鄧 欣，孫開偉，王 進，杜雨露，段小林，張 浩

（重慶郵電大學計算機科學與技術學院，重慶 400065）

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)技術的快速發(fā)展，人們的思維、生產(chǎn)和生活方式正在發(fā)生著深刻改變。大數(shù)據(jù)技術與各行業(yè)深度融合，在社會生活的各方面得以廣泛應用并起到了重要作用，產(chǎn)生了巨大的社會效益和商業(yè)價值。近幾年來，我國大數(shù)據(jù)市場營收規(guī)模不斷增加，大數(shù)據(jù)相關的各類市場前景非常廣闊，社會對大數(shù)據(jù)人才的需求顯得尤為迫切［1］。同時，大數(shù)據(jù)行業(yè)的應用在不斷變化，企業(yè)所需求的人才種類也隨著市場的變化不斷演變，因此各行各業(yè)對大數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)提出了更高要求。此外，《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020 年）》明確指出要培養(yǎng)和提升交叉學科人才，尤其是在信息技術、生物技術、大數(shù)據(jù)智能和能源資源等領域中培養(yǎng)出既精通數(shù)學理論知識，又掌握信息技術并能熟練應用的復合型人才。由此可見，大數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)已納入國家人才發(fā)展規(guī)劃。

近年來，數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術專業(yè)（本文簡稱為“大數(shù)據(jù)專業(yè)”）發(fā)展迅速。據(jù)統(tǒng)計，在2016-2021 年五年間全國691 所本科院校獲批新增大數(shù)據(jù)專業(yè)［2-3］。大數(shù)據(jù)專業(yè)是融合了統(tǒng)計學、數(shù)學和計算機3 個學科的交叉專業(yè)，如何讓學生綜合運用多學科知識與核心技術以解決大數(shù)據(jù)相關理論和工程實際問題是培養(yǎng)大數(shù)據(jù)專業(yè)人才的關鍵。因此，對于大數(shù)據(jù)專業(yè)學生培養(yǎng)，就是要根據(jù)其多學科交叉融合的特點，培養(yǎng)學生跨學科的理論功底和實踐能力、培養(yǎng)學生被動學習到主動學習的自主學習能力。這些能力正是當下以及未來社會發(fā)展對大數(shù)據(jù)專業(yè)人才的要求，這是高校在制定人才培養(yǎng)方案時必須充分考慮的問題。因此，要根據(jù)社會需求設定專業(yè)要求，根據(jù)專業(yè)要求培養(yǎng)學生的理論功底和實踐能力。

在大數(shù)據(jù)專業(yè)的眾多核心課程中，機器學習課程所講授內(nèi)容是數(shù)據(jù)分析的核心技術，該課程不僅是該專業(yè)的必修課程，而且越來越多的高校將其作為本科計算機學科下其他專業(yè)的限選或選修課［4-6］。但是該課程難度較大，本科生要熟練掌握基礎知識和重要算法編程，他們與研究生相比有一定欠缺。同時，機器學習課是一門融合了多個學科且理論性較強的專業(yè)課，學生在學習該門課之前必須學習高等數(shù)學、概率與統(tǒng)計、矩陣論、高級語言程序設計等多門先修課程，對學生的知識廣度、深度和實際應用能力要求較高。因此，對本科生進行機器學習課程的理論講解和實踐指導具有很大挑戰(zhàn)性。針對本科生的理論知識和動手能力，如何將數(shù)學理論知識和編程實踐能力結(jié)合在一起，提高學生學習興趣、增強學生實際動手能力和創(chuàng)新能力，是目前該門課程教學中需要解決的問題。

針對以上教學中面臨的實際問題，本文首先分析機器學習課程教學現(xiàn)狀，列舉出當前教學方式和考核方式等方面存在的不足；其次，針對該課程的一些薄弱環(huán)節(jié)提出新的建設內(nèi)容，包括“線上”“線下”融合的教學模式、以賽促學教學模式等；再次，根據(jù)所提出的建設內(nèi)容進行教學實踐，從而將所提出的方法應用于實際教學；最后，對實際教學效果進行總結(jié)，證明本文所提出的教學方法在實踐中的有效性。

1 機器學習課程教學現(xiàn)狀

機器學習課作為一門較新的課程，近幾年受到了廣泛關注，越來越多的專業(yè)開設了這門課。該課程是一門多學科交叉課程，包含了概率、統(tǒng)計、凸優(yōu)化方法、數(shù)學建模和程序設計等多學科知識。其教學目的首先是使學生理解和掌握機器學習算法的思想和基本原理；其次，使學生能根據(jù)算法模型進行編程并實現(xiàn)；最后，要求學生根據(jù)實際問題采用合適的機器學習算法進行工程實踐。該門課對培養(yǎng)學生的數(shù)學應用能力和編程能力非常重要，但在實際教學過程中卻面臨諸多不足，主要表現(xiàn)為以下幾點：

（1）教學方式較為傳統(tǒng)。該門課目前主要的教學方式是教師作為教學的主體，即教師臺上“廣播式”地講，學生在座位上被動地聽，也即傳統(tǒng)的“填鴨式”教學［7］。由于機器學習這門課所涉及的概念、定義和公式較多，學生聽課時很容易感到枯燥和厭煩，甚至聽久了有排斥心理，導致其集中精力的時間不長，容易分心走神，在很大程度上降低了教學效果。此外，該門課的算法涉及大量的理論公式，容易導致學生雖然能理解其原理，但是卻不知道如何在實際中加以應用［8-9］。因此，如果學習時間長，學生容易對該門課的理論缺乏興趣，失去學習熱情。此外，教師在課堂上大多使用電子課件進行講授，容量大、速度快，使得學生對所學內(nèi)容記憶不深刻，對該門課程的認識不到位，對于課程能否有助于學生的后續(xù)發(fā)展有所疑慮，從而導致學生的抵觸情緒。

（2）課程考核方式較為單一。目前，該課程考核主要以期末理論考試為主，因此多數(shù)學生平時在課后很少復習理論知識，等到了期末時再花半個月的時間進行突擊復習以應付考試。在實踐方面，雖然該門課在課后題配有上機實驗練習題，但是時常發(fā)生相互抄襲的現(xiàn)象。此外，由于該門課的實驗課是安排在理論課之后，主要實驗內(nèi)容是對基本算法進行實現(xiàn)，實驗模式大多是以單個學生為主，學生不組成團隊，不利于培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作能力和有效的學術溝通能力，與計算機學科類的工程專業(yè)認證所要求的團隊協(xié)作能力和解決復雜工程能力的培養(yǎng)要求不相符。該課程實驗課所涉及的內(nèi)容相對較簡單，學生常常以調(diào)用程序得到結(jié)果為目標，不能讓學生看到近年來所學內(nèi)容廣泛的應用場景和未來廣闊的應用前景。

（3）基礎知識容易被遺忘。大多學校針對本科三年級學生開設，而一些基礎知識，如高等數(shù)學、數(shù)理統(tǒng)計和高級語言程序設計等基礎課程在一、二年級已經(jīng)學完。在學習該門課時，很多基礎知識已被學生遺忘，學生需要花一定量的時間進行復習，降低了學習效率。學生在之前學習編程語言時掌握的熟練程度不一樣，導致較差的學生在實驗時無法自如編寫程序完成實驗，特別是涉及凸優(yōu)化方法和矩陣運算時，學生在理論理解和編程上比較吃力，加劇了學生的抵觸情緒，也容易導致代碼抄襲現(xiàn)象發(fā)生。

（4）教學內(nèi)容多且難度大。機器學習課程主要講述各種機器學習算法，包括線性回歸、決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機、貝葉斯方法、KNN、K-Means 等，其中每一種機器學習算法都是大數(shù)據(jù)專業(yè)學習中必不可少的基礎［10］。在課堂講授過程中，一般只講授必學單元的基本知識點和公式的推導過程。由于內(nèi)容多、學時相對有限，對于各知識點在實際生產(chǎn)生活中的應用與拓展，難以有足夠的時間進行講解，常常導致與工程型人才培養(yǎng)目標有較大差距。

2 課程建設內(nèi)容

針對機器學習課程教學現(xiàn)狀的不足，為提高教學質(zhì)量，學校對該門課程進行了“線上—線下”混合式金課建設。課程的金課建設采用了多種教學模式，同時結(jié)合其特點融入“課程思政”的內(nèi)容，在教學過程中著力體現(xiàn)教學方式的靈活性。通過“線上—線下”混合式的教學模式，使學生在理論知識學習和實踐應用方面擁有全新的認知。通過對教學方式的不斷改進，使教學內(nèi)容逐步完善，從而促進學生對理論知識的理解、掌握和實踐應用。首先，通過線上資源學習、線下課堂授課方式營造活躍的線上線下學習氛圍；其次，采用線上線下同步實踐教學方式，提高學生應用能力；再次，鼓勵學生參加各種實踐活動，例如參加計算機行業(yè)認證、大數(shù)據(jù)競賽等，讓學生在掌握理論知識的基礎上，鍛煉其解決復雜問題的綜合能力。課程內(nèi)容建設主要為以下幾方面：

（1）線下金課教學。機器學習課是大數(shù)據(jù)專業(yè)的重要課程之一，需要學生具備一定的數(shù)學理論知識。在教學過程中，傳統(tǒng)的課堂教學模式主要是教師講解，學生被動接受，難以讓學生體驗到課程的趣味性，較容易使學生分心而跟不上授課節(jié)奏，從而產(chǎn)生畏難情緒以至于失去興趣和信心。為了避免這種情況的發(fā)生，在線下教學活動中增加了師生互動環(huán)節(jié)?；迎h(huán)節(jié)的增加，需要教師在課前投入更多的精力備課，設計合適的互動議題；需要教師在授課過程中對課堂的掌控游刃有余，在適當時使用嚴肅或者幽默的語言、在黑板上進行嚴謹?shù)耐茖В捎弥w語言等方式吸引學生注意力；需要教師采用啟發(fā)式教學方法，在課堂上以學生為中心，讓學生在學習過程中參與教學，成為教學的主人翁，達到和教師默契配合的效果。課后要留充足的時間給學生進行自學和思考。因此，打造線下金課教學模式，有助于提高課程授課質(zhì)量，促進師生間的溝通。

（2）線上金課教學。機器學習課是一門新興的課程，其所對應的配套教材較為匱乏?？刹捎卯斍拜^為流行的慕課等線上學習資源，讓其作為“線上—線下”教學的主要形式之一，對推動課程改革起到關鍵作用［11-13］。授課教師可以充分借鑒和學習慕課所提供的在線教學資源，熟悉相關教學情況，不斷完善和提升教案與教學內(nèi)容，不斷夯實自身教學水平。在教學中增設慕課等在線教學內(nèi)容，可以使有限的教學資源更加豐富，使學生在課前和課后更加靈活地安排學習時間，便于他們更好地進行預習和復習，提高學生學習興趣和課程教學質(zhì)量。因此，要熟練使用慕課等線上資源，就需要教師利用更多的時間去研究教學各環(huán)節(jié)，了解和關注學生在學習過程中的狀態(tài)，才能更好地打造線上金課。課程資源建設分為線下資源建設和線上資源建設。線下資源建設主要由教師備好理論課講授內(nèi)容，包括PPT、視頻、教案、綜合實踐項目等；線上資源建設要求教師尋找合適的慕課平臺，熟悉線下內(nèi)容的缺失部分，將線上內(nèi)容當作線下內(nèi)容的補充，利用線上資源作為學生課前預習的材料和課后復習鞏固的資料等。除現(xiàn)有的網(wǎng)絡免費公開課外（慕課、網(wǎng)易公開課、國內(nèi)外著名高校公開課），本項目還將針對學生特點建設自己的線上學習平臺，并在以下3 個網(wǎng)站上線：www.educoder.net（頭歌科技）、www.4paradigm.com（第四范式）、www.kesci.com（和鯨科技）。其中，為培訓學生參加大數(shù)據(jù)競賽而建設的在線課程體系的在線資源在“頭歌科技”網(wǎng)站上已經(jīng)使用了兩年，學生可通過該平臺進行課下的線上理論學習和實踐編程。通過在該平臺上練習，學生在以后的競賽和工程項目表現(xiàn)上較為突出，取得了良好效果，該平臺的線上學習內(nèi)容如表1 所示。

Table 1 Learning material on online platform表1 線上平臺學習內(nèi)容

（3）以賽促學的金課教學。機器學習課是一門實踐性較強的課程，除理論學習外還要鼓勵學生積極參加各種競賽和科創(chuàng)活動，接觸來自于實際生產(chǎn)生活中的最新技術和前沿問題，引導學生激發(fā)創(chuàng)新意識，增強理論知識的實際運用能力，達到學以致用的目的。作為一個較為有效的教學手段，以賽促學是要積極組織學生參與競賽。為了使學生踴躍參加競賽，需要有一定的競賽激勵機制鼓勵其積極報名［14］。在實施過程中，將與專業(yè)契合度高的知名大數(shù)據(jù)競賽成績作為一部分實踐課程考核成績，學生可以用獲獎（國家級獎勵）或者競賽排名（前2%以上）抵扣一部分實踐學分。在學習過程中，鼓勵學生學習該門課的同時參加各種競賽，進一步提高學生主動探究、分析和解決問題的能動性、實際動手能力和團隊合作能力。此外，鼓勵學生參與的競賽要規(guī)模大、知名度高、獎金金額較高、組織保障到位，從而保證學生有良好的參賽體驗，讓其在參賽中有所收獲，從而提高學生在專業(yè)領域的競爭力及職業(yè)素養(yǎng)。

3 教學實施

按照金課要求，課程教學要以學生為中心，充分體現(xiàn)高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。機器學習課程采用大班授課，案例式教學。實際案例要針對理論知識選擇難度適中的案例。根據(jù)實際情況，從Sklearn 自帶的簡單數(shù)據(jù)集，例如鳶尾花、乳腺癌、糖尿病、波士頓房價數(shù)據(jù)集等開始，鼓勵學生組成2～3 人的團隊進行算法驗證和數(shù)據(jù)分析，要求學生持續(xù)記錄開發(fā)進程，記錄不同機器學習算法所得到的結(jié)果。學生可以使用現(xiàn)有的開源軟件機器學習工具，例如Keras、PyTorch 等。使用這些工具可以減少學生代碼書寫量，學生只需要調(diào)用相應的工具包便能實現(xiàn)，可以使學生將更多的時間投入到對問題解決思路的思考中去。授課內(nèi)容較簡單的部分可以采用翻轉(zhuǎn)課堂方式，教師在課堂上負責引導學生，而學生作為教學的主體把控整個課堂教學過程。這樣更能調(diào)動起學生的積極性、發(fā)揮學生的想象力、培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維。本門課所采用的教學方法可表現(xiàn)為以下幾方面：

（1）案例驅(qū)動式教學。案例驅(qū)動式教學，就是對知識點的講解通過實際例子引入從而歸納出相應的概念和觀點。教師在課堂上主要講解各理論的數(shù)學原理，教會學生梳理各算法思想和計算過程，抓住算法的優(yōu)劣等性質(zhì)，掌握其實際應用場景。例如，在對樸素貝葉斯分類器進行講解時，教師首先給出垃圾郵件檢測案例，在該案例中，首先通過人工標注每封郵件是否為垃圾郵件，然后通過這些標注好的郵件對樸素貝葉斯模型進行訓練，最后對新來的郵件進行預測。該案例中，學生可以分析垃圾郵件的特點，圍繞機器學習處理該問題的步驟以學習特征的權(quán)重，并引出課堂教學內(nèi)容。

（2）討論式教學。教學過程要顛覆傳統(tǒng)的“填鴨式”灌輸知識方式，注重培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。分析問題時，可以讓學生嘗試利用已有知識提出解決方案，組織學生討論方法的可行性等。例如，對于決策樹分類器，讓學生嘗試不同的劃分選擇方法，進而掌握“信息增益”“增益率”和“基尼指數(shù)”的區(qū)別，并針對不同的“減枝方法”分析“預減枝”和“后減枝”的分類效果，進一步理解決策樹的各種參數(shù)設定對分類效果的影響。

（3）教學全過程考核。單一的期末考試不能真實反映學生系統(tǒng)性的學習效果，因而將這門課的考核貫穿到教學全過程，從而對學生的綜合能力進行考察。除期末考試外，綜合考慮學生在課堂教學中的積極性，將平時課堂討論納入平時成績，細化課后實踐，將課后項目成果也納入總分。最終，學生成績包括多個教學環(huán)節(jié)的綜合評定，如表2 所示。

Table 2 Methods for score evaluation表2 學生成績評定方式

（4）基礎知識強化。針對學生對一、二年級所學基礎知識有所遺忘的現(xiàn)象，對于難度較小的知識，教師可以在課前布置需要復習的內(nèi)容；對于難度較大的知識，需要教師在課堂上進行講解復習，幫助學生理解和消化。此外，教師可以通過QQ、微信等通信工具創(chuàng)建學習群，可以將相關文字和視頻資料上傳供學生下載學習。教師可在群中針對學生提出的問題進行解答，這樣學生便不會因為問題不斷積累卻得不到及時解答從而喪失學習興趣，最終放棄該門課的學習。

4 教學成果

學生通過“線上—線下”教學模式對該課程進行學習后，加以競賽和項目實踐，達到“程序設計+軟件開發(fā)+數(shù)據(jù)工程”的教學目的，使學生掌聲理論知識并擁有實踐能力。同時，學院組織實施了“CSA 云行”工作室進行課外計算機能力訓練，將“CCF CSP”認證列入專業(yè)培養(yǎng)方案，將學科競賽納入實踐課程“多選一”考核范圍等措施，形成了“課內(nèi)教學+課外訓練+學科競賽”三位一體的實踐教學模式，課內(nèi)外協(xié)同，全方面、多維度強化學生工程能力培養(yǎng)。此外，學院也協(xié)同學校學工部門開展課外工程能力訓練、學科競賽指導，建立了專業(yè)教師技術負責、輔導員流程管控、研究生及高年級學長助教團隊分組指導的課外訓練項目運行管理機制，保證了5～8 人的小組互動研討式課外實踐教學模式有效落地，探索出了一條工程實踐教學改革新路，走在了全國高校前列。

在教學中，推行實踐教學全過程學業(yè)評價，交流效果、線上測評、實驗報告、技術答辯、帶隊成效等多維度考核手段并重。針對課程項目獨立制訂查重扣分標準和查重代碼庫，全面引入MOSS 系統(tǒng)進行實驗項目代碼查重；在“數(shù)據(jù)工程”方向的實踐課程群全面引入阿里云天池、Data-Fountain 等國內(nèi)權(quán)威大數(shù)據(jù)競賽平臺線上測評體系，實現(xiàn)了對學生實踐課程學習效果的客觀指標評價，從評價體系上保障了“科賽一體”實踐教學的全面開展。

在教學中，堅持“程序設計+軟件開發(fā)+數(shù)據(jù)工程”領域創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐活動，鼓勵學生專業(yè)競賽超過100 余人次，在代表國內(nèi)高校最高水平的大數(shù)據(jù)算法競賽“中國高校計算機大賽——大數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)賽”中，獲得冠軍2 次（蟬聯(lián)2019年、2020 年冠軍）、季軍1 次，在國內(nèi)大數(shù)據(jù)與人工智能領域最具影響力的賽事“CCF 大數(shù)據(jù)與計算智能大賽”中獲得冠軍3 次、亞軍2 次、季軍2 次，大數(shù)據(jù)算法競賽水平位居全國前列。學生積極參與教師科研和工程課題，20 余項成果被多家企事業(yè)單位采用，產(chǎn)生了良好效益。并且，教學成果多次受各種媒體報到。2020 年9 月，重慶日報、新華網(wǎng)、重慶市教委官網(wǎng)、南岸區(qū)人民政府相續(xù)報道了重慶郵電大學蟬聯(lián)“中國高校計算機大賽——大數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)賽”冠軍的情況；2020 年11 月19 日，重慶日報報道重慶郵電大學獲得“2020 華為云重慶軟件創(chuàng)新大賽”唯一的一等獎；2021 年4月24 日，騰訊網(wǎng)、搜狐新聞、上游新聞等媒體報道了“2021華為開發(fā)者大會”，指出與華為合作打造的“智能基座”產(chǎn)教融合協(xié)同育人基地在大數(shù)據(jù)智能創(chuàng)新研究和人才培養(yǎng)方面一直走在國家前列。

5 結(jié)語

本文針對大數(shù)據(jù)專業(yè)機器學習校級金課建設，分析了該門課當前教學方式方法上的不足之處，針對不足提出了新的課程建設內(nèi)容，即構(gòu)建線上實踐教學平臺，通過線下講理論、線上實踐練習、課后課賽結(jié)合的方式對該門課進行建設。實際教學效果表明，依托線上實踐平臺，學生不僅能對理論課上所學的理論知識進行更深入的理解，還能對各種理論算法加以實際應用，并在實踐過程中進行團隊協(xié)作，從而達到了使學生動腦、動手又動口的學習效果。通過該門課的學習，學生不僅在學業(yè)考試上取得好成績，在參加與機器學習相關的各類競賽上非常踴躍，并且大量獲獎。這充分說明依托線上實踐平臺打造機器學習金課能充分激發(fā)學生的興趣與積極性，真正使學生在教學中占主體地位。