一．技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種教具，屬于教學(xué)技術(shù)和人工智能領(lǐng)域。

二．

背景技術(shù)：

隨著計(jì)算機(jī)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)化算法已經(jīng)廣泛用于應(yīng)用數(shù)學(xué)、物流工程、工業(yè)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、機(jī)械和自動(dòng)化等專(zhuān)業(yè)的教學(xué)和工程應(yīng)用。進(jìn)化算法有很多的變化：有不同的遺傳基因表達(dá)方式，不同的交叉和變異算子，不同的再生和選擇方法，其靈感源于大自然的生物進(jìn)化。與傳統(tǒng)的基于微積分的方法和窮舉法等優(yōu)化算法相比，進(jìn)化算法是一種成熟的具有高魯棒性和廣泛適用性的全局優(yōu)化方法，具有自組織、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的特性，能夠不受問(wèn)題性質(zhì)的限制，有效地處理傳統(tǒng)優(yōu)化算法難以解決的復(fù)雜問(wèn)題。

交叉、變異和選擇等進(jìn)化算子種類(lèi)繁多，往往與領(lǐng)域技術(shù)結(jié)合。在進(jìn)化算子教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生普遍反映進(jìn)化算子的運(yùn)算過(guò)程復(fù)雜抽象，晦澀難懂。在教學(xué)中，目前普遍采用形象直觀的程序流程圖。程序流程圖由一些規(guī)定的圖形和流程線組成，用來(lái)描述算法的運(yùn)算過(guò)程，能夠清晰地表達(dá)順序結(jié)構(gòu)、條件結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)，但是仍然需要用自然語(yǔ)言表達(dá)每種結(jié)構(gòu)內(nèi)部的運(yùn)算過(guò)程。自然語(yǔ)言的分析理解需要領(lǐng)域知識(shí)，無(wú)法做到形象直觀。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，往往看懂了一步，忘了上一步，乏味而且晦澀，需要耐心和毅力。

進(jìn)化算子通過(guò)遺傳基因的變化，模擬生物進(jìn)化過(guò)程，表達(dá)工程問(wèn)題的求解或優(yōu)化等運(yùn)算過(guò)程。遺傳基因是攜帶有遺傳信息的染色體序列，是個(gè)體控制性狀的基本遺傳單位。所謂交叉算子是指把兩個(gè)父代個(gè)體染色體序列的一部分互相替換而生成新個(gè)體的運(yùn)算。變異算子是對(duì)群體中的個(gè)體染色體序列的某些基因座上的基因值作變動(dòng)。

為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，激發(fā)創(chuàng)造熱情，使進(jìn)化算子的運(yùn)算過(guò)程變得像排積木和拼圖游戲一樣形象直觀而且富有趣味，本發(fā)明提出了一種進(jìn)化算子教具。

三．

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種進(jìn)化算子教具，能夠使進(jìn)化算子的運(yùn)算過(guò)程形象直觀而且富有趣味，便于學(xué)生深刻理解抽象的運(yùn)算過(guò)程；培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，激發(fā)創(chuàng)造熱情。

一種進(jìn)化算子教具包括底板1、接線盒2和展示板5，如圖1所示。所述底板1上帶有備用塊容納槽8，用于容納備用的染色體塊7。所述接線盒2上帶有電池倉(cāng)3，用于容納電池和燈光電路的接線。所述展示板5上帶有個(gè)體燈光開(kāi)關(guān)4和基因燈開(kāi)關(guān)6，連接染色體塊7，用于展示在進(jìn)化算子的運(yùn)算過(guò)程中，個(gè)體包含染色體的變化過(guò)程，使進(jìn)化算子的運(yùn)算過(guò)程形象直觀。

所述底板1為平板結(jié)構(gòu)，在上表面帶有備用塊容納槽8，與接線盒2和展示板5連接，用于接線盒2和展示板5的支撐和固定。

所述接線盒2為截面為矩形的箱體結(jié)構(gòu)，在下部的前面帶有電池倉(cāng)3，內(nèi)部帶有接線板，用于電池倉(cāng)3中的電池、個(gè)體燈光開(kāi)關(guān)4與基因燈開(kāi)關(guān)6之間的導(dǎo)線連接，在前表面帶有“f1、f2、c1、c2”字樣的文字標(biāo)注，分別表示父代個(gè)體1、父代個(gè)體2、子代個(gè)體1和子代個(gè)體2。

所述電池倉(cāng)3可容納電池，通過(guò)導(dǎo)線與個(gè)體燈光開(kāi)關(guān)4和基因燈開(kāi)關(guān)6連接，為基因燈提供電源。

所述個(gè)體燈光開(kāi)關(guān)4固定在展示板5上，與個(gè)體一一對(duì)應(yīng)，用于控制表達(dá)同一個(gè)體的所有染色體的基因燈開(kāi)啟和關(guān)閉。所述同一個(gè)體的所有染色體指表達(dá)同一個(gè)體遺傳基因的染色體序列，用位于同一行的染色體塊7表述。在圖1所示的實(shí)施例中，設(shè)計(jì)了f1、f2、c1和c2四個(gè)個(gè)體。

所述展示板5為立方體結(jié)構(gòu)，包含背板51、電路板52、金屬孔板53、面板54和透光板55，如圖2所示，連接染色體塊7，以展示進(jìn)化算子在運(yùn)算過(guò)程中個(gè)體包含染色體的變化過(guò)程。

所述背板51為箱體結(jié)構(gòu)，與電路板52和面板54連接，固定并支撐電路板52。

所述電路板52在前表面固定燈珠521，并通過(guò)導(dǎo)線與電池倉(cāng)3的電池連接。所述燈珠521位于展示板5連接染色體塊7的中央位置，與染色體塊7一一對(duì)應(yīng)，為染色體塊7提供照明。所述電路板52在前表面固定個(gè)體燈光開(kāi)關(guān)4和基因燈開(kāi)關(guān)6。

所述金屬孔板53與電路板52剛性連接，以限定電路板52的前后位置，采用金屬磁性材料制成，可吸引并固定染色體塊7，帶有矩形沖孔，并在沖孔周?chē)纬衫馀_(tái)形凸起，以容納燈珠521，并防止燈光照亮周?chē)娜旧w塊7。

所述面板54帶有矩形沖孔，并在沖孔周?chē)纬衫馀_(tái)形凸起，與金屬孔板53的沖孔對(duì)正，并容納金屬孔板53的凸起，進(jìn)行定位，以確保燈珠521位于展示板5上連接染色體塊7的中央位置。所述面板54帶有圓孔，使得相應(yīng)位置的個(gè)體燈光開(kāi)關(guān)4和基因燈開(kāi)關(guān)6穿過(guò)。

所述透光板55為矩形平板結(jié)構(gòu)，在周?chē)鷰в型寡兀⑼ㄟ^(guò)凸沿與面板54的矩形沖孔卡接并定位，透明，便于燈珠521的光線穿過(guò)，照亮相應(yīng)的染色體塊7。

所述基因燈開(kāi)關(guān)6與面板54的棱臺(tái)形凸起一一對(duì)應(yīng)，控制相應(yīng)燈珠521的點(diǎn)亮和熄滅，可通過(guò)點(diǎn)亮來(lái)強(qiáng)調(diào)相應(yīng)基因座上的染色體。

所述染色體塊7為棱臺(tái)形結(jié)構(gòu)，包含外殼71、標(biāo)記板72和磁條73，如圖2所示，用來(lái)表達(dá)個(gè)體染色體序列中相應(yīng)基因座上的染色體。所述外殼71為棱臺(tái)形結(jié)構(gòu)，底面透明，便于標(biāo)記板72的標(biāo)記呈現(xiàn)和燈光透過(guò)，內(nèi)側(cè)面在磁性吸引力作用下，與面板54的棱臺(tái)形凸起貼合并固定，在內(nèi)側(cè)面帶有凸起，形成卡槽，便于標(biāo)記板72的卡接和磁條73的定位。

所述標(biāo)記板72表面帶有文字標(biāo)記，以表達(dá)染色體的編碼內(nèi)容和順序，與外殼71內(nèi)側(cè)面的卡槽卡接，帶有柔性凸沿721和凹槽722，如圖3所示。所述柔性凸沿721卡入外殼71內(nèi)側(cè)面的卡槽，可在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，便于卡入和彈出。所述凹槽722為半圓形，便于以尖形器具插入，變形，使得標(biāo)記板72彈出，脫離與外殼71的卡接。

所述磁條73為矩形，與外殼71的內(nèi)側(cè)面粘接，帶有磁性，使得染色體塊7吸在面板54的棱臺(tái)形凸起上。

所述備用塊容納槽8為立方體形凹槽，用于容納備用的染色體塊7。

以交叉算子為例，采用本發(fā)明的演示過(guò)程是：1.首先將帶有“f1、f2”字樣標(biāo)注的父代個(gè)體1和父代個(gè)體2的所有染色體塊7固定好，并熄滅所有燈光，確?？刂聘复鷤€(gè)體1和父代個(gè)體2的個(gè)體燈光開(kāi)關(guān)4處于開(kāi)啟狀態(tài)。2.根據(jù)交叉算子的運(yùn)算規(guī)則，按動(dòng)控制父代個(gè)體1和父代個(gè)體2相關(guān)位置基因座燈光的基因燈開(kāi)關(guān)6，點(diǎn)亮父代個(gè)體1和父代個(gè)體2相關(guān)基因座上的染色體塊7。3.在講解運(yùn)算規(guī)則的同時(shí)，將與點(diǎn)亮基因座上的染色體塊7對(duì)應(yīng)備用的染色體塊7固定在子代個(gè)體1和子代個(gè)體2相應(yīng)的基因座上，以表達(dá)交叉運(yùn)算后的結(jié)果。4.根據(jù)講解進(jìn)度，逐步將子代個(gè)體1和子代個(gè)體2相應(yīng)基因座上的染色體塊7固定好。根據(jù)需要點(diǎn)亮或者熄滅基因座燈光。

本發(fā)明的有益效果是：能夠通過(guò)展示板5直接展示進(jìn)化算子的運(yùn)算過(guò)程和結(jié)果，通過(guò)染色體塊7的移動(dòng)直觀地顯示運(yùn)算過(guò)程的進(jìn)度，通過(guò)基因座燈光強(qiáng)調(diào)變化的染色體。本發(fā)明能夠使進(jìn)化算子的運(yùn)算過(guò)程形象直觀而且富有趣味，便于學(xué)生深刻理解抽象的運(yùn)算過(guò)程。通過(guò)本發(fā)明的教師演示或?qū)W生操作，能夠幫助學(xué)生深刻理解進(jìn)化算子的運(yùn)算過(guò)程，輔助內(nèi)化進(jìn)化算子深?yuàn)W抽象的運(yùn)算規(guī)則和算法原理；能夠引發(fā)學(xué)生的進(jìn)一步思考，促使學(xué)生創(chuàng)新，優(yōu)化現(xiàn)有算法，設(shè)計(jì)更高性能的進(jìn)化算子；培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，激發(fā)創(chuàng)造熱情。本發(fā)明可用于教師在課堂教學(xué)中演示進(jìn)化算子的運(yùn)算過(guò)程，也可由學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行創(chuàng)新性或設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，還可以輔助科研人員設(shè)計(jì)進(jìn)化算子；應(yīng)用范圍廣泛。本發(fā)明對(duì)于進(jìn)化算法的研究、應(yīng)用和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展也具有重要意義。

四．附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的局部剖面圖；

圖3為標(biāo)記板72的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1為底板；2為接線盒；3為電池倉(cāng)；4為個(gè)體燈光開(kāi)關(guān)；5為展示板；51為背板；52為電路板；521為燈珠；53為金屬孔板；54為面板；55為透光板；6為基因燈開(kāi)關(guān)；7為染色體塊；71為外殼；72為標(biāo)記板；721為柔性凸沿；722為凹槽；73為磁條；8為備用塊容納槽。

五．具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)地說(shuō)明。

圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖，包括底板1、接線盒2和展示板5。所述底板1上帶有備用塊容納槽8，用于容納備用的染色體塊7。所述接線盒2上帶有電池倉(cāng)3，用于容納電池和燈光電路的接線。所述展示板5上帶有個(gè)體燈光開(kāi)關(guān)4和基因燈開(kāi)關(guān)6，連接染色體塊7。

所述底板1為平板結(jié)構(gòu)，與接線盒2和展示板5連接，用于接線盒2和展示板5的支撐和固定，優(yōu)選工程塑料注塑成形。底板1與接線盒2和展示板5的連接，為了便于組裝和拆卸優(yōu)選螺栓連接。

所述接線盒2為截面為矩形的箱體結(jié)構(gòu)，優(yōu)選工程塑料板材，切割，然后粘接或焊接成形。所述接線盒2在前表面帶有文字標(biāo)注，優(yōu)選激光雕刻加工。

所述電池倉(cāng)3可容納電池，優(yōu)選工程塑料注塑成形，然后與接線盒2粘接或焊接。

所述個(gè)體燈光開(kāi)關(guān)4固定在展示板5上，優(yōu)選公知的按鈕開(kāi)關(guān)。

所述展示板5為立方體結(jié)構(gòu)，包含背板51、電路板52、金屬孔板53、面板54和透光板55，如圖2所示。所述背板51為箱體結(jié)構(gòu)，優(yōu)選工程塑料注塑成形。所述背板51與電路板52和面板54的連接，為了便于組裝和拆卸優(yōu)選螺栓連接。

所述電路板52優(yōu)選市場(chǎng)公知的電路板成形工藝加工。所述燈珠521與電路板52的連接優(yōu)選焊接。所述電路板52在前表面與個(gè)體燈光開(kāi)關(guān)4和基因燈開(kāi)關(guān)6的連接優(yōu)選焊接。

所述金屬孔板53帶有矩形沖孔，優(yōu)選帶有磁性的鋼板沖壓成形，與電路板52的剛性連接，優(yōu)選螺栓連接。

所述面板54帶有矩形沖孔和圓孔，并在沖孔周?chē)纬衫馀_(tái)形凸起，優(yōu)選工程塑料注塑成形。

所述透光板55為矩形平板結(jié)構(gòu)，在周?chē)鷰в型寡?，?yōu)選透明的亞克力板材經(jīng)過(guò)機(jī)械加工成形。

所述基因燈開(kāi)關(guān)6，優(yōu)選公知的按鈕開(kāi)關(guān)。

所述染色體塊7為棱臺(tái)形結(jié)構(gòu)，包含外殼71、標(biāo)記板72和磁條73，如圖2所示。圖2為本發(fā)明的局部剖面圖。

所述外殼71為棱臺(tái)形結(jié)構(gòu)，在內(nèi)側(cè)面帶有凸起，優(yōu)選透明的工程塑料注塑成形，側(cè)面進(jìn)行靜電噴涂。

所述標(biāo)記板72帶有柔性凸沿721和凹槽722，如圖3所示，優(yōu)選工程塑料板材經(jīng)過(guò)機(jī)械加工成形。圖3為標(biāo)記板72的結(jié)構(gòu)示意圖。所述標(biāo)記板72表面帶有的文字標(biāo)記優(yōu)選印刷加工。

所述磁條73為矩形，優(yōu)選鈷基磁性合金加工成形，與外殼71內(nèi)側(cè)面的粘接優(yōu)選公知的聚氨酯熱熔膠。

上述實(shí)施僅僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在滿(mǎn)足本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和性能要求條件下，改變材料和制造工藝，都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。