大數(shù)據(jù)環(huán)境下機(jī)器學(xué)習(xí)課程的教學(xué)實(shí)踐探索

摘要：結(jié)合大數(shù)據(jù)應(yīng)用的時(shí)代背景，高校教學(xué)科研的重心也隨之發(fā)生變化。機(jī)器學(xué)習(xí)課程作為數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)的專業(yè)核心課，依托于現(xiàn)階段計(jì)算機(jī)技術(shù)的更新迭代，涉及多學(xué)科的交叉學(xué)科課程，兼顧理論與實(shí)踐應(yīng)用。正因?yàn)閷W(xué)科的復(fù)雜性和時(shí)效性，本科生學(xué)習(xí)該課程面臨較大難度和挑戰(zhàn)，基于這一現(xiàn)狀，教師更應(yīng)從理論出發(fā)，不斷探索大數(shù)據(jù)環(huán)境下機(jī)器學(xué)習(xí)課程教學(xué)的新模式。

關(guān)鍵詞：機(jī)器學(xué)習(xí)；大數(shù)據(jù)；教學(xué)研究

引言

大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來依托于信息技術(shù)的不斷革新和發(fā)展，但是僅靠信息技術(shù)的發(fā)展，還是不能完全促使大數(shù)據(jù)時(shí)代的最終來臨。大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨必須依托于數(shù)據(jù)量的爆炸式增長(zhǎng)和完善，而這在很大程度上取決于數(shù)據(jù)產(chǎn)生方式的變革。而在高校教學(xué)層面，隨著大數(shù)據(jù)應(yīng)用的大量普及，機(jī)器學(xué)習(xí)的重要性也愈漸凸顯。機(jī)器學(xué)習(xí)是一門多領(lǐng)域交叉學(xué)科，涉及概率論、統(tǒng)計(jì)學(xué)、逼近論、凸分析、算法復(fù)雜度理論等多門學(xué)科，專門研究計(jì)算機(jī)怎樣模擬或?qū)崿F(xiàn)人類的學(xué)習(xí)行為，以獲取新的知識(shí)或技能，重新組織已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)使之不斷改善自身的性能[1]。目前，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于自動(dòng)駕駛、自然語言處理、時(shí)間序列預(yù)測(cè)、生物醫(yī)學(xué)信息處理等領(lǐng)域，也因此喚醒了各個(gè)行業(yè)[2]。在此背景下，大數(shù)據(jù)專業(yè)方向的教學(xué)應(yīng)高度重視對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)人才的培養(yǎng)，本文重點(diǎn)討論《機(jī)器學(xué)習(xí)》課程的教學(xué)改革方案與具體實(shí)踐。

1. 課程簡(jiǎn)介

《機(jī)器學(xué)習(xí)》課程是一門介紹大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)理論并與實(shí)踐相結(jié)合的課程，在注重大數(shù)據(jù)時(shí)代應(yīng)用環(huán)境前提下，從初學(xué)者角度出發(fā)，以輕量級(jí)理論、豐富實(shí)例對(duì)比性地介紹大數(shù)據(jù)常用的各種基礎(chǔ)工具，主要講述機(jī)器學(xué)習(xí)的基本概念、方法分類、實(shí)際應(yīng)用、常用工具及模型原理等。該課程考慮大數(shù)據(jù)集成需求多樣復(fù)雜的基本情況，將理論與實(shí)例結(jié)合，對(duì)比性地介紹機(jī)器學(xué)習(xí)原理和工具。

1.1 目標(biāo)

考慮到當(dāng)前大數(shù)據(jù)發(fā)展處于起步并逐步趕超先進(jìn)的階段，應(yīng)用領(lǐng)域豐富廣泛，在教學(xué)過程中應(yīng)注重掌握大數(shù)據(jù)分析的實(shí)踐操作。課程旨在引導(dǎo)學(xué)生掌握扎實(shí)的機(jī)器學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)和相關(guān)應(yīng)用方法、工具和環(huán)境。通過《機(jī)器學(xué)習(xí)》講授模型解決生活實(shí)際中可能遇到的數(shù)學(xué)問題，具備一定的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)開發(fā)能力，培養(yǎng)獨(dú)立思考和判斷、分析問題和解決問題以及較強(qiáng)的實(shí)踐動(dòng)手能力。

通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以了解機(jī)器學(xué)習(xí)中的算法模型原理，掌握機(jī)器學(xué)習(xí)的基本概念、決策樹等基本概念、降維、回歸、分類、聚類等模型及原理等。通過相關(guān)原理和設(shè)計(jì)方法的學(xué)習(xí)，為學(xué)生達(dá)到“對(duì)本領(lǐng)域復(fù)雜工程問題具有分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)等能力”的專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)奠定基礎(chǔ)，并培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)大數(shù)據(jù)行業(yè)快速發(fā)展的素質(zhì)，具備良好的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)職業(yè)道德。

1.2 前置課程

作為數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)本科生必修課，《機(jī)器學(xué)習(xí)基礎(chǔ)》的主要任務(wù)是講授包括監(jiān)督學(xué)習(xí)、非監(jiān)督學(xué)習(xí)、半監(jiān)督學(xué)習(xí)等分支下的不同數(shù)學(xué)模型原理，同時(shí)通過大量實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力及對(duì)代碼的理解，從而達(dá)到靈活解決生產(chǎn)生活中具體實(shí)際問題的能力要求。選修課程是《python語言程序設(shè)計(jì)》《概率論》《數(shù)據(jù)分析與可視化》。

2. 課程教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)

筆者認(rèn)為，理想情況下的機(jī)器學(xué)習(xí)課程授課結(jié)果本應(yīng)是理論知識(shí)、代碼實(shí)踐、實(shí)際應(yīng)用的統(tǒng)一，這三者環(huán)環(huán)相扣，如圖1所示。然而在具體的教學(xué)過程中，情況往往不盡如人意。

在編訂教學(xué)大綱之時(shí)，大數(shù)據(jù)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是在課堂上首先傳授理論知識(shí)。在透徹理解機(jī)器學(xué)習(xí)每一章所需要的模型原理后，引出經(jīng)典代碼示例，并在此基礎(chǔ)上輔以相關(guān)題目引導(dǎo)學(xué)生練習(xí)，在豐富了多種模型之后開始實(shí)際運(yùn)用。

2.1 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)與理論講解分離

根據(jù)實(shí)際講課情況來看，許多學(xué)生缺乏一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，無法較好地對(duì)之前學(xué)習(xí)過的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行靈活運(yùn)用，導(dǎo)致課堂上還需要?jiǎng)虺鲆徊糠謺r(shí)間來完成對(duì)先前知識(shí)的復(fù)習(xí)，降低了學(xué)習(xí)效率?！稒C(jī)器學(xué)習(xí)》課程講授應(yīng)以數(shù)據(jù)處理模型為主線，將本課程所涉及的各項(xiàng)知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)貫穿起來，方便學(xué)生理解和記憶。

在大數(shù)據(jù)專業(yè)的核心課程中，《機(jī)器學(xué)習(xí)》作為數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)編程相結(jié)合的課程，需要對(duì)高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、概率論等數(shù)學(xué)知識(shí)擁有較扎實(shí)的基礎(chǔ)，比如樸素貝葉斯章節(jié)時(shí)用到的貝葉斯公式、全概率公式，以及回歸時(shí)用到的偏導(dǎo)數(shù)概念。然而在大學(xué)三年級(jí)開設(shè)此門課程時(shí)，大部分學(xué)生表示對(duì)大學(xué)一年級(jí)時(shí)學(xué)過的數(shù)學(xué)模型與公式有所遺忘，導(dǎo)致課上不得不花費(fèi)額外時(shí)間回顧以往內(nèi)容。

2.2 代碼實(shí)踐與模型轉(zhuǎn)換分離

本門課程設(shè)置配套課程設(shè)計(jì)，期間所有項(xiàng)目均要求學(xué)生提供項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告以及對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目代碼，杜絕任何抄襲及過度借鑒行為，鼓勵(lì)學(xué)生相互交流學(xué)習(xí)，并根據(jù)自己個(gè)人的興趣、愛好和能力，自主設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的功能。

在實(shí)際過程中，大部分學(xué)生僅能完成教師布置的指定題目。例如在學(xué)習(xí)決策樹模型時(shí)，學(xué)生會(huì)很容易理解剪枝與預(yù)剪枝的數(shù)學(xué)模型，基本都可以對(duì)決策樹的每一個(gè)剪枝步驟畫出相應(yīng)圖形。但在將圖形化理論知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)換成代碼時(shí)卻不盡如人意。更有甚者，對(duì)著給出的參考代碼有樣學(xué)樣，直接對(duì)著屏幕一行行機(jī)械化打字，完全沒有任何思考，甚至在做完練習(xí)題后還是沒有對(duì)理論模型有較好的理解。

2.3 實(shí)際應(yīng)用與課堂演練分離

在實(shí)踐過程中，學(xué)生要學(xué)會(huì)把實(shí)際問題抽象為軟件模型的思維方法，提高獨(dú)立分析和解決實(shí)際問題的能力，深化對(duì)大數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的理解，掌握必要的大數(shù)據(jù)技術(shù)分析、設(shè)計(jì)和開發(fā)方法。主要內(nèi)容設(shè)置應(yīng)遵循“兼顧課堂與實(shí)踐”的原則，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)好課本知識(shí)的同時(shí)，利用課余時(shí)間動(dòng)手實(shí)踐所學(xué)內(nèi)容，真正做到學(xué)以致用。

實(shí)際上，學(xué)生在學(xué)會(huì)基本數(shù)據(jù)建模后，往往倦于思考更大數(shù)據(jù)集的應(yīng)用，更難將課堂所學(xué)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際。比如，在醫(yī)學(xué)方面可以使用機(jī)器學(xué)習(xí)中的邏輯回歸模型等來分析臨床參數(shù)用于疾病預(yù)測(cè)，還有助于治療計(jì)劃的改進(jìn)。而在這一方面，大數(shù)據(jù)專業(yè)的學(xué)生在就業(yè)時(shí)也往往疏于思維拓展，只局限于互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的應(yīng)用，甚至更多地偏向于純計(jì)算機(jī)方面的工作崗位，如軟件工程師等。

3. 課程教學(xué)探索思路

教學(xué)應(yīng)重視教學(xué)方法的改革，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容適時(shí)靈活采用不同教學(xué)方法，例如啟發(fā)式、討論式、翻轉(zhuǎn)式、案例式等，并進(jìn)行合理的教學(xué)設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，訓(xùn)練學(xué)生的分析判斷能力、表達(dá)能力、思維反應(yīng)能力以及團(tuán)隊(duì)合作能力。

3.1 線上學(xué)習(xí)和線下推演的融合

課堂教學(xué)采取在機(jī)房上課的模式。教師首先進(jìn)行理論講解和實(shí)例演示，然后由學(xué)生進(jìn)行練習(xí)案例，學(xué)生機(jī)需要安裝相關(guān)的軟件。而正因?yàn)椤稒C(jī)器學(xué)習(xí)》課程需要在理論教學(xué)的基礎(chǔ)上輔以大量實(shí)踐，光靠課堂上的時(shí)間是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因而對(duì)其中的重點(diǎn)課程，應(yīng)加以線上教學(xué)作為輔助，具體章節(jié)內(nèi)容和教學(xué)方式如表1所示。

筆者認(rèn)為，線下機(jī)房的授課仍然是教學(xué)的重中之重，然而教師還可以創(chuàng)新選擇“第二課堂”如學(xué)習(xí)通、網(wǎng)易云課堂等，通過直播課、錄播課、云端作業(yè)、測(cè)試、測(cè)評(píng)等方式，敦促學(xué)生合理利用課后時(shí)間訓(xùn)練，教師可以在線上平臺(tái)規(guī)定時(shí)間點(diǎn)發(fā)布任務(wù)，通過線上方式檢查學(xué)生的課業(yè)進(jìn)展并在課上統(tǒng)一糾錯(cuò)輔導(dǎo)，進(jìn)一步提高線下授課效率。

3.2 學(xué)生主導(dǎo)的課堂翻轉(zhuǎn)

翻轉(zhuǎn)課堂是指重新調(diào)整課堂內(nèi)外的時(shí)間，將學(xué)習(xí)的決定權(quán)從教師轉(zhuǎn)移給學(xué)生。本課程作為專業(yè)主干必修課程，重點(diǎn)在于向?qū)W生介紹機(jī)器學(xué)習(xí)的基本模型及算法應(yīng)用，其主要內(nèi)容設(shè)置應(yīng)遵循“兼顧課堂與實(shí)踐”的原則，引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)好課本知識(shí)的同時(shí)，利用課余時(shí)間動(dòng)手實(shí)踐所學(xué)內(nèi)容，做到學(xué)以致用。尤其在課堂上，應(yīng)主張“采用教師啟發(fā)和學(xué)生反饋的雙向模式，提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)知。[3]”

在教學(xué)探索中，筆者嘗試在課堂上提高學(xué)生的自主能動(dòng)性，開展“算法+應(yīng)用教學(xué)”的結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)機(jī)器學(xué)習(xí)知識(shí)，教師在課堂快速演示和總結(jié)。例如，在每節(jié)課后布置2～3個(gè)下節(jié)課的知識(shí)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生每節(jié)課課前通過提前查閱資料準(zhǔn)備相關(guān)資料，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)上前回答課堂演示，結(jié)合PPT與板書來獨(dú)立講解《機(jī)器學(xué)習(xí)》相關(guān)模型，從而有利于學(xué)生對(duì)各種分析方法的掌握和理解。

除組織課堂研討外，授課教師還應(yīng)向?qū)W生及時(shí)提供答疑服務(wù)；要布置課外作業(yè)，課外作業(yè)應(yīng)結(jié)合課程進(jìn)度布置課后練習(xí)題，避免直接從教材上抄到答案的簡(jiǎn)答題；作業(yè)應(yīng)盡量全部批改，并及時(shí)進(jìn)行作業(yè)講評(píng)。真正做到以學(xué)生為學(xué)習(xí)主體，從教師主導(dǎo)的灌輸式教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為主體的自主式學(xué)習(xí)[4]，充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性與能動(dòng)性。

3.3 課程考核辦法創(chuàng)新

本課程的授課模式為“課堂授課+上機(jī)”，其中，課堂主要采用多媒體方式進(jìn)行授課，并通過測(cè)試題檢驗(yàn)學(xué)生的掌握程度?？己吮壤磳?shí)驗(yàn)和理論考試3∶7的比例開展，期末考核方法為閉卷考試。期末考試成績(jī)?yōu)?0分以下時(shí)，不允許加平時(shí)成績(jī)。其中，平時(shí)成績(jī)參考實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)情況，需要遵循一定的指導(dǎo)原則，并設(shè)計(jì)合理的考核方案，綜合、全面地評(píng)估學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握和實(shí)踐操作能力。

上機(jī)實(shí)驗(yàn)主要是通過編寫程序來考查學(xué)生的動(dòng)手能力，要求學(xué)生自主完成指定的程序設(shè)計(jì)或算法驗(yàn)證，使學(xué)生增加對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)與實(shí)際生活應(yīng)用的認(rèn)識(shí)，提升理論聯(lián)系實(shí)際的工作能力。在上機(jī)實(shí)踐題目設(shè)計(jì)過程中，循序漸進(jìn)采用“分單元—小綜合—實(shí)踐項(xiàng)目”的思路展開[5]。

結(jié)語

結(jié)合大數(shù)據(jù)應(yīng)用的時(shí)代背景，高校教學(xué)科研的重心也隨之發(fā)生變化?！稒C(jī)器學(xué)習(xí)》課程作為數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)的專業(yè)核心課，依托于現(xiàn)階段計(jì)算機(jī)技術(shù)的更新迭代，涉及多學(xué)科的交叉學(xué)科課程，兼顧理論與實(shí)踐應(yīng)用。因其特殊的專業(yè)性和應(yīng)用性，結(jié)合現(xiàn)階段本科學(xué)生的專業(yè)知識(shí)掌握情況，對(duì)于教師的教學(xué)要求較高。既不能難度過高，又不能將知識(shí)模型流于表面；既不能貪圖理論知識(shí)灌輸，又要結(jié)合當(dāng)今大數(shù)據(jù)發(fā)展現(xiàn)狀，還需要學(xué)生熟練掌握并應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)和python編程能力。

目前，高校本科生機(jī)器學(xué)習(xí)課程的創(chuàng)新實(shí)踐仍然處于起步摸索階段。在實(shí)際教學(xué)過程中，教師會(huì)遇到很多挑戰(zhàn)，但這也是對(duì)大數(shù)據(jù)專業(yè)教師的一次考驗(yàn)。筆者認(rèn)為，大數(shù)據(jù)環(huán)境下《機(jī)器學(xué)習(xí)》課程的教學(xué)探索更應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，摒棄傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式，避免造成理論、代碼、實(shí)踐割離的結(jié)果，使得學(xué)生進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)興趣，從而對(duì)《機(jī)器學(xué)習(xí)》課程有更好的理解和應(yīng)用，更好地為大數(shù)據(jù)行業(yè)培養(yǎng)專業(yè)人才。

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作者簡(jiǎn)介：杜科君，碩士研究生，助教，研究方向：數(shù)據(jù)科學(xué)。