新工科背景下機器學習技術與應用課程建設探索

摘"要：機器學習技術與應用是在新工科背景下，針對北京信息科技大學自動化專業(yè)學生，著眼于使其掌握機器學習技術且能進行感知、預測、規(guī)劃以及決策等數據分析功能而開設的專業(yè)課。針對知識傳授與滋養(yǎng)精神需兼顧、機器學習數理基礎要求高和因材施教等課程建設問題，融課程思政元素于教學全過程，提煉基礎、實用和前沿的理論教學內容以及基于百度平臺設置經典、半設計和創(chuàng)新設計的實踐教學內容，探索分層、分級、分組的尊重個性的教學方法。從而激發(fā)不同層次學生的學習熱情，在夯實學生理論基礎的同時，培養(yǎng)其實踐能力、創(chuàng)新思維和合作意識。實踐證明，課程建設取得良好的效果，能夠實現用“人工智能+”理念和校企合作方式賦能自動化專業(yè)人才的培養(yǎng)目標。

關鍵詞：新工科；機器學習技術與應用；課程建設；課程思政；校企合作

中圖分類號：G640"""文獻標志碼：A"""""文章編號：2096-000X（2024）36-0094-04

Abstract：MachineLearningTechnologyandApplicationsisaspecializedcoursedesignedforautomationmajorsinBeijingInformationScienceandTechnologyUniversity，aimedatenablingthemtomastermachinelearningtechnologyandperformdataanalysisfunctionssuchasperception，prediction，planning，anddecision-makinginthecontextofnewengineeringdisciplines.Inresponsetotheissuesofbalancingknowledgetransmissionandnurturingspirit，highrequirementsformachinelearningmathematicalfoundations，andindividualizedteaching，weintegrateideologicalandpoliticalelementsintotheentireteachingprocess，extractbasic，practicalandcutting-edgetheoreticalteachingcontent，andsetupclassic，semidesignedandinnovativepracticalteachingcontentbasedontheBaiduplatform.Wealsoexploreteachingmethodsthatrespectindividualitythroughlayering，grading，andgrouping.Itstimulatesthelearningenthusiasmofstudentsatdifferentlevels，whileconsolidatingtheirtheoreticalfoundation，cultivatingtheirpracticalability，innovativethinkingandcooperativeconsciousness.Practicehasproventhatthecurriculumconstructionhasachievedgoodresultsandcanachievethegoalofempoweringautomationprofessionalswiththeconceptof\"artificialintelligence+\"andschoolenterprisecooperation.

Keywords：newengineeringdisciplines;MachineLearningTechnologyandApplications;curriculumconstruction;curriculumideologyandpolitics;schoolenterprisecooperation

為主動應對新一輪科技革命與產業(yè)變革，支撐服務創(chuàng)新驅動發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略，2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，助力高等教育強國建設。新工科與新科技緊密相連、對接新興產業(yè)且體現多學科交叉[1-2]。在中國共產黨第二十次全國代表大會上，習近平總書記提出推動戰(zhàn)略性新興產業(yè)融合集群發(fā)展，構建新一代信息技術、人工智能、生物技術、新能源、新材料、高端裝備和綠色環(huán)保等一批新的增長引擎。隨著ChatGPT大模型、人型機器人和光電芯片等方面的迅猛發(fā)展，大數據、云計算、光電計算和人工智能等領域人才需求日益加劇，因此許多高校紛紛開設機器學習類課程，并且開展相關教學改革研究，推動新工科建設的前進步伐。

課程建設是學校教學基本建設重要內容，是大學內涵發(fā)展的重要抓手[3]。而且也是教育教學改革研究的重點，重視課程建設能夠提高教學水平，保證人才培養(yǎng)質量。目前，在機器學習類課程建設中，已涌現出很多優(yōu)秀教學成果。王興梅等[4]系統(tǒng)探索機器學習課程思政的設計和實施模式，為我國高校工科類課程開展課程思政提供借鑒和重要參考。劉袁緣等[5]分析了機器學習課程群建設對計算機大類學科人才培養(yǎng)及專業(yè)建設的重要作用。鄧欣等[6]根據所在學校大數據專業(yè)特點和學生實際情況，建設機器學習“金課”，通過線上實踐教學平臺等資源的建設與實施，培養(yǎng)學生的動手操作和創(chuàng)新能力。以“金課”建設為目標，翟懿奎等[7]打造以專業(yè)能力為導向的機器學習知識結構，提出相關的建設路徑和教學方法，用以探索課程的改進思路。以面向工程應用為目標，張旭東[8]實踐寬口徑、通用性和專業(yè)性兼顧的機器學習教程和教材的建設。針對新質生產力要求背景，焦文華等[9]提出機器學習創(chuàng)新培養(yǎng)教學方案和教學評價方案。基于百度平臺，徐國艷等[10]和方艷梅等[11]分別開展機器學習課程實踐教學和提出機器學習研究生高階課程培養(yǎng)方案。以智能制造領域為例，李潔等[12]開展機器學習實踐教學研究。張恒[13]、叢山等[14]、余波[15]和張嘉焱等[16]分別從產學融合、科教融合、成果導向和項目實戰(zhàn)角度展開機器學習課程建設研究。

機器學習類課程儼然已經成為新工科教育的建設熱點和發(fā)展趨勢。針對北京信息科技大學（簡稱“我?！保┓侨斯ぶ悄軐I(yè)的學生，及時擴充其知識面，用“人工智能+”理念賦能專業(yè)培養(yǎng)迫在眉睫。所以，在新工科背景下，立足我校應用型大學人才培養(yǎng)目標，進行機器學習技術與應用課程建設探索，著力培養(yǎng)具有積極向上的價值觀和家國情懷，掌握學科交叉與深寬兼?zhèn)涞膶I(yè)知識及技能，具備持續(xù)學習能力的復合創(chuàng)新型卓越工程人才勢在必行。

一"課程建設設計

（一）"課程思政建設

教育的根本任務是在知識傳授過程中需更加關注學生的精神世界，促進其精神力量的健康成長。在機器學習技術與應用課程的理論教學和實踐教學中恰當地融入課程思政內容，形成知識與價值雙驅動的思政教學特色。使得學生在夯實機器學習基礎的同時，堅定信念且崇尚工匠精神，擁有民族自豪感，成為德才兼?zhèn)淝铱蠐褡鍙团d大任的時代新人。

（二）"教學內容建設

機器學習內容數理基礎要求較高，且機器學習技術涉及的范圍寬泛，迭代更新速度快。針對不同層次的學生，在機器學習技術與應用課程教學內容中，兼顧基礎性、實用性和前沿性理論教學內容，設計不同的基礎知識課前預習、課堂講解、課下閱讀資料；篩選逐層遞進的機器學習導論、機器學習基礎理論、機器學習經典算法、機器學習現代算法（深度神經網絡、卷積神經網絡和深度強化學習）和機器學習前沿；設置不同層次的實驗，包括經典驗證性實踐案例、面向實際應用的半設計實踐案例、面向實際應用的創(chuàng)新設計實踐案例相結合的實踐教學內容，使得學生在掌握主要機器學習算法及應用的同時，激發(fā)其學習熱情且提升其創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

（三）"教學方法建設

面對不同層次的學生采用統(tǒng)一的教學方法不適合因材施教，所以采用分層次的教學方法，滿足非人工智能專業(yè)不同層次學生的知識獲取需求。并且采用案例教學引領的分級實踐教學方法，使得學生能夠學以致用，激發(fā)更大的學習熱情。采用項目分組式管理教學方法，培養(yǎng)學生的系統(tǒng)思維以及互利互助的合作意識。

二"課程建設實踐

面向新工科建設人才培養(yǎng)目標，針對自動化專業(yè)學生，采用教學思想統(tǒng)領教學內容和教學方法的研究思路，進行機器學習技術與應用課程建設探索性研究。首先，在教學過程中融入思政教育，開拓學生視野、增強民族意識、培養(yǎng)敢于擔當的精神。其次，對理論教學內容和實踐教學內容進行篩選精煉，提煉出基礎、實用和前沿的理論教學內容和經典、半設計和創(chuàng)新設計的實踐教學內容，夯實學生理論基礎的同時，培養(yǎng)其實踐能力、創(chuàng)新思維和合作意識。進而，探索分層、分級、分組的尊重個性的教學方法，激發(fā)不同層次學生的學習熱情，收到良好的教學效果。課程建設探索研究方案如圖1所示。

圖1課程建設探索方案示意圖

（一）"融入課程思政教育

習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調“把思想政治工作貫穿教育教學全過程”。育人先育德，在機器學習技術與應用課程中有效融入正能量，弘揚社會主義核心價值觀，潤物細無聲式對學生的思想意識、行為舉止產生影響，升華其思想和境界，激發(fā)持續(xù)學習的動力，引領具有終身學習能力的復合型創(chuàng)新型人才，探索具有智能自動化特色的課程思政教育。采用理論教學課程思政和實踐教學課程思政相融合的方式，從而培養(yǎng)家國情懷、培養(yǎng)學生全局視角和深度思考能力、培養(yǎng)協(xié)同創(chuàng)新的探索精神、培養(yǎng)知行合一且堅持不懈的鉆研精神、培養(yǎng)工匠精神和科學思維，形成深度和廣度兼?zhèn)涞木哂兄悄茏詣踊厣乃颊逃?。部分課程思政教育案例內容見表1。

（二）"精煉課程教學內容

對機器學習技術與應用課程理論教學內容和實踐教學內容進行篩選精煉。提煉出基礎、實用和前沿的理論教學內容和經典調參、半程序設計和創(chuàng)新設計的實踐教學內容，為非人工智能專業(yè)機器學習課程教學內容提供借鑒。

機器學習是研究怎樣使用計算機模擬或實現人類學習活動的科學，是人工智能中最具智能特征、最前沿的研究領域之一。除了傳統(tǒng)的機器學習方法之外，大數據環(huán)境下機器學習在計算機視覺、自然語言處理、生物特征識別、搜索引擎和自動駕駛等領域大展身手，其中深度學習和強化學習算法備受關注。針對自動化專業(yè)的學生，充分參考現有的國內外教學資源和教材，課題組在理論教學環(huán)節(jié)篩選精煉傳統(tǒng)機器學習算法、深度學習算法和強化學習算法以及應用實例，增強課程內容的系統(tǒng)性、實用性和新穎性；在實踐教學環(huán)節(jié)，設置經典、半設計和創(chuàng)新設計的實踐教學內容，增強課程內容的實用性和創(chuàng)新性。教學內容框架示意圖如圖2所示。

圖2教學內容框架示意圖

1"選取代表性基礎機器學習算法

在授課過程中，及時補充相關的統(tǒng)計學、信息論、神經網絡和隨機過程等基礎知識。并且由于課時有限，針對傳統(tǒng)的機器學習方法——決策樹、支持向量機、人工神經網絡和貝葉斯學習等算法進行分類和回歸兩類篩選，選取代表性機器學習算法，夯實學生機器學習技術方面的基礎。其中代表非監(jiān)督學習的聚類算法作為自主選學內容，以便滿足不同層次學生的知識獲取需求。

2"優(yōu)選實用性強的機器學習算法

在眾多機器學習方法中，針對當今大數據環(huán)境，優(yōu)選實用性強且應用廣泛的機器學習算法，譬如深度神經網絡、卷積神經網絡、循環(huán)神經網絡、深度強化學習和遷移學習等技術和方法。這些算法充分體現了當代機器學習技術發(fā)展的迅速，進而培養(yǎng)學生知識快速迭代的意識和快速掌握新技術的能力，使授課內容保持先進性。

3"充實前沿機器學習技術成果

及時融入最新的機器學習領域和智能自動化領域的前沿技術成果，進而充實深化機器學習技術內容，立足科學前沿，使課程內容源于教材但高于教材，激發(fā)學生的學習熱情，并且培養(yǎng)學以致用和知行合一的理念。

4"設置不同難度的實踐教學內容

為了實現教學目標，達到良好的教學效果，機器學習技術與應用課程將理論教學與實踐教學緊密結合。實踐教學部分不僅依賴強大的實驗平臺和充沛的算力資源，而且設置合理先進的實驗內容?；诎俣绕脚_，并考慮到學生的基礎和自學能力不同，設置經典調參、半程序設計和完全創(chuàng)新設計的實踐教學內容。實現目標檢測和自動駕駛感知或規(guī)劃控制等實踐，為后續(xù)學生進行智能自動化領域的感知、規(guī)劃、決策和控制方面的設計奠定基礎。邀請百度工程師定期開展相關技術培訓和線上答疑，從而使得學生深入理解理論教學內容的同時及時掌握行業(yè)應用現狀且鍛煉動手實踐能力，為后續(xù)創(chuàng)新實踐和工作奠定堅實基礎。

（三）"改進課程教學方法

機器學習技術與應用是涉及統(tǒng)計學、隨機過程、神經科學、控制理論和計算機編程等多門學科的交叉性課程，如何針對非人工智能專業(yè)的學生，在有限的課時內，兼顧到不同水平的學生，滿足不同層次學生的學習需求，是授課過程中的主要問題。面向新工科建設，探索分層、分級、分組的尊重個性的教學方法。不但滿足不同程度學生的學習需求，而且激發(fā)不同層次學生對機器學習技術與應用課程的學習熱情，形成個性鮮明的教學理念。采用分層次的教學方法，滿足非人工智能專業(yè)不同層次學生的知識獲取需求。并且采用案例教學引領的分級實踐教學方法，使得學生能夠學以致用，激發(fā)更大的學習熱情。并且采用項目分組式管理教學方法，培養(yǎng)學生的系統(tǒng)思維以及互利互助的合作意識。

1"分層次教學方法

采取合適先進的分層次教學方法，因材施教，從而激發(fā)學生的學習興趣。在確保大部分學生掌握全部知識的基礎上，前瞻引領優(yōu)秀的學生，激勵落后的學生。對于數理基礎薄弱、學習能力差的學生，提前發(fā)講義預習且線上答疑，幫他們夯實相應的基礎。對于基礎好的同學，老師推薦各種機器學習領域及智能自動化領域的優(yōu)秀期刊、會議、線上課程和百度AIStudio線上項目，引導學生自主學習拓寬知識面。

2"分級實踐教學方法

基于百度實踐平臺，針對目標檢測和自動駕駛感知實踐，設置不同層級的實踐教學內容。要求全部完成經典調參實踐，鼓勵大部分同學實現部分功能缺失半編程設計實踐，啟發(fā)少部分優(yōu)秀學生利用課余時間實現完全創(chuàng)新設計實踐，激發(fā)學生的好奇心，并且培養(yǎng)綜合實踐創(chuàng)新能力。

3"分組式管理教學方法

在理論教學案例討論和實踐教學項目實戰(zhàn)中，將班級學生進行分組管理，組長和組員分工協(xié)同配合。不但提高教學效率，而且激發(fā)同組學生共同面對問題互利互助的精神，培養(yǎng)學生的系統(tǒng)思維和管理能力。

三"課程建設成效

基于理論教學中認知提升和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)以及實踐教學中合作意識和勇于創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，在后續(xù)項目實戰(zhàn)創(chuàng)新實踐、畢業(yè)設計實踐環(huán)節(jié)和學科競賽等方面均取得良好的成效。針對智慧工廠中的罐裝質檢、智能家居中的安全監(jiān)控以及自動駕駛小車的目標識別等創(chuàng)新實踐，學生采用先進的機器視覺方法取得了精準效果。并且基于國家重點研發(fā)計劃課題和企業(yè)委托課題開設了機器人路徑規(guī)劃、三維圖像重建、物體識別以及時序預測等畢業(yè)設計課題，不僅激發(fā)了學生科學研究的熱情、鍛煉了知行合一的創(chuàng)新實踐能力，而且也培養(yǎng)了學生精益求精的鉆研精神。同時，在2023年中國機器人及人工智能大賽的“智慧藥房”機器人任務挑戰(zhàn)賽和“城市道路識別”機器人應用賽中分別獲得國家級一等獎和二等獎的優(yōu)異成績。上述成果儼然表明機器學習技術與應用課程建設卓有成效。

四"結束語

本文面向新工科建設人才培養(yǎng)目標，針對自動化專業(yè)學生，采用思政教育建設統(tǒng)領教學內容和教學方法建設、教學內容建設和教學方法建設相互促進的研究思路。課程思政建設貫穿機器學習技術與應用課程理論教學和實踐教學全過程，教學內容建設和教學方法建設融合統(tǒng)一，系統(tǒng)性、實用性、新穎性的教學內容彰顯先進的教學方法理念，同時，個性鮮明的教學理念增強了教學內容建設的深度和廣度，并且取得了良好的課程建設效果，從而為新工科背景下自動化專業(yè)進行機器學習技術與應用課程建設探索研究提供了新思路。

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基金項目：北京信息科技大學2022年度高教研究課題資助“新工科背景下《機器學習技術與應用》課程建設探索”（2022GJYB18）；教育部產學合作協(xié)同育人項目“面向創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的控制工程綜合實踐平臺建設”（231100682102610）；北京市高等教育學會項目“面向成果導向的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育評價機制探索與研究”（YB202190）

第一作者簡介：于鏑（1977-），女，漢族，黑龍江安達人，博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為智能決策。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.36.022