張建磊

（南開大學(xué) 人工智能學(xué)院，天津 300371）

引言

“高校立身之本在于立德樹人?！秉h的十八大以來，習(xí)近平總書記高度重視高等教育事業(yè)發(fā)展，多次強(qiáng)調(diào)立德樹人這個根本任務(wù)，指出只有培養(yǎng)出一流人才的高校，才能夠成為世界一流大學(xué)。學(xué)生在即將步入社會前，最重要的青春時光都是在高校度過的。高等學(xué)校的“熔煉”質(zhì)量，直接決定著學(xué)生能否成為社會的棟梁之材。因此，切實(shí)地讓學(xué)生學(xué)有所得，高校的課程建設(shè)及改革尤為重要。

不同于中學(xué)時代的課程，高校的課程涉及基礎(chǔ)類課程和專業(yè)課程，大多具有一定的學(xué)習(xí)難度。尤其是理工科背景下的課程，一般而言，較為抽象難懂，需要學(xué)生花費(fèi)相當(dāng)多的時間才能掌握。更為重要的是，這些課程大多具有延展性，課堂上所學(xué)的一般只是“冰山一角”，如果多加思考和探索，會發(fā)現(xiàn)課本之外還有很多更為深刻的知識點(diǎn)。因此，在高等學(xué)校的課程教學(xué)中，如何盡量減少知識抽象帶來的枯燥感和畏懼感，同時讓學(xué)生完全熟練掌握課堂所講的基本知識點(diǎn)，并且還能學(xué)以致用，是需要盡快解決和思考的問題。

在人工智能學(xué)院的學(xué)科背景下，我們?yōu)檠芯可筒┦可_設(shè)了集群智能控制專業(yè)課。如何讓學(xué)生真正地學(xué)有所得，該課程的課堂設(shè)計(jì)、課堂講解、課后考核等是我們需要用心設(shè)計(jì)的課題。拋開傳統(tǒng)的教師在課堂講、學(xué)生在下面默默聽講的“灌輸”模式，我們用“課賽融合”的模式來引導(dǎo)此門專業(yè)課的課程設(shè)置，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，嘗試課程改革。在教學(xué)中，消除課程本身可能帶有的枯燥感，增加學(xué)生對此門課程的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生掌握并運(yùn)用相關(guān)知識點(diǎn)的能力，是我們的教學(xué)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

一、課堂的理論內(nèi)容設(shè)計(jì)

集群智能控制是涉及多個生物體的一個研究問題。在課堂上，我們將主體定位成機(jī)器人。在給學(xué)生介紹此課程時，我們可以從這樣的一個角度展開：機(jī)器人群體執(zhí)行任務(wù)相對于單個機(jī)器人，有更高的空間利用率和任務(wù)執(zhí)行效率，且可靠性更高。在一些復(fù)雜度較高的任務(wù)中，機(jī)器人群體有更好的任務(wù)表現(xiàn)，其在軍事和空間探索領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。至于課堂所授內(nèi)容，以典型生物群體智能建模為主，例如鴿群層級引領(lǐng)機(jī)制建模、雁群線性編隊(duì)機(jī)制建模、狼群協(xié)同圍捕機(jī)制等。進(jìn)而，在對群體特性分析和群體智能建模基礎(chǔ)上，講解從智能體到機(jī)器人集群自主控制的映射機(jī)理，介紹基于群體智能的系統(tǒng)集群自主編隊(duì)、任務(wù)分配等技術(shù)，以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法和設(shè)計(jì)思路。

鑒于課程本身的學(xué)科交叉特點(diǎn)，與生物行為緊密相連，我們可以從鴿群、雁群、狼群等生物的行為特點(diǎn)開始介紹。由淺入深地引導(dǎo)學(xué)生對集群行為進(jìn)行學(xué)習(xí)和了解。同時，在講解過程中也要適時地拋出問題，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行思考，而不是一味地灌輸知識。從各個方面，適度地增加與學(xué)生的活動，才能實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的教與學(xué)。

二、課堂實(shí)踐依托水下機(jī)器魚競賽

關(guān)于機(jī)器人，學(xué)生大多聽過見過，這也是現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)之一。只是，我們的課堂上采用的是特殊的機(jī)器人：機(jī)器魚。眾所周知，地球上大部分區(qū)域被水覆蓋，茫茫未知的浩瀚海洋，是我們?nèi)祟惖奶剿髂繕?biāo)之一。水下機(jī)器人是人類探索水下世界最重要的手段之一。因?yàn)槲覀兊恼n程內(nèi)容是集群行為，所以涉及水下機(jī)器魚集群。以他們?yōu)槔?，向同學(xué)們講授在具體的工作任務(wù)中，比如協(xié)同搬運(yùn)物體，機(jī)器魚群是如何通過任務(wù)分配完成協(xié)作目標(biāo)的。同時，我們也積極引導(dǎo)學(xué)生參與專業(yè)競賽。終極目標(biāo)是：在改革教學(xué)方法的同時，把由注重知識的傳授向能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變，由灌入式向啟發(fā)式轉(zhuǎn)變，由重理論輕實(shí)踐向理論聯(lián)系實(shí)際轉(zhuǎn)變。

例如，在2019年第十二屆“臨港杯”國際水中機(jī)器人大賽中，我們通過組織學(xué)生研究賽題、學(xué)以致用，最終摘得冠軍1項(xiàng)，亞軍1項(xiàng)，三等獎3項(xiàng)，同時獲得優(yōu)秀指導(dǎo)教師獎、優(yōu)秀組織獎等多項(xiàng)佳績，為學(xué)校爭得多項(xiàng)榮譽(yù)。競賽的設(shè)置會引導(dǎo)我們向?qū)嵺`靠攏，比如本次比賽共設(shè)置水下機(jī)器人競速、目標(biāo)識別抓取、水下操控、自主視覺和創(chuàng)客生存挑戰(zhàn)等項(xiàng)目。具體地，我們參加了目標(biāo)識別抓取、水中污染源項(xiàng)目、水面污染源項(xiàng)目、港口偵察項(xiàng)目等。在實(shí)踐中，更深刻地領(lǐng)會了集群控制所涉及的知識點(diǎn)和技術(shù)方法，達(dá)到了比較好的學(xué)以致用的目的。

三、競賽結(jié)果反饋于課堂教學(xué)

國際水中機(jī)器人大賽自2007年作為人工智能領(lǐng)域國際化賽事亮相以來，受到世界范圍內(nèi)的廣受關(guān)注。我們近兩年都在積極組織學(xué)生參賽，將教學(xué)內(nèi)容與實(shí)踐感受相結(jié)合。教學(xué)內(nèi)容中的理論模型，實(shí)踐活動中的復(fù)雜物理因素，如何相結(jié)合、相對應(yīng)，是對所學(xué)知識更深刻的理解和應(yīng)用。例如，在課上，我們講解水下機(jī)器魚協(xié)同搬運(yùn)物體時的策略優(yōu)化問題。在競賽中，機(jī)器魚是放置在水池中進(jìn)行任務(wù)協(xié)作的。此時，不僅需要考慮機(jī)器魚本身的物理尺寸，還需要考慮水池的邊界，以及機(jī)器魚的避障（盡量避免撞擊水池邊緣）。而且，在機(jī)器魚執(zhí)行任務(wù)時，我們還需要考慮機(jī)器魚的電量問題，它的工作時長是有限的。機(jī)器魚因耗電量過大而掉隊(duì)，也會影響群體的任務(wù)完成效果。因此，這些競賽中所遇到的實(shí)際物理因素，需要我們在課堂所學(xué)知識的基礎(chǔ)上，進(jìn)行更具難度的思考和設(shè)計(jì)。

將課堂所學(xué)與競賽所需相結(jié)合，兩者相輔相成，可以推動我們的課程教學(xué)內(nèi)容改革，由單調(diào)到生動，由理論到實(shí)踐。在將理論知識用于實(shí)際問題的解決中，學(xué)生才更能體會知識點(diǎn)的價值，加深對它的理解。若應(yīng)用理論知識成功地解決了應(yīng)用問題，學(xué)生會因此獲得成就感，這也有助于增加他們的學(xué)習(xí)興趣。還有一點(diǎn)是課堂教學(xué)無法比擬的，競賽多是團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成，需要團(tuán)隊(duì)成員通力配合。在集體活動中，有助于鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和責(zé)任感。從教學(xué)的角度而言，競賽結(jié)果也有助于豐富我們的課堂教學(xué)內(nèi)容，轉(zhuǎn)化為屬于我們自己的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，最終達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的作用。在學(xué)生未就業(yè)時，參與專業(yè)競賽可以促進(jìn)他們理解人工智能、機(jī)器人等新技術(shù)如何在海洋科學(xué)的發(fā)展中應(yīng)用，達(dá)到我們學(xué)以致用的育人目的。

結(jié)語

我們以人工智能學(xué)院背景下，“課賽融合”模式在集群智能控制課程教學(xué)中的實(shí)施情況。課堂上的教學(xué)設(shè)計(jì)以生動豐富的講解、有趣的問題引導(dǎo)與調(diào)動積極性、自愿參與的機(jī)器魚競賽、競賽內(nèi)容與經(jīng)驗(yàn)改良和豐富教學(xué)內(nèi)容，等多部分有機(jī)組成。結(jié)果表明，通過這種整合課堂教學(xué)內(nèi)容，合理設(shè)計(jì)課堂教學(xué)，有助于實(shí)現(xiàn)智能學(xué)科教學(xué)過程中“教、學(xué)、賽”的一體化，學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力將會得到顯著提高。