機(jī)器學(xué)習(xí)與模式識(shí)別課程思政探索與實(shí)踐

劉莘　溫鵬博　呂恩輝　康星星

［摘 要］隨著人工智能的發(fā)展，機(jī)器學(xué)習(xí)理論已經(jīng)深入滲透到信息處理各個(gè)領(lǐng)域，掌握基礎(chǔ)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法已成為對(duì)理工科專業(yè)學(xué)生的基本要求之一。打造機(jī)器學(xué)習(xí)與模式識(shí)別課程思政體系，對(duì)于培養(yǎng)高素質(zhì)工科人才有著至關(guān)重要的作用。文章分析了機(jī)器學(xué)習(xí)與模式識(shí)別課程思政目標(biāo)，并闡述了課程思政實(shí)施方案設(shè)計(jì)及具體實(shí)施案例，探討如何將課程思政滲透至知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，構(gòu)造全方位育人大格局。

［關(guān)鍵詞］機(jī)器學(xué)習(xí)與模式識(shí)別；課程思政；新工科；剪枝算法

［中圖分類號(hào)］ G641 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2023）10-0121-04

機(jī)器學(xué)習(xí)與模式識(shí)別課程是徐州醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)信息與工程學(xué)院在第5學(xué)期開設(shè)的專業(yè)核心課程，開課專業(yè)包括智能醫(yī)學(xué)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等。在新工科建設(shè)和應(yīng)用型人才培養(yǎng)的背景下，隨著大數(shù)據(jù)和人工智能時(shí)代的到來，機(jī)器學(xué)習(xí)算法的應(yīng)用已經(jīng)滲透到信息處理領(lǐng)域的方方面面，掌握基礎(chǔ)的機(jī)器學(xué)習(xí)理論和方法可能是將來對(duì)每一位工科技術(shù)人員的基本要求之一[1-2]。任何課程的教學(xué)內(nèi)容中都蘊(yùn)含著豐富的思想政治教育元素，教學(xué)過程所涉及的方方面面，都可能與社會(huì)的發(fā)展、人類的進(jìn)步以及文明的傳承息息相關(guān)，因此在教學(xué)過程中不斷挖掘相關(guān)知識(shí)點(diǎn)所蘊(yùn)含的思政元素、強(qiáng)化立德樹人的教育理念，對(duì)培養(yǎng)高素質(zhì)工科人才有著至關(guān)重要的作用[3]。

一、課程思政目標(biāo)

機(jī)器學(xué)習(xí)與模式識(shí)別課程在介紹機(jī)器學(xué)習(xí)的核心算法和理論、培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手解決實(shí)際問題能力的同時(shí)，將課程思政滲透至知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生塑造正確的三觀，使其成為不僅掌握扎實(shí)的技能，而且具備高尚的情操、高度的責(zé)任感和使命感的復(fù)合型人才[4]。

筆者從家國(guó)情懷、專業(yè)素養(yǎng)和品格素養(yǎng)三個(gè)方面設(shè)計(jì)了機(jī)器學(xué)習(xí)與模式識(shí)別課程思政目標(biāo)，構(gòu)造了課程思政育人金字塔，如圖1所示。

（一）家國(guó)情懷

中華民族是有著悠久歷史的偉大民族。教師在教學(xué)過程中應(yīng)通過家國(guó)情懷的培養(yǎng)增強(qiáng)學(xué)生對(duì)國(guó)家的認(rèn)同感、歸屬感、責(zé)任感和使命感，引導(dǎo)學(xué)生樹立科技報(bào)國(guó)的志向，增強(qiáng)學(xué)生為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興中國(guó)夢(mèng)不懈努力的信心與決心。教師在教學(xué)中既可以挖掘古今中外仁人志士的感人事跡，也可以以當(dāng)今國(guó)際社會(huì)的風(fēng)云變幻為切入點(diǎn)，關(guān)鍵是要做到與專業(yè)知識(shí)教學(xué)自然融合，實(shí)現(xiàn)于潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生家國(guó)情懷的目標(biāo)。

（二）專業(yè)素養(yǎng)

機(jī)器學(xué)習(xí)與模式識(shí)別課程的授課對(duì)象為理工科學(xué)生，他們作為學(xué)科交叉型復(fù)合人才，應(yīng)具備在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究和應(yīng)用信息技術(shù)的基本能力，能夠在醫(yī)療衛(wèi)生、生物科學(xué)和醫(yī)學(xué)工程等相關(guān)領(lǐng)域很好地發(fā)展?！爸袊?guó)智造”的新發(fā)展和新工科背景對(duì)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)提出了更高的要求，學(xué)生不僅應(yīng)具備扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，還應(yīng)具備求真務(wù)實(shí)的科學(xué)態(tài)度，敢于探索、勇于實(shí)踐、勇于創(chuàng)新。

（三）品格素養(yǎng)

品格素養(yǎng)主要包括具有遠(yuǎn)大的理想、高尚的品格和獨(dú)立的人格。具有良好品格素養(yǎng)的人不僅受人尊重、愛戴，而且可以保持自我應(yīng)有的精神品格，修身養(yǎng)性，區(qū)分榮辱。在當(dāng)今國(guó)際環(huán)境復(fù)雜的背景下，良好的品格素養(yǎng)不僅關(guān)乎個(gè)人，還關(guān)乎家國(guó)、民族與天下。 品格素養(yǎng)與國(guó)家的文化淵源有著密切的關(guān)系，教師在課程教學(xué)過程中介紹我國(guó)悠久的文化、優(yōu)秀前輩的先進(jìn)事跡、工匠精神事例等，可以幫助學(xué)生塑造良好的品格。

二、課程思政的設(shè)計(jì)與實(shí)施

（一）課程思政實(shí)施方案設(shè)計(jì)

根據(jù)課程思政目標(biāo)，筆者從家國(guó)情懷、專業(yè)素養(yǎng)、品格素養(yǎng)三方面著手，以機(jī)器學(xué)習(xí)與模式識(shí)別課程的具體算法為依據(jù)構(gòu)建對(duì)應(yīng)的課程思政素材庫，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)“一算法一素材”，潛移默化地實(shí)現(xiàn)課程思政目標(biāo)。課程思政框架設(shè)計(jì)如圖2所示。

1.線性模型

線性回歸看起來是比較簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)問題，一般作為入門級(jí)的算法進(jìn)行講授，便于學(xué)生理解。然而，模型的構(gòu)建過程并非一蹴而就，在實(shí)際模型建立過程中會(huì)碰到很多不同的問題，例如針對(duì)訓(xùn)練模型過程中欠擬合和過擬合問題，線性回歸算法通過多項(xiàng)式回歸解決欠擬合問題，通過Lasso或者Ridge回歸改善過擬合問題。對(duì)此，教師在教學(xué)中可以發(fā)動(dòng)機(jī)焊接第一人——高鳳林為例，強(qiáng)調(diào)精益求精的工匠精神在科學(xué)研究中的重要性。

2.決策樹

在決策樹算法學(xué)習(xí)過程中，很多學(xué)生認(rèn)為屬性劃分指標(biāo)是非常重要的知識(shí)點(diǎn)，卻往往忽略剪枝算法的重要性。對(duì)此，教師可通過模型在測(cè)試集中應(yīng)用失敗的案例，讓學(xué)生了解剪枝在構(gòu)造決策樹中的重要作用，以此滲透“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”的重要理念，同時(shí)教導(dǎo)學(xué)生做經(jīng)得起考驗(yàn)的人、辦經(jīng)得起考驗(yàn)的事。

3.貝葉斯分類器

貝葉斯分類器相關(guān)知識(shí)點(diǎn)建立在貝葉斯定理的前提下，在因果推理方面有著較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。雖然目前很多人對(duì)集成學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)耳熟能詳，認(rèn)為基于推理的算法不那么重要，然而在很多實(shí)際問題的解決過程中其可解釋性是其他算法無法比擬的。由于貝葉斯分類器的學(xué)習(xí)對(duì)概率論的知識(shí)有一定的要求，因此學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中容易出現(xiàn)畏難情緒。教師在實(shí)際教學(xué)過程中可以焦裕祿迎難而上的事跡鼓舞學(xué)生，讓他們樹立不畏艱難、迎難而上的信心，同時(shí)通過較為簡(jiǎn)單的案例增強(qiáng)學(xué)生的自信心，做到思政育人與教學(xué)育人完美融合。

4.集成學(xué)習(xí)

自古以來中華民族都有著團(tuán)結(jié)合作的優(yōu)良傳統(tǒng)，而集成學(xué)習(xí)正是基于團(tuán)結(jié)合作理念提出的。在教學(xué)中，教師可分別以Bagging和Boosting兩種模型中的代表算法Random Forest（RF）和Adaptive Boosting（AdaBoost）為例說明集成學(xué)習(xí)的基本原理。在介紹RF算法的時(shí)候，強(qiáng)調(diào)基分類器選擇的原則是“好而不同”，讓學(xué)生知曉“團(tuán)結(jié)就是力量”的前提是團(tuán)結(jié)優(yōu)秀的人；在介紹AdaBoost算法的時(shí)候，結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)過程中復(fù)習(xí)錯(cuò)題的事例，強(qiáng)調(diào)知錯(cuò)就改的重要性。在最后，教師可點(diǎn)明中華民族有很多優(yōu)良傳統(tǒng)至今仍深刻地影響著科技、生活的方方面面，在各個(gè)領(lǐng)域仍散發(fā)著光芒，以此增強(qiáng)學(xué)生的民族自信心。

5.聚類算法

“物以類聚，人以群分”，聚類算法正是這一思想的完美體現(xiàn)。聚類算法基于特定的度量函數(shù)進(jìn)行相似度度量，使得同一類數(shù)據(jù)的相似度盡可能貼近，不同類的數(shù)據(jù)盡可能分離，進(jìn)而得到各個(gè)類的中心以及每個(gè)樣本的類標(biāo)簽。通過聚類，不僅可以進(jìn)行數(shù)據(jù)集的無監(jiān)督分類，而且在數(shù)據(jù)預(yù)處理環(huán)節(jié)還可將其作為不平衡數(shù)據(jù)的處理方法。在這一知識(shí)點(diǎn)的講授過程中，教師可通過將其和女排團(tuán)結(jié)合作精神進(jìn)行類比，說明團(tuán)隊(duì)合作的重要性。

6.深度學(xué)習(xí)

深度學(xué)習(xí)的基本理論并不復(fù)雜，在其學(xué)習(xí)過程中構(gòu)建模型可能很簡(jiǎn)單，但調(diào)參會(huì)花費(fèi)較多的精力，很多學(xué)生會(huì)因?yàn)檎{(diào)參過程的煩瑣而氣餒或者敷衍了事。對(duì)此，教師可采用紅軍萬里長(zhǎng)征中的英勇事跡讓學(xué)生進(jìn)行類比，一方面讓學(xué)生感受當(dāng)前困難的弱小性，另一方面讓學(xué)生樹立百折不撓、堅(jiān)韌不拔的必勝信念。

（二）課程思政實(shí)施過程

下面以線上線下混合教學(xué)模式為例介紹機(jī)器學(xué)習(xí)與模式識(shí)別課程思政的具體實(shí)施過程，其整體實(shí)施流程如圖3所示。筆者以學(xué)習(xí)通平臺(tái)、騰訊會(huì)議以及線下課堂三者相結(jié)合的方式實(shí)施混合式教學(xué)，教學(xué)過程分為課前導(dǎo)學(xué)、課程促學(xué)、課后延學(xué)和實(shí)踐教學(xué)四個(gè)部分。筆者首先在課前導(dǎo)學(xué)過程中，將提前設(shè)計(jì)和編輯好的課程思政案例通過學(xué)習(xí)通平臺(tái)進(jìn)行發(fā)布，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生獨(dú)立思考；接著在授課過程中采用問題驅(qū)動(dòng)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)、專題討論相結(jié)合的方式，借助線上線下平臺(tái)完成知識(shí)傳授，同時(shí)滲透具體算法對(duì)應(yīng)的思政主題；然后在課后延學(xué)環(huán)節(jié)通過在學(xué)習(xí)通平臺(tái)布置課程思政作業(yè)等任務(wù)驅(qū)動(dòng)形式幫助學(xué)生鞏固所學(xué)；最后通過實(shí)驗(yàn)課程完成相關(guān)的實(shí)踐教學(xué)，提升學(xué)生的編程動(dòng)手能力，讓學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的同時(shí)以總結(jié)的方式完善心得體會(huì)，鞏固課程思政效果。

在課程思政實(shí)施過程中，筆者通過完善及時(shí)的教學(xué)評(píng)價(jià)，形成教學(xué)過程的有效閉環(huán)。教學(xué)評(píng)價(jià)過程主要從課前反饋、課堂教授、隨堂練習(xí)、在線討論、課后答疑、課程作業(yè)、課程實(shí)踐以及課程考核著手，打造全方位動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)“知行合一”的教學(xué)目的，最終打造具有良好科學(xué)素養(yǎng)、掌握數(shù)據(jù)分析能力、具有愛國(guó)情懷的交叉復(fù)合型人才。

（三）課程思政實(shí)施案例

在剪枝算法的教學(xué)過程中，筆者綜合采用多種教學(xué)方法，將課程思政內(nèi)容與教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)融合，力爭(zhēng)做到“課程思政化作雨，教書育人潤(rùn)無聲”。詳細(xì)流程如圖4所示。

在剪枝算法的教學(xué)過程中，筆者在課前準(zhǔn)備導(dǎo)入、課中探究提升以及課后鞏固拓展三個(gè)環(huán)節(jié)均采取多種形式滲透課程思政內(nèi)容，整體結(jié)構(gòu)層層遞進(jìn)、有序展開，具體包括以下幾個(gè)步驟。

在課前，通過學(xué)習(xí)通平臺(tái)播放我國(guó)航空航天事業(yè)發(fā)展歷程視頻，讓學(xué)生觀看并反思。

在授課伊始，組織主題討論，讓學(xué)生分享所觀所感，進(jìn)而樹立“百折不撓、嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的科研態(tài)度才是制勝法寶”的意識(shí)。

在授課過程中，主要采用問題及任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式培養(yǎng)學(xué)生的思辨能力以及實(shí)踐能力。具體而言，先提出技術(shù)限定式問題“構(gòu)造好的決策樹是否可以直接使用？”，然后結(jié)合案例教學(xué)，讓學(xué)生明白實(shí)踐才是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而引出剪枝算法的必要性，并講述不同剪枝算法的原理。接著提出主題限定式問題“打游戲時(shí)如何選擇武器？”，讓學(xué)生結(jié)合自己的經(jīng)歷得出“知己知彼，百戰(zhàn)不殆”的結(jié)論，進(jìn)而引申出需要掌握每種剪枝算法的優(yōu)劣，這樣方能用得從容。之后，通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)檢驗(yàn)學(xué)生的課程學(xué)習(xí)效果。

在課堂總結(jié)以及實(shí)踐教學(xué)的反思環(huán)節(jié)中，通過提出開放式問題“本次課你有哪些收獲和感悟？”，引導(dǎo)學(xué)生樹立“做經(jīng)得起檢驗(yàn)的研究、經(jīng)得起考驗(yàn)的人”等人生信條。

三、結(jié)語

在新工科背景下，機(jī)器學(xué)習(xí)與模式識(shí)別課程是人工智能領(lǐng)域人才培養(yǎng)的核心課程之一，教師在傳授知識(shí)的過程中滲透思政內(nèi)容可以幫助學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀，在使學(xué)生增強(qiáng)民族自豪感和民族自信心的同時(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，培養(yǎng)學(xué)生的家國(guó)情懷，實(shí)現(xiàn)將知識(shí)傳授與價(jià)值引領(lǐng)有機(jī)貫穿教育教學(xué)全過程。本文以線上線下混合教學(xué)模式為例，探討基于算法的課程思政實(shí)施過程，以期探索工科類課程通過思政教育提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的途徑，希望可以為其他高校的課程思政建設(shè)工作提供一定的借鑒。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

［1］ 林健，鄭麗娜.美國(guó)人工智能專業(yè)發(fā)展分析及對(duì)新興工科專業(yè)建設(shè)的啟示[J].高等工程教育研究，2020（4）：20-33.

［2］ 周志華.創(chuàng)辦一流大學(xué)人工智能教育的思考[J].中國(guó)高等教育，2018（9）：52-53.

［3］ 黃澤文.“新工科”課程思政的時(shí)代蘊(yùn)涵與發(fā)展路徑[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2021，47（3）：162-168.

［4］ 梁滿艷，曾平.專業(yè)課程思政建設(shè)的學(xué)理依據(jù)與內(nèi)在優(yōu)勢(shì)研究[J].黑龍江教育（高教研究與評(píng)估），2022（10）：77-80.

［責(zé)任編輯：周侯辰］