[论文解读] Applied Logic in Engineering

Maria Spichkova|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2016

Experimental Learning in Engineering参考文献 15被引用 4

一句话总结

本文提出了一种通过实际应用和基于娱乐的学习方式来教授工程领域形式逻辑的教学方法，例如分析夏洛克·福尔摩斯的推理过程。慕尼黑工业大学的该课程通过强调实际应用而非抽象理论，成功提升了学生的参与度和理解力，学生满意度高，并在开卷考试中展现出扎实的理解能力。

ABSTRACT

Logic not only helps to solve complicated and safety-critical problems, but also disciplines the mind and helps to develop abstract thinking, which is very important for any area of Engineering. In this technical report, we present an overview of common challenges in teaching of formal methods and discuss our experiences from the course Applied Logic in Engineering. This course was taught at TU Munich, Germany, in Winter Semester 2012/2013.

研究动机与目标

• 解决学生因认为形式逻辑枯燥且复杂而普遍产生的抵触情绪。
• 通过融入来自小说和工业界的贴切实际案例，减轻工程专业学生的数学焦虑。
• 通过实践导向、以实例驱动的教学方式，证明形式化方法既易于理解又具有实际应用价值。
• 评估一种在工程教育背景下强调应用而非抽象理论的逻辑课程的有效性。

提出的方法

• 该课程名为‘工程中的应用逻辑’（ACE），作为慕尼黑工业大学的面对面选修课，面向无任何逻辑背景的工程专业学生。
• 课程采用工业问题、谜题以及虚构叙事（尤其是夏洛克·福尔摩斯的演绎推理）作为教学实例，讲授命题逻辑与一阶逻辑。
• 通过标准框架讲授核心逻辑概念：语法、语义、范式及演算（自然演绎、归结法），并重点强调Prolog与自动化推理工具的使用。
• 课程内容涵盖形式化规格说明、验证、定理证明、模型检测，以及在电路设计与数据库中的应用。
• 通过开卷考试对学生进行评估，以检验其应用能力而非死记硬背。
• 课程参考了Schöning、Russell & Norvig以及Harrison的奠基性著作，并整合了关于形式化方法中人为因素的前期研究成果反馈。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过教学方式减少学生在工程教育中对形式逻辑的焦虑情绪，并提高其参与度？
• RQ2 虚构叙事与真实世界应用在多大程度上能提升学生对形式逻辑的理解与感知相关性？
• RQ3 以应用为导向而非抽象理论为核心的逻辑课程，是否能带来更好的工程专业学生学习成果？
• RQ4 实际案例与工具支持在使非数学背景的工程专业学生更容易掌握形式化方法方面发挥何种作用？

主要发现

• 绝大多数学生表示课程实例非常有帮助，且课程内容量安排得当，100%的学生在评估中将内容评价为‘恰到好处’。
• 学生最赞赏的是夏洛克·福尔摩斯案例与真实世界应用的结合，使逻辑显得更具相关性与吸引力。
• 课程实现了高满意度，学生指出小班教学与结构化、渐进式的内容推进是实现深入理解的关键因素。
• 开卷考试成功衡量了学生应用逻辑原则的能力，而非记忆能力，支持了课程以实践为导向的设计理念。
• 本课程表明，只要基于贴近生活的实际应用场景，即使没有数学或逻辑背景，也能有效向工程专业学生讲授形式逻辑。