課程思政融入機器學習課程教學的探索與實踐

王亞歌，劉擁，杜夢麗，余程年，冀福全

摘要：隨著人工智能的發(fā)展，各大高校爭相開設機器學習課程，但機器學習涉及學科范圍廣，理論推導多且枯燥，高校本科生學習起來較為困難。為降低理論理解難度，同時落實高校立德樹人的根本任務，以機器學習課程為依托，具體采用了“一依據(jù)+兩角度+三環(huán)節(jié)+四結合”的教學方法，以四個教學案例重點介紹機器學習課程內容與思政案例結合的具體過程。最后，通過調查問卷和考核方式總結教學效果和經(jīng)驗并持續(xù)改進。

關鍵詞：機器學習；立德樹人；課程思政；思政案例；教學效果

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）33-0167-04

1 機器學習與思政教育

近幾年來人工智能（Artificial Intelligence ，AI）的概念和應用已經(jīng)深入人們生活的方方面面，而機器學習就是實現(xiàn)AI的方法之一，因此，各大高校也相繼開設機器學習課程。但機器學習是一門多領域交叉的熱門學科，理論知識多，知識覆蓋面廣，涉及概率論、統(tǒng)計學、微積分、矩陣論、最優(yōu)化等知識，因此這門課程要求學生具備扎實的數(shù)學基礎、掌握機器學習經(jīng)典算法，并具備動手實踐能力。

機器學習的本質是利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)或規(guī)則不斷自我改進算法的研究[1]，機器學習的過程是在模擬人的學習和推理過程。機器學習不僅要學習相關的數(shù)理知識，培養(yǎng)扎實專業(yè)技能，更要把思想政治教育融入教育教學實踐中。如果僅僅把算法知識傳授給學生，培養(yǎng)學生編寫機器算法的能力，而忽視了思政教學，那么學生以及機器學習應用的成果就可能像沒有線的風箏，失去了方向，更可能像脫韁的野馬，橫沖直撞，危害別人乃至社會，這點就類似于《終結者》描述。從這方面來看，在機器學習中融入思政內容尤為重要和迫切。

總而言之，機器學習與思政教育的目標是讓學生成為德才兼?zhèn)涞娜瞬?，通過掌握機器學習的基本算法、實踐方法和背后蘊含的思政元素，培養(yǎng)學生正確的三觀和分析解決問題的能力，以及厚植理想信念和激發(fā)使命擔當。

2 課程教學改革思路

現(xiàn)如今科技革命和產(chǎn)業(yè)變革方興未艾，高校是行業(yè)發(fā)展的提供人才的基地，為適應新時代新要求，高校教育改革迫在眉睫?？萍及l(fā)展不僅需要高校培養(yǎng)出創(chuàng)新型人才，更需要具有自我驅動、自我思辨以及良好的思想素養(yǎng)。在高校課程中融入思政教育，進而激發(fā)大學生的內驅動力成為教育改革的重點。但當下高校的課程思政仍然存在一些問題，原本的課程與思政教育過于急功近利融合，將專業(yè)課知識和思政內容直接拼接，導致課程非常生硬，還存在思政案例匱乏、淡化學生主體地位的情況[2]。為進一步貫徹落實《綱要》精神，充分發(fā)揮課堂在高校思想政治教育工作中的主渠道作用，接下來分別從教師、機器學習課程和學生三個方面來闡述機器學習融合課程思政的教學改革思路。

2.1教師

教師是教學工作的“第一主角”，習近平總書記強調“教師要成為大先生，做學生為學、為事、為人的示范，促進學生成長為全面發(fā)展的人[3]”。高校思政教育關系著高校培養(yǎng)什么樣的人、如何培養(yǎng)人以及為誰培養(yǎng)人這些根本問題[4]。面對百年未有之大變局，作為一名高校教師應當怎么做？作為思政教育主力軍、直接實施者的高校教師將承擔更多樣的任務和角色，個人政治素質要過硬，要愛黨愛國，具備正確的理想信念，理解思政內涵和德育要素，懂得做人做事基本道理，還能夠善于挖掘課程蘊含的德育元素和具備育人技能，沉浸式進行課程思政設計，將課程思政當作一門學問、一種價值、一種信仰不斷融入實踐中去。

2.2課程

本文提出了“一依據(jù)+兩角度+三環(huán)節(jié)+四結合”的機器學習課程與思政教學融合的教學方法。在傳授機器學習知識的過程中進行德育教育和能力培養(yǎng)，提高人才培養(yǎng)質量。

“一個依據(jù)”，即依據(jù)機器學習課程的特點，以學習機器學習算法為核心，緊密聯(lián)系思政教育。首先，根據(jù)教學目標，梳理機器學習課程的教學內容，即聚類算法、回歸模型、集成學習、神經(jīng)網(wǎng)絡和深度學習等，然后將思政教學案例融入其中，形成以專業(yè)知識為明線，以思政教學為暗線的融合教學方法。

“兩個角度”，結合機器學習的學科特點，教學內容主要從理學和工學兩個角度出發(fā)。理學角度注重思維的培養(yǎng)，從現(xiàn)有知識出發(fā)解答問題，培養(yǎng)學生邏輯推理、辯證思維，結合使命擔當?shù)乃颊咐瑥娀瘜W生的責任感和使命感；工學角度注重強化學生實踐能力，通過逆向思維分析，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力，結合工匠精神、奉獻精神，激發(fā)學生的家國情懷和自我驅動力。

“三個環(huán)節(jié)”，將思政教育的內容結合、言傳身教、教學相長的三重境界融入課前-課中-課后三個教學過程，以完成立德樹人的根本任務。

首先是課前準備環(huán)節(jié)，通過將思政教育元素融入教學方案，完成思政教育的基本要求，內容結合，即根據(jù)機器學習的相關知識挖掘合適的思政案例，通過不斷地對知識和德育的切入點進行梳理和調整，實現(xiàn)機器學習和思政教育的有機統(tǒng)一。

課中環(huán)節(jié)是重中之重，不僅需要將思想政治教育內容傳遞給學生，更要通過自身優(yōu)秀的師德師風潛移默化地影響學生，達到德育的目的。

課后環(huán)節(jié)，《禮記·學記》提到教學相長，將自己的所思所悟傳授給學生是實踐立德樹人的過程，在這個過程中加深了自身的思考，課后不斷反思教學內容、方法，不斷創(chuàng)新教育方法，將思政教育完美融入課程內容中去。

“四個結合”：能夠有效激發(fā)學生家國情懷，明確責任與擔當，學會做人做事基本道理。

習近平新時代中國特色社會主義思想是當代中國馬克思主義、二十一世紀馬克思主義，是中華文化和中國精神的時代精華[5]。通過習近平新時代中國特色社會主義思想與課程內容的結合，利用馬克思主義哲學的科學世界觀和方法論去認識問題、改造問題，學生只有對世界有了正確認識，學會運用方法論分析問題，看清楚現(xiàn)象和本質，將個人追求的夢想融入實現(xiàn)中華民族偉大復興的中國夢中。

社會主義核心價值體系是社會主義制度的內在精神和生命之魂，將社會主義核心價值觀與課程內容結合，踐行育人為本、德育為先的要求，使學生們通過理解社會主義核心價值觀的意義，認同社會主義核心價值觀，自覺地遵守社會主義核心價值觀的基本要求。

中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化是中華民族的精神命脈，是涵養(yǎng)社會主義核心價值觀的重要源泉，將中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化同課程內容結合，有助于大學生健康成長，提升文化素養(yǎng)，增強文化自信。

堅持法治與德治并舉，道德是法治的基石。將職業(yè)理想、職業(yè)道德、法治教育同課程內容結合，根據(jù)學生的特點和社會對大學生的要求，教育引導學生深刻理解并自覺實踐職業(yè)理想和職業(yè)道德，增強職業(yè)責任感，培養(yǎng)遵紀守法、愛崗敬業(yè)、誠實守信的優(yōu)良品質。

2.3學生

當代大學生思想活躍、自我意識較強[6]，一方面容易塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀，另一方面也容易導致崇洋媚外、抵觸學習的情緒從而走向錯誤的方向。所以不能簡簡單單地輸送思政教育，需要激發(fā)學生的主體意識，只有學生充分認識到自己是思政教育的主體，產(chǎn)生使命擔當、自我驅動力，積極主動地參與到課程思政中來，與教師交流自身的想法和需求、拓寬視野，才能發(fā)揮課程思政的重要作用。

3 課程思政融合案例

相較于其他課程而言，機器學習涉及學科多，對數(shù)學基礎要求相對較高，課程內容較為抽象，不利于學生的理解。因此本文采用 “一依據(jù)+兩角度+三環(huán)節(jié)+四結合”的教學方法，將枯燥的機器學習算法與鮮活的思政案例結合，不僅加深了學生對數(shù)理知識的理解，更有利于培養(yǎng)學生正確的三觀、分析解決問題的思維。本文以初識機器學習、神經(jīng)網(wǎng)絡的曲折發(fā)展史、k-means聚類算法、集成學習等四個案例為例，簡單介紹該教學方法的實施流程。具體內容如下：

3.1初識機器學習

機器學習是什么？機器學習與人工智能的關系是怎樣的？為什么要學習機器學習這門課程呢？

“對于某類任務T和性能度量P，如果一個計算機程序在T上以P衡量的性能隨著經(jīng)驗E而自我完善，那么我們稱這個計算機程序在從經(jīng)驗E中學習”[7]，這是著名的機器學習研究者Tom Mitchell 教授給機器學習的定義。顯然這樣的描述是正確的但也是抽象的，對于學生來說是難以理解的。

學生應該早就了解了“柯潔大戰(zhàn) AlphaGo”的新聞，但AlphaGo戰(zhàn)勝柯潔靠的是程序員編寫了超越人類大師棋力的程序么，顯然這是不可能的。AlphaGo歸根結底是基于線性代數(shù)+大數(shù)據(jù)而形成的，根據(jù)大量的人類對局數(shù)據(jù)進行迭代運算，優(yōu)化自身的算法，從而達到最優(yōu)結果，這個過程詮釋了機器學習的定義。AlphaGo就是一個人工智能，實現(xiàn)它的過程就是機器學習，它的目標就是模仿甚至創(chuàng)新人類的行為、思想。

到了這里，通過一個通俗的案例講解了什么是機器學習，機器學習與人工智能的關系，進一步從思政角度挖掘這個案例。AlphaGo基于線性代數(shù)+大數(shù)據(jù)這個模式，針對圍棋這個目標，不斷優(yōu)化算法，就像學生學習書本知識+做練習，目的是更好地就業(yè)和提升自我。機器尚且通過“勤奮學習”來不斷優(yōu)化算法，那么學生更應該踏踏實實學習，來充實自己，只有學了方法，并且運用方法進行實踐才能成長，不斷提高自身綜合素質，最終實現(xiàn)個人的職業(yè)理想。

播放《我和我的父輩》電影中的《少年行》片段，這個片段講述了一個科幻色彩濃郁的故事。這個片段融合了機器人、時空穿梭等元素，緊扣新時代科技強國、創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略，通過幽默詼諧的方式，讓科技深入人心、讓創(chuàng)新精神在“父子”之間傳承。

在此，可以引導學生關注國家戰(zhàn)略規(guī)劃，譬如2017年國務院頒布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》以及習近平總書記說的“國家的希望在青年，民族的未來在青年”，從而激發(fā)學生的使命感和擔當精神，引導學生樹立遠大的理想和愛國主義情懷，主動關注學科發(fā)展方向及國家需求，充分認識本課程學習的重要性，勇于抓住人工智能發(fā)展的戰(zhàn)略機遇，全面提高學生思想政治素質和學識水平，開闊視野與職業(yè)定位努力培養(yǎng)成為德智體美勞全面發(fā)展的社會主義建設者和接班人。

3.2神經(jīng)網(wǎng)絡的曲折發(fā)展史

人工神經(jīng)網(wǎng)絡（Artificial Neural Network， ANN）是一種模擬人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡來實現(xiàn)類人工智能的機器學習算法。雖然模擬神經(jīng)元的原理非常簡單，但其發(fā)展史非常曲折的，曾出過兩次低谷，第一次低谷是缺乏訓練算法，無法解決XOR問題；第二次低谷是受限于硬件水平，訓練耗時太長、算法仍需要改進。如今，隨著硬件水平的提高，GPU被用于神經(jīng)網(wǎng)絡訓練和并行計算，使得神經(jīng)網(wǎng)絡再次雄起，并在全球掀起了人工智能發(fā)展的熱潮。

縱觀神經(jīng)網(wǎng)絡的發(fā)展歷程，引導學生追本溯源，認識到科學技術的研究并不是一帆風順的，進步和發(fā)展是在前人基礎上的，而青年的使命就是接力與超越，學生當遇到問題不要退縮，要從被動接受知識變?yōu)橹鲃訉W習探究，要堅定理想信念，努力鉆研，不能半途而廢，不斷激發(fā)創(chuàng)造創(chuàng)新活力，提高正確認識問題、分析問題和解決問題的能力，為國家為社會為自己的未來而努力。

3.3 K-means聚類算法

人類在面對復雜問題或大量數(shù)據(jù)時往往會采用分而治之的思想，聚類是根據(jù)事物之間的某種相似關系完成對事物分組的過程。在我國古代，采取郡縣制，劃分區(qū)域、層層管理，來達到統(tǒng)治江山的目的；時至今日，現(xiàn)代的行政區(qū)域的劃分，也是采用了分而治之的思想。

K-means算法是一種經(jīng)典的聚類算法，通過不斷計算迭代更新聚類中心和為數(shù)據(jù)分配屬于不同的聚類中心，最終聚成不同的簇，簇與簇之間的距離相對較遠，而簇內間的數(shù)據(jù)點則分布更緊密。課程通過手工計算的迭代過程，讓學生理解該算法實現(xiàn)思路和迭代思想，一方面從理學角度出發(fā)，通過推理運算，培養(yǎng)學生勇于實踐、探索未知和追求真理的能力；另一方面從工學角度出發(fā)，通過迭代思想，傳導專注執(zhí)著、不斷改善和追求卓越的工匠精神。

3.4集成學習

在機器學習中一般有兩種策略，一種是單個算法優(yōu)化，選擇其中表現(xiàn)最好的模型做重點調參優(yōu)化，這種策略類似于全運會比賽，通過強強競爭來選拔最優(yōu)的運動員，并逐步提高成績；第二種策略是集成學習，它的基本思想是集體決策，對多個模型的預測結果進行表決來提高準確性。一般地來說，集成學習可以獲得比單一模型效果更好的預測性能。俗話說，“三個臭皮匠頂個諸葛亮”，假設每個臭皮匠都對應一種算法，那么將三個臭皮匠的算法結果進行權重分配，最終得到一個最優(yōu)結果，這就是集成學習的思想。如同我們國家的民主集中制，實行少數(shù)服從多數(shù)，通過集體智慧進行決策。

通過俗語、民主集中制，解釋了什么是集成學習，使教學內容不再單調，增加趣味性。同時也揭示了集體智慧、合作的重要意義，科學研究、社會發(fā)展從來都不是一個人的事，需要各方面智慧和力量凝聚起來，形成心往一處想、勁往一處使的強大合力。人是群居動物，任何個人都不能離群生活和工作，學生也應當多參與各類活動、走出去看看，拓寬視野，不能沉迷在游戲中，有利于培養(yǎng)積極開朗的心態(tài)和團隊合作意識，為今后的職業(yè)生涯打好基礎，樹立良好的職業(yè)道德。

課程最后，布置機器學習實踐作業(yè)，以小組為單位，實現(xiàn)各類機器學習算法，通過學生之間交流合作，與老師交流咨詢，達到教學相長、團建協(xié)作的目的。

4 教學改革成效

4.1調查問卷

在課程之后，通過對學生發(fā)送調查問卷，來分析教學質量。共收到有效問卷52份，總體來說，學生認可度相對良好，具體內容如下：

關于“通過學習，是否對課程環(huán)節(jié)的設置感興趣”，有71.2%同學喜歡，28.8%的同學能夠適應。關于“通過學習，對課程的教學知識掌握了？”，掌握50%以上學生的占58%。關于“你認為課程思政可以發(fā)揮什么樣的作用？”，90.4%的同學選擇了有助于形成正確的三觀，86.5%的同學選擇了有助于職業(yè)道德與職業(yè)素養(yǎng)，73.1%的同學選擇了有助于增強職業(yè)信心，69.2%的學生選擇了有助于培養(yǎng)哲學思維。關于“你認為老師在專業(yè)課程中采用哪種方式引入課程思政內容比較好？”，67.3%的學生選擇結合專業(yè)課程具體知識點或者案例穿插性地講授思政內容。關于“你對課程思政內容在專業(yè)課程中的有機融合你有什么建議？”，75%的學生選擇形式多樣化，50%的學生希望多針對些時事熱點，46.2%的學生選擇了和專業(yè)內容的聯(lián)系更加緊密些。根據(jù)學生的調查問卷分析可以看出，學生認識到了價值塑造的重要性和必要性，學習態(tài)度也更加積極，同時能力有了明顯的提升，激發(fā)了學習興趣。

在問卷最后設置了一個開放性問答題，“根據(jù)自身大學多年的學習生活經(jīng)歷，給出關于課程思政教學的相關意見和建議”，超一半以上同學都給出了具體建議，根據(jù)學生提出的觀點及時做了交流和記錄，大多數(shù)學生表示收獲很多并希望在現(xiàn)有基礎上更增加更多思政案例和時事熱點。

4.2課程考核

課程最后以書面考核的方式檢驗課程的教學質量，并通過得分情況了解課程思政教育的成效。例如，根據(jù)試卷中的判斷題答題情況可以分析學生的思辨能力；簡答題可以反映出學生對于課本理論知識的熟悉程度、是否具有踏實學習的心態(tài)；主觀題可以反映出學生的創(chuàng)新思維、獨立思考能力；計算題能夠考查學生數(shù)學思維、科學精神和細致態(tài)度；分組課程大作業(yè)可以考查學生職業(yè)素養(yǎng)、團結協(xié)作以及綜合實踐能力。

綜上，通過對課程作業(yè)、試卷的完成情況，了解學生的精神狀態(tài)和思想政治素質，進一步檢驗機器學習融合課程思政的成效，不斷總結經(jīng)驗，持續(xù)改進。

5 結語

機器學習課程蘊含大量的數(shù)理知識和自然規(guī)律，學生理解較為困難且課程枯燥乏味，給教學帶來一定的困難。因而以學生為中心，依托機器學習中基本算法的規(guī)律性，結合真實的自然規(guī)律案例，挖掘背后的深層次思政點，從而達到引入思政教育，培養(yǎng)高質量人才的目標。通過課程內容與思政案例的結合，在教學數(shù)理知識的同時，切入思政教育，使得課堂教學生動、易于理解、提高學生專注力，也使得學生在吸收專業(yè)知識的同時，潛移默化地受到思政教育，實現(xiàn)知識傳授和價值引領相統(tǒng)一，完成立德樹人的根本任務。

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【通聯(lián)編輯：王力】