“智能優(yōu)化算法及其應(yīng)用”課程教學(xué)的實(shí)踐與探索

王　勇　蔡自興

摘要：本文通過(guò)教學(xué)實(shí)踐出發(fā)，從教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容等方面對(duì)“智能優(yōu)化算法及其應(yīng)用”課程的教學(xué)進(jìn)行了探討，將啟發(fā)式教學(xué)、示例教學(xué)、多媒體課件教學(xué)、課程設(shè)計(jì)等教學(xué)方法和手段運(yùn)用到“智能優(yōu)化算法及其應(yīng)用”課程的教學(xué)當(dāng)中，取得令人滿意的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：智能優(yōu)化算法；啟發(fā)式教學(xué)；Matlab語(yǔ)言

中圖分類(lèi)號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1引言

從教材和教學(xué)大綱出發(fā)，“智能優(yōu)化算法及其應(yīng)用”這門(mén)課程主要針對(duì)模擬退火算法、遺傳算法、禁忌搜索、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法、混合算法等幾個(gè)方面進(jìn)行了講解。由于該課程涉及的知識(shí)面很廣，內(nèi)容比較抽象，所以學(xué)生往往難以理解，特別對(duì)各種優(yōu)化算法的實(shí)際應(yīng)用不能靈活掌握。這直接導(dǎo)致了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的減弱和對(duì)課程學(xué)習(xí)的厭倦情緒。為了克服上述問(wèn)題，更好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，本文作者從教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容等方面出發(fā)對(duì)智能優(yōu)化算法及其應(yīng)用課程的教學(xué)進(jìn)行了探索，改善了課堂教學(xué)和課外實(shí)踐的效果。

2啟發(fā)式教學(xué)

所謂啟發(fā)式教學(xué)法，就是以學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，由教師提出問(wèn)題，使他們思考去解決、分析、批評(píng)、判斷和歸納，因而可以觸類(lèi)旁通、舉一反三，使經(jīng)驗(yàn)逐漸擴(kuò)張，思路更為靈活。通過(guò)啟發(fā)式教學(xué)法，可以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在動(dòng)機(jī)，引導(dǎo)學(xué)生思考和逐步掌握各個(gè)知識(shí)點(diǎn)，使他們真正對(duì)所學(xué)的課程感興趣。為了更好地運(yùn)用啟發(fā)式教學(xué)，教師應(yīng)該首先向同學(xué)們闡述該課程的發(fā)展歷史和未來(lái)的發(fā)展前景，介紹該課程的理論和實(shí)踐背景，讓學(xué)生對(duì)課程的整體情況有所了解，并產(chǎn)生好奇心。

在啟發(fā)式教學(xué)過(guò)程中，教師可根據(jù)教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，首先采取提問(wèn)的方式引發(fā)學(xué)生進(jìn)行思考，使他們的思維高度集中。在學(xué)生思考過(guò)程中，可根據(jù)他們的思考結(jié)果給與適當(dāng)?shù)奶崾九c鼓勵(lì)，使他們的思考更加深入。接著可采用問(wèn)答討論的方式，對(duì)學(xué)生的答案加以分析，使得學(xué)生的思維達(dá)到升華。最后，將學(xué)生討論的結(jié)果與課本的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，找出異同點(diǎn)。通過(guò)上述啟發(fā)式的教學(xué)過(guò)程，學(xué)生可以更加深刻理解課程中的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

如模擬退火算法是一種隨機(jī)優(yōu)化方法，學(xué)生在學(xué)習(xí)課程之前已對(duì)經(jīng)典的基于梯度的優(yōu)化方法有一定了解。在介紹模擬退火算法之前，可先向?qū)W生提問(wèn)：經(jīng)典的優(yōu)化方法的核心思想是什么。接著可再提出問(wèn)題：如果在經(jīng)典的優(yōu)化方法中加入隨機(jī)因素會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果。教師可根據(jù)學(xué)生的回答給予適當(dāng)?shù)奶崾?，最后再給出模擬退火算法的主要步驟和主體思想。

此外，在介紹混合算法的時(shí)候，也可以采用啟發(fā)式的教學(xué)法，如可提問(wèn)學(xué)生如果把模擬退火算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)混合起來(lái)進(jìn)行問(wèn)題求解應(yīng)該怎么做。3示例教學(xué)

在教學(xué)過(guò)程中，如果只是純粹地講解理論知識(shí)，學(xué)生可能覺(jué)得索然無(wú)味，從而直接導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣的減弱。而通過(guò)選擇一些經(jīng)典的示例進(jìn)行分析、講解與討論，學(xué)生可以在學(xué)習(xí)過(guò)程中做到理論與實(shí)際相結(jié)合，并增加對(duì)所學(xué)知識(shí)實(shí)用性的了解，從而提高學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。

如在講解遺傳算法的主要步驟，即編碼、解碼、交叉、變異、選擇時(shí)，通過(guò)選擇最短路徑問(wèn)題的示例來(lái)解釋其運(yùn)行機(jī)理。最短路徑問(wèn)題是一類(lèi)離散優(yōu)化問(wèn)題，其主要任務(wù)是找到一條從起始點(diǎn)到終點(diǎn)的最短路徑。在運(yùn)用示例講解時(shí)，首先給學(xué)生介紹如何對(duì)每一條路徑進(jìn)行編碼，然后介紹如何對(duì)不同的路徑進(jìn)行交叉、變異和選擇等操作，而且說(shuō)明在上述過(guò)程中如果出現(xiàn)不合法路徑應(yīng)該如何進(jìn)行處理，最后講解如何選擇較好的路徑來(lái)進(jìn)行下一次進(jìn)化等等。通過(guò)上述講解，學(xué)生對(duì)遺傳算法的主要步驟具有了十分深刻的認(rèn)識(shí)。

此外，在講解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可首先通過(guò)理論講解使學(xué)生對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理有了一定的了解，接著通過(guò)選擇一種經(jīng)典的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示例，即BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)其原理及具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行演示。在教學(xué)過(guò)程中，作者通過(guò)選用Matlab語(yǔ)言中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱，對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了講解，包括如何構(gòu)造輸入層、隱含層和輸出層，如何執(zhí)行反向傳播等等。最后再通過(guò)選用一個(gè)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于實(shí)際工程中的示例進(jìn)行講解。這樣，學(xué)生對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理和應(yīng)用便有了具體而生動(dòng)的認(rèn)識(shí)，從而也調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4多媒體課件教學(xué)

運(yùn)用多媒體課件上課有許多“黑板+粉筆”不可企及的效果。運(yùn)用多媒體課件上課，可以生動(dòng)且有效地對(duì)教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)進(jìn)行講解，同時(shí)通過(guò)多媒體課件中的動(dòng)畫(huà)演示、錄像演示等可以使學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)要點(diǎn)有更直觀和深刻的了解，激發(fā)學(xué)生的好奇心。

如在解釋遺傳算法對(duì)某一優(yōu)化問(wèn)題的進(jìn)化過(guò)程時(shí)，可將初始群體中個(gè)體的分布，運(yùn)行到中間代數(shù)時(shí)群體中個(gè)體分布，和進(jìn)化結(jié)束時(shí)群體中個(gè)體的分布情況通過(guò)多媒體演示出來(lái)。這樣，學(xué)生便對(duì)遺傳算法的進(jìn)化迭代尋優(yōu)思想有了很直觀的認(rèn)識(shí)，而且學(xué)生可以很深刻的理解遺傳算法搜索到全局最優(yōu)解的工作原理和過(guò)程。此外，還可通過(guò)錄像演示，將整個(gè)進(jìn)化過(guò)程中每一代群體中個(gè)體的分布情況全部演示出來(lái)，這樣遺傳算法的整體執(zhí)行過(guò)程便在學(xué)生眼前活靈活現(xiàn)地展示出來(lái)。

在介紹各種智能優(yōu)化算法之間的優(yōu)缺點(diǎn)、異同點(diǎn)時(shí)，也可通過(guò)多媒體課件中的各種圖形工具將優(yōu)缺點(diǎn)和異同點(diǎn)進(jìn)行歸納和總結(jié)，更清晰地展現(xiàn)在學(xué)生面前，同時(shí)也使得教師在講解時(shí)便于歸納敘述。

5課程設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)是學(xué)生綜合運(yùn)用課程所學(xué)知識(shí)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。特別對(duì)于智能優(yōu)化算法及其應(yīng)用這門(mén)課程，如何引導(dǎo)學(xué)生將優(yōu)化算法應(yīng)用到實(shí)際問(wèn)題顯得尤為重要，這不僅鍛煉了他們的實(shí)際動(dòng)手能力，也鍛煉了他們分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，可全面開(kāi)發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力，使課程設(shè)計(jì)真正成為學(xué)生綜合運(yùn)用學(xué)科知識(shí)和進(jìn)行能力培養(yǎng)的有效途徑。

在課程設(shè)計(jì)中，我們?yōu)閷W(xué)生設(shè)計(jì)了遺傳算法求解TSP問(wèn)題、差異進(jìn)化算法求解約束優(yōu)化問(wèn)題、粒子群優(yōu)化算法求解多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題、BP網(wǎng)絡(luò)解決XOR分類(lèi)問(wèn)題等幾個(gè)題目，將學(xué)生分為若干組，要求學(xué)生采用Matlab、c語(yǔ)言等軟件實(shí)現(xiàn)上述問(wèn)題的編程求解，并規(guī)定課程設(shè)計(jì)的時(shí)間為兩周。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，學(xué)生對(duì)智能優(yōu)化算法及其應(yīng)用這門(mén)課程的理論和實(shí)踐得到了升華，并且團(tuán)隊(duì)合作能力也得到了提高。

6結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，將啟發(fā)式教學(xué)、示例教學(xué)、多媒體課件教學(xué)、課程設(shè)計(jì)等教學(xué)方法和手段運(yùn)用到智能優(yōu)化算法及其應(yīng)用課程的教學(xué)中，一方面滿足了學(xué)生對(duì)優(yōu)化算法學(xué)習(xí)的心理，另一方面使本課程的講解更加形象、生動(dòng)和易于理解，活躍了課堂氣氛，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得了令人滿意的教學(xué)效果。