張強 牛天林 邵思羽 李大喜 楊新宇 趙玉偉

摘? 要：教育信息化的發(fā)展使當(dāng)前高等教育教學(xué)模式發(fā)生巨大的變革，文章通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與應(yīng)用課程現(xiàn)狀和混合式教學(xué)模式探索分析指出線上線下相結(jié)合的必要性，根據(jù)課程特點和突出學(xué)員“學(xué)”為主體的教學(xué)理念，采用“綜合審視、合理混合，理實一體、突出創(chuàng)新”的思路創(chuàng)新課程教學(xué)方法，并以以往實踐經(jīng)驗舉措為例，旨在為此類課程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：線上線下;混合教學(xué);研究生課程;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與應(yīng)用

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）14-0066-04

Abstract： The development of nowadays-educational informationization has caused a huge change in the teaching model of the current higher education. This paper points out the necessity of combining online and offline through the exploration and analysis of the current situation ofthe course of Neural Network Theory and Application and the hybrid teaching mode. Based on the teaching philosophy of highlighting students' learning as the main body， it adopts the ideas of "comprehensive review， reasonable mixing， integration of theory and practice， and highlighting innovation" in innovative curriculum teaching methods， and take spast practical experience measures as examples， aiming to provide reference for such courses.

Keywords： online and offline; mixed teaching; graduate programs; Neural Network Theory and Application

隨著多媒體信息技術(shù)的發(fā)展與互聯(lián)網(wǎng)信息化平臺的建設(shè)完善，基于“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的教學(xué)模式有效推動各學(xué)科的教學(xué)改革。為了滿足《國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》要求、提升高校教育教學(xué)質(zhì)量，高校教師需要積極更新教學(xué)理念、嘗試教育信息化新方式創(chuàng)新教學(xué)方法，提高教師教學(xué)效果與學(xué)生學(xué)習(xí)效率。尤其是2020年新冠肺炎疫情的爆發(fā)，為了有效控制疫情的傳播、保障學(xué)生以及教育工作者的健康安全，教育部提倡線上教學(xué)的方式，此次全國范圍內(nèi)的線上教學(xué)模式探索也給予教育工作者一次自身教學(xué)模式思考與審視的機會。

一、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與應(yīng)用課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與應(yīng)用是以人工智能領(lǐng)域中傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和當(dāng)下研究熱點——深度學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)為知識對象，講授理論及其應(yīng)用的一門課程。作為一門研究生課程，其具有輻射影響面寬、知識更新快及理論與實踐一體化等鮮明特點，對于研究生學(xué)員科研學(xué)術(shù)工作具有重要的基礎(chǔ)和服務(wù)作用。人工智能是當(dāng)今大數(shù)據(jù)時代高新科技行業(yè)最為關(guān)注的研究熱點之一，它是一門具有時代特點的前沿交叉學(xué)科，涉及計算機軟硬件、數(shù)學(xué)、概率統(tǒng)計、機器學(xué)習(xí)、自動化和語言學(xué)等多個領(lǐng)域，傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及當(dāng)下的深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為人工智能應(yīng)用的重要手段之一，經(jīng)歷了不同時期的階段性發(fā)展，理論知識涵蓋面廣;隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，越來越多的科技工作者關(guān)注并促進著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與應(yīng)用的革新，一代代新模型、新算法不斷涌現(xiàn)使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)知識與技術(shù)更新速度極快;同時，從研究生能力與素質(zhì)培養(yǎng)角度出發(fā)，課程理論知識體系的構(gòu)建是研究生培養(yǎng)的基礎(chǔ)，編程實踐是能力培養(yǎng)的途徑，最終目的則是培養(yǎng)能夠發(fā)現(xiàn)問題、分析問題以及解決問題的高素質(zhì)人才。

在傳統(tǒng)線下課程教學(xué)中，通過合理設(shè)置模塊化教學(xué)內(nèi)容，綜合采用精講、研討、實驗、文獻等教學(xué)模式，可以實現(xiàn)理論知識的傳授與實踐操作的練習(xí)。但是，受限于思維理念和計算機網(wǎng)絡(luò)條件，相關(guān)領(lǐng)域前沿知識更新周期較長、豐富網(wǎng)絡(luò)資源利用率低、基于互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的軟件平臺可操作性差以及學(xué)員主體作用發(fā)揮和課程實施時空受限等問題的客觀存在，制約了課程內(nèi)涵質(zhì)量的進一步提升。

根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與應(yīng)用課程內(nèi)容特點，為了更好地促進教育內(nèi)涵質(zhì)量提升，有效解決課程傳統(tǒng)教學(xué)中的瓶頸問題，借鑒已有的混合式教學(xué)優(yōu)質(zhì)成果，在審視線上、線下教學(xué)模式優(yōu)劣勢基礎(chǔ)上，結(jié)合疫情期間線上教學(xué)實踐經(jīng)驗，綜合利用“線上+線下”雙渠道教學(xué)途徑探索混合教學(xué)模式，重點從創(chuàng)新思路、教學(xué)內(nèi)容、方法手段等方面探索有益的舉措方法，全面促進研究生學(xué)員的自主學(xué)習(xí)能力、協(xié)作溝通能力和創(chuàng)新能力的提升，更加貼近研究生課程教學(xué)和能力培養(yǎng)的直接需求，有效解決課程教學(xué)傳統(tǒng)瓶頸問題，為課程內(nèi)涵質(zhì)量提升奠定堅實基礎(chǔ)。

二、線上線下混合教學(xué)模式概念及基本思路

（一）混合式教學(xué)模式概念

混合學(xué)習(xí)的概念是指多種教學(xué)模式混合和整合或者多種教學(xué)方法的融合，通常采用數(shù)字化信息技術(shù)輔助傳統(tǒng)教學(xué)方式，提高教師教學(xué)效果以及學(xué)生學(xué)習(xí)效率，最終達成學(xué)習(xí)任務(wù)。與傳統(tǒng)教學(xué)相比，混合式教學(xué)模式作為一種新興教學(xué)模式，將在線教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)優(yōu)勢結(jié)合起來，更加突出學(xué)生的主體地位，強調(diào)學(xué)習(xí)主動性，注重把學(xué)生由淺到深地引向深度學(xué)習(xí)。

線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)模式嘗試解決傳統(tǒng)課程教學(xué)中的瓶頸問題，更有助于培養(yǎng)研究生主動學(xué)習(xí)、追蹤前沿科技以及獨立從事科學(xué)研究的能力，綜合提高創(chuàng)新思維和實踐動手能力。

（二）創(chuàng)新課程線上線下混合教學(xué)模式基本思路

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與應(yīng)用課程主要研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法理論及其仿真應(yīng)用，是電氣工程等學(xué)科研究的重要理論和方法基礎(chǔ)，要求研究生掌握神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本理論和應(yīng)用方法，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程、完成學(xué)位論文以及畢業(yè)后從事工程設(shè)計或技術(shù)開發(fā)工作奠定堅實的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。課程具有算法理論的系統(tǒng)性與綜合性，以及仿真實現(xiàn)的靈活性與多樣性等鮮明特點。

傳統(tǒng)線下授課過程中，課程主要采用精講、研討、實驗和文獻課等形式依托課堂環(huán)境組織教學(xué)實施，雖然能夠傳授理論知識與實踐方法，但與“教為主導(dǎo)、學(xué)為主體”“拓展研究生學(xué)員前沿視野，激發(fā)創(chuàng)新思維，培樹科研能力”“加大課程信息化教學(xué)模式改革”等更高更新的要求還有一定差距。為全面提高課程教學(xué)質(zhì)量，綜合提出“綜合審視、合理混合、理實一體、突出創(chuàng)新”的課程線上線下混合式教學(xué)模式改革思路。

“綜合審視”是指深刻反思課程屬性、目標(biāo)職能和傳統(tǒng)教學(xué)質(zhì)量束縛問題，深刻理解信息化教學(xué)模式優(yōu)勢，重點剖析線上線下教學(xué)的優(yōu)劣勢，將“要求-問題-方向”整合式分析，形成課程教學(xué)模式改革的前提依據(jù)。線上教學(xué)可充分利用互聯(lián)網(wǎng)豐富的資源及軟件平臺，適用于發(fā)布資料、開展自學(xué)、布置命題、在線實驗及共享研討等工作，有利于提高學(xué)習(xí)準(zhǔn)備與增量傳遞知識，但生動性差、課堂監(jiān)控不便;線下教學(xué)則適用于傳授疑難知識，面對面引導(dǎo)教學(xué)進程，但容易受限于設(shè)備條件因素制約課程教學(xué)質(zhì)量深度提升。因此，二者必須取長補短、合理運用。

“合理混合”指基于綜合審視基礎(chǔ)，科學(xué)合理地解決課程線上線下混合教學(xué)的內(nèi)容設(shè)置、課時比例、形式方法等關(guān)鍵問題，形成二者互為補充、互為促進的良性局面。

“理實一體”指基于課程理論與應(yīng)用雙重教學(xué)目標(biāo)的要求，一方面要注重神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論知識的系統(tǒng)傳遞，突出知識體系、前沿更新及算法理論等要點，真正夯實相關(guān)理論基礎(chǔ);另一方面還應(yīng)側(cè)重軟件應(yīng)用、算法編程及求解分析等實踐技能培養(yǎng)，解決學(xué)以致用的問題。通過科學(xué)實施課程線上線下教學(xué)的理論與實踐環(huán)節(jié)，交互迭代，全面提高質(zhì)量效益。

“突出創(chuàng)新”指在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)科技高速發(fā)展趨勢和研究生學(xué)術(shù)科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)要求的共同倒逼下，必須借助線上線下混合教學(xué)模式抓好知識創(chuàng)新和能力創(chuàng)新兩個關(guān)鍵，通過寬視野、新知識、高要求、細環(huán)節(jié)和重閉環(huán)等實際舉措，為綜合素質(zhì)能力培養(yǎng)提供有力支撐。

三、課程線上線下混合式教學(xué)的具體實踐

傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與應(yīng)用課程教學(xué)基本采用線下教學(xué)，受限于思維理念和計算機網(wǎng)絡(luò)條件，導(dǎo)致前沿知識更新緩慢、豐富網(wǎng)絡(luò)資源利用率低，優(yōu)化為線上線下混合教學(xué)模式。在以線下教學(xué)為主體、線上教學(xué)為輔助的方式下，基于釘釘、雨課堂等在線教學(xué)平臺，加強課前、課中、課后全程質(zhì)量監(jiān)控。充分利用豐富的人工智能網(wǎng)絡(luò)視頻資源、Python例程和論壇、中英文文獻資料，發(fā)揮學(xué)員主體作用，且不受時空限制，提高課程教學(xué)質(zhì)量。

（一）優(yōu)化課程教學(xué)模塊內(nèi)容與課時

傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與應(yīng)用課程以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論為主，主要學(xué)習(xí)單層前向網(wǎng)絡(luò)、BP網(wǎng)絡(luò)、RBF網(wǎng)絡(luò)、支持向量機、Hopfield網(wǎng)絡(luò)和模擬退火算法等經(jīng)典算法。

伴隨著近年來深度學(xué)習(xí)的廣泛應(yīng)用，課程內(nèi)容也緊貼學(xué)科前沿，突出深度學(xué)習(xí)新網(wǎng)絡(luò)、新算法，并壓縮刪減了部分經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)算法。將教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化為前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)等三大模塊，其中深度學(xué)習(xí)模塊包括CNN卷積網(wǎng)絡(luò)、遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和概率生成模型等主流網(wǎng)絡(luò)算法。課程模塊優(yōu)化前后對比情況見表1。

從表1可以看到，優(yōu)化后的課程模塊較之前大大加強了目前主流的深度學(xué)習(xí)內(nèi)容與課時，內(nèi)涵也有質(zhì)的提升。

（1）經(jīng)典神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部分，前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由22學(xué)時減少到14學(xué)時，反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由18學(xué)時減少到6學(xué)時。

（2）深度學(xué)習(xí)部分，由6學(xué)時大幅提高到20學(xué)時，課時占比由15%提升至50%，使學(xué)員學(xué)習(xí)更加與人工智能前沿接軌，提高自己的專業(yè)知識與專業(yè)素養(yǎng)，更好地將所學(xué)知識應(yīng)用到課題與論文研究中。

（3）理論教學(xué)為精講課，實踐教學(xué)包括仿真實驗課和研討課。理論教學(xué)與實踐教學(xué)比例雖然沒有變化，但內(nèi)涵卻有質(zhì)的提高，基礎(chǔ)理論從著重經(jīng)典神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)到著重深度學(xué)習(xí)，編程語言從MATLAB到Python，編程能力實現(xiàn)從會運行例程到自主編程，極大提高了學(xué)員分析問題能力和動手實踐能力。

（二）基于精講課的混合教學(xué)方法

精講課的線上線下教學(xué)方法如圖1所示。

1. 課前預(yù)習(xí)階段

一是提前向?qū)W生發(fā)布教學(xué)資料和預(yù)習(xí)任務(wù)，學(xué)生通過推送的教學(xué)資料預(yù)習(xí)每節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)，并圍繞重點、難點開展自學(xué)活動;二是利用釘釘、雨課堂等在線教學(xué)平臺的預(yù)習(xí)答題等功能，發(fā)布相關(guān)課前提問問題，通過軟件平臺檢查學(xué)員答題情況，并通過統(tǒng)計分析功能，了解學(xué)員預(yù)習(xí)存在的問題和難點。

2. 課中教學(xué)階段

一是借助圖片、動畫和視頻等情景化、動態(tài)化及可視化教學(xué)內(nèi)容;二是課堂中綜合運用線上線下答題、投票及情景表演等多種形式掌控學(xué)員學(xué)習(xí)狀態(tài)，獲取學(xué)生的效果反饋，加強教學(xué)互動;三是合理采用直播、視頻會議等教學(xué)模式，釘釘、雨課堂多個平臺的混合使用，加強教學(xué)過程中的聯(lián)動和互通。

3. 課后鞏固階段

一是依托釘釘、雨課堂功能線上發(fā)布課后作業(yè)，布置適合學(xué)生獨立思考的開放性探討性題目，引導(dǎo)學(xué)生通過查閱資料拓寬視界，深入思考;二是通過釘釘直播、雨課堂等線上形式隨時開展答疑解惑，切實解決學(xué)生困擾，做到及時查漏補缺;三是及時整理分析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，科學(xué)研判教學(xué)效果，通過對學(xué)生的聽課時間、出勤狀況、瀏覽資源時長及參與測試成績等的整理和分析，及時了解學(xué)生關(guān)注的焦點、思想狀況和學(xué)習(xí)態(tài)度，提升教學(xué)質(zhì)量。

（三）基于仿真實驗與研討課的混合教學(xué)方法

仿真實驗課與研討課的線上線下教學(xué)方法如圖2所示。

1. 教員示范

一是鑒于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與應(yīng)用課程是一門實踐要求較高的研究生課程，在教學(xué)過程中需要結(jié)合demo程序代碼的編寫、調(diào)試及運行結(jié)果展示等環(huán)節(jié)，先由教員進行過程示范，結(jié)合實際問題演示程序編寫與調(diào)試的主要環(huán)節(jié);二是通過思考題或大作業(yè)的形式在線發(fā)布任務(wù)，啟發(fā)學(xué)員以問題導(dǎo)向式進行問題分析，并結(jié)合demo程序完成編程設(shè)計與應(yīng)用探究。

2. 學(xué)員動手與展示

一是由學(xué)員自選題目內(nèi)容利用理論授課內(nèi)容基礎(chǔ)進行Python或MATLAB程序設(shè)計、代碼調(diào)試與結(jié)果展示;二是通過線上平臺借助屏幕共享、分屏顯示，或者線下課堂等多種手段向教員和學(xué)員進行高效、直觀和實時的匯報展示，包括設(shè)計思路理念、整體方法框架、算法流程與實驗結(jié)果等。

3. 焦點問題研討

一是針對學(xué)員在完成大作業(yè)過程中遇到的具體焦點問題進行線上或線下討論，教員為學(xué)員提供較為合理的解決問題思路，并在此過程中啟發(fā)學(xué)員培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力;二是學(xué)員之間可以實現(xiàn)交流討論，改進提高問題的解決思路。

四、結(jié)束語

針對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與應(yīng)用課程內(nèi)容特點，采取線上線下混合教學(xué)模式開展研究生課程教學(xué)，突出學(xué)員“學(xué)”為主體的教學(xué)理念，采用“綜合審視、合理混合，理實一體、突出創(chuàng)新”的思路創(chuàng)新教育教學(xué)方法，以理論知識構(gòu)建為基礎(chǔ)，培養(yǎng)研究生實踐創(chuàng)新能力，最終為解決實際問題打下堅實基礎(chǔ)。

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基金項目：陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃“摻混聚甲氧基二甲醚改善軍用柴油機高原環(huán)境適應(yīng)性的燃燒機理研究”（2020JQ-475）;2020年度中國人民解放軍空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院教育教學(xué)研究立項課題“研究生《神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與應(yīng)用》課程‘線上線下’模式探索與實踐”（考評中心[2020]6號）

作者簡介：張強（1973-），男，漢族，陜西漢中人，博士，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化、深度學(xué)習(xí)方面教學(xué)及科研。