智能計算與現(xiàn)代優(yōu)化算法課程教學改革與實踐

中圖分類號：G424

文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.17.012

Teaching Reform and Practice of the Course \"Intelligent Computing and Modern Optimization Algorithms\"

WANG Dingxiang， WU Leyuan， FAN Shaosheng （School of Artificial Intelligence， Changsha University of Science and Technology， Changsha，Hunan） AbstractThis study focuses on the reform and practice of postgraduate education. Taking the course \"Intellgent Computing and Modern Optimization Algorithms\" as an example，it conducts in-depth research on teaching reform in terms of teaching content， teaching methods，andteaching evaluation，aiming atthe existing problems incurrentcourse teaching. Byintroducing the project-driven teaching method，hybrid teaching mode，and diversified evaluationsystem， the study aims to improve the quality and eficiency of course teaching and cultivate postgraduate talents with innovative and practical abilities.

Keywordsintelligent computing; modernoptimization algorithms; postgraduateeducation; teaching reform; project-driven

2017年，國務院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確提出，要加快培養(yǎng)聚集人工智能高端人才[。2020年1月21日，教育部、國家發(fā)展改革委和財政部印發(fā)的《關于“雙一流”建設高校促進學科融合加快人工智能領域研究生培養(yǎng)的若干意見》出臺，從事人工智能專業(yè)領域的研究生大幅擴招。此外，在湖南省“三高四新\"戰(zhàn)略中，人工智能被列為湖南省重點發(fā)展方向之一，而智能計算與現(xiàn)代優(yōu)化算法課程在人工智能專業(yè)具有重要的地位?？紤]到該課程的特點以及長沙理工大學的實際情況，課程團隊面向人工智能專業(yè)學生開展課程教學改革與課程體系建設，教師在授課過程中不斷探索科學的課程體系、授課內容以及考核方式，不斷完善教學模式，以激發(fā)學生的學習興趣、提高其創(chuàng)新意識、培養(yǎng)其知識運用能力，為研究生階段的學習與后續(xù)就業(yè)夯實基礎。

1智能計算與現(xiàn)代優(yōu)化算法課程改革背景及意義

智能計算與現(xiàn)代優(yōu)化算法是人工智能專業(yè)的一門基礎專業(yè)課程，以經(jīng)典優(yōu)化理論為基礎拓展學習解決傳統(tǒng)優(yōu)化問題的新方法，社會管理以及工業(yè)生產(chǎn)等領域中存在的各種優(yōu)化問題均需要運用這些優(yōu)化算法。尤其在人工智能領域，移動機器人、智能語音、計算機視覺、自然語言處理、數(shù)據(jù)挖掘等多個領域的各類算法都需要與這些現(xiàn)代優(yōu)化算法緊密結合。

1.1服務國家戰(zhàn)略，助力社會發(fā)展

智能計算與現(xiàn)代優(yōu)化算法課程新穎超前，在機器學習領域，該課程在國內外各個高校均已開設，為人工智能專業(yè)的發(fā)展奠定基礎?！督逃扛叩冉逃娟P于開展新工科研究與實踐的通知》的發(fā)布，推動了全國各地的高校進行新工科的教研與實踐，從理論和實踐層面推進工程教育改革，大大促進了新工科的建設與發(fā)展4。面向國家重大戰(zhàn)略需求，高等教育改革發(fā)展被賦予了新的使命，工科專業(yè)在當前環(huán)境中機遇與挑戰(zhàn)并存，如何根據(jù)時代需求改進和創(chuàng)新教學理念，進一步探索具有核心能力的創(chuàng)新人才的培養(yǎng)方式，是適應新時代發(fā)展的關鍵因素[。在新工科“五個新”的要求下，智能計算與現(xiàn)代優(yōu)化算法課程原有的教學方法已不能適應創(chuàng)新工程教育的要求，對其進行教學改革勢在必行。

1.2順應技術革新，促進創(chuàng)新發(fā)展

智能計算與現(xiàn)代優(yōu)化算法作為人工智能學院的研究生核心課程之一，其課程改革有助于優(yōu)化課程內容，將最新的科研成果和技術應用引入課堂，使學生能夠及時了解和掌握前沿知識，使其更加貼近人工智能領域的最新發(fā)展；有助于提升研究生的培養(yǎng)質量，加強理論與實踐的結合，并引入跨學科內容，在提高學生的動手能力和創(chuàng)新能力的同時，拓寬學生的學術視野，增強其跨學科應用能力，為未來的學術研究和職業(yè)發(fā)展奠定堅實的基礎；有助于推動學校交通運輸工程、土木工程、電氣工程等優(yōu)勢專業(yè)的發(fā)展，促進人工智能與傳統(tǒng)學科的交叉融合，推動學科間的協(xié)同創(chuàng)新，為學校的高質量發(fā)展貢獻力量。

2智能計算與現(xiàn)代優(yōu)化算法課程改革設計

本文旨在通過引入項目驅動教學法、混合教學模式及多元化評價體系，對智能計算與現(xiàn)代優(yōu)化算法課程進行全面深入的教學改革。具體目標包括：優(yōu)化課程內容，建立科學合理的課程架構；創(chuàng)新教學模式，提高教學效果；構建多元化評價體系，全面評價研究生的學習成果。

2.1課程內容優(yōu)化

智能計算與現(xiàn)代優(yōu)化算法作為人工智能專業(yè)的基礎課程，其指導思想是從基本原理、基本步驟流程和基本特點的理解入手，精心選擇本學科領域最本質、帶有共性的教學內容，通過研究課程知識體系，探索其內在規(guī)律與聯(lián)系，整合出課程的核心知識單元，建立起科學合理的課程架構和內容體系。當前課程內容存在算法內容抽象、概念與理論繁多、理論實踐結合不緊密，以及知識應用程度不高等問題，學生普遍存在畏難心理。只有兼顧不同層面的學生群體，把控教學內容的難度，才能樹立學生學習的信心。

2.1.1課程內容體系建設

分析學情，加強知識整合，選擇權威教材以確保知識的正確性，建立科學合理的課程內容體系；針對教學內容抽象的特點，在理論教學中輔以原理事物的演示；對部分章節(jié)的教學內容組織相應的課程實驗；建立課程主講教師與助教教學團隊，選聘本專業(yè)的優(yōu)秀研究生作為助教輔助主講教師進行教學活動；融入課程科普元素，有機統(tǒng)一“課程知識\"和“認知知識”，分別從“生物機理”“種群行為\"“自然現(xiàn)象\"“工業(yè)原理\"出發(fā)，挖掘科普知識，提升課程內容的趣味性及可理解性。

2.1.2構建項目化教學內容體系

現(xiàn)代優(yōu)化算法注重培養(yǎng)學生通過建立數(shù)學模型解決實際問題的能力。教學中可結合指導教師的科研項目，增加算法建模內容，以項目為驅動，加強實踐能力訓練，突破理論學習與工程項目之間的障礙，促進創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。通過學生分組選題，引導學生在面向具體問題的建模過程中，重點關注對問題的分析、前提假設以及構建理論數(shù)學模型的過程，重點關注數(shù)學方法、具體算法的擇優(yōu)篩選、特異化設計以及實際應用的過程，重點關注所構建模型與所選算法的匹配性、適應性分析過程，重點關注模型求解的驗證、模型構建與算法對應的改進過程。將建模方法、算法理論和算法應用改進的關系有機統(tǒng)一，以項目化需求來統(tǒng)攝智能計算與現(xiàn)代優(yōu)化算法教育，以需求牽引理論、應用推動改進的模式來相應地培養(yǎng)學生的數(shù)學建模以及算法應用、改進能力。

2.1.3人工智能前沿專題內容引入

教學與科研緊密結合，增加專題學習計劃，銜接人工智能前沿研究。具體實施方法如下：第一階段采用案例教學，先由簡單的應用案例入手，比如典型的旅行商問題、電網(wǎng)能源分配機組優(yōu)化問題、機器人導航定位與路徑規(guī)劃問題、最大流問題等。第二階段，加入前沿的學術文獻學習，學生先分為若干個小組，每組自選研究領域，選一篇最新的相關文獻做算法復現(xiàn)，科學研究與數(shù)學建模的開放性作業(yè)可以二選一。最后，聯(lián)合從事矩陣論、離散數(shù)學等課程教學工作的任課教師，將相關知識融會貫通，使理論教學內容與科研算法研究緊密聯(lián)系，提升學生利用所學知識解決實際問題的能力。

2.2教學及評價方法應用

在智能計算與現(xiàn)代優(yōu)化算法課程教學過程中，全方位應用先進教學方法，解決課堂枯燥、學生參與度不高的問題。實施“重點講授”“引導自學”“加強實驗”的教學方法改革。在課堂講授重點內容的基礎上，注意引導和啟發(fā)學生自主拓展學習。同時注重理論和實驗教學內容相互呼應、互為銜接、互為關聯(lián)，加強實驗環(huán)節(jié)。

2.2.1“線上 + 線下\"混合式教學模式

在課程教學過程中，線下采用BOPPPS課堂與對分課堂（PAD）模式相結合的方式。采用BOPPPS教學模式的課堂，有利于教師提升對課堂的把控程度，同時注重以學生為中心的參與式學習環(huán)節(jié)。在參與式學習階段，采用PAD教學方法，具體又可以細化為教師課堂講演（Presen-tation）、學生課外自主學習并內化吸收（Assimilation）、教師與學生共同參與課堂討論（Discussion）等三個主要階段，其結合了講授式教學與討論式教學的優(yōu)勢，引導學生由被動學習走向主動學習。

科教導刊

線上授課采用翻轉課堂模式。結合人工智能相關的專業(yè)背景，探索和應用高效的翻轉課堂教學細節(jié)方法，依據(jù)智能計算與現(xiàn)代優(yōu)化算法課程教學要求，使學生具備利用Matlab和Python等工具完成問題建模、算法選擇、算法改進以及性能分析等任務的能力，有效提升學生利用所學知識解決實際問題的水平。翻轉課堂模式可加強學生在教學過程中的參與感，提升學習主動性。通過在課前針對性布置課堂教學任務，促進學生對學習內容的整體認知，在充分體現(xiàn)學生的個性化學習思維、方法的同時，確保了學生在課程教學中的主體地位，有助于實現(xiàn)教學效果的全面提升[7]。

2.2.2課程知識思維導圖

學生可借助Matlab、python等工具來進行實際項目的算法建模及應用，通過構建知識思維導圖，聯(lián)結相應的概念和方法，進而促進對知識脈絡的理解與知識點內涵的把握，提高學習效果。在此基礎上，針對知識點的起源及發(fā)展過程，可采用圖文結合的模式融入思維導圖，使思維導圖的運用和理解更符合人類大腦的自然思維過程，這樣既可以協(xié)助學生記憶、提高創(chuàng)造力，又可以提升學習過程的趣味性。將思維導圖運用到智能計算與現(xiàn)代優(yōu)化算法的教學過程中，既可以促進師生間對于具體知識點的看法交流，又可以提高學生對于知識點運用及發(fā)展邏輯的理解，對于提升學生自主學習能力及教學效率具有重要作用。

2.2.3多元化考核評價

多元化的考核機制可以解決教學考核評價單一的問題。全方位評價學生學習情況，引導學生在知識、能力和素質三個方面全面協(xié)調發(fā)展。充分利用雨課堂線上平臺的記錄功能實現(xiàn)課程的過程化考核，全方位地記錄學生的預習、提問、作業(yè)情況，期末試卷考試部分內容不拘泥于教材，設置專題答辯環(huán)節(jié)，評分涉及實際人工智能算法的開發(fā)方案選擇、創(chuàng)新點和設計思路等，并建立完備的評分細則。

3效果與展望

上述教學改革方案的實施，將本專業(yè)智能計算與現(xiàn)代優(yōu)化算法研究生課程的教學質量提升到一個新的高度。項目驅動教學法和混合教學模式的引入，不僅提高了研究生的學習興趣和實踐能力，還培養(yǎng)了其創(chuàng)新思維和團隊協(xié)作能力。多元化評價體系的構建和個性化學習路徑的實施，為研究生的全面發(fā)展提供了有力支持。

*通信作者：吳樂園

★基金項目：2025年度長沙理工大學教研教改項目“《智能計算與現(xiàn)代優(yōu)化算法》課程教學改革研究”（60503010001）；2024年度長沙理工大學教研教改項目“《服務‘三高四新’的研究生專業(yè)素質教育改革與實踐研究一一以《矩陣論》課程改革為例》課程教學改革研究”（3040102|1205）。

參考文獻

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