應(yīng)用型本科高校機(jī)器學(xué)習(xí)課程教學(xué)探索

馬 程

(蚌埠學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，安徽 蚌埠233030)

目前，大數(shù)據(jù)、人工智能產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為新經(jīng)濟(jì)重要組成部分與推動(dòng)力量，需要大量的應(yīng)用型人才將新的技術(shù)落地應(yīng)用到廣大傳統(tǒng)行業(yè)中。因此，在“新工科”大背景下，作為地方應(yīng)用型高校，更需主動(dòng)作為，思考如何深度融合新的工程教育理念來(lái)支撐新產(chǎn)業(yè)鏈的新工科專(zhuān)業(yè)建設(shè)，堅(jiān)持以“學(xué)生為中心，產(chǎn)出為導(dǎo)向”的理念，協(xié)同社會(huì)需求與行業(yè)企業(yè)發(fā)展，按照國(guó)家對(duì)當(dāng)代大學(xué)生提出的新發(fā)展理念與要求，采取學(xué)科專(zhuān)業(yè)交叉融合和共享創(chuàng)新等主要途徑，培養(yǎng)更多具有創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才，以滿(mǎn)足新興產(chǎn)業(yè)應(yīng)用型對(duì)數(shù)據(jù)人才的需求。通過(guò)審時(shí)度勢(shì)、超前預(yù)判，主動(dòng)適應(yīng)、探索、實(shí)踐工程教育的新理念，形成課程教學(xué)的新思路、人才培養(yǎng)的新模式和質(zhì)量評(píng)價(jià)的新體系。

1 傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)課程開(kāi)設(shè)現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

機(jī)器學(xué)習(xí)是數(shù)據(jù)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)和人工智能專(zhuān)業(yè)建模的核心方法，主要研究機(jī)器如何通過(guò)模仿人類(lèi)學(xué)習(xí)，不斷收獲新的知識(shí)或技能，以提升自身學(xué)習(xí)能力和性能。機(jī)器學(xué)習(xí)交叉融合了智能科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等多類(lèi)學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)，與人工智能、數(shù)據(jù)挖掘同步發(fā)展，造成了知識(shí)體系間即存在部分重疊交叉，又各有自身特點(diǎn)，而且不斷拓展出深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)等新理論與方法，使得課程內(nèi)容和體系較為龐雜。同時(shí)，機(jī)器學(xué)習(xí)算法以的相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)，如線(xiàn)性代數(shù)、微積分、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)等為基礎(chǔ)，對(duì)學(xué)生專(zhuān)業(yè)知識(shí)的寬度、深度和實(shí)際動(dòng)手能力都有較高的要求，來(lái)解決機(jī)器學(xué)習(xí)建模過(guò)程中的問(wèn)題，旨在學(xué)生掌握主流的機(jī)器學(xué)習(xí)理論、方法及模型，并根據(jù)實(shí)際問(wèn)題需要進(jìn)行應(yīng)用造成了課程學(xué)習(xí)難度較大。早期，該課程一般作為碩士生限選課在計(jì)算機(jī)類(lèi)大數(shù)據(jù)方向開(kāi)設(shè)；自設(shè)置數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)本科專(zhuān)業(yè)以來(lái)，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多高校將機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與深度學(xué)習(xí)等相關(guān)課程列為該專(zhuān)業(yè)高年級(jí)本科生選修課程，課程總學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)分別在24至36學(xué)時(shí)、8至16學(xué)時(shí)不等。近兩年伴隨人工智能本科專(zhuān)業(yè)的開(kāi)設(shè)，一些獲批高校也紛紛將機(jī)器學(xué)習(xí)課程設(shè)為本科專(zhuān)業(yè)必修課程，但因本科生基礎(chǔ)知識(shí)掌握的完備程度等與碩士生有一定差距，加之在地方應(yīng)用型本科高校，學(xué)生理論基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，對(duì)英語(yǔ)、數(shù)學(xué)類(lèi)方面相關(guān)的公共基礎(chǔ)支撐課程和程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計(jì)等專(zhuān)業(yè)前導(dǎo)課程掌握不牢固。所以機(jī)器學(xué)習(xí)課程本科教學(xué)受教學(xué)內(nèi)容、課程特點(diǎn)、課時(shí)限制、本科生知識(shí)結(jié)構(gòu)等多個(gè)因素影響，造成了面向地方應(yīng)用型高校本科生開(kāi)設(shè)機(jī)器學(xué)習(xí)課程具有極大的教學(xué)挑戰(zhàn)。

2 應(yīng)用型本科高校機(jī)器學(xué)習(xí)課程建設(shè)思路

在機(jī)器學(xué)習(xí)課程教學(xué)過(guò)程中，圍繞國(guó)家、社會(huì)對(duì)新型產(chǎn)業(yè)人才的需求和相關(guān)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)生的實(shí)際就業(yè)需求，從課程的建設(shè)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、教學(xué)考核五個(gè)方面著手探討數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專(zhuān)業(yè)機(jī)器學(xué)習(xí)課程建設(shè)思路。以堅(jiān)持“以學(xué)生為中心，產(chǎn)出為導(dǎo)向”為課程教學(xué)理念，明確數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)本科專(zhuān)業(yè)機(jī)器學(xué)習(xí)課程建設(shè)目標(biāo)；面向行業(yè)企業(yè)，提出遵循“依據(jù)課時(shí)、知識(shí)夠用、重視應(yīng)用、引入前沿、動(dòng)態(tài)更新”的教學(xué)內(nèi)容選擇原則，搭建教學(xué)內(nèi)容主要框架。緊密結(jié)合理論和實(shí)踐，加大實(shí)際應(yīng)用案例在教學(xué)內(nèi)容上的比例，緊跟學(xué)科發(fā)展方向，適當(dāng)引入相關(guān)領(lǐng)域新技術(shù)和知識(shí)介紹；提出以案例推動(dòng)教學(xué)、以設(shè)問(wèn)提升教學(xué)、以應(yīng)用拓展教學(xué)、以科研促進(jìn)教學(xué)4種漸進(jìn)式教學(xué)方式，探索工學(xué)交替、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、問(wèn)題導(dǎo)向、場(chǎng)景應(yīng)用的教學(xué)模式；規(guī)范實(shí)驗(yàn)實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐平臺(tái)項(xiàng)目案例、數(shù)據(jù)的建設(shè)和融合工作，不定期安排有項(xiàng)目應(yīng)用的企業(yè)開(kāi)展線(xiàn)上或線(xiàn)下講座或短期培訓(xùn)，調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)通過(guò)實(shí)踐操作學(xué)習(xí)深化理論知識(shí)，提高項(xiàng)目設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力，提升雙創(chuàng)能力；通過(guò)企業(yè)需求和相關(guān)高校調(diào)研、社會(huì)反饋，摸索新工科背景下數(shù)據(jù)人才質(zhì)量評(píng)價(jià)機(jī)制，設(shè)置課程過(guò)程性考核方案，促進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)課程教學(xué)模式持續(xù)改進(jìn)，形成閉環(huán)，最終實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)質(zhì)量與就業(yè)質(zhì)量的明顯提高，獲得社會(huì)和學(xué)生的認(rèn)可和滿(mǎn)意。如圖1所示。

圖1 應(yīng)用型本科高校機(jī)器學(xué)習(xí)課程建設(shè)思路

3 應(yīng)用型本科高校機(jī)器學(xué)習(xí)課程教學(xué)路徑

結(jié)合地方應(yīng)用型本科高校數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)本科專(zhuān)業(yè)教學(xué)運(yùn)行和人才培養(yǎng)，從明確課程培養(yǎng)目標(biāo)、優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容、改革課程教學(xué)方式、規(guī)范實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺(tái)、注重課程過(guò)程考核五個(gè)方面，探索開(kāi)展新工科背景下該專(zhuān)業(yè)機(jī)器學(xué)習(xí)課程建設(shè)，以提升課程教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)能力和實(shí)踐綜合能力，將學(xué)生培養(yǎng)成為具有創(chuàng)新意識(shí)和能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)質(zhì)量的明顯提高。如圖2所示。

圖2 應(yīng)用型本科高校機(jī)器學(xué)習(xí)課程教學(xué)路徑

3.1 明確課程培養(yǎng)目標(biāo)

調(diào)研知名企業(yè)機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的應(yīng)用現(xiàn)狀，根據(jù)工業(yè)界對(duì)于數(shù)據(jù)方面人才的實(shí)際需求，借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)優(yōu)秀課程，從知識(shí)水平、學(xué)習(xí)能力、綜合素質(zhì)和個(gè)人規(guī)劃等多個(gè)維度對(duì)課程的培養(yǎng)目標(biāo)進(jìn)行分解，形成可操作、能夠細(xì)化培養(yǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容

考慮學(xué)生先修的數(shù)學(xué)知識(shí)掌握情況差異，該門(mén)課程在相關(guān)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的性質(zhì)、學(xué)時(shí)也有所不同，所以，對(duì)于機(jī)器學(xué)習(xí)的本科課程教學(xué)，既要優(yōu)化精選教學(xué)內(nèi)容，又要合理分配學(xué)時(shí)，這樣才能讓學(xué)生能夠相對(duì)輕松地理解機(jī)器學(xué)習(xí)基本概念和常用方法?；谇捌谒鶎W(xué)的數(shù)學(xué)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)，應(yīng)用并改進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)模型算法以分析解決實(shí)際問(wèn)題，并針對(duì)性地帶領(lǐng)學(xué)生了解機(jī)器學(xué)習(xí)的知識(shí)和技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，為有興趣和需要的學(xué)生進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備。面向“新工科”建設(shè)，結(jié)合地方應(yīng)用型本科學(xué)生實(shí)際能力水平，本課程遵循以“學(xué)生為中心，產(chǎn)出為導(dǎo)向”理念，思考教學(xué)內(nèi)容的選擇上依據(jù)“依據(jù)課時(shí)、知識(shí)夠用、重視應(yīng)用、引入前沿、動(dòng)態(tài)更新”原則，課程教學(xué)以項(xiàng)目實(shí)踐為重點(diǎn)，突出項(xiàng)目實(shí)踐比重，并適度引入機(jī)器學(xué)習(xí)新知識(shí)和技術(shù)，動(dòng)態(tài)更新教學(xué)內(nèi)容，以確保課程內(nèi)容不落后，并滿(mǎn)足少數(shù)有濃厚學(xué)習(xí)興趣同學(xué)的需求。根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)不同應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，如設(shè)計(jì)新型冠狀病毒疫情預(yù)測(cè)、佩戴口罩的人臉識(shí)別等案例。通過(guò)項(xiàng)目案例實(shí)踐教學(xué)，加深學(xué)生對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的理解、方法的掌握及應(yīng)用領(lǐng)域場(chǎng)景的認(rèn)識(shí)，鍛煉培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和學(xué)習(xí)能力，提升學(xué)生分析、解決問(wèn)題的水平。

3.3 改革課程教學(xué)方式

首先，以案例推動(dòng)教學(xué)。教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)項(xiàng)目案例牽引出相關(guān)概念和教學(xué)內(nèi)容，推動(dòng)理論課程的教學(xué)和知識(shí)的傳授。項(xiàng)目實(shí)踐根據(jù)對(duì)應(yīng)理論知識(shí)設(shè)計(jì)，結(jié)合生活實(shí)際和應(yīng)用，設(shè)計(jì)房?jī)r(jià)預(yù)測(cè)、手寫(xiě)數(shù)字識(shí)別、垃圾郵件過(guò)濾、風(fēng)格遷移等不同難度的項(xiàng)目。重點(diǎn)講解框架性原理，要求學(xué)生組隊(duì)學(xué)習(xí)，有利于學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和溝通技巧的提高，更有助于厘清技術(shù)脈絡(luò)和實(shí)際應(yīng)用思路，增強(qiáng)學(xué)習(xí)信心，與培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程能力的要求相符。

其次，以設(shè)問(wèn)提升教學(xué)。教學(xué)過(guò)程中，以學(xué)生作為課堂主體，設(shè)置與本門(mén)課程相關(guān)的知識(shí)和技術(shù)問(wèn)題，采用翻轉(zhuǎn)課堂方式，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)分析和解決問(wèn)題。比如，學(xué)習(xí)樸素貝葉斯分類(lèi)部分，可從不同類(lèi)型估計(jì)方法入手，提問(wèn)“生成式”模型和“判別式”模型的差別；學(xué)習(xí)集成學(xué)習(xí)方法部分，可從樣本選擇、樣例權(quán)重、是否并行計(jì)算等方面提問(wèn)，進(jìn)而讓學(xué)生思考并明確Bagging和Boosting方法的區(qū)別。通過(guò)問(wèn)題設(shè)置，為討論學(xué)習(xí)提供了自由、寬松的氣氛，更易調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和思維。

再次，以應(yīng)用拓展教學(xué)。教學(xué)過(guò)程中，根據(jù)課程對(duì)應(yīng)章節(jié)學(xué)習(xí)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)相應(yīng)的學(xué)生分析問(wèn)題的應(yīng)用場(chǎng)景，提供數(shù)據(jù)集和相關(guān)項(xiàng)目案例，組織學(xué)生分析討論，幫助學(xué)生理解并掌握機(jī)器學(xué)習(xí)核心方法。另外，在課后設(shè)置思考作業(yè)，如：能否采用多種機(jī)器學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)？分析比較哪種方法效果更好？進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)問(wèn)題本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

最后，以科研促進(jìn)教學(xué)。教學(xué)過(guò)程中，鼓勵(lì)任課教師科教結(jié)合，從個(gè)人科研項(xiàng)目中提煉出與教學(xué)相關(guān)的研究問(wèn)題，鼓勵(lì)學(xué)習(xí)興趣濃厚的學(xué)生建立學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)，組織學(xué)生積極參加Kaggle、天池、泰迪杯、全國(guó)AI等大數(shù)據(jù)和人工智能類(lèi)賽事，并將實(shí)踐案例進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為科研論文或?qū)＠囵B(yǎng)本科生的科研實(shí)踐能力，進(jìn)而為教學(xué)服務(wù)，切實(shí)提升教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)成效。

3.4 規(guī)范實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)

傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)課程主要以經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)算法作為主要授課內(nèi)容，包括邏輯回歸、樸素貝葉斯、支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，可以使用WEKA測(cè)試和二次開(kāi)發(fā)，較快地掌握機(jī)器學(xué)習(xí)核心算法的用法和性能，節(jié)省了Java程序編程時(shí)間。近年伴隨深度學(xué)習(xí)的快速發(fā)展，如果在機(jī)器學(xué)習(xí)課程教學(xué)中仍只傳授傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)內(nèi)容，就無(wú)法讓學(xué)生了解社會(huì)和技術(shù)進(jìn)展。因此，在課堂教學(xué)中適當(dāng)增加深度學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容非常有必要，然而在實(shí)際教學(xué)時(shí)卻存在以下問(wèn)題。一方面，教學(xué)案例和實(shí)踐指導(dǎo)資源缺乏；另一方面，目前主流的深度學(xué)習(xí)框架繁雜，如Google的TensorFlow、Facebook的PyTorch、Berkeley的Caffe、Keras、Theano等國(guó)外深度學(xué)習(xí)框架，及百度研發(fā)的PaddlePaddle、Intel研發(fā)的OpenVINO和清華大學(xué)的Jittor、曠視科技的MegEngine、華為的MindSpore等近期新開(kāi)發(fā)的國(guó)內(nèi)深度學(xué)習(xí)開(kāi)源框架種類(lèi)較多。因此，將機(jī)器學(xué)習(xí)部分內(nèi)容融入傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)課程教學(xué)時(shí)，需要選擇至少一種適合學(xué)生使用主流的深度學(xué)習(xí)開(kāi)源框架。從教學(xué)內(nèi)容層面的課程案例和數(shù)據(jù)，到學(xué)生學(xué)情層面的英語(yǔ)水平和編程能力等多方面考量，為使同學(xué)們盡快上手操作，考慮推薦使用國(guó)內(nèi)深度學(xué)習(xí)框架，結(jié)合好的教育平臺(tái)和嵌入的Jupyter Notebooks交互式開(kāi)發(fā)環(huán)境，便于數(shù)據(jù)分析過(guò)程的展示；同時(shí)有支持各種方法的中文學(xué)習(xí)文檔，還提供了免費(fèi)的GPU算力，較適合作為本門(mén)課程入門(mén)的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)，有英語(yǔ)基礎(chǔ)的同學(xué)也鼓勵(lì)直接采用TensorFlow或PyTorch平臺(tái)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)實(shí)踐。

3.5 設(shè)置課程過(guò)程性考核

建立一套科學(xué)可操作的課程考核制度。課程考核按規(guī)定教學(xué)計(jì)劃進(jìn)行，納入到平時(shí)各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中實(shí)施，最后根據(jù)每個(gè)環(huán)節(jié)中學(xué)生考察情況按權(quán)值綜合統(tǒng)計(jì)。將考勤、搶答、討論和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐效果納入平時(shí)成績(jī)，細(xì)化實(shí)驗(yàn)實(shí)踐評(píng)分方式，加大實(shí)驗(yàn)實(shí)踐表現(xiàn)在過(guò)程考核中比重。將期末考試形式改為相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域參賽或助力企業(yè)解決實(shí)際問(wèn)題，綜合考慮學(xué)生課程過(guò)程成績(jī)、賽程報(bào)告(或可行性報(bào)告、咨詢(xún)報(bào)告)和期末答辯表現(xiàn)(分享該課程學(xué)習(xí)、實(shí)踐、參賽及企業(yè)合作中的體會(huì))得到期末成績(jī)。并在學(xué)期中和學(xué)期末，根據(jù)學(xué)生的反饋改進(jìn)教學(xué)評(píng)價(jià)與考核的內(nèi)容及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，形成學(xué)生積極關(guān)注過(guò)程參與、注重實(shí)際應(yīng)用導(dǎo)向的“閉環(huán)式”課程過(guò)程考核方案。具體考核方案表1見(jiàn)。

結(jié) 語(yǔ)

將學(xué)生視為課程教學(xué)主體，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)課程自身特性和教學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景，積極探索一套適用于應(yīng)用型本科高校本課程有效的教學(xué)方法、手段、資源與考核手段，注重對(duì)學(xué)生獨(dú)立思考、創(chuàng)新意識(shí)和解決問(wèn)題能力的鍛煉和培養(yǎng)。以保障本科教學(xué)計(jì)劃有效實(shí)施，提升課程教學(xué)效果，提高數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)質(zhì)量。

表1 課程考核方案