现代优化计算方法课程的教学改革探索*

王海英，李传涛

(1.中国地质大学(北京)信息工程学院，北京 100083;

2.山东体育学院山东体育运动学校，山东济南 250014;

3.中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院，北京 100083）

现代优化计算方法课程的教学改革探索*

王海英1，李传涛2，3

(1.中国地质大学(北京)信息工程学院，北京 100083;

2.山东体育学院山东体育运动学校，山东济南 250014;

3.中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院，北京 100083）

现代优化计算方法是中国地质大学(北京)硕士研究生的一门公共基础课，主要介绍禁忌搜索、模拟退火、遗传算法、蚁群算法和人工神经网络算法等，这些均在地质、遥感等地质类专业具有较广泛而重要的应用。从该课程的教学理念、教学内容、教学方法及如何通过该课程提高研究生解决实际问题能力等若干方面，进行了教学改革探讨。

现代优化算法;课程;教学改革

现代优化计算方法是中国地质大学(北京)全校硕士研究生的一门公共基础课，主要介绍禁忌搜索、模拟退火、遗传算法、蚁群算法和人工神经网络算法等数学模型、理论及其应用案例，这几种现代优化算法均在地质、遥感等专业上有广泛的应用，均是用来解决各专业不同问题的重要工具。随着计算机技术的进步，这些算法几乎应用到全校每个专业，越来越显示出它们的效能与威力。

此外，这些算法均是当今中外算法研究的热点和前沿，是应用专业的基础，它们本身就隐含着大量的科研问题，每种现代算法的推进都将带给地质类专业大量的科研课题，都会带来不同专业技术上的革新。

从而，现代优化计算方法课程教学模式的改革探索愈加重要与迫切，可使得不同地质类专业硕士研究生既能掌握本课程的理论知识，又能提高学生的科研和解决实际问题的能力。

本文主要从教学理念、教学内容、教学方法及如何通过该课程提高研究生解决实际问题能力等若干方面进行教学改革探讨。

1 教学模式的基本要素及其重要性

从某种角度来说，硕士研究生课程的教学模式可理解为以硕士生为对象，在特定的教学理论下形成的对该课程课堂教学及其实践活动的经验总结。由此，培养目标、知识获得、实践训练、科学研究均是其不可分割的构成要素。结合中国地质大学(北京)硕士研究生的专业特色及现代优化计算方法课程内容特点，该课程的教学模式主要包括该校硕士生培养目标、现代优化计算算法基础知识的获得、算法的实践训练、把所学算法用于解决其专业问题的科学研究等四个基本要素，均具有独特的重要性。

结合我校具体专业特色及该课程内容的特点，培养目标、知识获得、实践训练、科学研究等要素均起着不同角色，它们之间也具有一定的关联。以我校硕士研究生培养目标为方向，以本课程所讲的几种现代优化算法知识获取为基础，以学生根据自己所学专业和利用所学算法知识进行实践训练为手段，以科学研究为重点。

总之，惟有正确认识教学模式的基本要素及其重要性，才能完成现代优化计算方法课程的教学目标，并且该课程所有的教学改革均是以上述理论为指导。

2 让教学成为科研活动的教学

研究生教育是我国高等教育的高层次，是为了培养具有创新和科研能力的高级知识人才。《中华人民共和国高等教育法》规定:硕士研究生教育应当使学生掌握本学科知识的基础理论、系统的专业知识，掌握相应的技能、方法和相关知识，具有从事本专业实际工作和科学研究工作的能力。可见，研究生科研能力的培养与提高是研究生教育的重要任务，具备一定的科研能力更是研究生获得硕士学位的条件之一。

另一方面，中国地质大学(北京)硕士研究生的培养过程通常分为两个阶段，一是研究生的课程教学阶段，二是研究生的科研课题研究阶段。因此，现代优化计算方法课程的教学目标不仅让学生获取几种现代算法的有关内容，更重要的是，通过该课程的学习，必须逐渐培养和提高研究生的科研能力。为此，在该课程的教学过程中，主讲教师要始终注意启发、引导学生充分利用既有的知识、技能与方法去分析、解决新问题，培养学生的观察能力、思维能力和创新能力，从而达到有效提高科研能力的目的。除此之外，该课程的教学还必须与硕士研究生培养方案的第二阶段——课题研究阶段相互衔接，为此，必须改变现代优化计算方法课程传统、单一的教学模式，提出“让教学成为科研活动的教学”的研究生教育理念，把该理念贯穿到现代优化计算方法课程教学的始末，惟有这样，才能够真正达到该课程的教学目的。

此外，现代优化计算方法课程内容的特点更加适合“让教学成为科研活动的教学”的研究生教育理念。众所周之，禁忌搜索、模拟退火、遗传算法、蚁群算法和人工神经网络算法等现代优化计算方法自成一体，每种算法的研究处于当代科研前沿，均是科研热点。在该课程的教学过程中，主讲教师针对每一种算法所未解决的问题均可以有意识地引导研究生，鼓励他们试图找到算法问题的解决方案。另一方面，也可以有意识地让研究生结合自己所学专业中的问题，利用所学习到的算法去解决专业问题，这些均能够让学生巩固所学基础知识，又能够潜移默化地培养与提高研究生的科研能力。

3 教学内容与现代数学软件相互结合解决具体实际问题

随着20世纪70年代初期计算复杂性理论的形成，科学工作者发现并证明了大量来源于实际的组合最优化问题，是非常难解的问题，即NP完全和NP难问题。20世纪80年代初期，应运而生了一系列现代优化计算方法，就是现代优化计算方法研究生课程涉及的教学内容，包括禁忌搜索、模拟退火、遗传算法、蚁群算法和人工神经网络算法等6种现代优化计算方法。虽然在国内外上述几种算法均是基本上都有相应的专著，都有较为详尽的理论和应用论述，但是作为硕士研究生的一门公共基础课，将这些算法集中起来设置该校一门公共基础课程，从而其教学内容在教学地位上具有并行性、同等性，它不仅要求学生对这6种常用算法都有一定的了解，而且要根据实际需要选择合适的算法进行深入的研究和应用。

实践证明，这些算法与现代数学软件或计算机软件结合以后，在一些实际问题中都得到成功应用。短短20多年，这些算法广泛地应用于物理、化学、运筹学、计算机科学、电子学、信息论、控制论、网络理论、管理科学、社会科学等几乎所有学科领域。随着数学软件或计算机科学的快速发展，又大大地促进了其他学科的发展。近几年，随着强有力的Matlab等数学软件的迅速发展，算法在数学和计算机等各学科方面的应用越来越来广泛，从而，各学科的研究者越来越多地重视现代优化算法思想、步骤及其Matlab实现、案例。根据作者近几年的教学经验，在现代优化计算方法的教学过程中，以现代优化算法的思想与步骤为基础，以各算法应用于地质类专业上的简单实际问题为例，通过Matlab等现代数学软件进行解决，会达到很好的教学效果。比如，2009年该课程的教学共48课时，28名不同地质类研究生为授课对象，截止期末时，共有20名研究生均结合所讲授的这6种算法与Matlab等数学软件，解决了自己所学专业的科研问题。

例如:在进行遗传算法的教学过程中，首先介绍该算法思想、算法步骤，由于GIS专业学生比较多，因此，课堂上就选择了遗产算法在GIS专业上的一篇应用论文，通过论文选读的方法，具体鲜明地使抽象、难懂、难理解的遗传算法得以讲解清楚，更重要的是，教会了学生如何解决实际问题。专业为GIS学号2001090386的刘富波同学利用遗传算法和C++完美解决了该生正困扰的专业科研问题，完成论文“基于遗传算法旅游GIS系统算法设计与实现”。在进行快速模拟退火等其他算法的教学过程中，学生均结合自己所学专业进行应用，如学号2001090397的马佳国同学撰写论文“基于快速模拟退火算法的地图微缩研究”;学号2001090397的唐科同学撰写论文“模拟退火解决TSP问题及在GIS中的应用”等。

实践证明，教学内容与现代数学软件相互结合解决具体实际问题”的教学方法所产生的教学和科研成果显著，必须重视。

4 加强科研能力的培养

目前，中国地质大学(北京)越来越重视硕士研究生课程的教学，开设了多门数学必修课和选修课，期望以此提高硕士研究生的素质，尤其是科研能力。但是，这些课程在教学内容上往往各自独立，过于强调每门课程的系统性和完整性，课程的教学手段单一，未充分利用我校丰富的地质类资源，使得课程学习与实际应用相互脱离，不利于培养硕士生的科研能力。

在现代优化计算方法课程的教学过程中，结合该课程内容特点，师生要充分利用中国地质大学(北京)的丰富的地质类资源，加强地质专业研究生的实践能力，提高其科研能力。

根据我校硕士研究生的培养目标和方案，结合我校地质特色的优越课题资源，必须将现代优化计算方法课程内容进行重新有机整合，并增加禁忌搜索、模拟退火、遗传算法、蚁群算法和人工神经网络算法等6种现代优化计算方法的应用内容，这将十分有利于培养与提高硕士研究生的实践和科研能力。

另外，可有针对性地举办专题讲座，以培养学生解决地质科学等实际问题的能力。

［1］邓军，周洪瑞，赵文翠.发展规模，提高质量，促进研究生教育快速发展［J］.中国地质教育，2001，(1):37－40.

［2］王训练，岑况，胡灵，等.创新型地学理科人才培养模式的探索与实践［J］.中国地质教育，2004，(4):29－33.

［3］王训练，王果胜，白洁.产学研结合，培养地学创新人才［J］.中国地质教育，2008，(4):13－16.

［4］张玉清，王群.“算法分析与设计”教学方法的探索［J］.中国地质教育，2006，(4):119 －120.

［5］谢胜利，唐敏.求解TSP问题的一种改进遗传算法［J］.计算机工程与应用，2002，18(8):58 －60，245.

［6］罗广祥，马智明，田永瑞.基于模拟退火算法的自动地图注记配置研究［J］.测绘科学，1999，42(2):11－16.

The Teaching Reform and Exploration of the Course of Modern Optimization Calculating Methods

WANG Hai－ ying1，LI Chuan － tao2，3

(1.School of Information Engineering，China University of Geosciences，Beijing 100083，china;
2.Shandong Sports School，Shandong University，Jinan Shandong 250014，China;
3.School of Geophysics and Information Technology，China University of Geosciences，Beijing 100082，China)

Modern Optimization Calculating Methods is a public course for graduate students with the introduction of taboo search，simulating annealing，genetic algorithm，ant algorithm，artificial neural network algorithm，all of which are widely applied in geological and remote sensing majors.The paper made some reform research of teaching conception，content，method，and how to improve the graduate students’actual ability through the course.

Modern Optimization Calculating Methods;course;teaching reform

G 642.0

A

1673－2103(2011)02－0109－03

2010－11－06

中国地质大学(北京)研究生教学研究和教学改革项目(200907).

王海英(1977－)，女，山东鄄城人，副教授，博士，硕士研究生导师;研究方向:应用数学及其教学.