林劍 石向榮 謝鳳華

摘 ?要：智能計(jì)算是人工智能課程的重要知識(shí)模塊，其教學(xué)內(nèi)容以算法模型為主，內(nèi)容較為抽象，學(xué)習(xí)難度較大，同時(shí)也缺少相應(yīng)有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。文章針對(duì)智能計(jì)算的知識(shí)特點(diǎn)，以“虛實(shí)結(jié)合，以虛補(bǔ)實(shí)”為設(shè)計(jì)思想，融入智慧供應(yīng)鏈中典型的應(yīng)用場(chǎng)景，構(gòu)建了智能計(jì)算虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，并基于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置和實(shí)驗(yàn)教學(xué)特色等視角，介紹了智能計(jì)算虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)與實(shí)踐情況。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)有利于更好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化學(xué)生計(jì)算思維和創(chuàng)新思維。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;智能計(jì)算;實(shí)驗(yàn)平臺(tái);課程改革

中圖分類號(hào)：G640 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2021）18-0071-04

Abstract： Intelligent computing is an important knowledge module of artificial intelligence course. Algorithmic model is the main teaching content of intelligent computing， which is abstract and difficult to learn， and also lacks of effective experimental teaching platform. According to the knowledge characteristics of intelligent computing， by integrating some typical application scenarios in intelligent supply chain， a virtual simulation experimental teaching platform of intelligent computing is constructed with the design idea of "combining virtuality and reality， complementing reality with virtuality". The construction and practice of the virtual simulation experimental teaching platform for intelligent computing is introduced from the viewpoints of experimental platform architecture， experimental content setting and experimental teaching characteristic. The construction of the experimental teaching platform is conducive to better stimulate students' interest in learning and further improve their computational thinking and innovative thinking abilities.

Keywords： virtual simulation; intelligent computing; experimental platform; course reform

人工智能技術(shù)正深刻地影響著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，在金融領(lǐng)域的應(yīng)用已得到社會(huì)的廣泛關(guān)注。2017年7月，國(guó)務(wù)院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》[1]中明確提出將金融列為人工智能應(yīng)用試點(diǎn)示范的重點(diǎn)行業(yè)之一，將智能金融作為推進(jìn)產(chǎn)業(yè)智能化升級(jí)的重要任務(wù)，并明確提出了建立金融大數(shù)據(jù)系統(tǒng)、創(chuàng)新智能金融服務(wù)、加強(qiáng)金融風(fēng)險(xiǎn)智能預(yù)警防控等具體措施。對(duì)此，財(cái)經(jīng)類院校一直予以高度關(guān)注，始終認(rèn)真思考如何把握技術(shù)變革帶來的重要機(jī)遇。我校緊密結(jié)合人工智能發(fā)展趨勢(shì)與行業(yè)人才最新需求，積極申報(bào)并開展人工智能類專業(yè)建設(shè)，在2017、2018和2020年相繼開展數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)本科專業(yè)、人工智能微專業(yè)和人工智能本科專業(yè)的招生和人才培養(yǎng)，促進(jìn)以人工智能為代表的新一代信息技術(shù)與財(cái)經(jīng)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用需求緊密結(jié)合，突顯多學(xué)科交叉融合和協(xié)同創(chuàng)新特色，這不僅為我校經(jīng)管類學(xué)科研究提供強(qiáng)有力的理論、方法和技術(shù)支撐，同時(shí)也為經(jīng)管類專業(yè)建設(shè)與學(xué)科發(fā)展注入強(qiáng)大的人工智能基因。

智能計(jì)算是人工智能的重要分支，主要通過模擬自然界或生物界的現(xiàn)象規(guī)律或行為特征而提出的用于求解復(fù)雜優(yōu)化問題的一系列算法模型。智能計(jì)算是人工智能類課程主要的知識(shí)模塊，包含了大量算法類知識(shí)點(diǎn)，如：遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法、多智能體系統(tǒng)等[2]。目前有關(guān)智能計(jì)算的實(shí)驗(yàn)基本上都是按照“知識(shí)點(diǎn)-練習(xí)題”的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”形式進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]，學(xué)生通常缺少對(duì)于問題場(chǎng)景和技術(shù)應(yīng)用的深刻理解，這在很大程度上局限了學(xué)生計(jì)算思維和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)[4]。因此，設(shè)計(jì)和構(gòu)建有效的智能計(jì)算實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目和平臺(tái)顯得尤為重要。

供應(yīng)鏈?zhǔn)且钥蛻粜枨鬄閷?dǎo)向，以提高質(zhì)量和效率為目標(biāo)，以整合資源為手段，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、采購(gòu)、生產(chǎn)、銷售及服務(wù)全過程高效協(xié)同的組織形態(tài)[5]。全球經(jīng)濟(jì)已進(jìn)入供應(yīng)鏈時(shí)代，企業(yè)與企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)開始轉(zhuǎn)化為企業(yè)所處的供應(yīng)鏈與供應(yīng)鏈之間的競(jìng)爭(zhēng)。在智能制造環(huán)境下，打造智慧、高效的供應(yīng)鏈，是制造企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲得優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，智慧供應(yīng)鏈從采購(gòu)到生產(chǎn)、從運(yùn)輸?shù)脚渌途嬖谳^多典型資源調(diào)度問題，這些問題模型也廣泛存在于科學(xué)服務(wù)、工程管理、智能制造等領(lǐng)域。與此同時(shí)，智慧供應(yīng)鏈中的資源調(diào)度過程通常具有高實(shí)時(shí)性、高消耗量和操作不可逆等特點(diǎn)，因此傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)難以充分體現(xiàn)智慧供應(yīng)鏈中的調(diào)度問題特點(diǎn)和優(yōu)化過程。隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，其在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越受到廣泛關(guān)注[6-9]。

本文以智慧供應(yīng)鏈中廣泛存在的復(fù)雜資源調(diào)度問題為切入點(diǎn)，以可視化分析技術(shù)為手段，構(gòu)建智能計(jì)算虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，使學(xué)生深入理解智能計(jì)算的理論知識(shí)、算法模型和應(yīng)用方法，全面提升學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。

一、智能計(jì)算實(shí)驗(yàn)原理及目的

（一）實(shí)驗(yàn)原理

智慧供應(yīng)鏈中存在的復(fù)雜資源調(diào)度問題本質(zhì)上屬于NP難解的組合優(yōu)化問題，具有很強(qiáng)的工程背景，廣泛存在于生產(chǎn)制造、科學(xué)服務(wù)、工程管理、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，其要求在滿足任務(wù)時(shí)序和資源約束的條件下，合理分配資源、安排任務(wù)，以達(dá)到服務(wù)最優(yōu)、時(shí)間最短、成本最小或資源均衡等優(yōu)化目標(biāo)。典型的資源調(diào)度問題包括了云制造服務(wù)組合、物流配送調(diào)度、生產(chǎn)計(jì)劃排程、貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃等。對(duì)于某一調(diào)度模型，通過合理安排資源和任務(wù)順序，可得到最優(yōu)調(diào)度方案。傳統(tǒng)方法通常難以用來解決復(fù)雜組合優(yōu)化問題，智能計(jì)算是模擬自然界或生物界的規(guī)律或行為而設(shè)計(jì)求解問題的一系列算法模型，為該類問題的解決提供了新的思路和方法。智能計(jì)算模型的基本框架如圖1所示，其算法流程通常包含算法初始化策略、個(gè)體編解碼策略、全局搜索策略、領(lǐng)域搜索策略、選擇替換策略等步驟[10]。

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)面向智慧供應(yīng)鏈中的典型應(yīng)用場(chǎng)景，構(gòu)建不同應(yīng)用場(chǎng)景多約束、多目標(biāo)和多任務(wù)的問題優(yōu)化模型，采用模塊化技術(shù)將常用智能計(jì)算模型的步驟進(jìn)行封裝，并基于可視化技術(shù)展示基于智能計(jì)算的復(fù)雜資源調(diào)度過程，使學(xué)生深入理解復(fù)雜工程問題的建模過程和智能計(jì)算模型的求解思路。實(shí)驗(yàn)流程的示意圖如圖2所示。

（二）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

智能計(jì)算實(shí)驗(yàn)主要面向人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、信息管理與信息系統(tǒng)、物流管理等專業(yè)核心課程的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)和能力培養(yǎng)要求，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力，實(shí)驗(yàn)過程涉及的知識(shí)內(nèi)容體系如圖3所示。智能計(jì)算的實(shí)驗(yàn)?zāi)康木唧w如下：

1. 通過構(gòu)建智慧供應(yīng)鏈中不同資源調(diào)度優(yōu)化模型，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于智慧供應(yīng)鏈中生產(chǎn)排程、資源配置和物流配送等實(shí)際資源調(diào)度問題的認(rèn)識(shí)和理解;

2. 針對(duì)不同調(diào)度問題，采用人工智能中的進(jìn)化算法、粒子群優(yōu)化和多智能體系統(tǒng)等智能計(jì)算模型進(jìn)行求解，分析算法主要參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響，使學(xué)生掌握智能計(jì)算的概念、框架、特點(diǎn)和求解思路;

3. 以優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教育資源開放與共享為目標(biāo)，虛為實(shí)用、以虛補(bǔ)實(shí)，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用基礎(chǔ)理論和技術(shù)手段，解決實(shí)際復(fù)雜工程問題的綜合能力、創(chuàng)新素質(zhì)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

（一）平臺(tái)架構(gòu)

智能計(jì)算虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)架構(gòu)如圖4所示，主要采用B/S架構(gòu)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，學(xué)生可方便地通過瀏覽器遠(yuǎn)程進(jìn)行登錄。

該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)集成了智慧供應(yīng)鏈調(diào)度建模仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、基于智能計(jì)算的可視分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理與分析平臺(tái)。其中，智慧供應(yīng)鏈調(diào)度建模仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括了調(diào)度場(chǎng)景的選擇與導(dǎo)入、算法模型的選擇與導(dǎo)入、調(diào)度參數(shù)的設(shè)置、智能計(jì)算參數(shù)的設(shè)置等功能模塊，基于智能計(jì)算的可視分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括了可視化分析、計(jì)算數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能模塊，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理與分析平臺(tái)則主要針對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成情況的管理，包括了學(xué)生信息管理、評(píng)分點(diǎn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理等功能模塊。

（二）實(shí)驗(yàn)操作流程

學(xué)生登錄智能計(jì)算實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，選擇智慧供應(yīng)鏈中的復(fù)雜資源調(diào)度場(chǎng)景，圖5所示為物流配送場(chǎng)景對(duì)應(yīng)界面。

在圖5所示界面中，學(xué)生可開展面向物流配送的智能計(jì)算虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其實(shí)驗(yàn)流程與具體操作如下：

1.在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上預(yù)習(xí)智慧供應(yīng)鏈復(fù)雜資源調(diào)度相關(guān)知識(shí)，熟悉實(shí)驗(yàn)原理及系統(tǒng)操作方法的電子文檔;

2.根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書所示操作步驟激活智能計(jì)算實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn);

3. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教師可實(shí)時(shí)與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)交流，針對(duì)重點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)及學(xué)生容易出錯(cuò)的步驟進(jìn)行講解指導(dǎo)，同時(shí)對(duì)學(xué)生的操作過程進(jìn)行監(jiān)督指導(dǎo);

4. 學(xué)生根據(jù)要求提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行評(píng)閱。

三、實(shí)驗(yàn)特色及實(shí)施效果

（一）實(shí)驗(yàn)教學(xué)特色

1. 教學(xué)理念特色。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以復(fù)雜資源調(diào)度問題為切入點(diǎn)，針對(duì)典型智能計(jì)算模型的算法特點(diǎn)和應(yīng)用方法，通過虛擬仿真和虛實(shí)結(jié)合的思想，創(chuàng)建可視化虛擬應(yīng)用場(chǎng)景，并以問題為導(dǎo)向，激發(fā)學(xué)生對(duì)于智能算法的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于智能計(jì)算模型解決復(fù)雜資源調(diào)度問題的理解，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問題的綜合能力和創(chuàng)新素質(zhì)。

2. 教學(xué)內(nèi)容特色。資源調(diào)度是智慧供應(yīng)鏈管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，貫穿于供應(yīng)鏈中生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)脚渌偷娜^程。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要面向智慧供應(yīng)鏈中的核心技術(shù)問題，以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)了生產(chǎn)調(diào)度、交通運(yùn)輸和物流配送等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用背景。此外，智能計(jì)算是人工智能的重要分支，在解決復(fù)雜資源調(diào)度問題中取得了較好的效果，并受到越來越廣泛的關(guān)注。因此，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目研究分析智能計(jì)算在智慧供應(yīng)鏈中的應(yīng)用，教學(xué)內(nèi)容具備先進(jìn)性和實(shí)用性，有助于提升學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。

3. 教學(xué)方式方法特色。實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用虛實(shí)結(jié)合的互動(dòng)式情景教學(xué)模式，科學(xué)運(yùn)用信息技術(shù)和可視化方法，構(gòu)建面向智慧供應(yīng)鏈的虛擬應(yīng)用場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)行情景教學(xué)，使學(xué)生更易理解和掌握問題特點(diǎn)和建模方法。此外，基于“知識(shí)模塊化、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目化”的實(shí)踐體系架構(gòu)，通過知識(shí)構(gòu)建的模塊化教學(xué)方法和項(xiàng)目導(dǎo)向的實(shí)踐案例設(shè)計(jì)方式，也有助于培養(yǎng)和拓展學(xué)生采用智能算法解決復(fù)雜問題的計(jì)算思維能力。

4. 開放運(yùn)行與共享服務(wù)特點(diǎn)。學(xué)生可通過互聯(lián)網(wǎng)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)進(jìn)行上機(jī)操作學(xué)習(xí)，學(xué)生也可以根據(jù)自己的實(shí)際情況合理選擇實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，有助于促進(jìn)學(xué)生間的互動(dòng)協(xié)作、自主學(xué)習(xí)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量與效率。

5. 教學(xué)評(píng)價(jià)體系特點(diǎn)?；趯?shí)驗(yàn)管理平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目成績(jī)的自動(dòng)考評(píng)、統(tǒng)計(jì)分析等功能，并支持多維度、多方式和不同權(quán)重的自定義評(píng)價(jià)。通過學(xué)生線上實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇、設(shè)計(jì)、交流、驗(yàn)證，線下（實(shí)驗(yàn)室）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的驗(yàn)收、質(zhì)詢與指導(dǎo)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目過程線上線下評(píng)價(jià)有機(jī)結(jié)合，進(jìn)一步全面客觀地評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

（二）實(shí)施效果

1. 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)目前已面向我校信息類和經(jīng)管類專業(yè)開展了課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)和暑期專業(yè)實(shí)踐，涉及人工智能基礎(chǔ)、Python程序設(shè)計(jì)、優(yōu)化決策理論與方法、人工智能理論與方法等多門課程，目前服務(wù)在校學(xué)生1000余人次，極大地提升了信息類和經(jīng)管類專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索精神。

2. 通過將應(yīng)用場(chǎng)景、問題模型、算法模型集成到智能計(jì)算實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，并采用可視化手段實(shí)時(shí)顯示仿真結(jié)果，使學(xué)生充分理解調(diào)度問題的特點(diǎn)和算法模型原理，為學(xué)生參加美國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽、ACM亞洲區(qū)域賽、全國(guó)大學(xué)生服務(wù)外包創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等重要競(jìng)賽奠定了良好基礎(chǔ)。

3. 教師可通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)管理和查看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)記錄，并根據(jù)時(shí)間段查詢指定學(xué)生的操作信息，可實(shí)時(shí)跟蹤和掌握學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)度與完成情況，實(shí)現(xiàn)針對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)行為的畫像分析，指導(dǎo)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的完善與改進(jìn)，將有利于更好構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果評(píng)價(jià)與反饋機(jī)制。

四、結(jié)束語(yǔ)

智能計(jì)算是人工智能的重要分支，在解決復(fù)雜資源調(diào)度問題中取得了較好的效果，并已受到越來越廣泛的關(guān)注。智能計(jì)算虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)面向智慧供應(yīng)鏈中的核心技術(shù)問題，以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)了生產(chǎn)調(diào)度、交通運(yùn)輸和物流配送等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用背景，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容具備先進(jìn)性和實(shí)用性，有助于強(qiáng)化和提升學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力，更好地指導(dǎo)人工智能類課程開展實(shí)踐教學(xué)改革。

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[10]林劍.仿生優(yōu)化算法在平版印刷專色配色及油墨預(yù)置中的應(yīng)用研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

基金項(xiàng)目：浙江省高等教育“十三五”第一批教學(xué)改革研究項(xiàng)目“多維任務(wù)驅(qū)動(dòng)下財(cái)經(jīng)院校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程綜合改革與實(shí)踐”（編號(hào)：jg20180199）、“AI+經(jīng)管：新時(shí)代財(cái)經(jīng)院校人工智能復(fù)合型人才培養(yǎng)模式研究”（編號(hào)：jg20180201）、“基于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)導(dǎo)向的《連鎖經(jīng)營(yíng)與管理》翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)實(shí)踐探索”（編號(hào)：jg20180207）;浙江財(cái)經(jīng)大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目“智慧供應(yīng)鏈復(fù)雜資源調(diào)度虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”（編號(hào)：10122420014）

作者簡(jiǎn)介：林劍（1983-），男，漢族，浙江溫州人，博士，副教授，研究生院副院長(zhǎng)，研究方向：智能計(jì)算，調(diào)度優(yōu)化。