立足前沿理论与行业需求的研究性教学方法实践

郭建媛 秦 勇 贾利民

（北京交通大学交通运输学院 北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室 北京 100044）

“研究性教学”是创新性人才培养的重要手段[1]，是通过教学过程的研究性，引导学生进行“研究性学习”，从而让学生掌握知识、培养研究和创新能力的一种教育新理念[2]。研究性教学着眼于培养学生的探索精神和创造性，构建以培养学生的创新精神和创新能力为基本价值取向的教学内容和教学方法体系[3]。研究性教学近年来越来越受到重视，被引入到专业建设、课程建设和课程改革中[4-10]。研究性教学过程中通过学术引导[11]、实践引导[12]、教学案例改进[13]等方式激发学生的学习兴趣，教授学生发现问题、解决问题的研究过程与方法，通过教学提高学生的创造能力与创新精神。

本文以北京交通大学交通运输学院开设的研究生课程——“计算智能”为例展开。该课程于2014年开始，已被学校批准立项为2018年研究生优质核心课程建设项目；并获批2019年滴滴出行教育部第一批产学合作系统育人项目示范课程建设。本文以此课程为例，说明如何综合前沿理论与行业需求的研究性教学方法，激发学生研究兴趣、训练学生研究能力，提高学生创新能力。

一、研究性教学方法指导思路

研究性教学以激发学生兴趣，发挥学生能动性为出发点。结合行业需求谈理论，结合理论发展谈需求，能够激发学生的兴趣，发挥学生学习的能动性。不但使学生掌握从事专业研究的知识，更使学生具备了解决专业问题的研究能力。以“计算智能”课程为例，该课程面向的是未来就业于交通运输行业的学生，而计算智能本身又代表了新兴的技术与理论，它的发展以应用为推进动力，很适合使用前沿理论与行业需求相结合的教学方法。

结合研究性教学特点，在教学思路中，需要把握以下几点：

（一）基础知识与前沿理论兼顾

研究性教学中，教师不仅介绍知识内容，也介绍知识的发现过程，通过授课向学生展示科学研究发展的实际过程，培养学生发现问题，解决问题的能力[14]。一门课程的基础知识，在提出该知识的时代也曾经是前沿理论。在教学过程中，以适合学生接受的虚拟场景，不断提出理论以及应用存在问题，从基础知识不断过渡到前沿理论。

（二）经典理论与行业问题紧密结合

在研究性教学过程中，为了充分地发挥研究的过程，需要将教学重点集中到有限的几个问题，从理论问题的发现、解决、应用、改进，使学生理解和学习到研究的过程和方法。所以在教学的过程中，需要选择经典理论，从理论的提出、发展，以及对行业问题解决的能力，到目前发展的程度、对问题解决的程度，今后发展的方向，都需要一体化地讲授。同时，结合课程建设特点，以交通行业为背景，围绕轨道交通、道路交通中的安全与效率问题开展应用，达到理论方法的深化。

（三）教师以实际科研经历引导学生研究

在研究性教学中，教师除了讲授知识和传统课堂组织管理的角色外，还需要引导和指导学生的研究过程，所以需要教师具备与课程相匹配的科研经历。而科研本身也有理论、应用或方法的侧重，所以具备不同科研特长的教师共同建设课程会使得课程内容设置更加合理。在教学过程中，教学从实际科研经历出发，对比不同方法在解决行业问题的效果，不但更加客观，也更加具有说服力。

二、研究性教学内容设计

教学内容设计是教学指导思路的第一步落实，也是教学实施的基础。“计算智能”课程建设既要保持计算智能在行业应用的基础共性技术，更要围绕交通行业需求与前沿热点，完成教学内容的调整。下面以该课程为例，说明教学内容的设计。

（一）讲授内容设计

1.基础知识与经典理论

课堂讲授神经网络、模糊计算、进化计算及群智能的基本知识，并利用经典的TSP问题、车辆多路径配送问题贯穿多种理论与算法，有利于对知识的理解，以及对算法思想与适应性的掌握。

2.行业问题与科研案例

在模型算法讲解时，注意引入行业的经典问题，如列车调整问题、交通拥挤问题、交通流（客流）预测及组织优化问题，并结合实际科研的需求与数据，展开建模和求解的案例讲解，使学生能够有的放矢。

3.前沿动态与发展趋势

在理论与案例讲解基础上，结合前沿科技文献，讲解计算智能最新的理论与技术研究成果，并总结与判断技术与理论的发展趋势，为学生课后的研究提供有力的参考[15]。

（二）作业设计

作业是课堂讲授的有利补充，课程从基础理论、实践实验和文献阅读等几个方面设计作业。

1.基础理论推导

要求学生对基础理论的核心公式能够掌握，对神经网络、模糊运算、遗传算法等，能够使用简单的算例进行手工的步骤推演。

2.实践建模实验

要求学生能够应用所学，选取实际的科研案例，进行模型设计，算法改进或实现，利用实际数据或开源的案例数据，进行模型的实验，以及性能和适应程度的对比分析[16]。

3.前沿文献阅读

要求学生选择感兴趣的某种算法或理论，检索高水平科技论文，在满足课程研讨整体规划的前提下，进行阅读和分析总结。

三、研究性教学组织实施

教学组织实施是教学指导思路的具体落实，是教学直接作用于学生的环节。教学组织实施既要考虑客观的教学条件，又要考虑学生的能力与可引导性，同时教学效果的反馈，也将为教学方法的持续改进提供依据，为学生创新能力的不断提高提供可能。

（一）教学方式灵活

1.充分利用在线教学平台

在传统的多媒体课堂教学基础上，搭配利用学校课程平台、雨课堂等在线教学工具。在线教学平台，可以展示文字、PPT、视频等多种教学资源，一方面可以不受时间地点限制，供学生预习和复习；另一方面能够获得学生对知识的掌握程度，及时调整授课内容与方式，优化教学。

2.开放实践环节

鉴于实验的复杂程度较高，学生水平不一，实验周期不确定，因此放宽实践环节的时间与空间限制，将实践环节分为课堂指导与课下实践两部分。课堂指导以实验例题入手进行方法讲解；学生围绕个人研究方向或课程提供的研究数据进行开放式的实验选题，进行课下实践。

3.全方位课堂研讨

根据教学内容的不同特征，进行不同层面、全方位的研讨设计，包括知识点讨论、算法讨论和应用讨论等。对所学知识点的特点，不同知识点之间的联系与区别，模型算法的应用范围，应用案例与技巧进行讨论。

（二）教学资源多样化

根据教学的特点，开发并开放教学案例、实验数据，以及实验平台等的教学资源，提高学生实验开展的条件。

1.丰富的教学案例

结合教学内容，课程逐步开发了案例库包括：基于神经网络的客流预测、基于模糊理论的车站风险评估、基于粒子群算法的滚动轴承运行可靠性模型参数估计、基于遗传算法的列车运行调整等，体现了经典理论方法在行业问题中的具体应用。

2.开放的实验数据

受滴滴出行的盖亚开放数据支持，提供滴滴出行的订单数据、轨迹数据、拥挤指数数据、视频数据等；同时开放部分科研活动积累中的数据，为学生的实验提供基础数据，使学生的实验与行业问题更加紧密结合。

3.基于云平台的实验环境

受滴滴出行支持，提供滴滴云服务，包括云GPU、云服务器等，可以进行实验所需的云计算以及实验数据的云存储等，保障学生实验更加顺利的开展。

（三）教学互动与互助

教学实施过程中，注重师生互动和学生间的互助，以促进教学计划的顺利推进，并增加学生的参与程度，调动学生的主动性。

1.师生间互动

教师通过启发式问题，引导学生主动思考，有利于学生对知识点的理解；通过在线互动，调动学生积极性，并第一时间掌握学生的学习进度；通过总结回顾的形式，进行隔堂研讨，使学生消化吸收学习到的知识。

2.学生间互助

根据教学环节不同，对学生进行灵活分组，如课堂研讨、雨课堂对分、实践实验、文献阅读，都可以由不同人数、不同水平组合的分组形式。学生在学习的过程中，互相协作、帮助，有利于学生在协作过程中克服困难、激发灵感，不但完成学习计划，并且能够同步提高解决问题的能力。

四、结束语

本文以“计算智能”课程为例，阐述了立足前沿理论与行业需求的研究性教学方法。该课程在实践过程中对教师实际科研的前沿问题进行细化，对学生的科研文献阅读、科研问题解决、科研论文撰写起到促进作用。有部分学生使用课堂讲授的理论方法解决正在从事的科研问题，效果得到明显提升；还有部分同学将课程作业的建模求解内容进行完善，撰写和发表了高水平的科研论文。通过课堂的学习，学生将课程所学知识应用于学科竞赛中，获得CVPR2018-NTIRE Challenge on Image Dehazing国际竞赛世界第二名，2018年中国多媒体大会图像去雾处理竞赛第三名，并在Informs RAS 问题求解、华为杯中国研究生数学建模等竞赛中获得好成绩。

通过5年的教学实践，提升了交通运输学院安全科学与工程，交通运输工程、控制科学与工程等多个专业学生的研究能力，并培养了学生的探索精神与创新能力，为学生研究生阶段学习打下良好基础，为学生未来更好地服务于行业、建立交通强国提供强有力支撑。