基于問(wèn)題導(dǎo)向的機(jī)器學(xué)習(xí)課程教學(xué)探索

徐葉松 胡平 戴家樹(shù) 嚴(yán)楠

摘要：在大數(shù)據(jù)時(shí)代，人工智能技術(shù)在不斷地迅猛發(fā)展，已經(jīng)融入工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和教育等眾多領(lǐng)域，并改變著人們的工作和生活方式。機(jī)器學(xué)習(xí)作為人工智能的核心技術(shù)，在很多高校已經(jīng)被列為必修課程，且很多專業(yè)（如：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、數(shù)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程）的本科生和研究生都涉及該課程。針對(duì)傳統(tǒng)授課方式在機(jī)器學(xué)習(xí)教學(xué)過(guò)程中處于主導(dǎo)地位，因?yàn)闊o(wú)法調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主性和積極性，使得學(xué)生處理問(wèn)題能力較差和創(chuàng)新意識(shí)不強(qiáng)，導(dǎo)致高校培養(yǎng)人才的效果不佳。為此，根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)課程知識(shí)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了基于問(wèn)題導(dǎo)向的機(jī)器學(xué)習(xí)課程教學(xué)方案。通過(guò)將問(wèn)題導(dǎo)向融合到機(jī)器學(xué)習(xí)課程的教學(xué)方式，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和勤于思考的核心素養(yǎng)，進(jìn)而培養(yǎng)出具有競(jìng)爭(zhēng)力的高校人才。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)栴}導(dǎo)向；機(jī)器學(xué)習(xí)；人工智能；教學(xué)；人才培養(yǎng)

中圖分類號(hào)：TP181-4；G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）04-0046-03

1 背景

2017年7月8日， 國(guó)務(wù)院正式印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，為我國(guó)發(fā)展人工智能提出了保障措施、主要任務(wù)、戰(zhàn)略目標(biāo)和總體思路，同時(shí)該規(guī)劃明確了人工智能技術(shù)進(jìn)入教育體系的長(zhǎng)期發(fā)展方向[1]。為進(jìn)一步落實(shí)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，自然科學(xué)基金委和科技部在2023年3月啟動(dòng)了“AI for Science”專項(xiàng)部署工作，建立以“人工智能驅(qū)動(dòng)的科學(xué)研究”為中心的創(chuàng)新科技研發(fā)體系[2]。人工智能主要涉及計(jì)算機(jī)視覺(jué)、自然語(yǔ)言處理和智能機(jī)器人。例如，Google 旗下的DeepMind公司開(kāi)發(fā)的AlphaGo戰(zhàn)勝世界圍棋冠軍李世石和柯潔，震驚了全世界，主要是由強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。此外，OpenAI研發(fā)的聊天機(jī)器人程序ChatGPT能夠真正像人一樣進(jìn)行聊天交流，推出5天，注冊(cè)用戶超過(guò)100萬(wàn)，推出不過(guò)2個(gè)月時(shí)間，月活用戶突破1億，實(shí)際上是利用Transformer架構(gòu)的大語(yǔ)言模型技術(shù)。這些人工智能的核心技術(shù)和基礎(chǔ)都是最熱門的機(jī)器學(xué)習(xí)，而機(jī)器學(xué)習(xí)方法也是智能應(yīng)用和服務(wù)的基石。

當(dāng)前，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)已被應(yīng)用于人臉識(shí)別、生物醫(yī)學(xué)信息處理、推薦系統(tǒng)和自主駕駛等領(lǐng)域，其廣泛而基礎(chǔ)的應(yīng)用已經(jīng)深入各行各業(yè)，并產(chǎn)生了巨大的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)效益[3]。機(jī)器學(xué)習(xí)能夠從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)其內(nèi)在規(guī)律，進(jìn)而成為有效的信息并服務(wù)于人們的日常工作與生活，學(xué)習(xí)和掌握機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)具有重要現(xiàn)實(shí)意義[4]。目前，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)是人工智能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，以阿里巴巴、騰訊、百度和華為代表的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)對(duì)該方向的人才需求正日益劇增，我國(guó)很多高校已經(jīng)開(kāi)設(shè)機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)的專業(yè)和課程，旨在為科學(xué)研究和社會(huì)培養(yǎng)高質(zhì)量的人工智能領(lǐng)域人才[5]。

機(jī)器學(xué)習(xí)是涵蓋數(shù)據(jù)處理、優(yōu)化理論、算法理論、統(tǒng)計(jì)學(xué)、矩陣論、概率論和編程語(yǔ)言（如：Matlab和Py?thon） 等多學(xué)科知識(shí)的一門新興學(xué)科，它主要依賴于熟練的編程技術(shù)和對(duì)算法理論的深度理解，并側(cè)重解決實(shí)際問(wèn)題[6]。近年來(lái)，高校中開(kāi)設(shè)機(jī)器學(xué)習(xí)課程主要面向智能制造、人工智能、金融科技、大數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用、數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)等專業(yè)的高年級(jí)本科生以及計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的研究生，對(duì)學(xué)生的綜合知識(shí)掌握程度、創(chuàng)新能力和處理實(shí)際問(wèn)題能力要求較高。因此，機(jī)器學(xué)習(xí)這一門課程對(duì)教師授課的要求自然更高。

針對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)課程的特點(diǎn)，為了滿足人工智能和大數(shù)據(jù)時(shí)代下人才培養(yǎng)的需求，提高當(dāng)前就業(yè)形勢(shì)下高校畢業(yè)生的就業(yè)機(jī)會(huì)、提升學(xué)生的解決問(wèn)題能力和創(chuàng)新思維能力[7]。隨著人工智能的應(yīng)用和發(fā)展，給機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)帶來(lái)了重大機(jī)遇與挑戰(zhàn)。因此，機(jī)器學(xué)習(xí)的教學(xué)應(yīng)該緊跟著時(shí)代步伐，注重實(shí)踐的教學(xué)，不斷更新課程的教學(xué)內(nèi)容，適當(dāng)調(diào)整教學(xué)計(jì)劃，使高校畢業(yè)生能夠更好地勝任隨后的工作和生活。探索機(jī)器學(xué)習(xí)課程的教學(xué)方法，結(jié)合課程所涉及的知識(shí)點(diǎn)，對(duì)學(xué)生提出相關(guān)的人工智能問(wèn)題，讓學(xué)生對(duì)問(wèn)題進(jìn)行思考并尋找解決方案，這就是所謂的以“問(wèn)題導(dǎo)向”[8]。該教學(xué)方法能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，以問(wèn)題來(lái)促進(jìn)學(xué)生的思考，培養(yǎng)學(xué)生的處理問(wèn)題能力。學(xué)生通過(guò)思考和實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)知識(shí)的消化和吸收，以及使思維能力得到鍛煉和提高解決實(shí)際問(wèn)題能力，這也符合高校人才核心素養(yǎng)的培育要求。

2 機(jī)器學(xué)習(xí)的教學(xué)現(xiàn)狀與教學(xué)挑戰(zhàn)

2.1 機(jī)器學(xué)習(xí)的教學(xué)現(xiàn)狀

機(jī)器學(xué)習(xí)是處理實(shí)際問(wèn)題的應(yīng)用型學(xué)科，它的技術(shù)在不斷地發(fā)展和更新，特別是深度學(xué)習(xí)技術(shù)在實(shí)際需求中取得了顯著效果。一方面，傳統(tǒng)的教學(xué)模式以課堂講授為主，主要采取“學(xué)生聽(tīng)，教師講”的形式來(lái)執(zhí)行，課堂上缺乏討論。通常教學(xué)過(guò)程中涉及較多難懂的理論知識(shí)，導(dǎo)致學(xué)生厭學(xué)現(xiàn)象。而且，學(xué)生在被動(dòng)的聽(tīng)課過(guò)程中對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和掌握不夠深刻。這樣會(huì)造成教師的教學(xué)和高校學(xué)生的學(xué)習(xí)效率低，并導(dǎo)致高校學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)造性思維未能得到很好的培養(yǎng)和鍛煉。

另一方面，以往的教學(xué)模式利用PPT課件和黑板板書(shū)，由于高校學(xué)生的興趣不同和基礎(chǔ)各異，使他們對(duì)所學(xué)內(nèi)容的渴望、理解和掌握知識(shí)程度也存在區(qū)別，導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容上忽視了個(gè)性化和多樣化的學(xué)生培養(yǎng)機(jī)制。另外，由于授課學(xué)時(shí)的限制，只能對(duì)基本知識(shí)點(diǎn)的傳授，使學(xué)生無(wú)法深入實(shí)際問(wèn)題的解決中。這樣不利于學(xué)生處理問(wèn)題能力的鍛煉，也忽視了團(tuán)隊(duì)協(xié)作的意識(shí)，導(dǎo)致高校學(xué)生的培養(yǎng)不符合應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求。

2.2 機(jī)器學(xué)習(xí)的教學(xué)挑戰(zhàn)

機(jī)器學(xué)習(xí)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：第一個(gè)特點(diǎn)，它是多領(lǐng)域交叉一門學(xué)科。相對(duì)其他信息類專業(yè)，它涉及的知識(shí)龐雜，包括多門學(xué)科知識(shí)，要求對(duì)矩陣論、概率論和高等數(shù)學(xué)等有扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。而且對(duì)編程能力有著較高的要求，需要使用TensorFlow、Pytorch等框架來(lái)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)。另外，機(jī)器學(xué)習(xí)的前沿知識(shí)更新迭代迅速，且相關(guān)的算法仍不停地在發(fā)展中。

第二個(gè)特點(diǎn)，涉及的理論復(fù)雜和內(nèi)容多。機(jī)器學(xué)習(xí)課程中含有許多抽象的概念，學(xué)生理解起來(lái)較為困難。以及在不同模型和算法建立上，它們涉及的知識(shí)點(diǎn)雜亂且聯(lián)系不緊密，思想相對(duì)獨(dú)立，很難建立起“由淺入深”的教學(xué)體系。

第三個(gè)特點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用要求較高。在具體教學(xué)過(guò)程中，課堂上傳授理論知識(shí)，大部分學(xué)生能夠理解機(jī)器學(xué)習(xí)的模型，但將所學(xué)理論用來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題的成效不佳，學(xué)生很難將所學(xué)的理論編寫(xiě)成代碼，導(dǎo)致所學(xué)知識(shí)很難轉(zhuǎn)化成處理實(shí)際問(wèn)題的技能和能力。而且，有的學(xué)生將參考的代碼全部摘抄一通，完全沒(méi)有自己的理解和思考。另外，通過(guò)期末考試的方式，來(lái)考查學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，忽視了這門課的實(shí)踐特點(diǎn)?？偠灾?，機(jī)器學(xué)習(xí)這門課程自身所具有的特點(diǎn)，給該課程的教學(xué)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

3 以問(wèn)題導(dǎo)向的課程教學(xué)

3.1 問(wèn)題導(dǎo)向的課程設(shè)計(jì)原則

依據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)課程的特點(diǎn)，以問(wèn)題為導(dǎo)向的教學(xué)模式進(jìn)行授課，來(lái)激發(fā)學(xué)生的思考和培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題能力。將“問(wèn)題導(dǎo)向”貫穿到教學(xué)的課前、課中和課后，如圖1所示。與傳統(tǒng)講課形式的教學(xué)模式相比，以問(wèn)題導(dǎo)向的機(jī)器學(xué)習(xí)教學(xué)方式側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生思考能力、提高自主學(xué)習(xí)能力、增強(qiáng)處理實(shí)際問(wèn)題能力和提高創(chuàng)新意識(shí)。

1） 課前。在準(zhǔn)備階段，授課教師首先應(yīng)明確本次課的學(xué)習(xí)目標(biāo)，給出一個(gè)或幾個(gè)與實(shí)際問(wèn)題相關(guān)的機(jī)器學(xué)習(xí)問(wèn)題。通過(guò)考慮應(yīng)用領(lǐng)域和目前行業(yè)的需求以及學(xué)生的興趣偏好來(lái)確定問(wèn)題。這樣可以確保學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)具體、明確，對(duì)給出的實(shí)際問(wèn)題也應(yīng)該有一定的難度要求，這樣能夠激發(fā)學(xué)生的思考和求知欲。其次，教師也應(yīng)精心挑選與此次課程目標(biāo)相關(guān)的案例，并提前準(zhǔn)備好用于實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)集。這不僅能夠直觀地展示機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用場(chǎng)景，同時(shí)也可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的興趣。最后，為了將問(wèn)題導(dǎo)向融入教學(xué)過(guò)程中，需要在課前發(fā)布預(yù)習(xí)的問(wèn)題，要求學(xué)生提前了解將要學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)思考如何運(yùn)用該知識(shí)點(diǎn)去解決實(shí)際問(wèn)題。學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)觀看相關(guān)的教學(xué)視頻、查閱資料和文獻(xiàn)以及做好前期的準(zhǔn)備工作。學(xué)生在課前準(zhǔn)備預(yù)習(xí)的問(wèn)題，這有利于教師和學(xué)生在課堂上共同討論和一起學(xué)習(xí)，提高對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度和教學(xué)效率，也可以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力和處理問(wèn)題的能力。

2） 課中。首先，以實(shí)際問(wèn)題來(lái)引入本次課的主題，這樣能夠激發(fā)學(xué)生上課的興趣，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)是解決實(shí)際問(wèn)題的強(qiáng)有力的工具。通過(guò)案例分析的方式展開(kāi)教學(xué)，將學(xué)生真正地引入到真實(shí)場(chǎng)景中，讓他們確切地感受到機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)能夠解決實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題。教師接著對(duì)相應(yīng)的基本概念和算法原理等內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的講解，同時(shí)為學(xué)生建立起理論基礎(chǔ)。在授課過(guò)程中，用具體的案例和問(wèn)題去解釋抽象的理論，讓學(xué)生對(duì)新的知識(shí)更容易理解和消化吸收。由于機(jī)器學(xué)習(xí)是一門強(qiáng)調(diào)實(shí)際應(yīng)用的課程，在課中應(yīng)進(jìn)行編程實(shí)踐和相關(guān)的實(shí)際操作。通過(guò)在課堂上進(jìn)行編程演示，也可以嘗試讓學(xué)生親自動(dòng)手來(lái)進(jìn)行實(shí)際操作?？梢詫⒗碚撝R(shí)和實(shí)踐相結(jié)合，達(dá)到培養(yǎng)高校學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和提升他們的競(jìng)爭(zhēng)力的目的。最后，組織學(xué)生進(jìn)行小組討論。學(xué)生可以分享個(gè)人想法，得出問(wèn)題的解決方案，促使他們深入地去思考問(wèn)題，達(dá)到培養(yǎng)有思想的人才培養(yǎng)目的。小組討論能夠培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力，使他們?cè)谟懻搯?wèn)題時(shí)相互學(xué)習(xí)，以合作的方式來(lái)解決問(wèn)題，也就是所謂的“眾人拾柴火焰高”。例如有次課上，針對(duì)人臉識(shí)別問(wèn)題。有個(gè)學(xué)生通過(guò)自己編寫(xiě)程序，在班級(jí)展示了一個(gè)有意思的功能，他通過(guò)自己的筆記本電腦，展示了識(shí)別出他本人和室友。這也就是日常生活中智能解鎖的功能，達(dá)到了培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)和勤于思考目的。

3） 課后。教師通過(guò)布置與本次課程內(nèi)容相關(guān)的問(wèn)題。課后的問(wèn)題應(yīng)該是具有延伸性的，讓學(xué)生運(yùn)用前面所學(xué)的知識(shí)，去解決相比于課堂中涉及的問(wèn)題更為復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題。通過(guò)在課后以問(wèn)題為導(dǎo)向，學(xué)生能夠更深入地掌握機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，將這個(gè)工具用到實(shí)際應(yīng)用中，并鞏固所學(xué)的理論知識(shí)，使高校學(xué)生能夠?qū)W以致用。接著，在課后提供實(shí)時(shí)反饋和指導(dǎo)，建立在線討論平臺(tái)（如：機(jī)器學(xué)習(xí)課程QQ群），使學(xué)生在遇到問(wèn)題的時(shí)候可以及時(shí)地跟同學(xué)或教師進(jìn)行思想上的交流，從而可以很好地解決問(wèn)題，幫助有困難的學(xué)生進(jìn)步。同時(shí)對(duì)完成的作業(yè)進(jìn)行評(píng)估和提供學(xué)習(xí)資源（如：MOOC 視頻、Coursera 公開(kāi)課、GitHub 代碼、CSDN博客），使學(xué)生能夠清晰地認(rèn)識(shí)到自己優(yōu)勢(shì)和不足，為接下來(lái)學(xué)習(xí)明確方向，并且使每個(gè)學(xué)生得到個(gè)性化培養(yǎng)。最后，讓學(xué)生進(jìn)行作品展示，使他們能夠全面地相互了解和取長(zhǎng)補(bǔ)短，促進(jìn)知識(shí)的分享，也能夠激發(fā)學(xué)生的興趣和提高溝通、表達(dá)能力。

3.2 問(wèn)題導(dǎo)向的課程教學(xué)優(yōu)勢(shì)

將問(wèn)題導(dǎo)向的融入機(jī)器學(xué)習(xí)教學(xué)的課前、課中和課后，不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也能讓他們更加主動(dòng)地參與進(jìn)來(lái)。通過(guò)提出學(xué)生感興趣和實(shí)際應(yīng)用相關(guān)的問(wèn)題，使他們?cè)趯W(xué)習(xí)機(jī)器學(xué)習(xí)課程中產(chǎn)生好奇心，并能夠積極地投入到學(xué)習(xí)中。以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的課程教學(xué)方式，在解決問(wèn)題的同時(shí)，能夠使學(xué)生對(duì)算法和模型理解更加深刻，同時(shí)也鍛煉了學(xué)生將學(xué)習(xí)到的理論知識(shí)用于處理實(shí)際問(wèn)題的能力，這比傳統(tǒng)的教學(xué)方式更加有效。問(wèn)題導(dǎo)向?qū)W習(xí)也涉及小組討論，有利于培養(yǎng)高校學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作和交流能力。課后問(wèn)題的及時(shí)反饋、交流和作品展示，能夠幫助學(xué)生解決學(xué)習(xí)中遇到的困難，促進(jìn)他們的全面發(fā)展。通過(guò)融入問(wèn)題導(dǎo)向的教學(xué)方式能夠培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)、鍛煉思維和處理問(wèn)題的能力。

4 結(jié)論

機(jī)器學(xué)習(xí)是一門應(yīng)用型的課程，培養(yǎng)學(xué)生處理實(shí)際問(wèn)題能力和求知?jiǎng)?chuàng)新的能力至關(guān)重要。針對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)課程的多學(xué)科交叉、理論內(nèi)容多且復(fù)雜以及實(shí)際應(yīng)用要求高的特點(diǎn)，本研究通過(guò)將問(wèn)題導(dǎo)向融入課前、課中和課后的教學(xué)過(guò)程中，提高高校學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和自主性，使他們的思維能力得到鍛煉，并提升處理問(wèn)題的能力，旨在培養(yǎng)高校學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)。

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【通聯(lián)編輯：梁書(shū)】