基于創(chuàng)新應(yīng)用驅(qū)動的“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程教學(xué)改革研究

李 寧 羅雪妮 劉柯欣 周鑫航

寶雞文理學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 寶雞 721016

機(jī)器學(xué)習(xí)是人工智能的重要組成部分，專門分析和解釋數(shù)據(jù)的模式及結(jié)構(gòu)，以達(dá)到無須人工交互即可完成學(xué)習(xí)、推理和決策等行為的目的[1]。目前機(jī)器學(xué)習(xí)已成為數(shù)據(jù)挖掘、模式識別、知識發(fā)現(xiàn)和智能計(jì)算等領(lǐng)域的核心技術(shù)和研究熱點(diǎn)，在許多方面發(fā)揮越來越大的作用。但是我國高校在計(jì)算機(jī)專業(yè)課程教學(xué)方面仍以理論講授為主，不能滿足不同專業(yè)背景大學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用需求。因此，如何轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程教學(xué)模式，以及滿足現(xiàn)代科技革命與產(chǎn)業(yè)變革對于人才創(chuàng)新能力發(fā)展的需求，成為亟待解決和值得探討的課題。

1 “機(jī)器學(xué)習(xí)”課程特點(diǎn)和教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 課程特點(diǎn)

機(jī)器學(xué)習(xí)屬于人工智能研究領(lǐng)域的重要分支，是用機(jī)器模擬人的智能和學(xué)習(xí)方式，以主動獲取知識，并對知識進(jìn)行相應(yīng)的分類與評價(jià)，不斷提升自身性能，實(shí)現(xiàn)自我完善的一門多領(lǐng)域交叉學(xué)科。作為一種新型的科學(xué)研究方法，機(jī)器學(xué)習(xí)具有高效率的數(shù)據(jù)處理能力。目前，隨著我國科技水平的不斷進(jìn)步和發(fā)展，機(jī)器學(xué)習(xí)將概率論、凸分析、統(tǒng)計(jì)學(xué)、逼近論和算法復(fù)雜度等多門學(xué)科結(jié)合在一起，涵蓋知識面廣，有關(guān)數(shù)學(xué)理論的復(fù)雜度高，已經(jīng)成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)[2]。此外，在人工智能技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)及其重要性也相應(yīng)地提高，學(xué)習(xí)這門課程需要有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)能力以及良好的語言編程能力。機(jī)器學(xué)習(xí)在幾十年的發(fā)展中研究人員從不同的角度出發(fā)形成了不同的分類方法，教師需要對大量新知識進(jìn)行教學(xué)分類與實(shí)踐。因此，教師必須緊跟時(shí)代發(fā)展，努力提升自身能力，有效轉(zhuǎn)變教育理念和教學(xué)方式。

1.2 教學(xué)現(xiàn)狀

1.2.1 理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的銜接不夠密切

在傳統(tǒng)“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程教學(xué)模式下，大多高校都將課程理論知識和實(shí)踐操作單獨(dú)設(shè)立課程進(jìn)行授課，一般先由教師教授理論知識，再由學(xué)生根據(jù)教學(xué)大綱所規(guī)定的對應(yīng)各章學(xué)時(shí)及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在機(jī)房完成實(shí)驗(yàn)。這種由教師設(shè)定機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)方式，很容易將各個(gè)知識點(diǎn)孤立，知識點(diǎn)間關(guān)聯(lián)度不高。同時(shí)，所開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容大多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，其目的僅僅是讓學(xué)生對教材內(nèi)容進(jìn)行機(jī)械驗(yàn)證，學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏積極性，實(shí)踐能力沒有得到提升[3]。

1.2.2 現(xiàn)有的教學(xué)中缺少應(yīng)用驅(qū)動

當(dāng)前許多高校對“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程的教學(xué)仍然采用課堂教學(xué)的方式，多為數(shù)學(xué)模型概念講解、公式推導(dǎo)以及課堂習(xí)題解答等，課程內(nèi)容理論性強(qiáng)，內(nèi)容比較枯燥，課堂氛圍活躍度低，教師在教學(xué)過程中未能結(jié)合熱門實(shí)踐案例進(jìn)行講解，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不強(qiáng)。此外，課程教學(xué)內(nèi)容僅限于對機(jī)器學(xué)習(xí)模型的認(rèn)知、推導(dǎo)與運(yùn)用，課外知識擴(kuò)展不足，部分學(xué)生無法感受到機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的重要性及其發(fā)展對實(shí)際生活的影響[4]。

1.2.3 考核與評價(jià)方式片面

當(dāng)前大部分高校對“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程考核方式單一，一般采取閉卷方式進(jìn)行考核，通常只考查基礎(chǔ)知識部分，部分學(xué)生缺乏正確的學(xué)習(xí)方法，僅通過死記硬背應(yīng)付考試。教師按照指定的教材設(shè)計(jì)試題，評價(jià)學(xué)生在“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程中的學(xué)習(xí)情況，由于目前機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的飛速發(fā)展，教材的更新速度遠(yuǎn)低于技術(shù)發(fā)展的速度，使得考核內(nèi)容與新技術(shù)相比處于落后狀態(tài)，而學(xué)生為了能在教學(xué)考核中獲得較好的成績，在傳統(tǒng)模型的學(xué)習(xí)與推導(dǎo)過程中花費(fèi)了很多的時(shí)間與精力，沒有及時(shí)了解最新的相關(guān)技術(shù)。這種考核與評價(jià)方式不利于學(xué)生掌握“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程內(nèi)容。

1.2.4 師資隊(duì)伍素質(zhì)需進(jìn)一步提高

現(xiàn)有的高校師資隊(duì)伍主要為研究型教師，他們能夠很好地對機(jī)器學(xué)習(xí)以及其他計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行知識理論方面的傳授和引導(dǎo)，有利于學(xué)生深入研究特定理論知識。而與具有開發(fā)能力且能夠滿足企業(yè)最新技術(shù)要求的應(yīng)用型教師相比，其不能為學(xué)生的實(shí)踐學(xué)習(xí)提供良好的機(jī)會與指導(dǎo)。另外，部分高校忽視了對師資隊(duì)伍的再培訓(xùn)，導(dǎo)致教師無法及時(shí)了解機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域前沿技術(shù)的發(fā)展。

2 基于創(chuàng)新應(yīng)用驅(qū)動的“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程改革探討

2.1 課程教學(xué)改革理論依據(jù)

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)，學(xué)生并非空著腦袋走進(jìn)課堂，而是帶著他們現(xiàn)有的生活、研究經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)的。強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)不是被動接受信息刺激，而是主動建構(gòu)意義，是根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)背景，對外部信息主動地選擇、加工和處理，從而獲得自己的意義。任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法（task based learning）是一種基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的教學(xué)法。在形式上“任務(wù)驅(qū)動”教學(xué)法的一般步驟為：教師提出任務(wù)→師生共同分析以得出完成任務(wù)的方法和步驟→適當(dāng)講解或自學(xué)、協(xié)作學(xué)習(xí)→完成任務(wù)實(shí)踐→交流和總結(jié)[5]。這一步驟反映了一種以建構(gòu)主義教學(xué)理論為依據(jù)，在教學(xué)中“以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)”的新教學(xué)思維與方法，與探究式教學(xué)模式相吻合，適用于學(xué)生自主學(xué)習(xí)以及培養(yǎng)學(xué)生對問題的自主分析與解決相關(guān)學(xué)術(shù)問題的能力。教師在本科生教學(xué)中利用任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式，不僅能夠提高課堂的教學(xué)質(zhì)量，而且可以提高學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動性，從而促進(jìn)學(xué)生掌握課程內(nèi)容。具體而言，教師通過任務(wù)驅(qū)動展開教學(xué)，圍繞提出的幾項(xiàng)具體問題，在解決問題的過程中，將課程的基礎(chǔ)知識介紹給學(xué)生并在具體問題的解決過程中學(xué)習(xí)和掌握課程的知識與應(yīng)用技能。對于機(jī)器學(xué)習(xí)這樣的“年輕”學(xué)科而言，任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式尤為適用。盡管近幾年來陸續(xù)形成了一些基本原理與基本方法，但是理論體系并不完備。同時(shí)，近期的研究成果很多是以問題的提出、分析和解決為模式而展開的，符合任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式。

結(jié)合以上分析，以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，順應(yīng)教學(xué)工作過程系統(tǒng)化的課程發(fā)展理念，以學(xué)生為主體，在任務(wù)的推動下，通過有意義而具體的任務(wù)使學(xué)生融入知識的學(xué)習(xí)過程中，從而幫助學(xué)生掌握相關(guān)知識，教師與學(xué)生共同完成對知識的解構(gòu)與建構(gòu)。本文以創(chuàng)新應(yīng)用作為任務(wù)驅(qū)動的核心任務(wù)，以任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式作為“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程教學(xué)模式；以“應(yīng)用驅(qū)動”為理論基礎(chǔ)進(jìn)行教學(xué)改革設(shè)計(jì)，使學(xué)生了解機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)展的歷程，對基本原理以及應(yīng)用領(lǐng)域有初步的認(rèn)識，在掌握主要技術(shù)與用途的前提下，激發(fā)學(xué)生對機(jī)器學(xué)習(xí)的興趣，增強(qiáng)其在學(xué)習(xí)中的主觀能動性，并且為知識創(chuàng)新與技術(shù)創(chuàng)新的進(jìn)一步發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.2 課程教學(xué)的具體改革方法

由于“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程是專業(yè)核心課程，具有較強(qiáng)的理論性、貼近工程實(shí)際等特點(diǎn)，需要學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)既要掌握基本理論知識，又要以此為基礎(chǔ)，熟練應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)，從技術(shù)方面分析、解決實(shí)際生產(chǎn)過程中存在的難題，以推動其可持續(xù)發(fā)展。目前需要針對學(xué)生實(shí)踐能力需要，應(yīng)用創(chuàng)新驅(qū)動教學(xué)手段對“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程教學(xué)進(jìn)行改革。

2.2.1 教學(xué)方式改革

課程的理論教學(xué)主要采取線上線下相結(jié)合的教學(xué)方式，整合了傳統(tǒng)面對面教學(xué)的優(yōu)勢及豐富的網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)資源優(yōu)勢，滿足學(xué)生不同需求，從而達(dá)到最優(yōu)學(xué)習(xí)效果。線上教學(xué)可以依托在線實(shí)踐教學(xué)平臺、云課堂、中國大學(xué)MOOC 平臺等教學(xué)資源開展。為滿足教學(xué)需求，可以將這些資源整合和重組，形成新的教學(xué)模式。另外還要構(gòu)建課程網(wǎng)絡(luò)資源，將“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程中容易識記和理解的算法思想、概念和其他內(nèi)容以章節(jié)為單位整理，儲存于學(xué)習(xí)通或其他學(xué)習(xí)平臺中，便于學(xué)生預(yù)習(xí)、線上評測等。課堂教學(xué)環(huán)節(jié)側(cè)重“機(jī)器學(xué)習(xí)”的課程分析、綜合和創(chuàng)造等認(rèn)知問題討論，這類問題通常不存在唯一正確的答案，適宜作為課堂教學(xué)研討的問題。課堂上教師要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇合適的教學(xué)方法。課前以搜集學(xué)生在自主學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的困惑為主線進(jìn)行備課，課中著重指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用算法來處理實(shí)際問題。課后注重對知識體系的歸納總結(jié)。例如，通過課上案例分析，讓學(xué)生對支持向量機(jī)、線性回歸和其他算法有更進(jìn)一步的了解，可以通過課后總結(jié)歸納，提升學(xué)生分析問題、設(shè)計(jì)算法和程序?qū)崿F(xiàn)等能力。

專業(yè)能力的培養(yǎng)與理論學(xué)習(xí)密不可分，更離不開項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)踐。通過分析人工智能專業(yè)教學(xué)現(xiàn)狀，以創(chuàng)新應(yīng)用驅(qū)動為核心進(jìn)行教學(xué)改革。一是將創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)踐融入課程之中，保證教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新性。以“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程為例，通過引入真實(shí)應(yīng)用案例并結(jié)合典型算法開展教學(xué)。例如，實(shí)際案例或者任務(wù)可以選取深度學(xué)習(xí)、自然語言處理和PyTorch 框架等領(lǐng)域的研究新成果以及阿里云天池大賽、國際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競賽等競賽的真題。二是借助網(wǎng)絡(luò)公開課平臺組織課堂討論以促進(jìn)知識內(nèi)化。三是不斷創(chuàng)新教學(xué)方法，創(chuàng)新應(yīng)用驅(qū)動教學(xué)的方式使學(xué)生擴(kuò)展機(jī)器學(xué)習(xí)的經(jīng)典學(xué)習(xí)算法，進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)。如布置學(xué)生學(xué)習(xí)匯報(bào)任務(wù)、開展分小組現(xiàn)場答辯等方式學(xué)習(xí)，同時(shí)還可以增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。此外，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與社會實(shí)踐活動，培養(yǎng)學(xué)生自主解決問題的能力和創(chuàng)新能力，遇到有挑戰(zhàn)性的實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目，學(xué)生團(tuán)隊(duì)可以通過協(xié)作的方式，圍繞實(shí)際應(yīng)用問題進(jìn)行分析和交流，自主完成方案設(shè)計(jì)、程序編寫調(diào)試及項(xiàng)目報(bào)告等。

2.2.2 課程考核評價(jià)體系

課程考核評價(jià)體系包括平時(shí)作業(yè)、實(shí)驗(yàn)及成果匯報(bào)3 個(gè)部分，課程考試是教學(xué)的一部分，要對成果進(jìn)行多元化評價(jià)，防止過分注重理論知識，而忽視對學(xué)生實(shí)踐能力的考核?；谌斯ぶ悄軐W(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)評估設(shè)計(jì)以學(xué)科知識為中心，將課堂講授與課后自主學(xué)習(xí)相結(jié)合。通過知識學(xué)習(xí)、問題求解、算法擴(kuò)展、報(bào)告撰寫、口頭匯報(bào)和其他環(huán)節(jié)，綜合評價(jià)教學(xué)成果，從而實(shí)現(xiàn)能力培養(yǎng)與知識傳授有機(jī)融合的目的。同時(shí)，將學(xué)生在課后所做的小論文作為重要的考核內(nèi)容進(jìn)行綜合測評，并形成相應(yīng)的評定標(biāo)準(zhǔn)?！皺C(jī)器學(xué)習(xí)”課程考核的總評成績由平時(shí)考核（占60%）和期末卷面考試（占40%）組成。其中，平時(shí)考核包括小組作業(yè)（占15%）、個(gè)人作業(yè)完成度（15%）、課堂活動表現(xiàn)（占5%）、實(shí)驗(yàn)（25%）；期末卷面考試是針對整個(gè)學(xué)期所有學(xué)生的線下閉卷考試。其中，小組作業(yè)需要學(xué)生以組為單位，通過組內(nèi)成員的協(xié)作學(xué)習(xí)來熟悉和掌握機(jī)器學(xué)習(xí)的框架和工具，制作演示文稿并現(xiàn)場答辯。個(gè)人作業(yè)完成度主要考查學(xué)生對平臺學(xué)習(xí)任務(wù)的完成度。課堂活動表現(xiàn)要求學(xué)生在課堂上積極思考、踴躍交流，教師以學(xué)生學(xué)習(xí)表現(xiàn)進(jìn)行評分。實(shí)驗(yàn)主要考查學(xué)生對課程知識點(diǎn)的理解程度和綜合運(yùn)用能力。

2.2.3 師資隊(duì)伍建設(shè)

對師資隊(duì)伍方面的改進(jìn)，可采用“請進(jìn)來，送出去”的辦法，一是要從高校層面尋求政策，引進(jìn)在企業(yè)中具有開發(fā)能力的博士、碩士研究生，對應(yīng)用型師資進(jìn)行有效的補(bǔ)充；二是鼓勵(lì)中青年教師去企業(yè)頂崗掛職鍛煉，以提高實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和加深對市場的認(rèn)識；三是鼓勵(lì)教師在實(shí)踐教學(xué)中與項(xiàng)目對接，通過實(shí)際應(yīng)用案例進(jìn)行教學(xué)，從而切實(shí)提高實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量，滿足人工智能專業(yè)“雙師型”教師的培養(yǎng)要求。

3 結(jié)語

機(jī)器學(xué)習(xí)屬于交叉學(xué)科的范疇，“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程教學(xué)不完全是教授學(xué)生用算法構(gòu)建模型，更重要的是激發(fā)學(xué)生對這些算法與模型的應(yīng)用，由此解決現(xiàn)實(shí)中存在的問題，并且能獨(dú)立思考，在實(shí)踐中鍛煉。通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，使用上述方法后學(xué)生的學(xué)習(xí)效果有明顯提升。

本文以建構(gòu)主義理論作為研究基礎(chǔ)，教學(xué)方式以創(chuàng)新應(yīng)用驅(qū)動作為核心，有針對性地從教學(xué)方式、課程考核評價(jià)體系和師資隊(duì)伍建設(shè)3 個(gè)方面對教學(xué)改革進(jìn)行了探索，以解決當(dāng)前“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程教學(xué)過程中所出現(xiàn)的部分問題，幫助學(xué)生在機(jī)器學(xué)習(xí)理論與實(shí)踐兩方面均衡發(fā)展，培養(yǎng)符合社會需要、行業(yè)需求的人工智能專業(yè)人才。