基于人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)的課程思政案例設(shè)計(jì)

張磊 唐蕓 葉婧 蔡霞

（三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院 湖北·宜昌 443002）

0 引言

2020年5月，教育部印發(fā)的《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》中指出，要“全面推進(jìn)高校課程思政建設(shè)，發(fā)揮好每門課程的育人作用”“使各類課程與思政課程同向同行，將顯性教育和隱性教育相統(tǒng)一，形成協(xié)同效應(yīng)，構(gòu)建全員全程全方位育人大格局?！庇纱丝梢?，黨和國(guó)家對(duì)高校思想政治教育工作開展高度重視，強(qiáng)調(diào)發(fā)揮每門課程在立德樹人過程中的協(xié)同效應(yīng)，致力于創(chuàng)建思想政治教育的多主體參與、多形式呈現(xiàn)、多場(chǎng)域運(yùn)作、多層面影響的“大思政”格局[1-2]。

教育部于2018年印發(fā)的《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》通知，明確指出加強(qiáng)新一代人工智能基礎(chǔ)理論和核心關(guān)鍵技術(shù)研究，尤其聚焦并加快機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺等核心關(guān)鍵技術(shù)研究，推動(dòng)人工智能領(lǐng)域一級(jí)學(xué)科建設(shè)，完善人工智能的學(xué)科體系[3]。《機(jī)器學(xué)習(xí)》課程作為人工智能方向的核心課程之一，涉及概率統(tǒng)計(jì)學(xué)、算法分析、計(jì)算機(jī)編程等多學(xué)科，且其發(fā)展也在不斷地吸納其他學(xué)科知識(shí)，因此需要學(xué)生具有良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)編碼實(shí)踐能力。課程教學(xué)過程中，如何在有限的時(shí)間內(nèi)兼顧到不同層次、不同水平的學(xué)生，根據(jù)學(xué)生的情況進(jìn)行教學(xué)手段和教學(xué)模式改革，提高教學(xué)效率，讓學(xué)生能在掌握專業(yè)理論知識(shí)的同時(shí)，提高學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐動(dòng)手編程能力，是目前《機(jī)器學(xué)習(xí)》課程教學(xué)亟待解決的問題。因此，如何依托人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)該專業(yè)課程教學(xué)，準(zhǔn)確定位思政教育的育人價(jià)值，創(chuàng)新挖掘思政育人元素，完善人工智能領(lǐng)域人才培養(yǎng)體系，實(shí)現(xiàn)人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)教學(xué)與思政教育的有機(jī)融合發(fā)展就顯得尤為重要。

1 思想政治教育與機(jī)器學(xué)習(xí)課程的創(chuàng)新融合設(shè)計(jì)

機(jī)器學(xué)習(xí)課程教學(xué)與思政教育的融合發(fā)展，強(qiáng)調(diào)能將知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)與價(jià)值引領(lǐng)有機(jī)結(jié)合，提煉專業(yè)課程中蘊(yùn)含的文化基因和價(jià)值范式，將其轉(zhuǎn)化為社會(huì)主義核心價(jià)值觀具體化、生動(dòng)化的有效教學(xué)載體，大大提升思政教育親和力，以潤(rùn)物無聲的方式滌蕩學(xué)生心靈，在“潤(rùn)物細(xì)無聲”的知識(shí)學(xué)習(xí)中融入理想信念層面的精神指引，獲得學(xué)生情感上的共鳴，實(shí)現(xiàn)在價(jià)值傳播中凝聚知識(shí)底蘊(yùn)、在知識(shí)傳播中強(qiáng)調(diào)價(jià)值引領(lǐng)，于潤(rùn)物無聲中立德樹人。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)專業(yè)課程的特點(diǎn)，從以下幾個(gè)方面開展課程思政融合思路。

1.1 教綱改革與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

通過課程教與學(xué)，使學(xué)生認(rèn)識(shí)和掌握機(jī)器學(xué)習(xí)的核心分析思維與基本理論方法，為進(jìn)一步解決工程實(shí)際問題奠定良好的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。同時(shí)明確課程思政目標(biāo)，立足人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)的理論、方法和視野，深入挖掘?qū)I(yè)課程的德育內(nèi)涵和元素，將其轉(zhuǎn)化為生動(dòng)有效的教學(xué)載體，系統(tǒng)設(shè)計(jì)德育遞進(jìn)路徑，并固化于教學(xué)大綱中，如圖1所示。

圖1：教綱授課要點(diǎn)與思政元素融合關(guān)系圖

1.2 基于SPOC的“互聯(lián)網(wǎng)+”混合式教學(xué)模式設(shè)計(jì)

依托在SPOC平臺(tái)建設(shè)的課程資源，在機(jī)器學(xué)習(xí)課程教學(xué)過程中，運(yùn)用智慧教學(xué)工具—雨課堂，采用“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下的“課前—課中—課后”全過程混合式教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)“課前”線上導(dǎo)學(xué)與“課中”線下教學(xué)內(nèi)容有機(jī)銜接，“課后”實(shí)踐項(xiàng)目緊密結(jié)合理論學(xué)習(xí)，借助比賽和開放式大作業(yè)，鼓勵(lì)學(xué)生探索機(jī)器學(xué)習(xí)新技術(shù)、新方法。借助基于SPOC的“互聯(lián)網(wǎng)+”混合式教學(xué)模式，將思政元素滲透在每個(gè)環(huán)節(jié)中，“因勢(shì)利導(dǎo)，順勢(shì)而為”地開展思想政治教育，如圖2所示。

圖2：混合教學(xué)模式總體框架圖

1.2.1 思政元素與“課前”導(dǎo)學(xué)環(huán)節(jié)結(jié)合，體現(xiàn)課程“高度”

“課前”導(dǎo)學(xué)環(huán)節(jié)作為推行教學(xué)模式改革首要之舉，彰顯了課程思政的高度理念。以SPOC互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為載體，借助課前發(fā)布的章節(jié)知識(shí)框架和影視導(dǎo)學(xué)等材料，在完成課前自學(xué)任務(wù)的同時(shí)，基于機(jī)器學(xué)習(xí)章節(jié)知識(shí)，發(fā)布開放性作業(yè)話題，從縱向歷史與橫向現(xiàn)實(shí)的維度出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生挖掘蘊(yùn)含在知識(shí)背后的思維方式、價(jià)值觀念和人文內(nèi)涵，使思政元素既源于歷史又基于現(xiàn)實(shí)，既傳承歷史血脈又體現(xiàn)與時(shí)俱進(jìn)。

如通過影視視角來追溯人工智能發(fā)展史，以點(diǎn)帶面指明了各行各業(yè)與人工智能的交叉是必然趨勢(shì)。通過對(duì)比分析Pytorch和Tensorflow，結(jié)合中興、華為等時(shí)事熱點(diǎn)展望當(dāng)代技術(shù)前沿和工程應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)略其中所蘊(yùn)含的中國(guó)智慧，潛移默化加深了大學(xué)生對(duì)“中國(guó)品牌”的思想認(rèn)同和責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

1.2.2 思政元素與“課中”探討環(huán)節(jié)結(jié)合，體現(xiàn)課程“深度”

“課中”授學(xué)環(huán)節(jié)作為推行教學(xué)模式改革關(guān)鍵之環(huán)，叩響了課程思政的深度理念。在線下翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)中，教師做好線上線下教學(xué)內(nèi)容的有機(jī)銜接，借助隨機(jī)分小組協(xié)作學(xué)習(xí)，通過傳授經(jīng)典知識(shí)實(shí)例和互動(dòng)探討算法算例，幫助學(xué)生了解和掌握專業(yè)知識(shí)。其中，注重將思政元素通過顯性灌輸和隱性滲透的方式寓思政教育于專業(yè)知識(shí)之中，通過潤(rùn)物細(xì)無聲、滴水穿石的方式，實(shí)現(xiàn)顯性教育與隱性教育的有機(jī)結(jié)合。

如機(jī)器學(xué)習(xí)這門學(xué)科的學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高，學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中很難看到這些專業(yè)知識(shí)與實(shí)際問題的聯(lián)系，容易產(chǎn)生消極情緒和思維脫節(jié)現(xiàn)象。教師根據(jù)課前導(dǎo)學(xué)獲悉的學(xué)生情況，合理分配線上線下教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生能較快地回顧已學(xué)數(shù)學(xué)知識(shí)并靈活應(yīng)用在理解機(jī)器學(xué)習(xí)方法的理論知識(shí)中，并以數(shù)學(xué)作為人類解決實(shí)際問題的重要工具為出發(fā)點(diǎn)，基于高斯簡(jiǎn)介傳播科學(xué)精神，從而提高學(xué)生的學(xué)術(shù)認(rèn)同和學(xué)習(xí)內(nèi)動(dòng)力。

1.2.3 思政元素與“課后”實(shí)踐環(huán)節(jié)結(jié)合，體現(xiàn)課程“熱度”

“課后”實(shí)踐環(huán)節(jié)作為推行教學(xué)模式改革結(jié)尾之筆，掀起了課程思政的熱度理念。思政教育元素源于社會(huì)實(shí)際，源于學(xué)科知識(shí)與社會(huì)實(shí)踐的結(jié)合，源于實(shí)踐的解釋和修正，因事而化、因時(shí)而進(jìn)、因勢(shì)而新。機(jī)器學(xué)習(xí)作為一門理論性和實(shí)踐性都較強(qiáng)的多領(lǐng)域交叉學(xué)科，在教學(xué)過程中應(yīng)注重理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)雙向融合，注重產(chǎn)學(xué)融合、創(chuàng)新引領(lǐng)和服務(wù)社會(huì)。

如開展實(shí)踐教學(xué)過程中基于經(jīng)典模型和各類算法，強(qiáng)調(diào)“條條大路通羅馬”。在教授經(jīng)典模型算法的基礎(chǔ)上，借助發(fā)布的項(xiàng)目作業(yè)鼓勵(lì)學(xué)生探索新技術(shù)和新方法，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識(shí)和實(shí)踐創(chuàng)新能力。另外值得注意的是，機(jī)器學(xué)習(xí)這門新興理論技術(shù)的前沿性無可厚非，但正如“課前”導(dǎo)學(xué)環(huán)節(jié)所展示的一樣，歸其根本是為人服務(wù)和為社會(huì)服務(wù)，教師需引導(dǎo)學(xué)生理性看待理論研究與實(shí)踐考量的差異性，擴(kuò)大看待事物的眼界與格局。

2 以無人機(jī)操作與智能巡檢為例的課程案例設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

課程教學(xué)融入思政，這種融入不是“生拉硬拽”，不是“牽強(qiáng)附會(huì)”，而是強(qiáng)調(diào)思政元素與學(xué)科知識(shí)的水乳交融，以潤(rùn)物無聲的方式滌蕩學(xué)生心靈，獲得學(xué)生情感上的共鳴。不同的課程融入思政的點(diǎn)不同，不同的教學(xué)環(huán)節(jié)融入思政內(nèi)容亦不相同。鑒于機(jī)器學(xué)習(xí)課程的理論性與實(shí)際性都較強(qiáng)的專業(yè)特點(diǎn)，以機(jī)器學(xué)習(xí)關(guān)鍵領(lǐng)域之一——神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與深度學(xué)習(xí)算法在無人機(jī)智能巡檢領(lǐng)域?yàn)閼?yīng)用背景，設(shè)計(jì)了一個(gè)綜合無人機(jī)智能化操作、故障巡檢缺陷識(shí)別的實(shí)踐項(xiàng)目，將實(shí)踐項(xiàng)目與思政元素有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)工程教育、思政教育與專業(yè)課教育的互融互通，具體教學(xué)案例項(xiàng)目設(shè)計(jì)如表1。

表1：無人機(jī)操作與智能巡檢綜合性訓(xùn)練項(xiàng)目

2.1 電力巡檢項(xiàng)目引入

“課前”借助SPOC線上發(fā)布國(guó)有工業(yè)無人機(jī)品牌——大疆智能無人機(jī)的介紹資料、演示視頻。用影視中、現(xiàn)實(shí)中的典型案例告訴學(xué)生，計(jì)算機(jī)視覺與深度學(xué)習(xí)算法引入無人機(jī)智能巡檢圖像識(shí)別領(lǐng)域已成為必然趨勢(shì)，并潛移默化地傳遞其中所蘊(yùn)含的中國(guó)智慧。與此同時(shí)，教師提前線上發(fā)布各類算法資料及代碼演示視頻等學(xué)習(xí)資源，并布置課后作業(yè)，通過一些簡(jiǎn)單的生活案例引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行算法嘗試，為后續(xù)故障缺陷識(shí)別奠定實(shí)踐基礎(chǔ)。

2.2 圖像識(shí)別算法研討

應(yīng)配網(wǎng)無人機(jī)智能巡檢圖像識(shí)別系統(tǒng)的故障缺陷識(shí)別的精確和高效性能要求，無人機(jī)智能化巡檢中，借助深度學(xué)習(xí)算法強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力，讓無人機(jī)圖像識(shí)別系統(tǒng)去深度學(xué)習(xí)隱患并且較好地識(shí)別出各類缺陷故障。教學(xué)過程中，教師發(fā)布無人機(jī)智能巡檢的缺陷數(shù)據(jù)圖庫(kù)等資源，以項(xiàng)目大作業(yè)的形式引導(dǎo)學(xué)生分小組協(xié)作，基于課前代碼編寫訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)，將所學(xué)的各種機(jī)器學(xué)習(xí)算法活學(xué)活用，最終采用綜合性評(píng)價(jià)考核機(jī)制對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行考核。

值得注意的是，應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)學(xué)生從實(shí)踐中對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)中諸多算法的優(yōu)劣比較問題尋找答案。以故障缺陷識(shí)別的準(zhǔn)確率為例，應(yīng)答鼓勵(lì)學(xué)生盡可能地嘗試各種分類算法，并通過交叉驗(yàn)證的方式選擇最合適的分類算法，從而讓學(xué)生從實(shí)踐體驗(yàn)中獲悉“沒有最好的分類器，只有更適合的分類器”的道理。

2.3 無人機(jī)操作智能化實(shí)踐

為了給予學(xué)生對(duì)無人機(jī)操作智能化的“感官體驗(yàn)”，通過切身所見所聞進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生對(duì)《機(jī)器學(xué)習(xí)》課程的興趣和內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)工程實(shí)踐教育與思政教育的有機(jī)融合。由專業(yè)的無人機(jī)飛行實(shí)操培訓(xùn)人員牽頭，利用企業(yè)實(shí)踐教學(xué)資源，在申請(qǐng)的合法空域中給學(xué)生開展無人機(jī)智能化操作實(shí)踐教學(xué)。

3 結(jié)語

在當(dāng)前的新工科背景下，全面推進(jìn)課程思政建設(shè)是落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的戰(zhàn)略舉措，也是全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要任務(wù)。針對(duì)“新工科”建設(shè)人工智能領(lǐng)域?qū)I(yè)工程教育與思想政治教育有機(jī)融合發(fā)展的迫切需求，本文基于《機(jī)器學(xué)習(xí)》課程特點(diǎn)與現(xiàn)有教學(xué)資源，從完善教綱和改革教學(xué)模式兩方面積極開展教學(xué)改革研究，堅(jiān)持價(jià)值性和知識(shí)性相統(tǒng)一，將思政元素?zé)o聲地滲透到教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，構(gòu)建了以工程專業(yè)倫理為價(jià)值依托的教學(xué)內(nèi)容體系，有助于塑造人工智能時(shí)代德智體美勞全面發(fā)展的工科專業(yè)全面全方位育人大格局。