劉鴻福 張萬鵬 陳璟

【摘要】智能規(guī)劃對于培養(yǎng)學生的智能科學與技術素養(yǎng)具有重要作用。以建構主義學習理論為指導，樹立以學生綜合能力與知識體系提升為核心的課程教學目標，理論與實踐并重組織教學內(nèi)容，梳理了知識點的體系結構。采取錨定式設計教學環(huán)節(jié)，含六個典型步驟，給出了教學示例。該課程對完善學生的智能科學與技術知識體系、形成智能規(guī)劃思維十分必要。

【關鍵詞】建構主義 智能規(guī)劃 教學設計 教學環(huán)節(jié)

【中圖分類號】G640 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）04-0017-02

一、智能技術人才培養(yǎng)對智能規(guī)劃課程建設提出了迫切需求

智能規(guī)劃廣泛存在，比如路徑與運動規(guī)劃、感知規(guī)劃、導航規(guī)劃、制造過程規(guī)劃、通信規(guī)劃、碼頭裝卸規(guī)劃、物流運輸規(guī)劃等。規(guī)劃是關于動作的推理，通過動作的期望效果，選擇和組織一組動作序列，盡可能好地實現(xiàn)預定目標。在復雜、多變的任務中，需要智能規(guī)劃的方法和技術，盡快地提供行動方案，滿足安全、時效等約束，優(yōu)化能耗、效率等目標。智能規(guī)劃是機器智能的核心技術之一，該課程是智能系統(tǒng)、機器人、無人系統(tǒng)、任務規(guī)劃技術等專業(yè)方向研究生的核心專業(yè)課，對于培養(yǎng)學生的智能科學與技術素養(yǎng)具有重要作用。由于智能技術的快速發(fā)展，對高校相關人才培養(yǎng)提出了新的需求，但智能技術相關的教學內(nèi)容與教學研究都還比較薄弱。智能規(guī)劃的課程建設也是從無到有的，在課程建設之初，就從高起點開展教學設計，以符合教學內(nèi)容和教學規(guī)律、有利于激發(fā)學生學習動力和主動性、有利于構建整個智能技術知識體系的教育理念為指導。

二、以建構主義作為課程教學的指導理論

建構主義學習理論以建構主義認知心理學為指導，認為知識是學生在某種情境下，通過與教師和學習伙伴協(xié)作，利用學習資源完成意義建構，達到學習的目的。強調(diào)以學生為中心，將“情境”“協(xié)作”“會話”和“意義建構”作為學習中的四大要素，教學設計要創(chuàng)設有利于學生意義建構的情境，通過學習小組的相互協(xié)作、會話商討，深刻理解事物的性質(zhì)、規(guī)律，將當前所學與已有知識結構聯(lián)系起來，在記憶中長期存儲形成“圖式”。建構主義經(jīng)過十多年的發(fā)展已經(jīng)成為主導教學的主要理論，特別是當前信息技術的發(fā)展為建構主義所要求的學習環(huán)境提供了強有力的支持[1，2]。

建構主義十分符合智能規(guī)劃課程教學的需要與特點，在建構主義理論的指導下，結合智能規(guī)劃的學科特點，進行系統(tǒng)的、生動的、新穎的課堂教學設計，在教學中突出學生為中心，教師是教學內(nèi)容的提供者與幫助者，教學過程的引導者與促進者。智能規(guī)劃課程教學框架如圖1所示。以原有知識為基礎，掌握智能規(guī)劃的理論方法與實踐應用，獲得成就感，思考建立了與知識體系（感知-規(guī)劃-行動-評估）的關系，建立記憶“圖式”，完成意義的建構，形成新的知識體系。

三、樹立以學生綜合能力與知識體系提升為核心的教學目標

智能規(guī)劃課程教學以人工智能基礎理論為先導課程，以建構主義學習理論為指導，樹立以學生綜合能力與知識體系提升為核心的教學目標，圍繞智能規(guī)劃理論與實踐，組織課程內(nèi)容，設計課程框架，充分利用信息技術和當前熱門的智能規(guī)劃案例，設計課程教學策略，進行教學實踐與探索。在學生能力培養(yǎng)上，一是注重問題導向，以實踐中的智能規(guī)劃問題構建學習情境，串聯(lián)理論教學，建立動手實踐項目；二是注重學習協(xié)作，學習小組成員圍繞問題和實踐項目相互協(xié)作，互相促進，共同理解規(guī)劃方法并加以實踐應用；三是注重知識體系，將智能規(guī)劃放到整個智能系統(tǒng)的應用背景，從感知、規(guī)劃、執(zhí)行、評估來構建大的情境，引導學生由點及面、觸類旁通地建立新學知識與已有知識之間的聯(lián)系，形成網(wǎng)絡化的記憶“圖式”；四是注重意義構建，通過系統(tǒng)的理論、豐富的應用、生動的學習情境，充分激發(fā)學生的興趣和熱情，主動完成意義構建。

四、理論與實踐并重組織智能規(guī)劃課程教學內(nèi)容

智能規(guī)劃課程教學內(nèi)容包括理論與實踐兩大部分，理論上，以人工智能課程中的智能體、搜索、約束滿足技術、規(guī)劃等知識點為基礎，學習經(jīng)典規(guī)劃、類經(jīng)典規(guī)劃、啟發(fā)式信息、控制規(guī)則與分層任務網(wǎng)絡規(guī)劃、時間和資源約束規(guī)劃、不確定規(guī)劃等知識點[3]；實踐上，每一類技術都結合實踐應用問題，開展案例教學、研討、設計與實驗，比如機器人、宇宙飛船與空間站、無人系統(tǒng)、偵察系統(tǒng)、災難救援行動、制造過程、橋牌游戲等規(guī)劃問題。智能規(guī)劃課程的知識點結構如圖2所示。

五、建構主義指導下的智能規(guī)劃課程教學環(huán)節(jié)

建構主義指導下的教學環(huán)節(jié)，強調(diào)教師運用各種手段激發(fā)學生的興趣和主動性，創(chuàng)設生動、有效的學習情境，組織協(xié)作學習，開展研討與交流，進行頭腦風暴，教員解答疑惑與合理指導，幫助學生建構當前所學知識的意義。目前比較常用的基于建構主義設計的教學環(huán)節(jié)與方法主要有：框架式（Scaffolding Instruction）、錨定式（Anchored Instruction）、隨機導入式（Random Access Instruction）[1，4]。結合智能規(guī)劃課程的內(nèi)容與特點，這里主要采取錨定式來設計教學環(huán)節(jié)，包括以下步驟：

（1）創(chuàng)設規(guī)劃情境：從實踐中給出案例，創(chuàng)設問題情境，逐步引導學生以問題為向?qū)?、以任務為中心?chuàng)設學習情境。

（2）確定規(guī)劃問題：錨定式就是以問題為“錨”，拋出問題，始終以問題求解的線索啟發(fā)學生思考探索。

（3）智能規(guī)劃知識點學習：在給定的規(guī)劃情境中，學生針對上一環(huán)節(jié)所“錨定”的問題，學習知識點，教師進行要點的講授，提供豐富的學習資料，并給予指導幫助。

（4）協(xié)作學習與項目實踐：通過研討學習、頭腦風暴、交流分享，不斷加深對規(guī)劃問題的理解與認識，形成規(guī)劃問題解決的思維；并且在實踐上，組成項目小組，分工協(xié)作開發(fā)實驗程序，解決實際問題。

（5）意義建構：引導學生建立知識體系，強化形成記憶“圖式”，從理論與實踐上達成學習目標，完成意義建構。

（6）效果評價：注重過程評價，觀察學生在上述各個環(huán)節(jié)的表現(xiàn)與收獲，并在過程中及時給予評價和指導，幫助學生不斷地提升學習效果?？己说男问蕉鄻踊?，包括筆試、實踐項目、研討交流、總結報告等。

以分層任務網(wǎng)絡規(guī)劃的教學為例，首先創(chuàng)設學習情境，給出明確的問題與任務，比如選取國際規(guī)劃大賽中的標準測試問題——機器人漫游Rovers問題，Rovers描述了一個探索外太空環(huán)境的多機器人系統(tǒng)，需要執(zhí)行土壤取樣、拍照和數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?。問題規(guī)模為5個Rover，30個導航點，8臺攝影機，4個目標?！安捎梅謱尤蝿站W(wǎng)絡規(guī)劃方法，規(guī)劃出Rovers漫游的行動計劃，完成全部任務并優(yōu)化效率”。這個生動的例子不僅極大地激發(fā)了學生的興趣和主動性，而且還可以作為貫穿整個學習的案例，從建模分析、知識點講解、研討、到算法設計與實驗。在該學習情境中，問題分析與解決的思路，與知識點展開的脈絡相一致，隨著知識脈絡的推進而逐步講解問題解決的線索。兩者緊密結合，相輔相成，緊緊抓住學生的思考方向，逐步形成智能規(guī)劃思維方式，在解決實際應用問題的同時完成知識方法學習。同時在學習過程中組建協(xié)作學習與實踐小組，集體討論，進行頭腦風暴，激發(fā)靈感，相互協(xié)作，圍繞同一個實踐項目進行任務分工，比如定義領域知識、開發(fā)模型、設計算法、編程實現(xiàn)、實驗測試等等，最終給出問題建模、算法、實驗結果，給出了Rovers漫游的行動計劃。

智能規(guī)劃課程教學目前仍是智能技術人才培養(yǎng)的薄弱環(huán)節(jié)，加強對智能規(guī)劃課程教學的研究，建立了基于建構主義學習理論的學習目標、教學框架、教學內(nèi)容與教學環(huán)節(jié)，在教學實踐中不斷豐富智能規(guī)劃教學的內(nèi)涵與方式方法，為學生“弄潮”智能時代積蓄智慧和力量。

參考文獻：

[1]高文，徐斌艷，吳剛.建構主義教育研究[M].北京：教育科學出版社，2008.

[2]孫悅，衛(wèi)小偉，史望聰.基于構建主義學習理論的計算機應用基礎課程教學改革[J].延安職業(yè)技術學院學報，2011，25（3），81-82.

[3]Malik Ghallab，Dana Nau，Paolo Traverso，（姜云飛，楊強譯）.自動規(guī)劃：理論和實踐[M].北京：清華大學出版社，2008.

[4]姜丹，楊健，徐東.一種基于建構主義的計算機課程課堂教學設計新方法[J].軟件工程師，2015，18（4），46-48.

作者簡介：

劉鴻福（1983-），男，湖南衡陽人，國防科技大學機電工程與自動化學院講師，工學博士，主要從事人工智能、智能規(guī)劃教學與研究。

張萬鵬，副研究員。

陳璟，教授。