[发明专利]一种进化算子教具

说明书

本发明涉及一种进化算子教具包括底板（1）、接线盒（2）和展示板（5），属于教学技术和人工智能领域。本发明能够通过展示板（5）展示进化算子的运算过程和结果，通过染色体块（7）的移动直观地显示运算过程的进度，通过基因座灯光强调变化的染色体，形象直观而且富有趣味，便于学生深刻理解抽象的运算过程；能够引发学生的进一步思考，促使学生创新，优化现有算法，设计更高性能的进化算子；培养学生的创新意识，激发创造热情。本发明可用于教师在课堂教学中演示，也可由学生在实验室中进行创新性或设计性实验，还可以辅助科研人员设计进化算子；应用范围广泛。本发明对于进化算法的研究、应用和相关学科的发展也具有重要意义。

一．技术领域

本发明涉及一种教具，属于教学技术和人工智能领域。

二．背景技术

随着计算机和人工智能技术的发展，进化算法已经广泛用于应用数学、物流工程、工业工程、计算机科学与技术、机械和自动化等专业的教学和工程应用。进化算法有很多的变化：有不同的遗传基因表达方式，不同的交叉和变异算子，不同的再生和选择方法，其灵感源于大自然的生物进化。与传统的基于微积分的方法和穷举法等优化算法相比，进化算法是一种成熟的具有高鲁棒性和广泛适用性的全局优化方法，具有自组织、自适应、自学习的特性，能够不受问题性质的限制，有效地处理传统优化算法难以解决的复杂问题。

交叉、变异和选择等进化算子种类繁多，往往与领域技术结合。在进化算子教学过程中，学生普遍反映进化算子的运算过程复杂抽象，晦涩难懂。在教学中，目前普遍采用形象直观的程序流程图。程序流程图由一些规定的图形和流程线组成，用来描述算法的运算过程，能够清晰地表达顺序结构、条件结构和循环结构，但是仍然需要用自然语言表达每种结构内部的运算过程。自然语言的分析理解需要领域知识，无法做到形象直观。学生在学习过程中，往往看懂了一步，忘了上一步，乏味而且晦涩，需要耐心和毅力。

进化算子通过遗传基因的变化，模拟生物进化过程，表达工程问题的求解或优化等运算过程。遗传基因是携带有遗传信息的染色体序列，是个体控制性状的基本遗传单位。所谓交叉算子是指把两个父代个体染色体序列的一部分互相替换而生成新个体的运算。变异算子是对群体中的个体染色体序列的某些基因座上的基因值作变动。

为了培养学生的创新意识，激发创造热情，使进化算子的运算过程变得像排积木和拼图游戏一样形象直观而且富有趣味，本发明提出了一种进化算子教具。

三．发明内容

本发明的目的在于提供一种进化算子教具，能够使进化算子的运算过程形象直观而且富有趣味，便于学生深刻理解抽象的运算过程；培养学生的创新意识，激发创造热情。

一种进化算子教具包括底板1、接线盒2和展示板5，如图1所示。所述底板1上带有备用块容纳槽8，用于容纳备用的染色体块7。所述接线盒2上带有电池仓3，用于容纳电池和灯光电路的接线。所述展示板5上带有个体灯光开关4和基因灯开关6，连接染色体块7，用于展示在进化算子的运算过程中，个体包含染色体的变化过程，使进化算子的运算过程形象直观。

所述底板1为平板结构，在上表面带有备用块容纳槽8，与接线盒2和展示板5连接，用于接线盒2和展示板5的支撑和固定。

所述接线盒2为截面为矩形的箱体结构，在下部的前面带有电池仓3，内部带有接线板，用于电池仓3中的电池、个体灯光开关4与基因灯开关6之间的导线连接，在前表面带有“F₁、F₂、C₁、C₂”字样的文字标注，分别表示父代个体1、父代个体2、子代个体1和子代个体2。

所述电池仓3可容纳电池，通过导线与个体灯光开关4和基因灯开关6连接，为基因灯提供电源。