張亞茹，郝定溢

（1.安徽理工大學(xué)人工智能學(xué)院 安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院 安徽 淮南 232001）

隨著人工智能時代的到來，教育部多次發(fā)文推進(jìn)新工科建設(shè)，強(qiáng)調(diào)應(yīng)注重人工智能與計算機(jī)、控制論、概率論、統(tǒng)計學(xué)等多門學(xué)科知識的交叉融合，對接產(chǎn)業(yè)需求建設(shè)新工科專業(yè)，緊跟科技前沿發(fā)展重構(gòu)課程內(nèi)容、改革教學(xué)模式，培養(yǎng)復(fù)合型、創(chuàng)新型人才[1-2]。新工科背景下，機(jī)器學(xué)習(xí)作為人工智能的一門核心專業(yè)課程，如何基于新工科理念改革課程教學(xué)是當(dāng)前“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程面臨的主要挑戰(zhàn)[3]。機(jī)器學(xué)習(xí)相比其他專業(yè)課程，屬于多領(lǐng)域交叉的學(xué)科，不僅涉及的知識面廣，還包括諸多繁雜的抽象模型，教授內(nèi)容量大且理論復(fù)雜[4]。此外，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)新技術(shù)的不斷更新，內(nèi)容量還在呈指數(shù)級增加。最重要的是其技術(shù)實操性強(qiáng)，理論最終均需通過計算機(jī)編程實現(xiàn)，需培養(yǎng)學(xué)生較強(qiáng)的計算機(jī)編程能力[5]。目前，諸多高校在“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程的教學(xué)中仍然采用固定的教材、側(cè)重于單一的教學(xué)方式，課程實驗簡單陳舊且應(yīng)用實踐較少。

針對“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程的上述特點和問題，本文提出以項目為驅(qū)動、以學(xué)生主動性為中心、以案例探索和拓展為方向、以全方位能力測評為目標(biāo)的教學(xué)改革方案，包括教學(xué)內(nèi)容的更新迭代、混合教學(xué)的模式創(chuàng)新、課程實驗的項目啟發(fā)以及多方位考核四個方面。

1 “機(jī)器學(xué)習(xí)”課程教學(xué)的痛點

1.1 涉及知識領(lǐng)域廣、理解難度較大

機(jī)器學(xué)習(xí)是一門涉及概率論、統(tǒng)計學(xué)、逼近論、凸分析、優(yōu)化方法等多領(lǐng)域知識交叉的課程，目前已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)挖掘、計算機(jī)視覺、自然語言處理、生物特征識別、搜索引擎、醫(yī)學(xué)診斷等交叉融合領(lǐng)域[6]。本科生“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程的教學(xué)內(nèi)容中，包含大量數(shù)學(xué)公式、復(fù)雜的模型原理介紹。學(xué)生對于這些與數(shù)學(xué)背景知識相關(guān)的公式和原理，或者交叉學(xué)科知識點的理解難度較大，不理解公式的含義，無法推理公式，難以將抽象公式和實際問題結(jié)合起來。

1.2 教學(xué)方式單一

本課程的教學(xué)沿用以教師為主體的灌輸式教育模式，教師在教學(xué)時多注重公式、模型本身，沒有生動有效地結(jié)合實際應(yīng)用問題講解公式的來源、形式、推導(dǎo)過程，沒有透徹地詮釋公式、理論模型背后的原理方法。學(xué)生大都只能被動接受相關(guān)的理論基礎(chǔ)知識，課堂學(xué)習(xí)枯燥無味，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、無法有效培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

1.3 課程案例陳舊、應(yīng)用性偏弱

目前，大部分機(jī)器學(xué)習(xí)教材和課件已沿用多年，教學(xué)內(nèi)容較為固化陳舊，技術(shù)方法相對落后，內(nèi)容不能很好地與當(dāng)前新興的人工智能技術(shù)相銜接，對機(jī)器學(xué)習(xí)新技術(shù)和新方法的闡述較少，算法實用性較差，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

1.4 課程實驗簡單，拓展性差

本課程的實驗教學(xué)多以小型驗證類實驗為主，已經(jīng)相當(dāng)成熟且過于簡單，未涉及當(dāng)前較為前沿的技術(shù)與算法。而且只要求學(xué)生通過調(diào)試既有程序驗證結(jié)果，不利于學(xué)生后期的探索和拓展研究。實驗內(nèi)容與實際應(yīng)用脫節(jié)，學(xué)生只能掌握機(jī)器學(xué)習(xí)的基本原理和基本理論，實驗內(nèi)容的延續(xù)性和拓展性較差，缺乏解決實際工程問題能力的培養(yǎng)，不利于提高學(xué)生的思考和動手能力。

2 “機(jī)器學(xué)習(xí)”課程改革的探索與實踐

針對“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程的四個痛點問題，筆者提出課程改革的思路，如圖1 所示，包括四個方面，分別是啟發(fā)引導(dǎo)式教學(xué)、項目驅(qū)動式教學(xué)、多平臺混合式教學(xué)和多元化考核。

圖1 “機(jī)器學(xué)習(xí)”課程改革思路

2.1 啟發(fā)引導(dǎo)式教學(xué)

機(jī)器學(xué)習(xí)中的各種算法對社會生產(chǎn)生活均產(chǎn)生了很大的影響。結(jié)合人工智能時代背景，將人工智能技術(shù)與“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程相結(jié)合，更新教學(xué)課件內(nèi)容，提出啟發(fā)引導(dǎo)式教學(xué)，如圖2 所示。例如在引出支持向量機(jī)的原理與方法之前，教師可以先通過舉例的方式講授機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用現(xiàn)狀，列舉生活中的典型案例：鳶尾花分類、貸款預(yù)測、房價預(yù)測、MNIST 數(shù)字識別、股價預(yù)測、電影票房預(yù)測等。在引出樸素貝葉斯算法前，列舉通過分析郵件正文中的關(guān)鍵詞是否經(jīng)常出現(xiàn)在垃圾郵件中，來判斷一封郵件是否屬于垃圾郵件的案例。在引出決策樹、隨機(jī)森林等技術(shù)前，列舉對金融數(shù)據(jù)的處理和分析從而預(yù)測風(fēng)險和欺詐行為發(fā)生概率的案例。以及利用協(xié)同過濾、矩陣分解等技術(shù)，根據(jù)用戶的興趣和行為，推薦相關(guān)的內(nèi)容或產(chǎn)品。

圖2 啟發(fā)引導(dǎo)式教學(xué)

在實際教學(xué)中，教師在講授每個知識點之前通過這種基礎(chǔ)的實際案例作為啟發(fā)，讓學(xué)生展開思考討論，啟發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。此外，在講授知識點之后，教師也可以考慮跨學(xué)科教學(xué)方式，在教學(xué)完相應(yīng)的知識內(nèi)容后，再向?qū)W生普及一些其他類型的知識，通過案例讓學(xué)生掌握所學(xué)知識的用途，以及解決的效果和性能差異，加深其理解和提升其探索欲，以此來拓寬學(xué)生的視野與知識面，也極大程度地提高了教師的教學(xué)質(zhì)量。

在“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程教學(xué)過程中也應(yīng)當(dāng)積極融入思想政治教育元素，豐富課程內(nèi)容和提高課程教學(xué)的完整性，提升學(xué)生的思想覺悟和意識。比如，在教學(xué)過程中引入名人名言、諺語、詩詞等，增強(qiáng)學(xué)生的文化自信。此外，可以引入工匠精神、北斗精神等精益求精、鍥而不舍的中華民族精神，培養(yǎng)學(xué)生的主人翁精神，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合自己所學(xué)知識理解并轉(zhuǎn)化，與國家發(fā)展密切結(jié)合，為國家發(fā)展做貢獻(xiàn)，實現(xiàn)自己的人生價值。思想政治教育還可以通過感動中國人物等方面作為啟發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷和優(yōu)秀品質(zhì)。

隨著時代的快速發(fā)展，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣泛，教師對各行各業(yè)都具有深刻的影響。教師在課程教學(xué)中可以引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注全球科技發(fā)展趨勢，培養(yǎng)他們的全球化視野和跨文化交流能力。機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在實踐應(yīng)用過程中涉及數(shù)據(jù)隱私、算法公正、人工智能的道德和倫理問題，教師在教學(xué)中可以引導(dǎo)學(xué)生思考這些問題，培養(yǎng)他們的道德判斷力和倫理素養(yǎng)。這也要求教師具備較高的思政素養(yǎng)和教育教學(xué)能力，能夠?qū)⑺颊嘏c專業(yè)知識有機(jī)融合，實現(xiàn)潤物細(xì)無聲的教育效果。

教師應(yīng)讓啟發(fā)引導(dǎo)式的教學(xué)內(nèi)容深入教學(xué)全過程，進(jìn)而讓學(xué)生形成主動意識，提升思想覺悟。學(xué)生在這種啟發(fā)引導(dǎo)式教學(xué)中接受新的知識并完成具有挑戰(zhàn)性的作業(yè)，培養(yǎng)優(yōu)秀品質(zhì)，增強(qiáng)民族自豪感，堅定科技興國的信念。

2.2 項目驅(qū)動式教學(xué)

以往的機(jī)器學(xué)習(xí)教學(xué)往往只針對較為典型的算法進(jìn)行講解，這種教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)無法滿足當(dāng)前學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和企業(yè)發(fā)展的人才需求。教師在課程教學(xué)過程中需要始終堅持以前沿項目為驅(qū)動，教學(xué)內(nèi)容需與市場需求和國家發(fā)展戰(zhàn)略緊密聯(lián)系，使學(xué)生明確要解決的實際問題目標(biāo)，主動探索問題的本質(zhì)與核心，提高知識轉(zhuǎn)化能力，并將理論知識靈活地運用于實踐中。

在本科教學(xué)過程中，一切學(xué)習(xí)安排需以項目實踐作為出發(fā)點，教師應(yīng)該針對學(xué)生的興趣相應(yīng)地拓展教學(xué)內(nèi)容，提升學(xué)生的問題意識，在教學(xué)過程中適當(dāng)進(jìn)行延伸。引入實際工程問題的機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)，教師按照項目需求組織知識點、整理知識點之間的相互聯(lián)系，并詳細(xì)講解每個知識點的作用。以“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程中卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為例，實際項目需求可用于計算機(jī)圍棋、圖像分割、超分辨率重建、目標(biāo)跟蹤、行為識別、人臉識別、美學(xué)質(zhì)量評價、自動著色、語音識別、手寫體識別、遙感圖像處理等領(lǐng)域。引導(dǎo)學(xué)生投入項目研究的情境和氛圍中，以沉浸式的狀態(tài)完成知識轉(zhuǎn)化的全部過程。

在以項目為驅(qū)動的實踐過程中，教師可提供與項目主題和目標(biāo)相匹配的實踐資源和條件，例如數(shù)據(jù)集、軟件工具、編程庫等。學(xué)生在項目推進(jìn)前期，制訂項目計劃，將項目拆分為若干個階段或任務(wù)，例如構(gòu)建數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)預(yù)處理、算法分析和設(shè)計、模型優(yōu)化、參數(shù)調(diào)節(jié)、實際應(yīng)用、結(jié)果測試等實踐環(huán)節(jié)。教師為項目執(zhí)行的每個階段設(shè)定合理的時間節(jié)點，定期監(jiān)督學(xué)生的項目進(jìn)度，并提供必要的指導(dǎo)和支持。這可以幫助學(xué)生保持對項目的關(guān)注度和動力，并及時解決遇到的問題。

在實踐過程中，讓學(xué)生自己展開想象和思考，分析這些項目是否可以運用所學(xué)的其他知識來解決，允許并鼓勵學(xué)生對項目進(jìn)行改進(jìn)和提升，教師對項目完成情況加以點評和指導(dǎo)，營造以項目實踐為驅(qū)動的教學(xué)氛圍，為學(xué)生理解機(jī)器學(xué)習(xí)模型和研究算法提供沉浸式條件。在實踐中，學(xué)生能不斷糾正對知識點的錯誤理解，掌握基本的理論知識，將學(xué)到的理論知識靈活有效地應(yīng)用到工程實踐中，鍛煉實踐應(yīng)用能力，加強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，更重要的是培養(yǎng)其團(tuán)隊合作精神和溝通能力。

2.3 多平臺混合式教學(xué)

利用人工智能、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將線下課程轉(zhuǎn)移到線上，搭建便捷豐富的在線課程平臺是時代發(fā)展的大勢所趨，如中國大學(xué)MOOC 等教學(xué)平臺中包含的各種多媒體教學(xué)資源，以及在線測驗、互動討論等教學(xué)活動。除了課程平臺之外，更具實時性和便利性的還有移動應(yīng)用程序等社交媒體和在線會議軟件，教師可以隨時發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)和資源，并保持與學(xué)生的暢通交流與互動，也可以邀請專業(yè)人士、其他教師和學(xué)生加入，共同討論和分享機(jī)器學(xué)習(xí)方面的研究進(jìn)展和工程應(yīng)用，更方便地獲取知識和經(jīng)驗。同時，教師也可以引導(dǎo)學(xué)生參與在線論壇，與其他學(xué)習(xí)者互動交流，通過知識的碰撞產(chǎn)生新的火花與靈感。

在建設(shè)網(wǎng)絡(luò)課程的過程中，把“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程中易于記憶與理解的原理、概念、算法思想及算法應(yīng)用等內(nèi)容按章節(jié)整理并上傳到線上教學(xué)平臺，也可以提供與機(jī)器學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)的電子書籍、研究論文和技術(shù)博客等，方便學(xué)生課前預(yù)習(xí)、線上學(xué)習(xí)和課后復(fù)習(xí)。線上線下混合教學(xué)有助于融合傳統(tǒng)面對面教學(xué)的優(yōu)勢和在線教學(xué)的便捷性，更重要的是，線上教學(xué)讓教師和學(xué)生之間的互動變得更加方便，教學(xué)效率更高，效果更好。

除了線上的授課更加方便，學(xué)生獲取資源更加便利之外，“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程中會涉及編程類的實踐操作環(huán)節(jié)，線上教學(xué)平臺還可以提供在線編程平臺，如Jupyter Notebook、Google Colab 等，為學(xué)生提供實時的編程環(huán)境，方便學(xué)生進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)的實踐操作。此外，MATLAB、OpenCV、TensorFlow、PyTorch 等教學(xué)軟件可以方便教師利用線上平臺進(jìn)行代碼編輯和程序運行等直觀操作，便于學(xué)生學(xué)習(xí)編碼軟件，并熟練掌握這些重要的編碼軟件。線下教學(xué)則可以方便學(xué)生對問題的討論、團(tuán)隊合作與問題的解決，實現(xiàn)了“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程與現(xiàn)代人工智能方法及工具的有效結(jié)合。

多平臺混合式教學(xué)使得教師在教學(xué)計劃安排、教學(xué)資源搭建和編程實操演練等方面均可以做出相應(yīng)的調(diào)整和準(zhǔn)備，教師還可以通過平臺后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和監(jiān)測，及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和學(xué)習(xí)表現(xiàn)，為教師提供更加客觀的教學(xué)反饋，做出準(zhǔn)確的教學(xué)調(diào)整。

2.4 多元化考核方式

為了保證“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程的延續(xù)性，培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實、興趣高、主動性強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)的學(xué)生，筆者提出了“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程的多元化考核方式，如表1 所示，包括理論考核、實踐考核、創(chuàng)新考核。其中，理論考核即通過考試、作業(yè)等常規(guī)方式評價學(xué)生對課程理論知識的掌握情況。

表1 考核比例分配

通過適度增加綜合項目的難度進(jìn)行實踐考核，以實驗、項目實施、小組討論等方式評價學(xué)生的實踐能力、解決問題能力和團(tuán)隊協(xié)作能力。例如，對CIFAR―10 圖像添加噪聲等干擾，要求學(xué)生分別通過最近鄰分類器和支持向量機(jī)等算法實現(xiàn)圖像分類，并保證訓(xùn)練集和測試集的準(zhǔn)確率，最后將實驗結(jié)果進(jìn)行對比并解釋二者的性能差異。

同時，考慮到當(dāng)下的人工智能技術(shù)熱潮，以及深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)在圖像處理和計算機(jī)視覺領(lǐng)域取得的重大突破，將在后續(xù)的教學(xué)中引入更多的綜合項目，如基于生成對抗網(wǎng)絡(luò)的圖像超分辨率重建、基于注意力機(jī)制的圖像復(fù)原、基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像去噪等。最后，針對實踐操作，鼓勵學(xué)生創(chuàng)新，針對已有的方法改進(jìn)，并分析實驗結(jié)果，總結(jié)梳理創(chuàng)新成果，撰寫學(xué)術(shù)論文，進(jìn)而可以通過設(shè)計、創(chuàng)意、報告等方式評價學(xué)生的創(chuàng)新能力、獨立思考能力和解決問題的能力。最后學(xué)生可進(jìn)行自我評估與互評，然后教師評價并給出反饋意見。

3 結(jié)論

本文針對以往“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程教學(xué)中存在的突出問題，結(jié)合人工智能背景，從理論教學(xué)、實驗教學(xué)、綜合項目擴(kuò)展和考核方式四個角度進(jìn)行該課程的教學(xué)改革，提出以項目為驅(qū)動、以學(xué)生主動性為中心、以探索和拓展為方向、以全方位能力測評為目標(biāo)的改革方案并給出詳細(xì)的改革措施。實踐表明，通過教學(xué)改革充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和探索求知欲，提高了學(xué)生的課程參與度，鍛煉了學(xué)生的綜合能力，教學(xué)效果得以改善，學(xué)生對機(jī)器學(xué)習(xí)這門課程有了全面的了解和掌握，項目實踐和科研探索能力得以訓(xùn)練和提升，可為其他高校的課程教學(xué)提供參考借鑒。