基于建構主義理論的智能規劃課程教學研究

劉鴻福 張萬鵬 陳璟

【摘要】智能規劃對于培養學生的智能科學與技術素養具有重要作用。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容，梳理了知識點的體系結構。采取錨定式設計教學環節，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、形成智能規劃思維十分必要。

【關鍵詞】建構主義 智能規劃 教學設計 教學環節

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

一、智能技術人才培養對智能規劃課程建設提出了迫切需求

智能規劃廣泛存在，比如路徑與運動規劃、感知規劃、導航規劃、制造過程規劃、通信規劃、碼頭裝卸規劃、物流運輸規劃等。規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，盡可能好地實現預定目標。在復雜、多變的任務中，需要智能規劃的方法和技術，盡快地提供行動方案，滿足安全、時效等約束，優化能耗、效率等目標。智能規劃是機器智能的核心技術之一，該課程是智能系統、機器人、無人系統、任務規劃技術等專業方向研究生的核心專業課，對于培養學生的智能科學與技術素養具有重要作用。由于智能技術的快速發展，對高校相關人才培養提出了新的需求，但智能技術相關的教學內容與教學研究都還比較薄弱。智能規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，以符合教學內容和教學規律、有利于激發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作，利用學習資源完成意義建構，達到學習的目的。強調以學生為中心，將“情境”“協作”“會話”和“意義建構”作為學習中的四大要素，教學設計要創設有利于學生意義建構的情境，通過學習小組的相互協作、會話商討，深刻理解事物的性質、規律，將當前所學與已有知識結構聯系起來，在記憶中長期存儲形成“圖式”。建構主義經過十多年的發展已經成為主導教學的主要理論，特別是當前信息技術的發展為建構主義所要求的學習環境提供了強有力的支持[1，2]。

建構主義十分符合智能規劃課程教學的需要與特點，在建構主義理論的指導下，結合智能規劃的學科特點，進行系統的、生動的、新穎的課堂教學設計，在教學中突出學生為中心，教師是教學內容的提供者與幫助者，教學過程的引導者與促進者。智能規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，圍繞智能規劃理論與實踐，組織課程內容，設計課程框架，充分利用信息技術和當前熱門的智能規劃案例，設計課程教學策略，進行教學實踐與探索。在學生能力培養上，一是注重問題導向，以實踐中的智能規劃問題構建學習情境，串聯理論教學，建立動手實踐項目；二是注重學習協作，學習小組成員圍繞問題和實踐項目相互協作，互相促進，共同理解規劃方法并加以實踐應用；三是注重知識體系，將智能規劃放到整個智能系統的應用背景，從感知、規劃、執行、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系，形成網絡化的記憶“圖式”；四是注重意義構建，通過系統的理論、豐富的應用、生動的學習情境，充分激發學生的興趣和熱情，主動完成意義構建。

四、理論與實踐并重組織智能規劃課程教學內容

智能規劃課程教學內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、規劃等知識點為基礎，學習經典規劃、類經典規劃、啟發式信息、控制規則與分層任務網絡規劃、時間和資源約束規劃、不確定規劃等知識點[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、偵察系統、災難救援行動、制造過程、橋牌游戲等規劃問題。智能規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劃課程教學環節

建構主義指導下的教學環節，強調教師運用各種手段激發學生的興趣和主動性，創設生動、有效的學習情境，組織協作學習，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節與方法主要有：框架式（Scaffolding Instruction）、錨定式（Anchored Instruction）、隨機導入式（Random Access Instruction）[1，4]。結合智能規劃課程的內容與特點，這里主要采取錨定式來設計教學環節，包括以下步驟：

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

（2）確定規劃問題：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學生思考探索。

（3）智能規劃知識點學習：在給定的規劃情境中，學生針對上一環節所“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，不斷加深對規劃問題的理解與認識，形成規劃問題解決的思維；并且在實踐上，組成項目小組，分工協作開發實驗程序，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節的表現與收獲，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。考核的形式多樣化，包括筆試、實踐項目、研討交流、總結報告等。

以分層任務網絡規劃的教學為例，首先創設學習情境，給出明確的問題與任務，比如選取國際規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境的多機器人系統，需要執行土壤取樣、拍照和數據傳輸等任務。問題規模為5個Rover，30個導航點，8臺攝影機，4個目標。“采用分層任務網絡規劃方法，規劃出Rovers漫游的行動計劃，完成全部任務并優化效率”。這個生動的例子不僅極大地激發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作學習與實踐小組，集體討論，進行頭腦風暴，激發靈感，相互協作，圍繞同一個實踐項目進行任務分工，比如定義領域知識、開發模型、設計算法、編程實現、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。

智能規劃課程教學目前仍是智能技術人才培養的薄弱環節，加強對智能規劃課程教學的研究，建立了基于建構主義學習理論的學習目標、教學框架、教學內容與教學環節，在教學實踐中不斷豐富智能規劃教學的內涵與方式方法，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、智能規劃教學與研究。

張萬鵬，副研究員。

陳璟，教授。