科研驱动教学在调度原理与算法课程中的应用

摘  要：研究生课程教学方式如果缺乏有效的教学方法将相关领域的最新研究成果融入教学内容中，导致研究生对研究前沿进展了解较少，不利于激发研究生的研究兴趣和创新能力。针对这一问题，该文探讨科研驱动教学方法在调度原理与算法课程中的实践应用，将生产调度理论中调度模型建模、算法设计、算法评估的基本研究理论与前沿研究相结合，鼓励学生通过课堂学习内容完成一些领域前沿研究探索，实现教师教学与科研的有机结合。课程实践表明，科研驱动教学法能够很好地激发学生的学习热情，强化知识的转化能力，获得较好的学习效果。

关键词：研究生教育；科研驱动教学；调度原理与算法；生产调度理论；实践探究

中图分类号：G643        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）29-0061-04

Abstract： Without effective teaching method to integrate the latest research achievements in relevant fields into the teaching content of postgraduate courses， it will lead to less understanding of the research frontier progress， which is not conducive to stimulating the postgraduate research interest and innovation ability. To address this problem， this paper discusses the practical application of research driven teaching method in the course of Scheduling Principle and Algorithm. It combines the basic research theory of scheduling model modeling， algorithm design， algorithm evaluation in scheduling theory with cutting-edge research， encourages students to complete cutting-edge research and exploration in some fields through classroom learning， and realizes the combination of teachers' teaching and research. The course practice shows that the research driven teaching method can stimulate students' enthusiasm for learning， strengthen their ability to transform knowledge， and achieve good learning results.

Keywords： postgraduate education; research-driven teaching; Scheduling Principle and Algorithm; production scheduling theory; practical inquiry

基金项目：清华大学研究生教育教学改革项目“科研驱动教学法在《生产调度原理与算法》课程教学中的实践探究”（201905J004）

第一作者简介：张智海（1974-），男，汉族，湖南沅江人，博士，副教授，博士研究生导师。研究方向为工业工程、生产计划与调度。

目前，我国研究生课程仍然以讲授式教学为主。在这种教学模式下，学生们被动接受教学知识，对知识的接受效率不高，理解不够深刻。同时传统的教学课程教学中普遍存在知识系统陈旧，与实际应用差距较大，对相关课程前沿研究内容涉及较少的现象，这在很大程度上削弱了学生的学习兴趣，学习效果不理想，与培养研究生专业性能力的目标不符。

本文探讨了科研驱动教学方法在调度原理与算法课程中的实践应用，该方法的核心思想是在教学过程中，对教学内容进行调整，围绕科研驱动教学的要求来组织课堂讲解内容。同时增强了研究实践的环节，针对生产调度相关的研究前沿问题，挑选若干科研方向或课题，形成科研实践教学的切入点，鼓励学生通过课上所学知识解决前沿问题，引导学生从最新文献研读、本研究领域的研究方法实践、研究成果总结发表等若干环节开展科研驱动教学实践。通过引入研究实践环节，学生学习兴趣、学习效果显著提升，教学效果得到明显提高。

一  文献综述

以培养学生创新精神和研究能力为目标的科研驱动（研究性）教学已成为世界高等教育改革的趋势[1-7]。科研驱动教学模式的主要优点包括[3]：①有利于不断更新教学内容，使学生始终获取本课程的前沿进展；②有利于激发学生研究兴趣，从而提升其创新能力；③有利于实现教师教学与科研的有机结合、教师与学生的良性互动。

针对国外相关研究，刘赞英等[7]对国外大学研究性教学的经验及启示进行了分析总结。其从美国大学研究性教学目标、相应的管理机制、相配套的教师奖励激励机制、研究成果的发表、研究性课外教学和研究性实践教学等多个方面进行了分析研究。虽然该研究主要针对本科生教学，但是对于研究生教学同样具有借鉴价值。

国内相关研究主要集中在以下几个方向：①科研驱动教学的理论分析[2-3，8-9]；②科研驱动教学方法教学评价体系的研究[10-12]；③科研驱动教学方法的现状分析[13-14]；④科研驱动教学方法在具体专业课程中的实践研究，例如，数学[15]、安全工程[16]、工科物理[17]、法学[18]、细胞生物学[19]和工程教育[20]等。

由于不同课程之间的差异性，针对具体的课程开展科研驱动教学方法的实践探究，对于提升学生学术研究能力和学习热情具有重要作用。本文探讨了科研驱动教学方法在调度原理与算法课程中的实践应用，对于丰富和发展科研驱动教学方法具有参考价值。

二  面向科研驱动教学方法的教学内容设计

调度原理与算法课程主要针对生产调度理论，从调度模型建模、算法设计、算法评估等几个方面进行深入的学习，使学生能够掌握调度研究领域中的基本研究模型、研究方法，并了解当前本领域的最新研究动态。针对以上教学目标与特点，课程选择了施普林格出版社的《Scheduling Theory， Algorithms， and Systems》作为教材，该书作者Pinedo为调度领域国际知名专家。该书内容涵盖了调度模型建模、算法设计、算法评估等几个调度理论中的重要方面。考虑到调度领域的前沿发展，本课程结合科研驱动教学方法，引入研究领域最新的研究内容作为课堂研究课题，开展科研驱动式的教学实践。

在课程教学上，首先介绍调度的基本知识，包括调度的基本概念、术语和符号、算法复杂度。之后学习与掌握单机、复杂单机、平行机、流水车间及作业车间调度等相关的经典调度问题的建模和算法设计方法，让学生对调度理论的基本模型有系统地认识与理解。此外，结合该课程强调算法设计的特点，开展对算法设计与分析的学习。内容涵盖了算法性能分析、近似算法及算法设计、精确及智能优化算法设计等。算法性能分析方面，着重学习算法最坏情况及渐进性能分析。对应简单的启发式算法，通过对算法性能的紧界概念的探索，提升学生的算法分析能力。通过介绍优势规则和有效不等式，讲授提升算法性能的常见技巧。

系统学习经典调度模型的过程中，根据当前调度领域的前沿问题，提炼恰当的研究课题，促进研究生的科研实践。如何选择合适的研究课题，是实现科研驱动教学的重要问题之一。其中既要考虑课堂教学的课时限制和选课研究生研究方向各不相同的特点，同时研究课题的设计也要体现当前相应研究领域的最新研究热点，并具有一定的挑战性。为此，需结合教师自己的研究经验，针对领域研究热点、实际车间情况和学生兴趣，加入学习、退化和耦合效应等新的研究要素，提炼出新的研究问题。选取的研究课题相比于经典调度模型，更加贴近实际情况，模型需要考虑的要素也更为复杂，具有一定的解决难度。同时，在当今经济全球化、供应链全球化的背景下，解决相关的调度问题也更加具有实际意义。通过这些课题的研究，学生们能够更加深刻地体会到调度理论在实际问题中的应用，提升学生学习、科研兴趣，并通过科研实践巩固学习成果。

三  科研驱动教学方法实践

针对上述教学内容，通过教学实践，对科研驱动教学方法在课程中的具体应用实施流程和效果进行了梳理分析。课程的前八周，主要是理论教学为主。在调度模型建模方面，课程内容设置由浅及深，从单机调度模型到流水车间，作业车间调度模型。与以往讲授方式不同的是，在课后作业的环节上追加了与当周课程内容相关的经典文献研读，教师根据课堂内容，通过网络学堂分享相关的经典文献和前沿文献（图1），供学生参考学习。鼓励学生阅读经典原创性文献，对教材中的理论有更加细致、深入地理解。同时阅读相关研究领域的前沿文献，理解当前研究热门和研究方法。在课程后八周，将同学们进行分组，以大作业的形式进行前沿研究课题（图2）的科研实践探索。要求学生完成相关内容的文献综述、模型创建、相关调度规则探索、精确算法和智能优化算法设计、算法性能评估和论文撰写等科研环节。鼓励学生对创新度和完成度较高的大作业，采用期刊论文模板，进行研究成果总结，乃至发表。

传统课堂研究往往以大作业报告的形式来完成，但是缺乏师生之间的互动；并且受限于课时，学生在完成大作业后，几乎没有时间对其进行完善和修改。而科研驱动式的教学，应该让同学可以参与到一个课题较为完整的研究过程中，从而对课程内容有一个深入全面的认识和体验。因此，通过加强师生间的科研交流来加强师生互动，并且预留时间供学生们对研究成果进行完善和修改。此外，在课题研究实践阶段，每次授课过程中安排短时间的研究进展讨论，对学生的研究进展进行快速交流，了解学生在实际探究中遇到的难题，教师对研究内容及如何解决难题给出具体建议；对于不能短时间完成的研究交流，将网络学堂等网络工具作为交流平台，学生们在遇到问题或者困难时可以随时在网络学堂上提出，教师收到学生提出的问题后可以及时反馈，实现了课下的师生研究互动。在教学最后一周完成最终报告后，要求学生根据相应反馈意见，利用考试周时间进行研究内容完善后，再提交最终科研报告。最后，针对较好的研究成果，鼓励同学完善后投稿发表，提高学生的科研积极性和参与度，同时提高其科研获得感。

科研驱动教学中，如何设计有效的教学成果考核也十分关键。科研驱动教学需要对学生的全程课堂参与度、科研创新性与大作业成果进行一个合理的考核。实践过程中，从三个方面对学生研究成果进行综合考核（图3）：根据学生的课堂参与度、科研创新性（如探索模型结构性质等）、算法有效性等内容进行的教师评估；大作业的学生间互评结果；以及最后成果展示过程中邀请相关领域专家对学生大作业点评形成的专家评估结果。

四  教学结果分析

采用科研驱动教学法后，学生对调度原理与算法课程学习的兴趣和主动性显著提高。相比于传统讲授式的教学，在科研驱动教学过程中，老师与学生互动性更强，同时，学生对知识的掌握程度和运用实践能力也显著提高，针对挑战性较高的课题，同学们均完成了文献综述、模型创建、相关调度规则探索、精确算法和智能优化算法设计，以及算法性能评估和论文撰写等科学研究的一系列过程，提交的科研报告质量较高。同时，通过一次完整的科研探索，学生们对做科学研究有一个更全面的认知，在助力教学目标实现的同时，激发研究生的科研兴趣，提升科研创新能力，为今后进行独立科研奠定良好的基础。