基于CDIO理念的研究生“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程教學(xué)改革探索

摘 要 研究生“機(jī)器學(xué)習(xí)”是人工智能專業(yè)的核心課程，其內(nèi)容對(duì)研究生后續(xù)的科研、工作的開展至關(guān)重要。文章通過分析以往研究生“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程中的多個(gè)教學(xué)問題，結(jié)合多年研究生教學(xué)經(jīng)驗(yàn)與CDIO工程理念，對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，并提出豐富教學(xué)方法和多元化課程考核等舉措，在講授課堂知識(shí)的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)研究生實(shí)踐、創(chuàng)新、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等能力的培養(yǎng)，為研究生“機(jī)器學(xué)習(xí)”的教學(xué)改革提供有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)和啟示，提高課程教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)人工智能相關(guān)領(lǐng)域的人才打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 CDIO理念；機(jī)器學(xué)習(xí)課程；研究生；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.19.043

Exploration of Teaching Reform in Postgraduate "Machine Learning"

Course Based on CDIO Concept

LIU Jian， WANG Xuesong， YUAN Xiaoping

（College of Information and Control Engineering， China University of Mining and Technology， Xuzhou， Jiangsu 221116）

Abstract The graduate course "Machine Learning" is a core course for AI-related majors， and its content is crucial for postgraduate students' subsequent scientific research and work. By analyzing multiple teaching problems in previous graduate courses on "Machine Learning"， combining years of teaching experience with the CDIO engineering concept， optimizing the course content， and proposing measures such as enriching teaching methods and diversifying course assessments， we emphasize the cultivation of postgraduate students' practical， innovative， teamwork， and other abilities on the basis of classroom knowledge teaching， providing valuable experience and inspiration for the teaching reform of the graduate course "Machine Learning"， improving the teaching quality of the course， aZZ5M2jRQbvpYLAXL9jKplg==nd laying a solid foundation for cultivating talents in AI-related fields.

Keywords CDIO concept; machine learning course; postgraduate students; teaching reform

機(jī)器學(xué)習(xí)（Machine Learning）作為人工智能領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，在過去幾十年中取得了顯著的發(fā)展。隨著大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)和自動(dòng)化技術(shù)的興起，機(jī)器學(xué)習(xí)已在各行各業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，越來越多行業(yè)開始認(rèn)識(shí)到機(jī)器學(xué)習(xí)在社會(huì)工作中的巨大潛力。作為未來科技創(chuàng)新的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力之一，研究生專業(yè)知識(shí)和技能的培養(yǎng)已成為高等教育的當(dāng)務(wù)之急[1]。

然而，傳統(tǒng)的課程教學(xué)模式在滿足現(xiàn)代機(jī)器學(xué)習(xí)教育需求方面面臨一系列挑戰(zhàn)。首先，機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的知識(shí)日新月異，傳統(tǒng)的課程體系難以及時(shí)跟進(jìn)最新的研究進(jìn)展。其次，機(jī)器學(xué)習(xí)不僅是一門理論學(xué)科，還是一項(xiàng)實(shí)踐性極強(qiáng)的技能，需要學(xué)生具備數(shù)據(jù)處理、編程、模型選擇和評(píng)估等多方面的能力[2]。CDIO理念[3]是一種工程教育理念，通過構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)行（Operate）環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。在新工科和大數(shù)據(jù)分析背景下[4-5]，需要探索基于CDIO理念的研究生“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程教學(xué)改革，以滿足現(xiàn)代機(jī)器學(xué)習(xí)教育的需求。

文章通過分析研究生“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程在實(shí)際教學(xué)過程中面臨的問題，結(jié)合筆者多年的研究生課程教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將CDIO工程理念融入研究生教學(xué)過程，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、課程考核等方面對(duì)課程教學(xué)改革進(jìn)行了深入探討，希望能夠推動(dòng)課程體系的改革和創(chuàng)新，使其更加符合時(shí)代需求和人才培養(yǎng)目標(biāo)。

1 研究生“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程教學(xué)過程中存在的問題

1.1 課程內(nèi)容缺乏工程案例

當(dāng)前，“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程往往側(cè)重于理論知識(shí)的講解，包括算法原理、數(shù)學(xué)推導(dǎo)等，而忽視了實(shí)際工程應(yīng)用的重要性。這種偏向理論的教學(xué)方式導(dǎo)致學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中難以形成對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)方法的直觀理解，也無法有效地將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際問題的解決中。缺乏工程案例的課程內(nèi)容嚴(yán)重影響課程與行業(yè)的對(duì)接，使學(xué)生無法了解機(jī)器學(xué)習(xí)在實(shí)際行業(yè)中的應(yīng)用情況，導(dǎo)致他們?cè)谖磥淼穆殬I(yè)發(fā)展中難以適應(yīng)行業(yè)的需求。

1.2 教學(xué)過程缺乏實(shí)踐環(huán)節(jié)

研究生機(jī)器學(xué)習(xí)課程通常涵蓋了廣泛的理論知識(shí)和實(shí)踐技能，旨在培養(yǎng)學(xué)生利用學(xué)習(xí)到的機(jī)器學(xué)習(xí)知識(shí)解決相應(yīng)領(lǐng)域的問題。然而，傳統(tǒng)的研究生機(jī)器學(xué)習(xí)課程存在理論與實(shí)踐之間的脫節(jié)問題，例如，教師在課堂上僅講授機(jī)器學(xué)習(xí)理論知識(shí)，而沒有對(duì)算法編程、項(xiàng)目實(shí)踐進(jìn)行相應(yīng)的介紹，這將導(dǎo)致學(xué)生在將理論概念應(yīng)用于實(shí)際存在困難時(shí)，無法將學(xué)到的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為解決實(shí)際問題的能力。

1.3 教學(xué)方法缺乏多樣性

在研究生“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程中，許多教師仍然采用傳統(tǒng)的講授式教學(xué)，這雖然可以系統(tǒng)地介紹機(jī)器學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識(shí)和理論，但缺乏實(shí)踐性，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。同時(shí)，機(jī)器學(xué)習(xí)是一個(gè)可以應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域的交叉學(xué)科，包括圖像處理、自然語言處理、醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域，然而，在研究生“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程中，往往缺乏與其他學(xué)科的融合和交叉，這導(dǎo)致學(xué)生在面對(duì)實(shí)際問題時(shí)，難以將機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)與其他領(lǐng)域的知識(shí)相結(jié)合，從而限制了他們的創(chuàng)新能力。此外，單一化的教學(xué)手段可能限制了學(xué)生之間和學(xué)生與教師之間的互動(dòng)和合作機(jī)會(huì)，導(dǎo)致學(xué)生的參與度下降，從而降低了他們的學(xué)習(xí)成果和綜合能力的發(fā)展。

2 研究生“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程教學(xué)改革舉措

2.1 理論、實(shí)踐與研究前沿并重，優(yōu)化課堂教學(xué)內(nèi)容

在研究生“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程中，課程組結(jié)合CDIO工程理念，在調(diào)研多種經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)教材內(nèi)容以及最新的科學(xué)研究前沿進(jìn)展后，綜合考慮理論、實(shí)踐前沿研究對(duì)課堂學(xué)習(xí)的重要性，對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，幫助學(xué)生深刻理解機(jī)器學(xué)習(xí)的基本原理，并將其應(yīng)用到實(shí)際問題中，同時(shí)了解機(jī)器學(xué)習(xí)的前沿發(fā)展。

將機(jī)器學(xué)習(xí)課程的知識(shí)模塊歸納為3個(gè)方面的內(nèi)容：理論知識(shí)、實(shí)踐案例和前沿拓展。機(jī)器學(xué)習(xí)是一個(gè)高度理論驅(qū)動(dòng)的領(lǐng)域，學(xué)生通過學(xué)習(xí)各種機(jī)器學(xué)習(xí)算法的原理，包括監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等，從而理解它們的工作原理和適用范圍。項(xiàng)目實(shí)踐使學(xué)生能夠?qū)⒃诶碚撝v授中學(xué)到的機(jī)器學(xué)習(xí)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際問題解決中，這有助于學(xué)生更好地理解和記憶理論概念，將其轉(zhuǎn)化為實(shí)際解決方案。機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)踐通常涉及編寫代碼來實(shí)現(xiàn)和訓(xùn)練模型，學(xué)生通過實(shí)際項(xiàng)目提高編程技能，學(xué)會(huì)使用機(jī)器學(xué)習(xí)庫(kù)和工具，如TensorFlow、PyTorch等。前沿拓展是指在傳授基本理論和技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步涵蓋最新研究和發(fā)展趨勢(shì)的一部分課程內(nèi)容。前沿拓展課程使學(xué)生能夠跟蹤并了解最新的研究趨勢(shì)，包括深度學(xué)習(xí)、自然語言處理、計(jì)算機(jī)視覺等領(lǐng)域的最新進(jìn)展，并且前沿拓展課程可以激發(fā)學(xué)生的研究興趣。

課程組考慮到研究生“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程的特性，科學(xué)合理地選擇教學(xué)內(nèi)容?！皺C(jī)器學(xué)習(xí)”課程屬于多學(xué)科交叉領(lǐng)域，內(nèi)容廣泛而且會(huì)隨著各學(xué)科的發(fā)展不斷更新，同時(shí)也強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合，因此必須合理設(shè)置教學(xué)內(nèi)容，建立一個(gè)與時(shí)俱進(jìn)的知識(shí)體系以滿足課程建設(shè)的要求。對(duì)于經(jīng)典的知識(shí)點(diǎn)，可以在非核心問題上進(jìn)行有選擇的授課，著重關(guān)注算法的實(shí)際應(yīng)用。對(duì)于前沿的知識(shí)點(diǎn)，教學(xué)目標(biāo)是激發(fā)研究生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲。例如，可以引入近年來備受矚目的深度學(xué)習(xí)和大模型，逐步介紹神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)。這將幫助學(xué)生理解和掌握這一充滿活力的領(lǐng)域，同時(shí)激發(fā)他們進(jìn)一步深入研究的欲望。

2.2 注重實(shí)踐能力培養(yǎng)，豐富教學(xué)手段

利用案例驅(qū)動(dòng)法進(jìn)行研究生“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程教學(xué)，旨在通過引入一系列真實(shí)且具有深度的案例，讓學(xué)生在實(shí)踐中深入理解和掌握機(jī)器學(xué)習(xí)的核心原理與算法。這些案例應(yīng)緊密結(jié)合課程知識(shí)點(diǎn)，旨在激發(fā)學(xué)生的探索欲望和創(chuàng)新思維。通過案例分析、討論和實(shí)踐操作，學(xué)生將學(xué)會(huì)如何運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題，不斷提升自己的問題解決能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。這種教學(xué)方法強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合，有助于培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新精神，為他們?cè)跈C(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的深入研究和應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

以最新成果為導(dǎo)向開展研討式教學(xué)。機(jī)器學(xué)習(xí)理論的發(fā)展、技術(shù)演進(jìn)與應(yīng)用拓展日新月異，需要教師在課堂知識(shí)講授時(shí)引入最新的前沿學(xué)術(shù)成果介紹，比如在知識(shí)講授部分融入“智能交通”和“無人駕駛”等案例。在教學(xué)過程中要求學(xué)生根據(jù)研究興趣以3―4人的小組為單位，選擇機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用領(lǐng)域或前沿方向，閱讀至少6篇近3年的期刊或會(huì)議文獻(xiàn)，并完成文獻(xiàn)閱讀報(bào)告。

注重多師協(xié)作，加強(qiáng)教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)?！耙徽n多師”授課模式是針對(duì)同一門課程設(shè)置多名教師分擔(dān)教學(xué)任務(wù)，根據(jù)教學(xué)任務(wù)展開聯(lián)合授課，通過優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的方式，使課程立體化，豐富完善課程的知識(shí)體系，幫助學(xué)生打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。同時(shí)，利用教學(xué)團(tuán)隊(duì)的優(yōu)勢(shì)資源，發(fā)揮教師在相關(guān)研究領(lǐng)域積累的研究成果，使學(xué)生在掌握課程知識(shí)的基礎(chǔ)上加強(qiáng)科學(xué)研究素養(yǎng)。

2.3 加強(qiáng)實(shí)踐導(dǎo)向，多元化課程考核

科學(xué)合理的考核方式對(duì)于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、促進(jìn)課程教學(xué)效果的提升至關(guān)重要?；贑DIO工程理念的教學(xué)模式考核評(píng)價(jià)貫穿整個(gè)教學(xué)過程，課程的考核采用過程性考查和期末考查即創(chuàng)新實(shí)踐作業(yè)相結(jié)合的方式。

基于雨課堂進(jìn)行研究生“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程地過程性考查，可以對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的全過程進(jìn)行全面、動(dòng)態(tài)且精準(zhǔn)的監(jiān)控和評(píng)估。通過雨課堂平臺(tái)，教師能夠?qū)崟r(shí)追蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，記錄他們?cè)谡n堂上的互動(dòng)表現(xiàn)、作業(yè)完成情況以及項(xiàng)目實(shí)踐成果。雨課堂的互動(dòng)功能鼓勵(lì)學(xué)生積極參與討論，提出疑問，從而加深他們對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)理論知識(shí)的理解和掌握。同時(shí)，雨課堂提供的作業(yè)與測(cè)試管理功能使得教師可以方便地布置和批改作業(yè)，進(jìn)行在線測(cè)試，從而及時(shí)了解學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。此外，通過項(xiàng)目實(shí)踐考核，教師可以評(píng)估學(xué)生的實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。雨課堂還具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能，能夠自動(dòng)收集學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，為教師提供詳細(xì)的學(xué)習(xí)報(bào)告，幫助教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)難點(diǎn)和薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而調(diào)整教學(xué)策略，提升教學(xué)質(zhì)量。通過這一系列的過程性考查措施，雨課堂為研究生“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程的教學(xué)提供了有力的支持，確保了教學(xué)效果的持續(xù)優(yōu)化。

完成全部教學(xué)內(nèi)容后，利用創(chuàng)新實(shí)踐作業(yè)進(jìn)行研究生“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程的期末考查，具體而言，是指教師設(shè)計(jì)一項(xiàng)具有實(shí)際應(yīng)用背景和創(chuàng)新性要求的作業(yè)任務(wù)。這項(xiàng)作業(yè)要求學(xué)生綜合運(yùn)用課程中所學(xué)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和模型評(píng)估方法，解決一個(gè)真實(shí)的、具有挑戰(zhàn)性的問題。例如，可以要求學(xué)生針對(duì)某個(gè)特定領(lǐng)域的數(shù)據(jù)集，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取、模型選擇與訓(xùn)練，并最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)能夠自動(dòng)分類或預(yù)測(cè)的機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)。通過完成這樣的創(chuàng)新實(shí)踐作業(yè)，學(xué)生不僅能夠鞏固和深化對(duì)課程知識(shí)的理解，還能夠提升解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和實(shí)踐精神。同時(shí)，教師也可以根據(jù)學(xué)生的作業(yè)完成情況，全面評(píng)估學(xué)生在機(jī)器學(xué)習(xí)方面的理論水平、實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維，從而為課程教學(xué)效果提供有力的反饋。

3 結(jié)語

文章通過分析目前“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程教學(xué)過程中存在的多種問題，在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中融入CDIO工程思想，重視課程內(nèi)容的理論性、實(shí)踐性與創(chuàng)新性，優(yōu)化重組教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生在理解機(jī)器學(xué)習(xí)基本原理的同時(shí)能夠?qū)⑵渑c實(shí)際問題和前沿發(fā)展相結(jié)合；在教學(xué)過程中通過案例驅(qū)動(dòng)、研討教學(xué)、多師協(xié)作等方式豐富教學(xué)手段，使學(xué)生更好地理解機(jī)器學(xué)習(xí)的基本思想、概念，并培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力；采用過程性考查與創(chuàng)新實(shí)踐考查相結(jié)合的方式將考核評(píng)價(jià)過程貫穿整個(gè)教學(xué)過程，建立完善的教學(xué)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。通過本研究的開展，希望為研究生“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程的教學(xué)改革提供有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)和啟示，為培養(yǎng)更多具備機(jī)器學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用能力的研究生人才作出貢獻(xiàn)。

基金項(xiàng)目：2023年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研究生教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“融合CDIO工程理念的《機(jī)器學(xué)習(xí)》課程教學(xué)改革與實(shí)踐”（2023YJSJG027）。

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