基于S2S平臺(tái)機(jī)器學(xué)習(xí)課程建設(shè)研究

郝小寧 李東喜

(太原理工大學(xué)大數(shù)據(jù)學(xué)院 山西晉中 030600)

1 機(jī)器學(xué)習(xí)課程建設(shè)背景

十三屆全國(guó)人大四次會(huì)議3 月11 日表決通過(guò)了《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)綱要）。綱要第五篇是加快數(shù)字化發(fā)展，建設(shè)數(shù)字中國(guó)。打造數(shù)字經(jīng)濟(jì)新優(yōu)勢(shì)，加快數(shù)字社會(huì)建設(shè)步伐，提高數(shù)字政府建設(shè)水平，營(yíng)造良好數(shù)字生態(tài)[1]?！皵?shù)字”在此篇出現(xiàn)數(shù)次，可見(jiàn)國(guó)家對(duì)數(shù)字的重視，并提到培育壯大人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、云計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)安全等新興數(shù)字產(chǎn)業(yè)。高校相應(yīng)專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)是落實(shí)相關(guān)人才培養(yǎng)根本任務(wù)的基礎(chǔ)工作。機(jī)器學(xué)習(xí)等核心技術(shù)人才的培養(yǎng)，將成為推動(dòng)數(shù)字時(shí)代的重要力量。作為大數(shù)據(jù)學(xué)院專(zhuān)業(yè)課程機(jī)器學(xué)習(xí)的主講教師，深感責(zé)任重大。要承擔(dān)好育人責(zé)任，“守好一段渠，種好責(zé)任田”。

數(shù)字人才培養(yǎng)與科技創(chuàng)新是社會(huì)長(zhǎng)期關(guān)注的問(wèn)題。人才是創(chuàng)新的根基。后疫情時(shí)代下，建設(shè)機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)質(zhì)在線教學(xué)資源，開(kāi)展混合式教學(xué)，可不斷提升教學(xué)質(zhì)量，助力數(shù)字化人才培養(yǎng)。因此，在線機(jī)器學(xué)習(xí)課程建設(shè)，對(duì)培養(yǎng)數(shù)字化人才意義非凡。筆者在現(xiàn)有教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，不斷加強(qiáng)機(jī)器學(xué)習(xí)課程的教學(xué)研究,對(duì)在線機(jī)器學(xué)習(xí)課程建設(shè)，進(jìn)行深入思考、研究。

2 傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)課程存在的問(wèn)題與數(shù)字化人才培養(yǎng)

2.1 傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)課程存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)課程是以理論為主。一方面，學(xué)習(xí)過(guò)程多限于老師主導(dǎo)的教（一言堂），學(xué)生被動(dòng)聽(tīng)課，學(xué)生在課堂上參與度不高，無(wú)法高效地實(shí)現(xiàn)師生互動(dòng)，不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性；學(xué)生學(xué)習(xí)的目的性差，缺乏目標(biāo)引領(lǐng)性；缺乏理論知識(shí)向?qū)嵺`能力的轉(zhuǎn)化。另一方面，一節(jié)課結(jié)束時(shí)，老師不能立即明確學(xué)生對(duì)知識(shí)掌握的程度，信息反饋缺失，傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)課程亟需改革升級(jí)。因此，該文立足在線機(jī)器學(xué)習(xí)課程建設(shè)，目標(biāo)是對(duì)傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)課程進(jìn)行改革，以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生知識(shí)、能力、實(shí)踐、創(chuàng)新一體化培養(yǎng)模式，聚焦數(shù)字化人才培養(yǎng)。

2.2 數(shù)字化人才培養(yǎng)

機(jī)器學(xué)習(xí)是該校大數(shù)據(jù)學(xué)院數(shù)據(jù)科學(xué)專(zhuān)業(yè)本科生的核心課程。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握機(jī)器學(xué)習(xí)算法核心知識(shí)，能夠知道其然且知其所以然，夯實(shí)理論基礎(chǔ)。學(xué)生能夠獨(dú)立分析和解決問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生獲取綜合運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)的能力，并提升實(shí)踐能力,達(dá)到培養(yǎng)高素質(zhì)人才的作用。為學(xué)生今后從事大數(shù)據(jù)工程及人工智能工程等的相關(guān)領(lǐng)域工作奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，樹(shù)立其對(duì)世界萬(wàn)物建立模型，以達(dá)到認(rèn)識(shí)世界和改造世界的目的。

當(dāng)今，數(shù)字化時(shí)代的到來(lái)，企業(yè)通過(guò)云機(jī)器學(xué)習(xí)為創(chuàng)新數(shù)字化轉(zhuǎn)型插上騰飛的翅膀。各界對(duì)數(shù)字化人才的需求劇增，這讓人才培養(yǎng)面臨新的挑戰(zhàn)。機(jī)器學(xué)習(xí)課程在線建設(shè)順應(yīng)并加快數(shù)字化發(fā)展的新需求，是高校機(jī)器學(xué)習(xí)課程教學(xué)改革的重要舉措，助力數(shù)字化人才培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)從能力培養(yǎng)到全面發(fā)展[2]。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)課程培養(yǎng)的人才將服務(wù)于數(shù)字化產(chǎn)業(yè)需求，涵蓋人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等新興數(shù)字產(chǎn)業(yè)。

3 基于S2S平臺(tái)機(jī)器學(xué)習(xí)課程建設(shè)

3.1 S2S平臺(tái)的選擇及介紹

以一流的在線課程，促進(jìn)一流本科專(zhuān)業(yè)建設(shè)[3]。該校大數(shù)據(jù)學(xué)院數(shù)據(jù)科學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生是在大二就開(kāi)設(shè)此課程。由于在疫情期，提供的在線教學(xué)平臺(tái)中，比如中國(guó)大學(xué)MOOC、超星爾雅、學(xué)堂在線、智慧樹(shù)、虛擬仿真等平臺(tái)，機(jī)器學(xué)習(xí)這門(mén)課程的資源有限，并且與目前使用教材能配套的線上資源非常少，而異步SPOC的當(dāng)時(shí)僅發(fā)現(xiàn)一個(gè)。由于前期課程設(shè)置的不同，學(xué)生反映聽(tīng)這個(gè)異步SPOC課有些不太好理解掌握，并且無(wú)法跟講課的老師進(jìn)行互動(dòng)。因此，在“綱要”及后疫情的特殊背景下，應(yīng)立足該校學(xué)生，選擇該校提供的S2S平臺(tái)作為機(jī)器學(xué)習(xí)課程建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。

S2S 平臺(tái)為教師提供了一個(gè)集備課、課程資源管理及共享、課堂互動(dòng)、學(xué)生學(xué)習(xí)管理、學(xué)生考評(píng)為一體的教學(xué)平臺(tái)。教師課前可以利用S2S平臺(tái)進(jìn)行在線課程資源建設(shè)，可以發(fā)布教學(xué)視頻、教學(xué)PPT、建設(shè)題庫(kù)及各種學(xué)習(xí)資料。課中可進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)，包括組織討論、發(fā)布練習(xí)、簽到等。課后可布置作業(yè)，發(fā)布拓展學(xué)習(xí)任務(wù)。在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，所有的教學(xué)環(huán)節(jié)都會(huì)實(shí)時(shí)記錄，便于教師教學(xué)管理。

S2S 平臺(tái)為學(xué)生提供一個(gè)貫通課前、課上、課后、考評(píng)等學(xué)習(xí)階段的學(xué)習(xí)平臺(tái)。學(xué)生可以從手機(jī)端和電腦端登陸S2S平臺(tái)，可課前預(yù)習(xí)；課中與教師進(jìn)行在線討論，課堂互動(dòng)。課后可多次觀看視頻、做作業(yè)及測(cè)試并網(wǎng)上提交，并開(kāi)展拓展學(xué)習(xí)任務(wù)。學(xué)生過(guò)S2S 平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)一站式學(xué)習(xí)。

3.2 基于S2S平臺(tái)機(jī)器學(xué)習(xí)課程建設(shè)方案

基于S2S 平臺(tái)建立機(jī)器學(xué)習(xí)課程的基本信息，包括先修課程、課程簡(jiǎn)介、教學(xué)大綱、以及教學(xué)計(jì)劃。在課程資源建設(shè)方面，該文將以學(xué)生為中心，圍繞課前、課中、課后這3個(gè)階段探索基于S2S平臺(tái)機(jī)器學(xué)習(xí)課程資源建設(shè)的方案，為后疫情時(shí)代提升教學(xué)質(zhì)量、數(shù)字化人才培養(yǎng)做出貢獻(xiàn)。機(jī)器學(xué)習(xí)課程資源建設(shè)主要分為課前、課中、課后這3個(gè)模塊。

基于S2S 平臺(tái)，課前模塊的機(jī)器學(xué)習(xí)課程資源建設(shè)。機(jī)器學(xué)習(xí)課程不可避免會(huì)涉及高數(shù)、線代、概率、統(tǒng)計(jì)、優(yōu)化等數(shù)學(xué)知識(shí)。大二的學(xué)生需要把這些先導(dǎo)知識(shí)掌握，才能更好地掌握機(jī)器學(xué)習(xí)。在實(shí)際教學(xué)時(shí)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)一些數(shù)學(xué)知識(shí)理解模糊、不準(zhǔn)確。鑒于此，可以把這些先導(dǎo)知識(shí)以文本或小視頻的方式上傳至課前資源中。利于學(xué)生理解課中講授機(jī)器學(xué)習(xí)時(shí)用到的數(shù)學(xué)知識(shí)。同時(shí)可以預(yù)設(shè)幾個(gè)針對(duì)課中要學(xué)的問(wèn)題，讓學(xué)生思考如何解決，帶著問(wèn)題在課中學(xué)習(xí)、有目標(biāo)的學(xué)習(xí)。

基于S2S 平臺(tái)，課中模塊的機(jī)器學(xué)習(xí)課程資源建設(shè)。利用錄屏軟件Camatasia，采取以PPT為主,并與教師手寫(xiě)講授相結(jié)合進(jìn)行錄屏。機(jī)器學(xué)習(xí)課程章節(jié)建設(shè)具體內(nèi)容如下。

第1 章緒論。講解機(jī)器學(xué)習(xí)的基本術(shù)語(yǔ)、相關(guān)概念、發(fā)展歷程、應(yīng)用現(xiàn)狀以及該課程的授課內(nèi)容及安排。第2 章模型評(píng)估與選擇。主要講解模型評(píng)估方法、性能度量、比較檢驗(yàn)。第3～8 章：主要講解監(jiān)督學(xué)習(xí)，涉及線性模型、決策樹(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、貝葉斯分類(lèi)器及集成學(xué)習(xí)。第9章：聚類(lèi)，講解無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)[4]。具體課程知識(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)容見(jiàn)圖1。課中機(jī)器學(xué)習(xí)課程資源建設(shè)包括視頻資源、講義、習(xí)題。對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)中具體復(fù)雜理論公式，采用手寫(xiě)屏授課、錄屏相結(jié)合。利用專(zhuān)業(yè)軟件，根據(jù)章節(jié)知識(shí)點(diǎn)將機(jī)器學(xué)習(xí)內(nèi)容分別錄制微視頻進(jìn)行講解，其中每個(gè)視頻時(shí)長(zhǎng)控制在10 min 以內(nèi)。課程資源建設(shè)期間，特別注意加強(qiáng)機(jī)器學(xué)習(xí)課程思政建設(shè)，有效發(fā)揮專(zhuān)業(yè)課程的育人功能[5]。比如對(duì)于數(shù)字化時(shí)代中存在的卡脖子問(wèn)題，可鼓勵(lì)學(xué)生探索未知、追求真理，培養(yǎng)學(xué)生勇攀科學(xué)高峰的責(zé)任感和使命感。同時(shí)，也需要建立課堂教學(xué)活動(dòng)的討論題目資源。對(duì)每一章節(jié)，給相出應(yīng)知識(shí)的程序講解，理論聯(lián)系實(shí)際，旨在加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的能力。對(duì)每一章節(jié)內(nèi)容繪制思維導(dǎo)圖進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)總結(jié)，提高學(xué)習(xí)效率、增進(jìn)理解記憶。在課中的建設(shè)中，要特別建設(shè)一套習(xí)題庫(kù)，在S2S平臺(tái)中習(xí)題庫(kù)包含填空、單選、多選、判斷、簡(jiǎn)答這5種題型。這些題在機(jī)器學(xué)習(xí)講授過(guò)程中，會(huì)以練習(xí)或討論的方式讓學(xué)生參與，真正做到教師引導(dǎo)，學(xué)生為中心，讓學(xué)生動(dòng)起來(lái)、積極思考。老師力爭(zhēng)做到點(diǎn)亮學(xué)生的思維火花，做學(xué)生錘煉品格的領(lǐng)路人、做學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的領(lǐng)路人、做學(xué)生創(chuàng)新思維的領(lǐng)路人、做學(xué)生奉獻(xiàn)祖國(guó)的領(lǐng)路人。在這個(gè)過(guò)程中，教師不再是知識(shí)的擁有者、傳授者和控制者，而是教學(xué)過(guò)程的參與者、引導(dǎo)者和推動(dòng)者。學(xué)生不再是知識(shí)的被動(dòng)接受者，而是主動(dòng)學(xué)習(xí)者、自主構(gòu)建者、積極發(fā)現(xiàn)者和執(zhí)著探索者?；赟2S平臺(tái)的機(jī)器學(xué)習(xí)課中資源建設(shè)內(nèi)容具體見(jiàn)圖2。

圖1 機(jī)器學(xué)習(xí)課程知識(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)容

圖2 課中資源建設(shè)內(nèi)容

基于S2S 平臺(tái)，課后模塊的機(jī)器學(xué)習(xí)課程資源建設(shè)，分為基礎(chǔ)篇與提高篇，便于讓不同程度的學(xué)生學(xué)習(xí)。將與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的經(jīng)典的機(jī)器學(xué)習(xí)文章、最前沿的機(jī)器學(xué)習(xí)文章、機(jī)器學(xué)習(xí)在應(yīng)用方面的期刊論文及一些優(yōu)秀的視頻資源統(tǒng)一放到S2S平臺(tái)課后資源中,作為拓展能力使用。同時(shí)給出一些實(shí)際問(wèn)題及相應(yīng)數(shù)據(jù)集，升級(jí)難度，讓學(xué)生根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)內(nèi)容，編程解決，強(qiáng)化學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，旨在提高解決問(wèn)題及創(chuàng)新的能力，做到扶放有度。學(xué)生可體會(huì)到有限的課堂時(shí)間，無(wú)限的探究學(xué)習(xí)活動(dòng)，愛(ài)上機(jī)器學(xué)習(xí)課程,為培養(yǎng)數(shù)字化人才奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.3 基于S2S平臺(tái)機(jī)器學(xué)習(xí)課程建設(shè)步驟

3.3.1 新建課程

登錄S2S 平臺(tái)網(wǎng)址，進(jìn)入個(gè)人空間，點(diǎn)擊右上方“+”新建課程。課程建設(shè)主要分為四大部分操作：（1）新建課程；（2）完善課程基本信息；（3）建設(shè)課程資源；（4）建設(shè)題庫(kù)。

3.3.2 完善課程基本信息

點(diǎn)擊課程基本信息，需要完善五部分內(nèi)容。分別為先修課程、課程簡(jiǎn)介、教學(xué)大綱、教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)要求。通過(guò)課程基本信息，學(xué)生大致可以對(duì)此課程做一個(gè)基本了解。

3.3.3 建設(shè)課程資源

課程資源建設(shè)中主要涉及兩大部分，頁(yè)面顯示分別為課程章節(jié)、課程資源，如圖3所示。通過(guò)點(diǎn)擊課程章節(jié)，可添加建立課程目錄及章節(jié)內(nèi)容。點(diǎn)擊課程資源，上傳事先錄制的相關(guān)章節(jié)的微視頻、講義、習(xí)題（通過(guò)題庫(kù)進(jìn)行添加）以及外部資源。

圖3 課程資源建設(shè)

3.3.4 建設(shè)題庫(kù)

建設(shè)題庫(kù)步驟如下：首先點(diǎn)擊題庫(kù)建設(shè)，其次選擇題目的類(lèi)型，繼而點(diǎn)擊新建題庫(kù)，再選擇所屬章節(jié)，最后編輯題目。重復(fù)此過(guò)程，直至將S2S 平臺(tái)機(jī)器學(xué)習(xí)題庫(kù)建設(shè)完畢。

通過(guò)上述4個(gè)步驟，基于S2S平臺(tái)機(jī)器學(xué)習(xí)課程資源基本建設(shè)完畢。但是根據(jù)實(shí)際授課需要，可建立真實(shí)課堂。新建好真實(shí)課堂點(diǎn)擊編輯按鈕可以進(jìn)行克隆，如果教師帶多個(gè)班級(jí)只是上課時(shí)間和班級(jí)不一樣，可以進(jìn)行微調(diào)、進(jìn)行克隆，而教學(xué)資源并不會(huì)發(fā)生變化。

4 基于S2S平臺(tái)機(jī)器學(xué)習(xí)課程特色

基于S2S 在線教學(xué)平臺(tái)，機(jī)器學(xué)習(xí)課程建設(shè)立足理論基礎(chǔ)，結(jié)合編程。其具備以下特色。

4.1 夯實(shí)數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，培養(yǎng)數(shù)學(xué)應(yīng)用能力，聚焦數(shù)字化人才培養(yǎng)

考慮到數(shù)據(jù)科學(xué)專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)，基于S2S 平臺(tái)機(jī)器學(xué)習(xí)的課程建設(shè)立足基礎(chǔ)理論，強(qiáng)化矩陣運(yùn)算、概率論及統(tǒng)計(jì)等知識(shí)的運(yùn)用，懂推導(dǎo)、闡述機(jī)器學(xué)習(xí)原理、掌握機(jī)器學(xué)習(xí)本質(zhì)。在機(jī)器學(xué)習(xí)課程中強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)理論的重要作用，提升學(xué)生的理論水平與創(chuàng)新能力。

4.2 理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力

掌握機(jī)器學(xué)習(xí)原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)具體程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)算法，思考不同算法之間的區(qū)別聯(lián)系。同時(shí)熟悉部分Python 庫(kù)的使用。通過(guò)實(shí)踐，可增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器學(xué)習(xí)的熱情，提高動(dòng)手實(shí)踐能力。

4.3 結(jié)合學(xué)術(shù)前沿，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

通過(guò)課后一些前沿文章的學(xué)習(xí)，可開(kāi)闊學(xué)生學(xué)術(shù)視野，拓寬科研思路，創(chuàng)新思維，提高全面認(rèn)識(shí)問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和科研能力。

針對(duì)該校該專(zhuān)業(yè)學(xué)生，做到有的放矢。兼顧學(xué)生基礎(chǔ)，利于學(xué)生更好地掌握機(jī)器學(xué)習(xí)知識(shí)?？蛇M(jìn)行在線的教學(xué)活動(dòng)，包括在線練習(xí)、討論，學(xué)生可達(dá)到100%的參與，實(shí)現(xiàn)有效互動(dòng)，而這在傳統(tǒng)的教學(xué)課堂中是不可能實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，可進(jìn)行階段性的測(cè)試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)掌握的薄弱環(huán)節(jié)，加以強(qiáng)化掌握?？山Y(jié)合線下教學(xué)，隨時(shí)師生見(jiàn)面，面對(duì)面地輔導(dǎo)答疑，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)教學(xué)，有效提升教學(xué)質(zhì)量[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

基于S2S 平臺(tái)的機(jī)器學(xué)習(xí)課程，可以提供高效互動(dòng)的在線課堂。學(xué)生可更加清晰、深刻地理解掌握所學(xué)內(nèi)容。筆者在課程建設(shè)中在教學(xué)理念及教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)中收獲頗多。當(dāng)然，課程建設(shè)是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。隨著今后教學(xué)實(shí)踐，課程將會(huì)不斷完善。相信基于S2S平臺(tái)的機(jī)器學(xué)習(xí)課程的混合教學(xué)及在線教學(xué)必將取得較好效果，全面提升教學(xué)質(zhì)量，助力培養(yǎng)數(shù)字化新型人才。