智能系统导论课程中进化计算的教学探讨

白梅　李冠宇　张俊　宁博　王习特

摘 要：探讨如何开展进化计算的教学工作，从教学内容和教学安排两方面展开介绍，最后说明几点启示。目的是将进化计算这一重要思想介绍给学生，使他们能够了解进化计算的内容，更能灵活掌握进化计算的思想，解决今后实际生活和科研中遇到的各类问题。

关键词：智能系统导论；遗传算法；教学启示

1 背 景

智能科学与技术专业是面向高新技术的基础型本科专业[1-2]。随着科技的不断发展，智能科學与技术专业的地位越发重要，为国家培养大量的专业型技术人才，是我国推动人工智能发展的基础。智能系统导论作为智能科学与技术专业的基础课程，主要对人工智能发展历史过程中的各种主要技术展开专题性的介绍，旨在帮助学生理清人工智能学习中的各类技术脉络，从而对不同种类的人工智能技术进行良好的梳理[3]。

进化计算[4]是智能系统导论中的一个重要专题，其深入模仿进化原理，是人工智能发展历史上一项突破性的科研成果。进化思想可以有效应用在各类组合优化问题中，能够为学生将来的工作和研究提供良好的理论基础。

2 教学内容

进化计算就是用计算机程序来模拟自然进化的过程，是人工智能发展历史上一个里程碑式的进展。进化计算的授课内容包括以下几个方面。

（1）进化计算的简介。包括进化计算的历史起源、进化计算的核心思想、进化计算的分类以及进化计算的应用等方面。通过对进化计算的简介，使学生对进化计算有整体的了解。

（2）遗传算法及其应用。详细讲解遗传算法的基本原理、遗传算法的步骤以及各种遗传操作，并通过案例对遗传算法的应用进行详细介绍。

（3）进化策略的介绍。详细讲解进化策略的问题编码、算法步骤以及进化策略的遗传操作。

（4）遗传编程的介绍。详细讲解遗传编程的问题编码、算法步骤和遗传操作。

（5）总结。对比3种不同进化计算方法的优缺点及他们遗传操作的不同之处，并概括总结他们适用的实际问题。

3 教学安排

3.1 问题引入

智能系统导论作为本科生的专业基础课，不仅需要让学生明白所学的知识，更需要有效引导学生的兴趣，使他们对该学科产生兴趣自发学习。那么在进行问题引入时，就需要对学生进行兴趣引导，使他们明确该知识点所依托的实际背景。在进行一些基础学习时，学生经常会有疑问，这个知识有什么用、是否有实际使用背景。这种情况下，就需要老师对学生进行有效的知识联想，清楚地告诉学生这个知识点所依托的实际背景，从而激发学生的学习兴趣，由教师灌输知识模式转变成学生主动学习知识模式。

为达到上述目的，在对进化计算进行问题引入时，教师对进化计算的开发背景进行深入探讨，从达尔文进化理论入手，以短片的形式来引起学生的兴趣，接着对照短片中的每个场景，进行逐步讲解，从而归纳出进化计算的核心思想，并引出进化计算的重要发展分枝：遗传算法、进化策略和遗传编程。

3.2 理论介绍

当把进化计算思想成功引入后，需要对进化计算的理论进行有效的归纳和总结。进化计算在长久的发展过程中，出现了3个重要分枝算法：遗传算法、进化策略和遗传编程。尽管这3种算法的核心思想相同，都是模拟 “优胜劣汰”的自然选择机制和遗传信息传递的计算机程序，但在处理信息时，他们所采用的遗传操作却并不相同。因此，在授课过程中，教师需要对3种进化计算方法以流程图的形式并结合具体的案例分别进行描述，然后以问答的形式总结3种进化计算的各自特点，并与学生共同探讨，最终以表格的形式来描述3种进化计算方法的不同点（见表1）。

表1 遗传算法、进化策略和遗传编程的不同处项目 遗传算法 进化策略 遗传编程

染色体表示 二进制数字串 范围变量 LISP列表处理语言

遗传操作 选择、交叉、突变 突变 选择、交叉、突变

优化方式 数值优化 数值优化 函数优化

染色体长度 固定 固定 不固定

在清晰描述3种进化计算的不同之处后，以遗传算法为例进行详细的讲解，使学生对该案例进行充分的了解，然后引导学生采用其他2种进化计算方法对相同的案例进行解决，从而强化学生对3种不同进化计算方法的理解。

3.3 知识应用

进化计算有着非常广泛的应用，尤其在求解最优化问题上取得非常好的效果。为了在各种实际问题中活用进化计算方法，使学生不只是生硬的照搬照抄该思想，还需要从多种案例入手，在保证进化计算核心思想的前提下，灵活使用不同遗传操作方式，达到解决实际问题的效果。

在课堂教学过程中，可以把进化计算思想带入到传统的最优化问题中，如最大覆盖问题、旅行商问题、中位数问题等。以遗传算法为例，分别带入不同的最优化问题进行解决。在解题过程中，对于不同的题干要求，需要设计不同的染色体编码，并对他们进行相应的调整，使得他们满足具体的问题。通过这种加强学习，使学生能够活用相关知识，做到具体问题具体分析，并具备一定的科研创新能力。

3.4 实践练习

为巩固教学效果，在学生课程实践中，安排相应的最优化问题，使得学生能够动手实践，更加深入地掌握进化计算方法：以10个学生为一个小组进行实践练习，首先每个小组可以自主选择实践题目，而后以小组为单位进行相应题目的系统设计与实现，最终以小组的形式进行成果演示和问题讲解，并提交实践报告。

关于进化计算的设计题目包括2个。题目一：旅行商系统的设计与实现。具体地，给出一系列城市和每两个城市之间的距离，求解一组序列，使得旅行商可以依照该序列依次访问每个城市仅1次，并保证旅行商走过的总路程最短。要求：在系统设计过程中，城市的数目和任意两城市间的距离可以随机生成，并在系统中采用进化计算的方法实现最优路径的选取。题目二：最优化选址问题的设计与实现。具体地，某市计划兴建几个供电站，共有n个候选地址，在任意候选地址兴建供电站，可以解决周边的供电问题，如何兴建尽可能少的供电站，使得兴建的供电站可以覆盖该城市的所有地区。要求：供电站的候选地址以及每个候选地址的覆盖范围可以随机生成，且该城市的总区域可由一个矩形代替，在系统中采用进化计算的方法实现最优候选地址的选取方案。endprint

通过上述实践练习，不仅使学生深刻理解进化计算的思想原理，还强化学生的能力锻炼，在攻克一个个问题的过程中，学生可以把所学知识与实践良好地联系起来。同时，在系统开发过程中，也对学生的团队协作能力进行鍛炼，为学生今后进入工作和科研系统打下坚实的基础。

4 教学启示

在教进化计算的过程中，教师得到了教学以外的几点启示。

（1）案例与教学结合，是引起学生兴趣的最好手段。都知道兴趣是学生学习最好的老师，但是如何激发学生的兴趣则是教师需要思考的问题。由于人工智能科学的特殊性，教师可以发现，任何智能技术都有着一定仿生学的影子，因此，教师要以实际案例为导向，激发起学生的学习兴趣。只有当学生清楚所学的知识有用，他们才会全身心的投入到该技术的学习中。

（2）丰富灵活的案例，是掌握知识的最好通道。掌握知识，不仅仅是指学生学会考试内容，可以做出计算题，更多的是指学生掌握该技术，能够把该技术用到合适的场景中。那么在教学过程中，就需要教师通过各类不同的案例，并且不断变化案例的题干，来加深学生对该知识的了解。教师还需要多留思考题，开动学生的大脑，对问题进行深入分析，从而尽早掌握该知识。

（3）理论联系实际，是提高学生能力的最好方法。单纯的理论学习，并不能使学生对该知识形成深刻的印象。那么在后期的课程实践中，可以通过安排相应的最优化选题，不断加深学生对进化计算知识的掌握。在实践过程中，可以使学生的团队协作能力和科研创新能力得到全面的提升。

5 结 语

在课程教学中，笔者精心设计进化计算中所需要的各类案例，通过调整题干，使得学生在理解进化计算核心思想的基础上，能够灵活掌握该知识点，做到具体问题具体分析，理论联系实际。在接下来的教学过程中，笔者将会就进化计算问题进行更加深入的探索，拟引入当前该领域内的最新研究问题，进行实例探讨，并留给学生更多的讨论思考时间，为培养高素质的科研型人才奠定良好的基础。同时，笔者会对智能系统导论中的其他专题展开有针对性的深入研究，争取将智能系统导论的每个专题设计得更加灵活生动，帮助学生掌握该门课程的同时，为学生学习人工智能研究奠定良好的基础。

参考文献：

[1] 钟义信. 传播创新成果， 服务社会需求： 论核心课程的设计[J]. 计算机教育， 2014（19）： 22-25.

[2] 李晓东. 关于智能科学与技术专业建设的几点思考： 以中山大学智能科学与技术专业为例[J]. 计算机教育， 2015（18）： 2-5.

[3] Negnevitsky M. 人工智能： 智能系统指南[M]. 北京： 机械工业出版社， 2011.

[4] 阎平凡， 张长水. 人工神经网络与模拟进化计算[M]. 北京： 清华大学出版社， 2005.

（编辑：史志伟）endprint