摘要：隨著智能信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的學(xué)生對量子計(jì)算智能導(dǎo)論這門課產(chǎn)生了濃厚的興趣。我們結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，將該門課程的教學(xué)內(nèi)容劃分為理論型和實(shí)踐型，注重理論與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，以具體實(shí)例引導(dǎo)教學(xué)，從而加深學(xué)生對理論的理解，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和科研興趣。本文介紹了這種教學(xué)方法。
　　關(guān)鍵詞：智能信息處理技術(shù)；量子計(jì)算智能導(dǎo)論；教學(xué)實(shí)踐
　　
　　人類正被數(shù)據(jù)淹沒，卻饑渴于知識。面臨浩瀚無際而被污染的數(shù)據(jù)，人們呼喚從數(shù)據(jù)汪洋中來一個去粗取精、去偽存真的技術(shù)。而數(shù)據(jù)挖掘就是從大量數(shù)據(jù)中識別出有效的、新穎的、潛在有用的，以及最終可理解的知識和模式的高級操作過程，所以數(shù)據(jù)挖掘也可以說是一個模式識別的過程，因此模式識別領(lǐng)域的許多技術(shù)經(jīng)過一定的改進(jìn)便可以在數(shù)據(jù)挖掘中起重要的作用。計(jì)算智能(Computational Intelligence-CI)方法是傳統(tǒng)人工智能(Artificial Intelligence，AI)的擴(kuò)展，它是模式識別技術(shù)發(fā)展的新階段[1]。
　　科學(xué)家預(yù)言：“21世紀(jì)，人類將從經(jīng)典信息時代跨越到量子信息時代”。創(chuàng)立了一個世紀(jì)的量子力學(xué)隨著20世紀(jì)90年代與信息科學(xué)交叉融合誕生的量子信息學(xué)，已成為量子信息時代來臨的重要標(biāo)志[2]。量子計(jì)算智能導(dǎo)論作為信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、智能信息處理、人工智能等相關(guān)專業(yè)的研究生專業(yè)課程，已經(jīng)在越來越多的高等學(xué)校開設(shè)。
　　由于量子計(jì)算智能是一門跨越包括物理學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子機(jī)械、通訊、生理學(xué)、進(jìn)化理論和心理學(xué)等學(xué)科在內(nèi)的深奧科學(xué)，因此量子計(jì)算智能導(dǎo)論的教學(xué)內(nèi)容和側(cè)重點(diǎn)的安排目前仍處在探索階段，尤其作為研究生課程如何使得學(xué)生在掌握深奧理論的基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，將理論轉(zhuǎn)化為技術(shù)與工具，從而提高動手能力，這是每個研究生專業(yè)課任課老師的核心探索所在，因此就要求老師在授業(yè)解惑的同時關(guān)注前沿，以該學(xué)科的前沿領(lǐng)域?yàn)榻虒W(xué)指引，進(jìn)而更好的培養(yǎng)研究生主動探索知識的能力。
　　1教材選擇
　　一本好的教材為教學(xué)起到了畫龍點(diǎn)睛的作用，因此教材的選擇即是老師對教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)方法的選擇。我們選擇教材，期望該教材由淺入深、深入淺出、可讀性好，具有系統(tǒng)性、交叉性、前沿性等特點(diǎn)。由于量子計(jì)算智能導(dǎo)論為全校研究生的專業(yè)課程，而量子計(jì)算智能是一門多學(xué)科交叉的綜合型學(xué)科，因此我們要考慮到來自學(xué)校不同專業(yè)背景，以及在物理，數(shù)學(xué)，工程優(yōu)化和進(jìn)化理論基礎(chǔ)有限的兩難困境，所以首先選擇了一本關(guān)于量子計(jì)算的英文原版書作為教材之一，Michael Nielsen等人所著的《Quantum Computation and Quantum Information》[3]，2003年高等教育出版社出版，該書全面介紹了量子計(jì)算與量子信息學(xué)領(lǐng)域的主要思想與技術(shù)。到目前為止，該領(lǐng)域的高速進(jìn)展與學(xué)科交叉的特性使得初學(xué)者感到困惑而不易對其主要技術(shù)與結(jié)論有綜合性的認(rèn)識，而該書特色在于對量子機(jī)制和計(jì)算機(jī)科學(xué)給予了指導(dǎo)性介紹，使得那些沒有物理學(xué)或計(jì)算機(jī)科學(xué)背景的學(xué)生對此也易于接受，為學(xué)生提供了詳實(shí)的關(guān)于量子計(jì)算的物理原理和基本概念；另外考慮到這門課程面向研究生，無論將來他們是直接就業(yè)還是繼續(xù)深造，都要注重實(shí)踐動手能力的培養(yǎng)，要能夠?qū)⒆约核鶎W(xué)的書本知識轉(zhuǎn)化為技術(shù)和工具，去解決實(shí)際的工程和科研問題，因此我們還選擇了另外一門書，由李士勇教授所著的《量子計(jì)算與量子優(yōu)化算法》[4]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社于2009年出版，該書著重講解了量子優(yōu)化算法，為實(shí)際工程應(yīng)用提供了新的思路，并啟發(fā)大家在量子計(jì)算機(jī)沒有走出實(shí)驗(yàn)室的今天，如何利用現(xiàn)有的數(shù)字式計(jì)算機(jī)構(gòu)造具有量子特性的快速算法。當(dāng)然考慮到全校研究生的專業(yè)知識背景不同，我們也推薦了中南大學(xué)蔡自興教授等編著，2004年由清華大學(xué)出版社出版的《人工智能及其應(yīng)用：研究生用書(第三版)》[5]，該書是蔡自興為主講教授的國家精品課程人工智能的配套教材，該本書中系統(tǒng)全面的講解了高級知識推理、分布式人工智能與艾真體、計(jì)算智能、進(jìn)化計(jì)算、群智能優(yōu)化、自然計(jì)算、免疫計(jì)算以及知識發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)挖掘等近年的熱點(diǎn)智能方法，從而輔助學(xué)生了解人工智能，以及人工智能如何發(fā)展到計(jì)算智能，使得學(xué)生全面認(rèn)識學(xué)科的發(fā)展和傳承性，為今后學(xué)習(xí)量子計(jì)算智能打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
　　2教學(xué)內(nèi)容
　　本課程從量子計(jì)算的基本概念和原理出發(fā)，重點(diǎn)講解量子計(jì)算基礎(chǔ)和基本的量子算法；并從量子優(yōu)化算法拓展開來。該門課程我們安排了46學(xué)時，具體安排如下：第1章，量子力學(xué)基礎(chǔ)(2學(xué)時)；第2章，量子計(jì)算基礎(chǔ)(4學(xué)時)；第3章，基本量子算法(4學(xué)時)；第4章，Grover量子搜索算法的改進(jìn)(4學(xué)時)；第5章，量子遺傳算法(8學(xué)時)；第6章，量子群智能優(yōu)化算法(8學(xué)時)；第7章，量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與算法(8學(xué)時)；第8章，量子遺傳算法在模糊神經(jīng)控制中的應(yīng)用(8學(xué)時)。
　　3教學(xué)方法
　　3.1理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法
　　量子計(jì)算智能導(dǎo)論是一門多學(xué)科交叉的綜合型學(xué)科。選課的同學(xué)來自全校，各個的專業(yè)背景不同，但是大家的共同需求是一樣的，就是從課程中掌握一種用于解決實(shí)際問題的工程技術(shù)，但是工程技術(shù)的掌握也需要理論的支撐，因此我們在教學(xué)實(shí)踐中總結(jié)出了一套方法，具體做法是將教學(xué)內(nèi)容劃分為：理論型和實(shí)踐型。
　　理論型教學(xué)指的是發(fā)展完善的量子計(jì)算基本原理和方法。其內(nèi)容包括：量子位、量子線路、量子Fourier 變換、量子搜索算法和量子計(jì)算機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)等。而其中量子位、量子線路以及量子算法都是以量子相對論為基礎(chǔ)的，這也是量子計(jì)算的本質(zhì)原理，而較之我們熟悉的數(shù)字式計(jì)算機(jī)和計(jì)算方式有著本質(zhì)的區(qū)別。我們在教學(xué)中由淺入深，通過PPT授課，采取理論與實(shí)例相結(jié)合的講授方式。下面給出了一個我們在教學(xué)中的實(shí)例：將量子計(jì)算問題形象化。具體內(nèi)容如下。
　　讓我們想象一下下面這個問題。我們要找一條穿過復(fù)雜迷宮的路。每次我們沿著一條路走，很快就會碰到新的岔路。即使知道出去的路，還是容易迷路。換句話說，有一個著名的走迷宮算法就是右手法則——順著右手邊的墻走，直到出去(包括繞過絕路)。這條路也許并不很短，但是至少您不會反復(fù)走相同的過道。以計(jì)算機(jī)術(shù)語表述，這條規(guī)則也可以稱作遞歸樹下行。現(xiàn)在讓我們想象另外一種解決方案。站在迷宮入口，釋放足夠數(shù)量的著色氣體，以同時充滿迷宮的每條過道。讓一位合作者站在出口處。當(dāng)她看到一縷著色氣體出來時，就向那些氣體粒子詢問它們走過的路徑。她詢問的第一個粒子走過的路徑最有可能是穿過迷宮的所有可能路徑中最短的一條。當(dāng)然，氣體顆粒絕不會給我們講述它們的旅行。但是 量子算法以一種同我們的方案非常類似的方式運(yùn)作。即，量子算法先把整個問題空間填滿，然后只需費(fèi)心去問問正確的解決方案(把所有的絕路排除在答案空間以外)。這樣以來，一個枯燥晦澀的量子算法就被很形象的解釋，因此增強(qiáng)了學(xué)生的記憶也加深了理解，從而提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
　　實(shí)踐型教學(xué)指的是正在發(fā)展中的量子計(jì)算智能方法的熱點(diǎn)問題。其內(nèi)容包括：量子遺傳算法，混沌量子免疫算法，量子蟻群算法，量子粒子群算法，量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與算法，和這些算法在實(shí)際工程優(yōu)化中的應(yīng)用。這部分內(nèi)容屬于本學(xué)科的前沿，但也是熱點(diǎn)問題，因此這部分我們在教學(xué)中忽略理論推導(dǎo)，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)實(shí)際操作，在PPT課件中增加仿真實(shí)例的講解；并在課下布置相應(yīng)的上機(jī)操作習(xí)題，配合上機(jī)實(shí)踐課程，鍛煉學(xué)生的動手能力，同時也引導(dǎo)學(xué)生去關(guān)注這些前沿，從而培養(yǎng)他們的科研素養(yǎng)。
　　
　　為了體現(xiàn)該門課的教學(xué)特點(diǎn)，我們在考核方式上，采取考試與報(bào)告相結(jié)合的方式，其中理論部分我們采取閉卷考試，占總考評分?jǐn)?shù)的40%；實(shí)踐部分采取上機(jī)技術(shù)報(bào)告考核，內(nèi)容為上機(jī)實(shí)踐課程布置的大作業(yè)，給出詳實(shí)的算法流程圖和仿真結(jié)果與分析，占總考評分?jǐn)?shù)的40%；出勤率占總考評分?jǐn)?shù)的20%。
　　3.2科研素養(yǎng)的培養(yǎng)與實(shí)踐能力的提高
　　科研素養(yǎng)的最核心部分，就是一個人對待科研情感態(tài)度和價值觀，科研素養(yǎng)的培養(yǎng)不僅使學(xué)生獲得知識和技能，更重要的是使其獲得科學(xué)思想、科學(xué)精神和科學(xué)方法的熏陶和培養(yǎng)。正如溫總理說的那樣：“教是為了不教，學(xué)是為了會學(xué)”，當(dāng)學(xué)生將課本內(nèi)容遺忘后，遺留下來的東西即是他們所具備的科研素養(yǎng)。因此，在教學(xué)中，我們的宗旨也是提高學(xué)生的科研素養(yǎng)，量子計(jì)算智能導(dǎo)論是一門理論和實(shí)踐緊密結(jié)合的學(xué)科，該學(xué)科的發(fā)展日新月異，在信息處理領(lǐng)域的關(guān)注度也越來越高。在教學(xué)實(shí)踐中，我們采用了上機(jī)實(shí)踐和技術(shù)報(bào)告相結(jié)合的教學(xué)方式。掌握各種量子計(jì)算智能方法的原理和流程是這門課程教學(xué)的首要任務(wù)，因此學(xué)生結(jié)合各自研究方向?qū)崿F(xiàn)量子智能算法在實(shí)際科研任務(wù)中的優(yōu)化問題求解。在上機(jī)實(shí)踐中，學(xué)生不僅要掌握該智能算法的流程而且重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生對
　　自己科研任務(wù)的建模，學(xué)會系統(tǒng)分析問題，建立合理的數(shù)學(xué)模型，并給出理論分析。上機(jī)實(shí)踐驗(yàn)收中，我們不但考察其結(jié)果展示，更增加了上機(jī)實(shí)踐的技術(shù)報(bào)告，用來分析模型建立的合理性，從而培養(yǎng)學(xué)生對待科研問題的分析素養(yǎng)和建模素養(yǎng)。在技術(shù)報(bào)告中，我們要求學(xué)生給出幾種可供參考的建模模型，并分析各自的優(yōu)勢，和選擇這一解決方案的依據(jù)。由于量子計(jì)算智能導(dǎo)論是面向研究生開設(shè)的課程，在教學(xué)中，我們更佳關(guān)注其分析問題的能力，和解決問題的合理性的思考能力，從而培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)。
　　4結(jié)語
　　把教學(xué)當(dāng)做一門藝術(shù)，是我們作為高校老師畢生追求的目標(biāo)，如何做到重點(diǎn)講透，難點(diǎn)講通，要點(diǎn)講清，這也是我們多年教學(xué)中一直關(guān)注的關(guān)鍵點(diǎn)。我們在教學(xué)中反對“灌輸式”，強(qiáng)調(diào)“啟發(fā)式”，以實(shí)際應(yīng)用先導(dǎo)教學(xué)是非?？扇〉?，也收到了良好的效果。量子計(jì)算智能導(dǎo)論是一門綜合型交叉學(xué)科，且面向研究生開設(shè)，因此在教學(xué)實(shí)踐中，我們十分重視學(xué)生科研素養(yǎng)的培養(yǎng)。通過上機(jī)實(shí)踐和技術(shù)報(bào)告的形式引導(dǎo)學(xué)生積極動手，積極思考。希望這些教學(xué)中的點(diǎn)滴供同行們交流探討。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
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