基于建构主义理论的智能规划课程教学研究

刘鸿福 张万鹏 陈璟

【摘要】智能规划对于培养学生的智能科学与技术素养具有重要作用。以建构主义学习理论为指导，树立以学生综合能力与知识体系提升为核心的课程教学目标，理论与实践并重组织教学内容，梳理了知识点的体系结构。采取锚定式设计教学环节，含六个典型步骤，给出了教学示例。该课程对完善学生的智能科学与技术知识体系、形成智能规划思维十分必要。

【关键词】建构主义 智能规划 教学设计 教学环节

【中图分类号】G640 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）04-0017-02

一、智能技术人才培养对智能规划课程建设提出了迫切需求

智能规划广泛存在，比如路径与运动规划、感知规划、导航规划、制造过程规划、通信规划、码头装卸规划、物流运输规划等。规划是关于动作的推理，通过动作的期望效果，选择和组织一组动作序列，尽可能好地实现预定目标。在复杂、多变的任务中，需要智能规划的方法和技术，尽快地提供行动方案，满足安全、时效等约束，优化能耗、效率等目标。智能规划是机器智能的核心技术之一，该课程是智能系统、机器人、无人系统、任务规划技术等专业方向研究生的核心专业课，对于培养学生的智能科学与技术素养具有重要作用。由于智能技术的快速发展，对高校相关人才培养提出了新的需求，但智能技术相关的教学内容与教学研究都还比较薄弱。智能规划的课程建设也是从无到有的，在课程建设之初，就从高起点开展教学设计，以符合教学内容和教学规律、有利于激发学生学习动力和主动性、有利于构建整个智能技术知识体系的教育理念为指导。

二、以建构主义作为课程教学的指导理论

建构主义学习理论以建构主义认知心理学为指导，认为知识是学生在某种情境下，通过与教师和学习伙伴协作，利用学习资源完成意义建构，达到学习的目的。强调以学生为中心，将“情境”“协作”“会话”和“意义建构”作为学习中的四大要素，教学设计要创设有利于学生意义建构的情境，通过学习小组的相互协作、会话商讨，深刻理解事物的性质、规律，将当前所学与已有知识结构联系起来，在记忆中长期存储形成“图式”。建构主义经过十多年的发展已经成为主导教学的主要理论，特别是当前信息技术的发展为建构主义所要求的学习环境提供了强有力的支持[1，2]。

建构主义十分符合智能规划课程教学的需要与特点，在建构主义理论的指导下，结合智能规划的学科特点，进行系统的、生动的、新颖的课堂教学设计，在教学中突出学生为中心，教师是教学内容的提供者与帮助者，教学过程的引导者与促进者。智能规划课程教学框架如图1所示。以原有知识为基础，掌握智能规划的理论方法与实践应用，获得成就感，思考建立了与知识体系（感知-规划-行动-评估）的关系，建立记忆“图式”，完成意义的建构，形成新的知识体系。

三、树立以学生综合能力与知识体系提升为核心的教学目标

智能规划课程教学以人工智能基础理论为先导课程，以建构主义学习理论为指导，树立以学生综合能力与知识体系提升为核心的教学目标，围绕智能规划理论与实践，组织课程内容，设计课程框架，充分利用信息技术和当前热门的智能规划案例，设计课程教学策略，进行教学实践与探索。在学生能力培养上，一是注重问题导向，以实践中的智能规划问题构建学习情境，串联理论教学，建立动手实践项目；二是注重学习协作，学习小组成员围绕问题和实践项目相互协作，互相促进，共同理解规划方法并加以实践应用；三是注重知识体系，将智能规划放到整个智能系统的应用背景，从感知、规划、执行、评估来构建大的情境，引导学生由点及面、触类旁通地建立新学知识与已有知识之间的联系，形成网络化的记忆“图式”；四是注重意义构建，通过系统的理论、丰富的应用、生动的学习情境，充分激发学生的兴趣和热情，主动完成意义构建。

四、理论与实践并重组织智能规划课程教学内容

智能规划课程教学内容包括理论与实践两大部分，理论上，以人工智能课程中的智能体、搜索、约束满足技术、规划等知识点为基础，学习经典规划、类经典规划、启发式信息、控制规则与分层任务网络规划、时间和资源约束规划、不确定规划等知识点[3]；实践上，每一类技术都结合实践应用问题，开展案例教学、研讨、设计与实验，比如机器人、宇宙飞船与空间站、无人系统、侦察系统、灾难救援行动、制造过程、桥牌游戏等规划问题。智能规划课程的知识点结构如图2所示。

五、建构主义指导下的智能规划课程教学环节

建构主义指导下的教学环节，强调教师运用各种手段激发学生的兴趣和主动性，创设生动、有效的学习情境，组织协作学习，开展研讨与交流，进行头脑风暴，教员解答疑惑与合理指导，帮助学生建构当前所学知识的意义。目前比较常用的基于建构主义设计的教学环节与方法主要有：框架式（Scaffolding Instruction）、锚定式（Anchored Instruction）、随机导入式（Random Access Instruction）[1，4]。结合智能规划课程的内容与特点，这里主要采取锚定式来设计教学环节，包括以下步骤：

（1）创设规划情境：从实践中给出案例，创设问题情境，逐步引导学生以问题为向导、以任务为中心创设学习情境。

（2）确定规划问题：锚定式就是以问题为“锚”，抛出问题，始终以问题求解的线索启发学生思考探索。

（3）智能规划知识点学习：在给定的规划情境中，学生针对上一环节所“锚定”的问题，学习知识点，教师进行要点的讲授，提供丰富的学习资料，并给予指导帮助。

（4）协作学习与项目实践：通过研讨学习、头脑风暴、交流分享，不断加深对规划问题的理解与认识，形成规划问题解决的思维；并且在实践上，组成项目小组，分工协作开发实验程序，解决实际问题。

（5）意义建构：引导学生建立知识体系，强化形成记忆“图式”，从理论与实践上达成学习目标，完成意义建构。

（6）效果评价：注重过程评价，观察学生在上述各个环节的表现与收获，并在过程中及时给予评价和指导，帮助学生不断地提升学习效果。考核的形式多样化，包括笔试、实践项目、研讨交流、总结报告等。

以分层任务网络规划的教学为例，首先创设学习情境，给出明确的问题与任务，比如选取国际规划大赛中的标准测试问题——机器人漫游Rovers问题，Rovers描述了一个探索外太空环境的多机器人系统，需要执行土壤取样、拍照和数据传输等任务。问题规模为5个Rover，30个导航点，8台摄影机，4个目标。“采用分层任务网络规划方法，规划出Rovers漫游的行动计划，完成全部任务并优化效率”。这个生动的例子不仅极大地激发了学生的兴趣和主动性，而且还可以作为贯穿整个学习的案例，从建模分析、知识点讲解、研讨、到算法设计与实验。在该学习情境中，问题分析与解决的思路，与知识点展开的脉络相一致，随着知识脉络的推进而逐步讲解问题解决的线索。两者紧密结合，相辅相成，紧紧抓住学生的思考方向，逐步形成智能规划思维方式，在解决实际应用问题的同时完成知识方法学习。同时在学习过程中组建协作学习与实践小组，集体讨论，进行头脑风暴，激发灵感，相互协作，围绕同一个实践项目进行任务分工，比如定义领域知识、开发模型、设计算法、编程实现、实验测试等等，最终给出问题建模、算法、实验结果，给出了Rovers漫游的行动计划。

智能规划课程教学目前仍是智能技术人才培养的薄弱环节，加强对智能规划课程教学的研究，建立了基于建构主义学习理论的学习目标、教学框架、教学内容与教学环节，在教学实践中不断丰富智能规划教学的内涵与方式方法，为学生“弄潮”智能时代积蓄智慧和力量。

参考文献：

[1]高文，徐斌艳，吴刚.建构主义教育研究[M].北京：教育科学出版社，2008.

[2]孙悦，卫小伟，史望聪.基于构建主义学习理论的计算机应用基础课程教学改革[J].延安职业技术学院学报，2011，25（3），81-82.

[3]Malik Ghallab，Dana Nau，Paolo Traverso，（姜云飞，杨强译）.自动规划：理论和实践[M].北京：清华大学出版社，2008.

[4]姜丹，杨健，徐东.一种基于建构主义的计算机课程课堂教学设计新方法[J].软件工程师，2015，18（4），46-48.

作者简介：

刘鸿福（1983-），男，湖南衡阳人，国防科技大学机电工程与自动化学院讲师，工学博士，主要从事人工智能、智能规划教学与研究。

张万鹏，副研究员。

陈璟，教授。