機(jī)器學(xué)習(xí)課程教學(xué)的實(shí)踐探索

蔣良孝

摘? 要：機(jī)器學(xué)習(xí)在眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，使得開展機(jī)器學(xué)習(xí)教學(xué)變得更加迫切，但目前國內(nèi)對機(jī)器學(xué)習(xí)課程教學(xué)沒有太多的經(jīng)驗(yàn)。在考慮學(xué)生和科研工作實(shí)際需求的基礎(chǔ)上，文章摸索出一套合理的機(jī)器學(xué)習(xí)教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容、教學(xué)方法與特色、教學(xué)評價(jià)與考核方法。

關(guān)鍵詞：機(jī)器學(xué)習(xí);教學(xué)實(shí)踐;教學(xué)特色

中圖分類號：G642.4? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1671-0568（2019）27-0013-03

2016年3月9日至15日，谷歌人工智能圍棋程序阿爾法狗AlphaGo以總比分4比1戰(zhàn)勝世界圍棋冠軍李世石。 2017年5月23日至27日，又在浙江烏鎮(zhèn)的圍棋峰會上，以總比分3比0完勝我國世界排名第一的棋手柯潔。2017年1月6日，《最強(qiáng)大腦》第四季引入人機(jī)大戰(zhàn)模式，百度人工智能機(jī)器人小度作為特別選手參賽，在比賽中戰(zhàn)勝了“最強(qiáng)大腦”隊(duì)長王峰。

隨著摩爾定律帶來的芯片計(jì)算能力和存儲能力大幅提升以及大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨，不僅讓谷歌人工智能圍棋程序阿爾法狗AlphaGo和百度人工智能機(jī)器人小度一炮走紅，也將人工智能研究推向了一個(gè)新的高潮。

2017年7月8日，國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》宣布：舉全國之力，在2030年一定要搶占人工智能全球制高點(diǎn)。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，黨中央、國務(wù)院正式下文：即日起，從小學(xué)教育，中學(xué)科目，到大學(xué)院校，通通逐步新增人工智能課程，建設(shè)全國人才梯隊(duì)。2018年4月2日，作為落實(shí)國務(wù)院《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》的具體舉措，教育部印發(fā)《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》中明確指出：要加快機(jī)器學(xué)習(xí)等新一代人工智能核心關(guān)鍵技術(shù)研究。

機(jī)器學(xué)習(xí)的研究動(dòng)機(jī)是為了讓計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有人的學(xué)習(xí)能力以便實(shí)現(xiàn)人工智能。目前，被廣泛采用的機(jī)器學(xué)習(xí)定義是“利用經(jīng)驗(yàn)來改善計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自身的性能”。由于“經(jīng)驗(yàn)”在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中主要是以數(shù)據(jù)的形式存在，因而機(jī)器學(xué)習(xí)需要運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這就使得它逐漸成為智能數(shù)據(jù)分析技術(shù)的創(chuàng)新源之一，并且為此受到越來越多的關(guān)注。

筆者所在的中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）計(jì)算機(jī)學(xué)院目前共有計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)、智能科學(xué)與技術(shù)、空間信息與數(shù)字技術(shù)、信息安全及網(wǎng)絡(luò)工程六個(gè)本科專業(yè)。在最新修訂的2019年版本科人才培養(yǎng)方案中，六個(gè)專業(yè)都設(shè)置了相應(yīng)的“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程，主要面向全校對機(jī)器學(xué)習(xí)感興趣的本科生，既包括計(jì)算機(jī)、軟件工程、電子信息、自動(dòng)化等信息相關(guān)專業(yè)的學(xué)生，還包括應(yīng)用數(shù)學(xué)、經(jīng)濟(jì)管理、地球物理、環(huán)境地質(zhì)、化學(xué)工程等非信息專業(yè)的學(xué)生。因此，筆者作為這門課程的主講教師和課程負(fù)責(zé)人，在現(xiàn)有教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，如何講好這樣一門既有廣泛需求又有一定難度的課程，需要認(rèn)真地思考、總結(jié)和實(shí)踐。

一、教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容

開設(shè)本課程的目的是使學(xué)生了解機(jī)器學(xué)習(xí)的基本方向;掌握機(jī)器學(xué)習(xí)的基本算法;掌握運(yùn)用WEKA平臺實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)算法的方法;了解機(jī)器學(xué)習(xí)的有關(guān)研究思想，從中學(xué)習(xí)開拓者們求解問題的部分方法;通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步體會有關(guān)學(xué)習(xí)算法的用法和性能，切實(shí)提高機(jī)器學(xué)習(xí)算法的編程應(yīng)用能力;能查閱適當(dāng)?shù)膮⒖嘉墨I(xiàn)，將所學(xué)的知識與自己未來研究課題相結(jié)合起來。

為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，在充分參考現(xiàn)有經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)教材的基礎(chǔ)上，課程組設(shè)計(jì)了以下教學(xué)內(nèi)容和課程大綱：本課程將以數(shù)據(jù)挖掘中的分類任務(wù)為例，首先講解分類模型的評估，然后講解一批經(jīng)典而常用的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。具體的章節(jié)安排如下：第1章：緒論。講解機(jī)器學(xué)習(xí)的定義、與數(shù)據(jù)挖掘的區(qū)別與聯(lián)系、本課程的授課思路與內(nèi)容安排，以及本課程所使用的教材及參考書。第2章：講解模型評估的方法、指標(biāo)，以及比較檢驗(yàn)。第3-9章：講解機(jī)器學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)技術(shù)：以線性回歸開始，講解線性學(xué)習(xí);以K均值聚類收尾，講解無監(jiān)督學(xué)習(xí);中間包括支持向量機(jī)學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、決策樹學(xué)習(xí)、貝葉斯學(xué)習(xí)及最近鄰學(xué)習(xí)。第10-13章：講解機(jī)器學(xué)習(xí)的進(jìn)階技術(shù)：具體包括集成學(xué)習(xí)、代價(jià)敏感學(xué)習(xí)、演化學(xué)習(xí)及強(qiáng)化學(xué)習(xí)。具體的課程大綱如表1所示。

二、教學(xué)方法與特色

明確教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容、教學(xué)團(tuán)隊(duì)與分工后，就需要精心設(shè)計(jì)教學(xué)方法，把課程講好、講精彩、講出自己的特色。

1.高度重視學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)。任課教師手把手教會學(xué)生運(yùn)用國際開源機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺WEKA進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)的方法;通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步體會機(jī)器學(xué)習(xí)算法的用途和性能，切實(shí)提高學(xué)生的機(jī)器學(xué)習(xí)編程實(shí)踐能力。

2.以解決實(shí)際問題為導(dǎo)向。讓學(xué)生了解機(jī)器學(xué)習(xí)的有關(guān)研究思想，并從中學(xué)習(xí)開拓者們求解機(jī)器學(xué)習(xí)問題的部分方法;掌握課程教學(xué)內(nèi)容的應(yīng)用價(jià)值和前景，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)從“要我學(xué)”到“我要學(xué)”學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。

3.根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)和興趣組建不同的課程學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)。培養(yǎng)學(xué)生的人際溝通、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，增強(qiáng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，讓學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用中領(lǐng)悟機(jī)器學(xué)習(xí)理論知識的精髓，為科研和學(xué)科競賽儲備人才和隊(duì)伍。

4.科教結(jié)合。鼓勵(lì)教學(xué)團(tuán)隊(duì)的任課教師從自身的科研領(lǐng)域提煉出與課程教學(xué)相關(guān)的研究問題，組建學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)，促進(jìn)科研為教學(xué)服務(wù)，切實(shí)提升教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生科研成果產(chǎn)出的質(zhì)量和數(shù)量。

三、教學(xué)評價(jià)與考核

對于機(jī)器學(xué)習(xí)這樣一門高度重視動(dòng)手能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)專業(yè)選修課程而言，課堂理論知識教學(xué)固然重要，但更重要的是課外實(shí)踐，使學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力得到提高，能夠解決實(shí)際應(yīng)用的問題，編寫出真正有用的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，課程組設(shè)計(jì)了八道課后實(shí)踐訓(xùn)練與考核實(shí)戰(zhàn)題，主要用來鞏固復(fù)習(xí)課堂上所講授的機(jī)器學(xué)習(xí)算法理論，同時(shí)掌握運(yùn)用國際機(jī)器學(xué)習(xí)開源實(shí)驗(yàn)平臺WEKA實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)算法的基本方法和步驟;通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步體會有關(guān)機(jī)器學(xué)習(xí)算法的用法和性能，切實(shí)提高機(jī)器學(xué)習(xí)算法的編程應(yīng)用能力：①Linear Regression回歸算法的實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)測試（10分）;②Logistic Regression分類算法的實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)測試（10分）;③SMO分類算法的實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)測試（15分）;④BP分類算法的實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)測試（15分）;⑤ID3分類算法的實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)測試（15分）;⑥NB分類算法的實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)測試（15分）;⑦KNN分類算法的實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)測試（10分）;⑧K-Means聚類算法的實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)測試（10分）。

最后，要求選課學(xué)生提交基于WEKA平臺實(shí)現(xiàn)的java代碼文件和用Explorer在任何一個(gè)數(shù)據(jù)集上測試結(jié)果的截圖，一起作為考核評分的依據(jù)。

機(jī)器學(xué)習(xí)是一門新興且非常重要的計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)的選修課，在圖像識別、智能醫(yī)療、市場分析、金融投資、欺詐甄別、環(huán)境保護(hù)、科學(xué)研究等許多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，取得了十分可觀的社會效益，顯示出了良好的應(yīng)用前景。如何在大學(xué)中講好這門課程，切實(shí)提高學(xué)生運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)解決實(shí)際問題的實(shí)踐能力，是每一名任課教師需要認(rèn)真思考的問題。本文從教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容、教學(xué)方法與特色，到教學(xué)評價(jià)與考核，完整地描述了這門課程的所有環(huán)節(jié)。經(jīng)過筆者多年的努力，這門課程目前已在愛課程中國大學(xué)MOOC平臺進(jìn)行了2次開課，選課人數(shù)分別達(dá)到12913和12671，第3次擬于2019年8月1日開課，目前已有2702人預(yù)選參加，得到了其他高校學(xué)生和社會學(xué)習(xí)者的廣泛好評，并且成功入選首批湖北省本科精品在線開放課程。未來的工作主要包括進(jìn)一步補(bǔ)充和完善課程教學(xué)內(nèi)容，提出新的教學(xué)方法，并根據(jù)學(xué)生的反饋改進(jìn)教學(xué)評價(jià)與考核的內(nèi)容及評分標(biāo)準(zhǔn)。

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責(zé)任編輯? 易繼斌