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        學(xué)科交叉背景下數(shù)值優(yōu)化課程教學(xué)改革探索

        2022-12-16 15:34:39徐麗君王志平
        科教導(dǎo)刊 2022年25期
        關(guān)鍵詞:交叉學(xué)科數(shù)值研究生

        徐麗君,王志平

        (大連海事大學(xué)理學(xué)院 遼寧 大連 116026)

        2020 年,教育部聯(lián)合國(guó)家發(fā)改委等多部門共同發(fā)布了有關(guān)新時(shí)代教育教學(xué)改革的意見(jiàn),會(huì)上提出了促進(jìn)學(xué)科交叉融合發(fā)展的重要性,鼓勵(lì)探索交叉學(xué)科中的關(guān)鍵問(wèn)題,設(shè)立一批交叉學(xué)科研究中心,培養(yǎng)擁有核心技術(shù)的高精尖人才。根據(jù)統(tǒng)計(jì)(截至2019 年5 月31 日),高校自設(shè)交叉學(xué)科名單中,涉及數(shù)學(xué)學(xué)科的有數(shù)據(jù)科學(xué)、金融工程、工業(yè)與系統(tǒng)工程、數(shù)理經(jīng)濟(jì)、生物信息學(xué)、醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)、計(jì)算材料物理學(xué)、信息處理及智能控制、計(jì)算科學(xué)等。

        “數(shù)值優(yōu)化”課程源自傳統(tǒng)的“優(yōu)化方法”課程。優(yōu)化方法課程是目前數(shù)學(xué)類、統(tǒng)計(jì)學(xué)、人工智能等專業(yè)本科或研究生階段最基本、最重要的一門課程[1-2],是一門理論性和實(shí)用性很強(qiáng)的專業(yè)課程,在交通運(yùn)輸、生產(chǎn)實(shí)際、金融經(jīng)濟(jì)、工程技術(shù)及軍事等領(lǐng)域都有非常廣泛的應(yīng)用[3-4]。根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)不同,各高校設(shè)置的課程名稱也略有不同,比如大多數(shù)高校開設(shè)的課程名稱為最優(yōu)化方法、最優(yōu)化理論與方法等[1-6]。

        以大連海事大學(xué)(以下簡(jiǎn)稱“我校”)為例,數(shù)學(xué)學(xué)科研究生招生目錄中有四個(gè)研究方向,即數(shù)據(jù)科學(xué)中的數(shù)學(xué)方法,組合數(shù)學(xué)及其應(yīng)用,優(yōu)化方法及其應(yīng)用,微分方程及其應(yīng)用。具體的研究?jī)?nèi)容包括生物統(tǒng)計(jì)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、組合優(yōu)化、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、反問(wèn)題等不同領(lǐng)域,問(wèn)題背景源自多個(gè)交叉學(xué)科。根據(jù)前期調(diào)研和多年的研究生培養(yǎng)經(jīng)驗(yàn),四個(gè)研究方向都需要用到一些優(yōu)化方面的理論和算法,因此在我校2018 年研究生培養(yǎng)方案修訂工作中,將“數(shù)值優(yōu)化”新增為數(shù)學(xué)學(xué)科碩士研究生的專業(yè)必修課之一。實(shí)際上,該課程也適用于對(duì)優(yōu)化算法有需求的其他交叉學(xué)科相關(guān)專業(yè),是一門應(yīng)用廣泛的課程,兼具數(shù)學(xué)學(xué)科的嚴(yán)謹(jǐn)性及相關(guān)交叉學(xué)科的實(shí)用性、實(shí)踐性。隨著社會(huì)高速發(fā)展、眾多學(xué)科交叉融合問(wèn)題的出現(xiàn),比如計(jì)算機(jī)圖像處理中的壓縮感知、人工智能中的機(jī)器學(xué)習(xí)算法、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的數(shù)字影像處理和大數(shù)據(jù)分析等,對(duì)“數(shù)值優(yōu)化”這門課的教學(xué)內(nèi)容、理念、方法等方面提出了更高的要求,本文以此進(jìn)行教學(xué)改革探索,具有一定的實(shí)際意義。

        1 研究現(xiàn)狀分析

        目前國(guó)內(nèi)許多大學(xué)開設(shè)優(yōu)化方面的課程,常見(jiàn)的課程名稱為“最優(yōu)化方法”或“優(yōu)化理論與方法”等,以“數(shù)值優(yōu)化”作為課程名開設(shè)的學(xué)校較少。常見(jiàn)的課程內(nèi)容基本以經(jīng)典的優(yōu)化理論和方法為主,比如無(wú)約束最優(yōu)化、約束優(yōu)化的最優(yōu)性條件及求解方法等。教學(xué)內(nèi)容主要包括一些最基本和實(shí)用的經(jīng)典優(yōu)化方法和簡(jiǎn)單算例。學(xué)生可以學(xué)到這些優(yōu)化方法的理論依據(jù)、算法框架、收斂性質(zhì)等。但是,隨著學(xué)科交叉融合時(shí)代的到來(lái),本課程不僅需要上面所列舉的理論知識(shí),還要求在數(shù)值上高效近似地進(jìn)行求解。然而,目前采用的教材都是偏重于理論知識(shí),并且內(nèi)容比較陳舊,缺乏一些前沿的數(shù)值優(yōu)化算法和技巧方法。

        實(shí)際上,研究生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)各異,研究方向交叉融合。許多院校沒(méi)有針對(duì)此問(wèn)題開展相關(guān)教學(xué)內(nèi)容、方法等方面的改革,而部分院校僅針對(duì)特定的二級(jí)學(xué)科研究方向開設(shè)此課程。因此,針對(duì)交叉學(xué)科背景下的“數(shù)值優(yōu)化”課程一系列教學(xué)工作亟須改革,確保研究生在今后的學(xué)習(xí)和工作中能夠?qū)W以致用。另外,在課程資源方面,目前沒(méi)有一個(gè)全面系統(tǒng)的資源網(wǎng)站供學(xué)生進(jìn)行自我學(xué)習(xí)和交流,尤其是本課程側(cè)重的用于數(shù)值計(jì)算的實(shí)際案例資源。

        2 教學(xué)改革探索

        在教學(xué)內(nèi)容方面,課程的教材內(nèi)容應(yīng)圍繞優(yōu)化算法,簡(jiǎn)要討論優(yōu)化問(wèn)題基本概念、無(wú)約束優(yōu)化基礎(chǔ),著重討論線搜索方法、信賴域方法、共軛梯度法和擬牛頓法的聯(lián)系與不同,以及約束優(yōu)化算法。在已有教材內(nèi)容的基礎(chǔ)上增加目前交叉學(xué)科背景下廣泛應(yīng)用的大規(guī)模優(yōu)化算法、無(wú)導(dǎo)數(shù)優(yōu)化算法、稀疏優(yōu)化算法和非光滑優(yōu)化算法的教學(xué),比如LASSO、交替方向法、鄰近梯度法、深度學(xué)習(xí)算法等等。同時(shí)及時(shí)了解數(shù)值優(yōu)化的發(fā)展現(xiàn)狀和研究趨勢(shì),結(jié)合最新研究成果和教學(xué)實(shí)際,逐步增加新的知識(shí)內(nèi)容,完成教學(xué)內(nèi)容的改革(比如參考書籍《機(jī)器學(xué)習(xí)中的優(yōu)化理論、算法及應(yīng)用》)。同時(shí)根據(jù)需要,逐步修訂與完善教學(xué)大綱。教學(xué)內(nèi)容應(yīng)強(qiáng)調(diào)算法的收斂性、復(fù)雜性和數(shù)值穩(wěn)定性分析,注重討論優(yōu)化算法的基本原理與數(shù)值計(jì)算技巧,體現(xiàn)出應(yīng)用問(wèn)題的編程需要,并力圖反映交叉學(xué)科領(lǐng)域的最新成就與發(fā)展前沿。

        在教育理念方面,為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,加強(qiáng)數(shù)學(xué)思想的傳授,由過(guò)去的單純傳授理論知識(shí)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槔碚撝R(shí)與思想傳授相結(jié)合。該課程一方面體現(xiàn)其工具性,通過(guò)講授優(yōu)化的基本方法及理論,使學(xué)生掌握實(shí)用的數(shù)值方法,從而能夠解決某些或某類具體的問(wèn)題。另一方面體現(xiàn)其培養(yǎng)性,通過(guò)系統(tǒng)地傳授優(yōu)化方法的理論、算法和應(yīng)用,舉一反三,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維,當(dāng)遇到新問(wèn)題時(shí)能夠應(yīng)用已有方法或?qū)σ延蟹椒ㄟM(jìn)行改進(jìn),甚至設(shè)計(jì)新的方法求解。最后一方面是科研訓(xùn)練,在本課程中針對(duì)不同學(xué)科方向的研究生進(jìn)行科研論文研討,結(jié)合所學(xué)優(yōu)化算法,交流科研論文中的方法,幫助研究生進(jìn)入科研狀態(tài)。

        在教學(xué)方法和教學(xué)手段方面,由于本課程講授大量?jī)?yōu)化算法的理論以及它們之間的比較,非常適合將多媒體輔助教學(xué)方式引入課堂,使算法流程和比較結(jié)果直觀化。比如:線搜索方法和信賴域方法可以使用動(dòng)圖對(duì)迭代點(diǎn)的尋找進(jìn)行演示。因此,有效結(jié)合多媒體和動(dòng)圖軟件技術(shù),將其融入數(shù)值優(yōu)化的課程教學(xué)中,是本課程的重要改革方向之一。此外,由“以教師為中心”向“教師-學(xué)生”研討式教學(xué)方式轉(zhuǎn)變,比如以學(xué)科方向分組進(jìn)行課程內(nèi)容的研討、報(bào)告和實(shí)驗(yàn)等。另外,充分利用現(xiàn)代教學(xué)手段,增強(qiáng)課堂教學(xué)效果,使學(xué)生盡可能地理解并掌握優(yōu)化算法的知識(shí)。例如:制作生動(dòng)具體的PPT 課件,將抽象的概念利用圖片動(dòng)態(tài)演示,將數(shù)值算法可視化,幫助學(xué)生理解算法的原理及不同算法的效率,同時(shí)節(jié)省課堂抄寫定理定義的時(shí)間,提高課堂效率;利用現(xiàn)有的數(shù)學(xué)軟件(如Matlab/R/Python等)驗(yàn)證程序的正確性和可用性,加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

        在課程考核方面,課程傳統(tǒng)的考核方式注重學(xué)生數(shù)學(xué)知識(shí)的掌握,忽略了對(duì)其創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力的要求。為了培養(yǎng)創(chuàng)新型人才,除了要求學(xué)生利用數(shù)學(xué)軟件或其他編程語(yǔ)言在實(shí)驗(yàn)課上編寫程序這種常規(guī)做法外,還需要設(shè)計(jì)交叉學(xué)科方向的具有實(shí)際應(yīng)用背景的、創(chuàng)新型試驗(yàn)習(xí)題,讓學(xué)生利用計(jì)算機(jī)編寫軟件,此部分作為課程考核的補(bǔ)充部分。

        在課程資源方面,整合學(xué)科交叉方向知識(shí)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)資源,建設(shè)目前沒(méi)有的課程資源,不僅包括常規(guī)的教學(xué)課件、代碼等,還包括一些應(yīng)用優(yōu)化算法的實(shí)踐案例資源,是一些優(yōu)化算法的前沿進(jìn)展,便于學(xué)生學(xué)習(xí)、交流、研討。同時(shí),讓同學(xué)們參與資源搜索、分享等工作,鍛煉搜索相關(guān)文獻(xiàn)資源的能力。

        3 航運(yùn)學(xué)科背景下的教學(xué)案例

        我校作為航運(yùn)特色高校,堅(jiān)持航運(yùn)特色,注重交叉融合,在數(shù)學(xué)學(xué)科建設(shè)過(guò)程中,重點(diǎn)圍繞我校一流學(xué)科“交通運(yùn)輸工程”的幾個(gè)研究方向,例如船舶運(yùn)輸安全保障技術(shù)、高效海運(yùn)物流系統(tǒng)與運(yùn)營(yíng)管理技術(shù)、智能船舶開發(fā)及運(yùn)用技術(shù)等。經(jīng)過(guò)近年來(lái)多學(xué)科之間的交流探討,發(fā)現(xiàn)上述研究領(lǐng)域中用到很多數(shù)值優(yōu)化方面的理論和算法。下面以如船舶智能配載中的優(yōu)化問(wèn)題為例,介紹本課程的教學(xué)改革成效。在貨船配載中需要考慮很多因素,比如裝船時(shí)間、船艙利用率、裝載效率、倒箱量等,這些因素可以作為優(yōu)化問(wèn)題中的目標(biāo)函數(shù);比如吃水深度、穩(wěn)定性、船艙容量、堆裝規(guī)則以及客戶需求等可以作為優(yōu)化問(wèn)題中的約束條件。在本課程教學(xué)過(guò)程中,以此問(wèn)題為背景,可以引出眾多優(yōu)化子問(wèn)題,比如船舶浮態(tài)平衡計(jì)算的優(yōu)化問(wèn)題、集裝箱裝卸中的整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題、裝卸貨物倒箱量極小化問(wèn)題等。進(jìn)一步講解其中將用到的一些算法,比如傳統(tǒng)的線搜索、信賴域等算法和遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法等啟發(fā)式算法。同時(shí),課程中還引入了目前流行的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法,供同學(xué)們進(jìn)行自由式、自主性探索。課程考核方面,讓同學(xué)們分組進(jìn)行討論,針對(duì)某一子問(wèn)題,通過(guò)文獻(xiàn)搜索、建模、設(shè)計(jì)算法、模擬實(shí)驗(yàn)等步驟,完成一份科研報(bào)告或論文。在此過(guò)程中,既將本課程所學(xué)的優(yōu)化算法進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用,又使得同學(xué)們?cè)谘幸簧蠈W(xué)期鍛煉了基本的科研能力,對(duì)研究生系統(tǒng)科研素質(zhì)的培養(yǎng)奠定了一定的基礎(chǔ)。有的研究生還以此為研究方向,繼續(xù)開展深入的研究,恰好符合了“以成果為導(dǎo)向”的OBE 教育理念。同時(shí),本課程也實(shí)現(xiàn)了以教學(xué)促科研、以科研補(bǔ)教學(xué)的教學(xué)目標(biāo),尤其對(duì)于航海類方向的研究生,達(dá)到了因材施教,學(xué)以致用的教學(xué)目的。

        4 實(shí)施教學(xué)改革遇到的問(wèn)題

        教學(xué)內(nèi)容上要兼顧交叉學(xué)科不同研究方向的背景,新內(nèi)容的引入給課堂組織和教學(xué)帶來(lái)了一定困難,需要在課程內(nèi)容方面做好取舍,使學(xué)生掌握優(yōu)化基本知識(shí)的同時(shí),順其自然地涉獵新知識(shí)。

        在開展課程教學(xué)的同時(shí)進(jìn)行科研訓(xùn)練,結(jié)合“教師-學(xué)生”研討式教學(xué),需合理安排時(shí)間和教學(xué)進(jìn)度。以我校數(shù)值優(yōu)化課程為例,該課程總學(xué)時(shí)48 課時(shí),根據(jù)近兩年的研討式教學(xué)經(jīng)驗(yàn),研討式教學(xué)課時(shí)需控制在16 課時(shí)以內(nèi),并且課程內(nèi)容要相對(duì)簡(jiǎn)單,不能有過(guò)多的定理證明和推導(dǎo)等。

        多媒體教學(xué)是把雙刃劍,一方面,大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維。另一方面,在教學(xué)過(guò)程中教師如果運(yùn)用不當(dāng),也會(huì)造成一定的負(fù)面影響。多媒體教學(xué)信息量很大,相比于板書教學(xué)進(jìn)程快,許多學(xué)生不能記筆記或者忙于記筆記,忽視了老師的課堂講解,不能很好地適應(yīng)多媒體教學(xué)。因此,教師一定要采取板書和多媒體相結(jié)合的方式進(jìn)行講授,比如算法的理論演示可以采用多媒體進(jìn)行教學(xué),而部分關(guān)鍵理論推導(dǎo)和算法框架可以采取板書教學(xué),這樣能夠有效提高學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效率。

        課程思政的融入是為貫徹習(xí)近平總書記有關(guān)“與思想政治理論課同向同行”的講話精神,也是目前很多高校課程面臨的問(wèn)題。如何挖掘本課程中的思政元素,需要集思廣益,在課程教學(xué)過(guò)程中進(jìn)一步交流探討。

        5 結(jié)語(yǔ)

        在交叉學(xué)科背景下,很多研究方向都需要優(yōu)化的理論和算法,數(shù)值優(yōu)化在其中扮演著重要的角色。本文通過(guò)對(duì)數(shù)值優(yōu)化課程的教學(xué)改革,基于OBE 成果為導(dǎo)向的教育理念,將教學(xué)與科研融合,以教學(xué)促科研,以科研補(bǔ)教學(xué)。通過(guò)向“教師-學(xué)生”互動(dòng)研討式教學(xué)方式轉(zhuǎn)變,結(jié)合專業(yè)方向的實(shí)際需求,達(dá)到因材施教、學(xué)以致用的目的。從而達(dá)到鍛煉研究生自主學(xué)習(xí)能力、增強(qiáng)其創(chuàng)新能力、提升其科研素養(yǎng)的目的,為培養(yǎng)適應(yīng)科技發(fā)展的新時(shí)代人才奠定基礎(chǔ)。

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