《機(jī)器學(xué)習(xí)》課程思政探索研究*

袁和金 牛為華

（華北電力大學(xué)計(jì)算機(jī)系 河北保定 071000）

一、機(jī)器學(xué)習(xí)課程思政教學(xué)體系

機(jī)器學(xué)習(xí)課程思政的核心設(shè)計(jì)是通過(guò)精心的教學(xué)設(shè)計(jì)，在每個(gè)章節(jié)通過(guò)課程知識(shí)的相關(guān)內(nèi)容自然引入思政元素，將學(xué)生的人格、價(jià)值觀塑造與課程的知識(shí)點(diǎn)巧妙、有機(jī)結(jié)合，在教會(huì)學(xué)生掌握機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)理論、模型和方法的同時(shí)，逐步培養(yǎng)學(xué)生積極進(jìn)取、主動(dòng)作為的奮斗精神，嚴(yán)謹(jǐn)踏實(shí)、精益求精的工匠精神，尋根究底、慎思明辨的批判思維，堅(jiān)持不懈、不輕言放棄的意志品質(zhì)。為了實(shí)現(xiàn)上述思政教育的目標(biāo)，課程組經(jīng)過(guò)反復(fù)的研討和多年的教學(xué)實(shí)踐，構(gòu)建了如圖1所示的《機(jī)器學(xué)習(xí)》課程思政教學(xué)體系。

圖1 機(jī)器學(xué)習(xí)課程思政教學(xué)體系

首先，通過(guò)講解科技強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略中人工智能及機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)部分的知識(shí)，以及機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在機(jī)器人研發(fā)、智能電網(wǎng)建設(shè)、智慧醫(yī)療、全球抗擊新冠肺炎疫情、中美貿(mào)易戰(zhàn)等方面發(fā)揮的作用，培養(yǎng)學(xué)生的科技自信和學(xué)習(xí)動(dòng)力，通過(guò)我國(guó)北斗導(dǎo)航、空間站建設(shè)等成就增強(qiáng)學(xué)生的民族自尊心和自豪感。

然后，以男女婚姻搭配問題為例，引入二部圖最優(yōu)穩(wěn)定匹配的概念，并引導(dǎo)學(xué)生掌握 X-最優(yōu)穩(wěn)定匹配算法。通過(guò)該案例對(duì)學(xué)生進(jìn)行 “奮斗的年齡千萬(wàn)不要選擇安逸”“天道酬勤”“奮斗的青春最美麗”等思政教育，引導(dǎo)學(xué)生樹立積極進(jìn)取、主動(dòng)作為的人生態(tài)度和奮斗精神。

以基于奧卡姆剃刀和五免費(fèi)午餐定理的模型選擇和評(píng)價(jià)、基于樸素貝葉斯的疫情防控模型、明斯基批判感知器網(wǎng)絡(luò)的歷史典故、北斗衛(wèi)星的高壓輸電線路弧垂測(cè)量科研案例等與機(jī)器學(xué)習(xí)課程內(nèi)容密切相關(guān)的思政教學(xué)案例為依托，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)理論和知識(shí)的同時(shí)，生動(dòng)、深刻地理解“是堅(jiān)持才有希望、而不是有希望才堅(jiān)持”“讀萬(wàn)卷書不如行萬(wàn)里路”“知行合一”“真理有時(shí)確實(shí)掌握在少數(shù)人手中”等做人做事的基本道理。

以課程思政案例為依托，通過(guò)課堂提問、討論等方式逐步培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，并通過(guò)前輩科學(xué)家們的事跡勉勵(lì)同學(xué)們養(yǎng)成深入思考、探究式的思維習(xí)慣、嚴(yán)謹(jǐn)踏實(shí)、精益求精的工匠精神和堅(jiān)持不懈、持之以恒的人格品質(zhì)。

最后，通過(guò) “車牌識(shí)別”“人臉識(shí)別”“房?jī)r(jià)預(yù)測(cè)”“動(dòng)漫圖像生成”“顏值打分”“邊緣計(jì)算”等實(shí)戰(zhàn)課題對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組項(xiàng)目訓(xùn)練和考核，使學(xué)生不僅深入理解了機(jī)器學(xué)習(xí)算法的原理，同時(shí)也通過(guò)算法調(diào)試、調(diào)參、系統(tǒng)開發(fā)等實(shí)踐環(huán)節(jié)切實(shí)體會(huì)到了知行合一、學(xué)以致用的樂趣，讓學(xué)生在項(xiàng)目中理解團(tuán)隊(duì)成員的溝通、協(xié)作，并實(shí)現(xiàn)表達(dá)、研究、創(chuàng)新等能力的逐步成長(zhǎng)。

二、機(jī)器學(xué)習(xí)課程思政過(guò)程

課程組在《機(jī)器學(xué)習(xí)》課程思政教育中，采用了如下的方式進(jìn)行了有計(jì)劃、有步驟地實(shí)施：

（1）課前，任課教師通過(guò)科研項(xiàng)目訓(xùn)練、學(xué)習(xí)強(qiáng)國(guó)平臺(tái)學(xué)習(xí)等多種方式不斷提升自己在專業(yè)知識(shí)、思想意識(shí)、愛國(guó)情懷等方面的素養(yǎng)和能力?！吧斫獭笔钦n程思政最重要的形式和內(nèi)容，專業(yè)課教學(xué)發(fā)揮“思政”作用非常重要的一個(gè)方面就是教師的榜樣力量。因此，任課教師首先要做到“政治強(qiáng)、情懷深、思維新、視野廣[1]?！?/p>

（2）備課的過(guò)程中，深挖思政元素并將其合理融入課程。課堂上，以春風(fēng)化雨的方式，將科技強(qiáng)國(guó)和家國(guó)情懷等思政元素融入知識(shí)講解，通過(guò)案例分析和討論，提升學(xué)生分析問題和辨別是非的能力。

例如，明斯基對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究思政案例如下：

機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展史上涌現(xiàn)了很多著名的科學(xué)家和杰出人物，他們的成長(zhǎng)經(jīng)歷、思維方法為我們培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、創(chuàng)新思維提供了豐富的教學(xué)素材。本課程中，以明斯基對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究和批判等為例，開展思政教育，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)前輩科學(xué)家敏銳的思維視角、嚴(yán)肅的科學(xué)精神和持之以恒的人格品質(zhì)。

馬文·明斯基（Marvin Minsky），被譽(yù)為人工智能之父、世界上首個(gè)人工智能實(shí)驗(yàn)室——麻省理工學(xué)院人工智能實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)合創(chuàng)始人、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域頂級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)圖靈獎(jiǎng)的獲得者、虛擬現(xiàn)實(shí)先驅(qū)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域先驅(qū)。他在哈佛大學(xué)讀本科期間，開發(fā)了早期的電子學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)。在普林斯頓大學(xué)念研究生時(shí)，又建造了第一臺(tái)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)機(jī)SNARC。1956年，明斯基與“人工智能”的提出者約翰·麥卡錫（John Mcarthy）以及信息論之父克勞德·香農(nóng)（Claude Shannon）等人一同發(fā)起了“達(dá)特茅斯會(huì)議”，促成了人工智能革命的到來(lái)。然而1969年，明斯基與西蒙·派珀特（Simon Papert）合著的著作《感知機(jī)》卻被業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為極大地阻礙了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。明斯基在這本書中著重闡述了“感知機(jī)”存在的限制。他指出，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為充滿潛力，但實(shí)際上無(wú)法實(shí)現(xiàn)人們期望的功能。在他看來(lái)，處理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)存在兩點(diǎn)關(guān)鍵問題。首先，單層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法處理“異或”電路；其次，當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)缺乏足夠的計(jì)算能力，滿足大型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的需求。由于被明斯基這樣的權(quán)威人士看衰，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的研究迅速陷入了低谷，70年代則成了“人工智能的寒冬”，相關(guān)研究直到1978年才開始逐漸復(fù)蘇。通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究發(fā)展史中的跌宕起伏讓同學(xué)們理解科學(xué)研究的道路不是一番風(fēng)順的，有高潮、有低谷、有高潮、有曲折，不變的是鍥而不舍的堅(jiān)守和永無(wú)止境的努力[2]。

（3）課后，通過(guò)項(xiàng)目作業(yè)，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，并通過(guò)分工協(xié)作提升學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力和溝通能力，讓學(xué)生不斷積累社會(huì)責(zé)任感和擔(dān)當(dāng)意識(shí)。

三、課程思政教學(xué)實(shí)踐情況

1.通過(guò)研究二部圖的最優(yōu)穩(wěn)定匹配算法，幫助學(xué)生樹立積極進(jìn)取、主動(dòng)作為的奮斗精神。

我們?cè)谡n程教學(xué)之前首先以男女婚姻搭配問題為例，引入二部圖最優(yōu)穩(wěn)定匹配的概念，并引導(dǎo)學(xué)生掌握X-最優(yōu)穩(wěn)定匹配算法。通過(guò)該案例對(duì)學(xué)生進(jìn)行 “奮斗的年齡千萬(wàn)不要選擇安逸”“天道酬勤”“奮斗的青春最美麗”等思政教育，通過(guò)找對(duì)象的實(shí)例演示讓學(xué)生心悅誠(chéng)服地接受“積極進(jìn)取、主動(dòng)作為遠(yuǎn)比被動(dòng)等待的結(jié)果要好”“輸贏未必在起跑線上，關(guān)鍵還是要看自身的努力和堅(jiān)持”等奮斗理念。

2.通過(guò)精心的教學(xué)設(shè)計(jì)，形成緊密結(jié)合課程知識(shí)的思政案例，達(dá)到春風(fēng)化雨、潤(rùn)物無(wú)聲的教育效果

研究生已經(jīng)是成人了，他們的世界觀、價(jià)值觀已基本成形，不能通過(guò)簡(jiǎn)單的說(shuō)教來(lái)開展思政教育，更不能生硬地灌輸國(guó)家政策方針或心靈雞湯，這樣只會(huì)引起學(xué)生的不滿或反感。為此，我們通過(guò)精心的教學(xué)設(shè)計(jì)，在每個(gè)章節(jié)通過(guò)課程知識(shí)的相關(guān)內(nèi)容自然引入思政元素，盡量達(dá)到春風(fēng)化雨、潤(rùn)物無(wú)聲的育人效果。例如，通過(guò)分析貝葉斯方法在解決多特征分類問題時(shí)存在的困難，勉勵(lì)同學(xué)們養(yǎng)成深入思考、探究式的思維習(xí)慣；通過(guò)K近鄰算法中kd樹的構(gòu)造，教會(huì)學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)踏實(shí)、精益求精的工匠精神；通過(guò)分析三峽工程和載人航天工程決策過(guò)程，讓同學(xué)們深刻理解K近鄰算法中分類決策規(guī)則的重要意義，同時(shí)通過(guò)我國(guó)北斗導(dǎo)航、空間站建設(shè)等成就增強(qiáng)學(xué)生的民族自尊心和自豪感。

3.通過(guò)和學(xué)生一起分析、討論機(jī)器學(xué)習(xí)算法的優(yōu)缺點(diǎn)及改進(jìn)的方法、策略，逐步培養(yǎng)學(xué)生尋根究底、慎思明辨的批判思維和科學(xué)精神。

傳統(tǒng)的授課方法是教師盡量將知識(shí)梳理成容易接受的信息序列傳輸給學(xué)生，學(xué)生只是被動(dòng)地聽，這種單向的灌輸很容易使學(xué)生失去探究新知識(shí)的樂趣。為此，除了講授機(jī)器學(xué)習(xí)常用方法的原理和應(yīng)用之外，更要注重訓(xùn)練學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的意識(shí)和分析、解決問題的能力。課程教學(xué)中，我們以明斯基對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究和批判為例，開展思政教育，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)前輩科學(xué)家敏銳的思維視角、嚴(yán)肅的科學(xué)精神和持之以恒的人格品質(zhì)[3]。

4.通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生工程實(shí)踐，教育學(xué)生努力做到知行合一、學(xué)以致用

“機(jī)器學(xué)習(xí)”是理論和應(yīng)用并重的學(xué)科。在機(jī)器學(xué)習(xí)的課程教學(xué)中，我們指導(dǎo)學(xué)生積極參加工程訓(xùn)練，讓學(xué)生在實(shí)踐中進(jìn)行創(chuàng)新和發(fā)展。通過(guò) “車牌識(shí)別”“人臉識(shí)別”“房?jī)r(jià)預(yù)測(cè)”“動(dòng)漫圖像生成”“顏值打分”“邊緣計(jì)算”等實(shí)戰(zhàn)課題，學(xué)生不僅深入理解了機(jī)器學(xué)習(xí)算法的原理，同時(shí)也通過(guò)算法調(diào)試、調(diào)參、系統(tǒng)開發(fā)等實(shí)踐環(huán)節(jié)切實(shí)體會(huì)到了知行合一、學(xué)以致用的樂趣。另外，我們還通過(guò)志愿軍“鐵原阻擊戰(zhàn)”等紅色經(jīng)典史實(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)戰(zhàn)中鍛煉、在工程項(xiàng)目中成長(zhǎng)。

5.不斷提高自身科研創(chuàng)新能力，努力實(shí)現(xiàn)言傳與身教的統(tǒng)一

專業(yè)課教學(xué)發(fā)揮“思政”作用，非常重要的一個(gè)方面就是教師的榜樣力量?！吧斫獭笔钦n程思政最重要的形式和內(nèi)容，教師首先要做到“政治要強(qiáng)、情懷要深、思維要新、視野要廣、自律要嚴(yán)、人格要正”。老師兢兢業(yè)業(yè)的工作態(tài)度、卓有成效的工作業(yè)績(jī)、精湛的教學(xué)能力、精益求精的鉆研精神能夠深深地感染和打動(dòng)學(xué)生，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和信心，為學(xué)生在做人、做事、求學(xué)等各個(gè)方面樹立標(biāo)桿和榜樣。只有這樣，學(xué)生才能親其師、信其道、尊其師、奉其教、敬其師、效其行[4]。

四、課程評(píng)價(jià)與成效

機(jī)器學(xué)習(xí)課程通過(guò)開展課程思政教學(xué)，取得了學(xué)生的一致好評(píng)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性極大激發(fā)

通過(guò)思政教學(xué)的引導(dǎo)，部分學(xué)生以項(xiàng)目實(shí)踐的形式提供了很多非常新穎的案例，這些案例很好地反映了他們的關(guān)注特點(diǎn)，更能激發(fā)學(xué)生的共情性。同時(shí)，學(xué)生在建設(shè)自己的實(shí)踐案例過(guò)程中能夠體會(huì)到所學(xué)會(huì)的知識(shí)是自己“發(fā)現(xiàn)”的，自己“創(chuàng)造”出來(lái)的，從而使其體會(huì)到自己的成功和進(jìn)步，更有成就感，在學(xué)習(xí)中會(huì)更加努力、更加主動(dòng)。

2.學(xué)生實(shí)踐能力、問題解決能力及表述能力顯著提升

通過(guò)思政教學(xué)的基因式融入、立體化滲透、浸潤(rùn)式演繹，結(jié)合課程考試的要求，學(xué)生通過(guò)分組合作和自主選題完成了20多個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目，撰寫了項(xiàng)目的結(jié)題報(bào)告和匯報(bào)PPT，并在課堂上進(jìn)行了宣講。這些項(xiàng)目大都是學(xué)生結(jié)合課程所學(xué)內(nèi)容，并通過(guò)查閱資料，親自動(dòng)手編程和調(diào)試完成的，對(duì)于同學(xué)們之間的互相學(xué)習(xí)、借鑒和下屆同學(xué)的參考等都有重要意義。這些項(xiàng)目涉及的許多內(nèi)容在課堂教學(xué)中并沒有講到，但他們較好地理解并實(shí)現(xiàn)了這些領(lǐng)域的一些經(jīng)典算法，表現(xiàn)出了很強(qiáng)的自學(xué)能力。

3.學(xué)生的學(xué)習(xí)效果有效加強(qiáng)

通過(guò)不同實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)和代碼的共享，拓寬學(xué)生學(xué)習(xí)的知識(shí)面，能更多地從代碼層次深入學(xué)習(xí)機(jī)器學(xué)習(xí)的相關(guān)原理，并用具體的應(yīng)用和數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和測(cè)試，提高他們的體驗(yàn)感，加深學(xué)習(xí)的印象，起到了事半功倍的效果，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)課程的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生進(jìn)一步理解和熟悉之前學(xué)過(guò)的數(shù)學(xué)、編程語(yǔ)言等知識(shí)。

結(jié)語(yǔ)

機(jī)器學(xué)習(xí)課程思政體系中建設(shè)了多個(gè)思政教學(xué)案例，將課程思政元素充分巧妙地融入了課堂講授、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐、過(guò)程評(píng)價(jià)等課程教學(xué)環(huán)節(jié)中，結(jié)合啟發(fā)式、研究式、案例式教學(xué)方法，利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了課程講授內(nèi)容與思政元素的有機(jī)融合。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)課程的思政教學(xué)體系實(shí)踐應(yīng)用，使學(xué)生的學(xué)習(xí)變被動(dòng)接受為主動(dòng)研究，培養(yǎng)了學(xué)生的系統(tǒng)觀和科學(xué)觀，提升了學(xué)生學(xué)術(shù)探究能力和復(fù)雜問題解決能力，以潤(rùn)物無(wú)聲的方式實(shí)現(xiàn)了課程思政教學(xué)目標(biāo)。