科研驅(qū)動教學(xué)在調(diào)度原理與算法課程中的應(yīng)用

摘" 要：研究生課程教學(xué)方式如果缺乏有效的教學(xué)方法將相關(guān)領(lǐng)域的最新研究成果融入教學(xué)內(nèi)容中，導(dǎo)致研究生對研究前沿進(jìn)展了解較少，不利于激發(fā)研究生的研究興趣和創(chuàng)新能力。針對這一問題，該文探討科研驅(qū)動教學(xué)方法在調(diào)度原理與算法課程中的實踐應(yīng)用，將生產(chǎn)調(diào)度理論中調(diào)度模型建模、算法設(shè)計、算法評估的基本研究理論與前沿研究相結(jié)合，鼓勵學(xué)生通過課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容完成一些領(lǐng)域前沿研究探索，實現(xiàn)教師教學(xué)與科研的有機(jī)結(jié)合。課程實踐表明，科研驅(qū)動教學(xué)法能夠很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，強(qiáng)化知識的轉(zhuǎn)化能力，獲得較好的學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞：研究生教育；科研驅(qū)動教學(xué)；調(diào)度原理與算法；生產(chǎn)調(diào)度理論；實踐探究

中圖分類號：G643" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2023）29-0061-04

Abstract： Without effective teaching method to integrate the latest research achievements in relevant fields into the teaching content of postgraduate courses， it will lead to less understanding of the research frontier progress， which is not conducive to stimulating the postgraduate research interest and innovation ability. To address this problem， this paper discusses the practical application of research driven teaching method in the course of Scheduling Principle and Algorithm. It combines the basic research theory of scheduling model modeling， algorithm design， algorithm evaluation in scheduling theory with cutting-edge research， encourages students to complete cutting-edge research and exploration in some fields through classroom learning， and realizes the combination of teachers' teaching and research. The course practice shows that the research driven teaching method can stimulate students' enthusiasm for learning， strengthen their ability to transform knowledge， and achieve good learning results.

Keywords： postgraduate education; research-driven teaching; Scheduling Principle and Algorithm; production scheduling theory; practical inquiry

基金項目：清華大學(xué)研究生教育教學(xué)改革項目“科研驅(qū)動教學(xué)法在《生產(chǎn)調(diào)度原理與算法》課程教學(xué)中的實踐探究”（201905J004）

第一作者簡介：張智海（1974-），男，漢族，湖南沅江人，博士，副教授，博士研究生導(dǎo)師。研究方向為工業(yè)工程、生產(chǎn)計劃與調(diào)度。

目前，我國研究生課程仍然以講授式教學(xué)為主。在這種教學(xué)模式下，學(xué)生們被動接受教學(xué)知識，對知識的接受效率不高，理解不夠深刻。同時傳統(tǒng)的教學(xué)課程教學(xué)中普遍存在知識系統(tǒng)陳舊，與實際應(yīng)用差距較大，對相關(guān)課程前沿研究內(nèi)容涉及較少的現(xiàn)象，這在很大程度上削弱了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)效果不理想，與培養(yǎng)研究生專業(yè)性能力的目標(biāo)不符。

本文探討了科研驅(qū)動教學(xué)方法在調(diào)度原理與算法課程中的實踐應(yīng)用，該方法的核心思想是在教學(xué)過程中，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，圍繞科研驅(qū)動教學(xué)的要求來組織課堂講解內(nèi)容。同時增強(qiáng)了研究實踐的環(huán)節(jié)，針對生產(chǎn)調(diào)度相關(guān)的研究前沿問題，挑選若干科研方向或課題，形成科研實踐教學(xué)的切入點，鼓勵學(xué)生通過課上所學(xué)知識解決前沿問題，引導(dǎo)學(xué)生從最新文獻(xiàn)研讀、本研究領(lǐng)域的研究方法實踐、研究成果總結(jié)發(fā)表等若干環(huán)節(jié)開展科研驅(qū)動教學(xué)實踐。通過引入研究實踐環(huán)節(jié)，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效果顯著提升，教學(xué)效果得到明顯提高。

一" 文獻(xiàn)綜述

以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和研究能力為目標(biāo)的科研驅(qū)動（研究性）教學(xué)已成為世界高等教育改革的趨勢[1-7]。科研驅(qū)動教學(xué)模式的主要優(yōu)點包括[3]：①有利于不斷更新教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生始終獲取本課程的前沿進(jìn)展；②有利于激發(fā)學(xué)生研究興趣，從而提升其創(chuàng)新能力；③有利于實現(xiàn)教師教學(xué)與科研的有機(jī)結(jié)合、教師與學(xué)生的良性互動。

針對國外相關(guān)研究，劉贊英等[7]對國外大學(xué)研究性教學(xué)的經(jīng)驗及啟示進(jìn)行了分析總結(jié)。其從美國大學(xué)研究性教學(xué)目標(biāo)、相應(yīng)的管理機(jī)制、相配套的教師獎勵激勵機(jī)制、研究成果的發(fā)表、研究性課外教學(xué)和研究性實踐教學(xué)等多個方面進(jìn)行了分析研究。雖然該研究主要針對本科生教學(xué)，但是對于研究生教學(xué)同樣具有借鑒價值。

國內(nèi)相關(guān)研究主要集中在以下幾個方向：①科研驅(qū)動教學(xué)的理論分析[2-3，8-9]；②科研驅(qū)動教學(xué)方法教學(xué)評價體系的研究[10-12]；③科研驅(qū)動教學(xué)方法的現(xiàn)狀分析[13-14]；④科研驅(qū)動教學(xué)方法在具體專業(yè)課程中的實踐研究，例如，數(shù)學(xué)[15]、安全工程[16]、工科物理[17]、法學(xué)[18]、細(xì)胞生物學(xué)[19]和工程教育[20]等。

由于不同課程之間的差異性，針對具體的課程開展科研驅(qū)動教學(xué)方法的實踐探究，對于提升學(xué)生學(xué)術(shù)研究能力和學(xué)習(xí)熱情具有重要作用。本文探討了科研驅(qū)動教學(xué)方法在調(diào)度原理與算法課程中的實踐應(yīng)用，對于豐富和發(fā)展科研驅(qū)動教學(xué)方法具有參考價值。

二" 面向科研驅(qū)動教學(xué)方法的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

調(diào)度原理與算法課程主要針對生產(chǎn)調(diào)度理論，從調(diào)度模型建模、算法設(shè)計、算法評估等幾個方面進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠掌握調(diào)度研究領(lǐng)域中的基本研究模型、研究方法，并了解當(dāng)前本領(lǐng)域的最新研究動態(tài)。針對以上教學(xué)目標(biāo)與特點，課程選擇了施普林格出版社的《Scheduling Theory， Algorithms， and Systems》作為教材，該書作者Pinedo為調(diào)度領(lǐng)域國際知名專家。該書內(nèi)容涵蓋了調(diào)度模型建模、算法設(shè)計、算法評估等幾個調(diào)度理論中的重要方面?？紤]到調(diào)度領(lǐng)域的前沿發(fā)展，本課程結(jié)合科研驅(qū)動教學(xué)方法，引入研究領(lǐng)域最新的研究內(nèi)容作為課堂研究課題，開展科研驅(qū)動式的教學(xué)實踐。

在課程教學(xué)上，首先介紹調(diào)度的基本知識，包括調(diào)度的基本概念、術(shù)語和符號、算法復(fù)雜度。之后學(xué)習(xí)與掌握單機(jī)、復(fù)雜單機(jī)、平行機(jī)、流水車間及作業(yè)車間調(diào)度等相關(guān)的經(jīng)典調(diào)度問題的建模和算法設(shè)計方法，讓學(xué)生對調(diào)度理論的基本模型有系統(tǒng)地認(rèn)識與理解。此外，結(jié)合該課程強(qiáng)調(diào)算法設(shè)計的特點，開展對算法設(shè)計與分析的學(xué)習(xí)。內(nèi)容涵蓋了算法性能分析、近似算法及算法設(shè)計、精確及智能優(yōu)化算法設(shè)計等。算法性能分析方面，著重學(xué)習(xí)算法最壞情況及漸進(jìn)性能分析。對應(yīng)簡單的啟發(fā)式算法，通過對算法性能的緊界概念的探索，提升學(xué)生的算法分析能力。通過介紹優(yōu)勢規(guī)則和有效不等式，講授提升算法性能的常見技巧。

系統(tǒng)學(xué)習(xí)經(jīng)典調(diào)度模型的過程中，根據(jù)當(dāng)前調(diào)度領(lǐng)域的前沿問題，提煉恰當(dāng)?shù)难芯空n題，促進(jìn)研究生的科研實踐。如何選擇合適的研究課題，是實現(xiàn)科研驅(qū)動教學(xué)的重要問題之一。其中既要考慮課堂教學(xué)的課時限制和選課研究生研究方向各不相同的特點，同時研究課題的設(shè)計也要體現(xiàn)當(dāng)前相應(yīng)研究領(lǐng)域的最新研究熱點，并具有一定的挑戰(zhàn)性。為此，需結(jié)合教師自己的研究經(jīng)驗，針對領(lǐng)域研究熱點、實際車間情況和學(xué)生興趣，加入學(xué)習(xí)、退化和耦合效應(yīng)等新的研究要素，提煉出新的研究問題。選取的研究課題相比于經(jīng)典調(diào)度模型，更加貼近實際情況，模型需要考慮的要素也更為復(fù)雜，具有一定的解決難度。同時，在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)全球化、供應(yīng)鏈全球化的背景下，解決相關(guān)的調(diào)度問題也更加具有實際意義。通過這些課題的研究，學(xué)生們能夠更加深刻地體會到調(diào)度理論在實際問題中的應(yīng)用，提升學(xué)生學(xué)習(xí)、科研興趣，并通過科研實踐鞏固學(xué)習(xí)成果。

三" 科研驅(qū)動教學(xué)方法實踐

針對上述教學(xué)內(nèi)容，通過教學(xué)實踐，對科研驅(qū)動教學(xué)方法在課程中的具體應(yīng)用實施流程和效果進(jìn)行了梳理分析。課程的前八周，主要是理論教學(xué)為主。在調(diào)度模型建模方面，課程內(nèi)容設(shè)置由淺及深，從單機(jī)調(diào)度模型到流水車間，作業(yè)車間調(diào)度模型。與以往講授方式不同的是，在課后作業(yè)的環(huán)節(jié)上追加了與當(dāng)周課程內(nèi)容相關(guān)的經(jīng)典文獻(xiàn)研讀，教師根據(jù)課堂內(nèi)容，通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂分享相關(guān)的經(jīng)典文獻(xiàn)和前沿文獻(xiàn)（圖1），供學(xué)生參考學(xué)習(xí)。鼓勵學(xué)生閱讀經(jīng)典原創(chuàng)性文獻(xiàn)，對教材中的理論有更加細(xì)致、深入地理解。同時閱讀相關(guān)研究領(lǐng)域的前沿文獻(xiàn)，理解當(dāng)前研究熱門和研究方法。在課程后八周，將同學(xué)們進(jìn)行分組，以大作業(yè)的形式進(jìn)行前沿研究課題（圖2）的科研實踐探索。要求學(xué)生完成相關(guān)內(nèi)容的文獻(xiàn)綜述、模型創(chuàng)建、相關(guān)調(diào)度規(guī)則探索、精確算法和智能優(yōu)化算法設(shè)計、算法性能評估和論文撰寫等科研環(huán)節(jié)。鼓勵學(xué)生對創(chuàng)新度和完成度較高的大作業(yè)，采用期刊論文模板，進(jìn)行研究成果總結(jié)，乃至發(fā)表。

傳統(tǒng)課堂研究往往以大作業(yè)報告的形式來完成，但是缺乏師生之間的互動；并且受限于課時，學(xué)生在完成大作業(yè)后，幾乎沒有時間對其進(jìn)行完善和修改。而科研驅(qū)動式的教學(xué)，應(yīng)該讓同學(xué)可以參與到一個課題較為完整的研究過程中，從而對課程內(nèi)容有一個深入全面的認(rèn)識和體驗。因此，通過加強(qiáng)師生間的科研交流來加強(qiáng)師生互動，并且預(yù)留時間供學(xué)生們對研究成果進(jìn)行完善和修改。此外，在課題研究實踐階段，每次授課過程中安排短時間的研究進(jìn)展討論，對學(xué)生的研究進(jìn)展進(jìn)行快速交流，了解學(xué)生在實際探究中遇到的難題，教師對研究內(nèi)容及如何解決難題給出具體建議；對于不能短時間完成的研究交流，將網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂等網(wǎng)絡(luò)工具作為交流平臺，學(xué)生們在遇到問題或者困難時可以隨時在網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂上提出，教師收到學(xué)生提出的問題后可以及時反饋，實現(xiàn)了課下的師生研究互動。在教學(xué)最后一周完成最終報告后，要求學(xué)生根據(jù)相應(yīng)反饋意見，利用考試周時間進(jìn)行研究內(nèi)容完善后，再提交最終科研報告。最后，針對較好的研究成果，鼓勵同學(xué)完善后投稿發(fā)表，提高學(xué)生的科研積極性和參與度，同時提高其科研獲得感。

科研驅(qū)動教學(xué)中，如何設(shè)計有效的教學(xué)成果考核也十分關(guān)鍵。科研驅(qū)動教學(xué)需要對學(xué)生的全程課堂參與度、科研創(chuàng)新性與大作業(yè)成果進(jìn)行一個合理的考核。實踐過程中，從三個方面對學(xué)生研究成果進(jìn)行綜合考核（圖3）：根據(jù)學(xué)生的課堂參與度、科研創(chuàng)新性（如探索模型結(jié)構(gòu)性質(zhì)等）、算法有效性等內(nèi)容進(jìn)行的教師評估；大作業(yè)的學(xué)生間互評結(jié)果；以及最后成果展示過程中邀請相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)生大作業(yè)點評形成的專家評估結(jié)果。

四" 教學(xué)結(jié)果分析

采用科研驅(qū)動教學(xué)法后，學(xué)生對調(diào)度原理與算法課程學(xué)習(xí)的興趣和主動性顯著提高。相比于傳統(tǒng)講授式的教學(xué)，在科研驅(qū)動教學(xué)過程中，老師與學(xué)生互動性更強(qiáng)，同時，學(xué)生對知識的掌握程度和運用實踐能力也顯著提高，針對挑戰(zhàn)性較高的課題，同學(xué)們均完成了文獻(xiàn)綜述、模型創(chuàng)建、相關(guān)調(diào)度規(guī)則探索、精確算法和智能優(yōu)化算法設(shè)計，以及算法性能評估和論文撰寫等科學(xué)研究的一系列過程，提交的科研報告質(zhì)量較高。同時，通過一次完整的科研探索，學(xué)生們對做科學(xué)研究有一個更全面的認(rèn)知，在助力教學(xué)目標(biāo)實現(xiàn)的同時，激發(fā)研究生的科研興趣，提升科研創(chuàng)新能力，為今后進(jìn)行獨立科研奠定良好的基礎(chǔ)。

五" 結(jié)束語

為了加深研究生對調(diào)度理論的理解，激發(fā)科研興趣，提升科研創(chuàng)新能力，對調(diào)度原理與算法課程的傳統(tǒng)教學(xué)方式進(jìn)行改革勢在必行。在采用科研驅(qū)動教學(xué)過程中，如何將一次完整的科研活動，濃縮到一個學(xué)期的課程教學(xué)中，需要針對課堂教學(xué)活動，對相應(yīng)的課題研究活動進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，對其中的研究內(nèi)容和流程進(jìn)行細(xì)致地梳理和優(yōu)化，從而通過有效的科研活動來配合教學(xué)方案的有效實施。本文對科研驅(qū)動教學(xué)方法在調(diào)度原理與算法課程中的實踐應(yīng)用進(jìn)行了討論，闡述了科研驅(qū)動教學(xué)方式下的教學(xué)內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)方法實踐，并對教學(xué)結(jié)果進(jìn)行分析，從而形成一套科研驅(qū)動教學(xué)方法在該課程教學(xué)中的教學(xué)流程（圖4）。實踐表明，將課程的基礎(chǔ)理論講授與科研前沿內(nèi)容探索相結(jié)合，可以提升學(xué)生對基礎(chǔ)理論的理解，激發(fā)學(xué)生科研興趣，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新意識。

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