通過(guò)調(diào)整題干，使得學(xué)生在理解進(jìn)化計(jì)算核心思想的基礎(chǔ)上，能夠靈活掌握該知識(shí)點(diǎn)，做到具體問(wèn)題具體分析，理論聯(lián)系實(shí)際。在接下來(lái)的教學(xué)過(guò)程中，筆者將會(huì)就進(jìn)化計(jì)算問(wèn)題進(jìn)行更加深入的探索，擬引入當(dāng)前該領(lǐng)域內(nèi)的最新研究問(wèn)題，進(jìn)行實(shí)例探討，并留給學(xué)生更多的討論思考時(shí)間，為培養(yǎng)高素質(zhì)的科研型人才奠定良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，筆者會(huì)對(duì)智能系統(tǒng)導(dǎo)論中的其他專題展開(kāi)有針對(duì)性的深入研究，爭(zhēng)取將智能系統(tǒng)導(dǎo)論的每個(gè)專題設(shè)計(jì)得更加靈活生動(dòng)，幫助學(xué)生掌握該門課程的同時(shí)，為學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能研究奠定良好的基礎(chǔ)。

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（編輯：史志偉）endprint