以思政和知識應(yīng)用引導(dǎo)下的混合式教育教學(xué)方法研究與探索*
——以模式識別與機器學(xué)習(xí)研究生課程案例教學(xué)為例

周同馳 何鴻宇 孫梁峰 瞿博陽

（中原工學(xué)院電子信息學(xué)院 河南鄭州 451191）

隨著大數(shù)據(jù)的“互聯(lián)網(wǎng)+”和人工智能的新時代到來，高等教育迎來了新的教育教學(xué)模式改革。近兩年來，受疫情肆虐的影響，在愛國情懷下，科技創(chuàng)新成為教育領(lǐng)地發(fā)展的一個新方向。眾多高等院校肩負(fù)著創(chuàng)新源頭的重任，提出了雙一流建設(shè)任務(wù)，著力提升學(xué)科競爭力[1]。研究生教育是高校中的更高層次的教育階段，突破傳統(tǒng)的研究生教育教學(xué)模式，探索新的適應(yīng)現(xiàn)代高校教育的教學(xué)模式，對高校教育教學(xué)具有重大意義。

基于內(nèi)、外因素的影響，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已嚴(yán)重影響學(xué)生的知識吸收和能力提升。對于工科專業(yè)課程，思政引領(lǐng)和知識應(yīng)用的混合式教學(xué)模式已成為當(dāng)下的主流之一。模式識別與機器學(xué)習(xí)[2]是一門技術(shù)理論課程，是AI 技術(shù)理論的核心內(nèi)容，主要用來解決特征提取、選擇以及復(fù)雜的系統(tǒng)建模、優(yōu)化等問題，包含了模式識別等領(lǐng)域的熱門研究對象，在一定程度上代表著國際科學(xué)研究前沿。該課程除了基礎(chǔ)概念外，知識點綜合了統(tǒng)計學(xué)、微積分、線性代數(shù)、信息論、控制論、計算機程序設(shè)計等課程。傳統(tǒng)的課程教學(xué)模式存在部分問題，如缺失工程應(yīng)用性等，容易導(dǎo)致課程教學(xué)目標(biāo)效果不佳。本文以中原工學(xué)院電子信息學(xué)院的研究生課程為例，對課程的教學(xué)模式等進行調(diào)查和研究，課程具有知識點分布廣泛、理論基礎(chǔ)要求較高、課程學(xué)時較少等特點。因此，本文在混合教學(xué)模式下，結(jié)合案例方法，以思政為課程的靈魂，對“模式識別與機器學(xué)習(xí)”課程進行研究、探索。

一、相關(guān)研究

當(dāng)前，在印刷教材或電子教材中，我們可以看到二維碼，對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)資源平臺上相應(yīng)的視頻、題庫等。另外，還附加與課程內(nèi)容相關(guān)的擴展、補充的學(xué)習(xí)資源。對于計算機專業(yè)課程，熊智等人[3]介紹了線上和探究式教學(xué)法在可重入函數(shù)教學(xué)中的應(yīng)用，以及線下方式和試錯教學(xué)法在緩存一致性與偽共享教學(xué)中的應(yīng)用。胡雪蕾等人[4]從研究生“機器學(xué)習(xí)”系列課程的特點出發(fā)，結(jié)合課程教學(xué)組在教學(xué)改革方面的實踐經(jīng)驗，從教學(xué)內(nèi)容的選擇、教學(xué)方法、教學(xué)手段和考核方法等幾方面進行探討，總結(jié)教學(xué)改革經(jīng)驗，倡導(dǎo)并實踐了問題驅(qū)動教學(xué)法和互動研討教學(xué)法，并利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源、開源工具、多媒體技術(shù)等，將傳統(tǒng)的課堂講授模式拓展為多渠道、多形式的研討式、探究式的互動教學(xué)模式。謝挺等人[5]以“應(yīng)用為導(dǎo)向”作為矩陣論課程改革的突破口，從教材及教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過程及形式、考核體系三個方面進行探討，提出了具體的改革措施。馬佩等人[6]以兩門工科課程為例，實踐并探索了思政融入工科專業(yè)課程的方法，即從兩個方面融入思政：第一，加入科學(xué)思維、科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生的創(chuàng)新意識，第二，加入人文關(guān)懷，愛國情懷，做到為應(yīng)用服務(wù)，為社會服務(wù)，為人民服務(wù)。同樣，楊國正等人[7]介紹了如何在概念、技術(shù)現(xiàn)狀分析和技術(shù)原理剖析專業(yè)內(nèi)容講授中融入科學(xué)方法論、創(chuàng)新探索精神和在服務(wù)國家戰(zhàn)略中成就個人的事跡等。

2021 年，弓萍[8]采用“互聯(lián)網(wǎng)+成果導(dǎo)向教育”的教學(xué)理念，構(gòu)建基于案例教學(xué)的混合式教學(xué)環(huán)節(jié)和“形成性評價”課程考核體系，構(gòu)建“學(xué)生生成內(nèi)容”虛擬學(xué)習(xí)社區(qū)教學(xué)模式，創(chuàng)新在線學(xué)習(xí)活動設(shè)計。

二、思政和知識引導(dǎo)下的案例混合式教學(xué)

（一）課程概述

模式識別與機器學(xué)習(xí)課程共13 章內(nèi)容，1 個學(xué)期56 個學(xué)時。針對教學(xué)對象接受能力的參差不齊現(xiàn)象，課程分為兩部分，即基礎(chǔ)和提升教育。學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識后，第二階段提升學(xué)習(xí)，實現(xiàn)差異化和重難點突出，達到課程教學(xué)與實踐的目的。

根據(jù)課程教學(xué)目標(biāo)、大綱以及課時要求，對教學(xué)內(nèi)容、教案等做出規(guī)劃。模式識別與機器學(xué)習(xí)課程第一章緒論；第二章統(tǒng)計判別；第三章判別函數(shù)；第四章特征選擇和提取；第五章句法模式識別；第六章統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)；第七章有監(jiān)督學(xué)習(xí)基礎(chǔ)算法；第八章支持向量機；第九章無監(jiān)督學(xué)習(xí)與半監(jiān)督學(xué)習(xí)；第十章圖模型基礎(chǔ)；第十一章集成學(xué)習(xí)；第十二章神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與深度學(xué)習(xí)；第十三章典型應(yīng)用案例。因編者不同，課程章、節(jié)內(nèi)容會有所差異，我們選用孫仕亮主編教材。根據(jù)章節(jié)安排以及知識點之間的邏輯關(guān)聯(lián)性，結(jié)合案例教學(xué)法的特點，重新梳理知識點，實現(xiàn)分簇、模塊化、層次化。在這里，第一、二、三、四、五、六、七章節(jié)是該課程的基本部分，第八、九、十、十一、十二、十三章是知識點組織、提升到框架模型層面，作為課程的提升部分。

（二）課程建設(shè)

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬化高度發(fā)展的今天，網(wǎng)絡(luò)資源平臺如MOOC、嗶哩嗶哩、微信群或公眾號等已成為線下教學(xué)必不可少的補充和延伸。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的搭建與應(yīng)用已與教學(xué)內(nèi)容深度融合，教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)過程、課后跟蹤服務(wù)、知識反饋與歸納總結(jié)等幾個教學(xué)環(huán)節(jié)已嵌入平臺的結(jié)構(gòu)框架，如討論、答疑區(qū)、習(xí)題練習(xí)、視頻講解等。教學(xué)理論以知識點為單位，例如微視頻庫，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)平臺素材資源庫。線上資源促進師生、學(xué)生之間互動，實現(xiàn)問題與回答共享，避免學(xué)生學(xué)習(xí)課本內(nèi)容的枯燥感，以致焦躁、乏味、喪失學(xué)習(xí)信心。

線下教學(xué)，即師生采用面對面的知識傳授方法。綜合考慮當(dāng)前高等教育需求，結(jié)合線上資源以及學(xué)情，本文研究與探討模式識別與機器學(xué)習(xí)課程的案例混合教學(xué)模式。案例混合教學(xué)是一種圍繞案例展開的線上、線下相結(jié)合的情境教學(xué)模式，以學(xué)生為中心，為學(xué)生創(chuàng)造一種可參與的、個性化的學(xué)習(xí)體驗。目的是提升學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生掌握理論知識，實現(xiàn)理論指導(dǎo)實踐。對于案例的線上、線下教學(xué)，在教學(xué)實施前，搜集關(guān)聯(lián)的知識點案例素材、組織編排知識點、分析案例實施、總結(jié)反饋等相關(guān)環(huán)節(jié)。

除了線上、線下有形資源建設(shè)外，如何將思政與工科專業(yè)課程無縫對接，使課程思政達到“潤物細無聲”的效果，是實施課程思政的難關(guān)。對于工科課程，思政元素主要從三個層次融入與實施，第一，案例引入法，即從技術(shù)、文化、心理層面入手；第二，科學(xué)與哲學(xué)類比法，要求任課教師具有較高專業(yè)技術(shù)知識、廣泛的哲學(xué)理念與人文素養(yǎng)，將現(xiàn)實中的科學(xué)技術(shù)問題與哲學(xué)思想進行類比；第三，科技人物感染法。對于“模式識別與機器學(xué)習(xí)”課程，教學(xué)內(nèi)容融入思政，要求對學(xué)生的培養(yǎng)不僅停留在掌握技能，還應(yīng)該以課程為載體，通過辯證唯物思想引導(dǎo)學(xué)生獨立分析、發(fā)現(xiàn)、解決、總結(jié)問題，同時塑造學(xué)生的世界觀、人生觀、價值觀。在家國情懷的陶冶下，價值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)實現(xiàn)“三位一體”，達到綜合素質(zhì)提升的目的。閉環(huán)模式下，思政和知識應(yīng)用的案例課程建設(shè)如圖1 所示。

圖1 案例混合教學(xué)模式

（三）教學(xué)過程設(shè)計與實施

對于工科專業(yè)課程，圍繞以思政為課程的靈魂，知識點為綱，實踐應(yīng)用為體的教育教學(xué)思路，線上教學(xué)按照網(wǎng)絡(luò)平臺的組織結(jié)構(gòu)將課程內(nèi)容、輔助資源、教學(xué)活動如互動交流、知識點拓?fù)潢P(guān)系等呈現(xiàn)在平臺上，對學(xué)生起到梳理、引導(dǎo)、互動的目的。網(wǎng)絡(luò)是課堂教學(xué)的輔助平臺，利用網(wǎng)絡(luò)資源的目的是突出課程章節(jié)的重難點，為學(xué)生梳理知識點并構(gòu)建知識點之間的關(guān)系，搭建知識點圖譜，拓寬應(yīng)用與知識點的關(guān)系。教學(xué)活動設(shè)計是教學(xué)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)的重要部分，目的為提升學(xué)生興趣，增強學(xué)習(xí)效果。

在課堂教學(xué)中，以學(xué)生為中心，調(diào)動其主動性，積極地參與教學(xué)活動，促進學(xué)生對理論、實踐內(nèi)容的熟練掌握與理解，完成課堂教學(xué)任務(wù)。課堂或?qū)嵺`教學(xué)中側(cè)重于案例法。首先對課程章節(jié)涉及的知識進行組塊，即在MOOC 碎片化知識點的基礎(chǔ)上，組合相關(guān)知識點，即打亂原始章節(jié)安排。案例圍繞愛國情懷、工科學(xué)科競賽和科研項目或?qū)W術(shù)論文，展現(xiàn)、剖析與課程組塊的重、難知識點，線上、下做好師生之間的互動。實踐活動是讓學(xué)生運用已學(xué)理論解決實際問題，達到理論指導(dǎo)實踐，實踐反饋理論的目的。思政引導(dǎo)下的案例法混合教學(xué)，第一步，教學(xué)前準(zhǔn)備，包括線下與線上教學(xué)的課前教學(xué)設(shè)計，如網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)、課堂教學(xué)與實踐活動設(shè)計。第二步，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、課堂教學(xué)和實踐活動的實施。第三步，課后教學(xué)服務(wù)、完善教案與總結(jié)反饋。第四步，考核評價，由形成性評價與總結(jié)性評價組成。

科技AI 產(chǎn)品，如無人送餐機器人、智能化門禁識別以及成熟的非接觸式測溫產(chǎn)品等成為當(dāng)前民用市場的需求，這些智能AI 技術(shù)已應(yīng)用于醫(yī)院、校園巡檢、農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。近年來，隨著中美科技競爭日趨嚴(yán)峻，高端技術(shù)產(chǎn)品、創(chuàng)新技術(shù)成為競爭的新領(lǐng)域之一。在這里，以無人采摘機器人為案例，講解模式識別與機器學(xué)習(xí)課程的知識點。對于該案例，系統(tǒng)由行走AGV（AGV：AutomatedGuidedVehicle 的縮寫）、視覺系統(tǒng)、末端執(zhí)行、電氣控制機構(gòu)組成。核心內(nèi)容為機器人底盤，即視覺控制系統(tǒng)。該子系統(tǒng)與模式識別與機器學(xué)習(xí)課程相關(guān)的內(nèi)容主要包含特征提取與描述、識別模型建立、剪切點定位等。我們將子系統(tǒng)分為兩大塊，特征提取與描述、識別模型。梳理每塊內(nèi)容涉及的概念、定律以及數(shù)學(xué)模型。講述理論知識概念的由來、概念的形成及描述，闡述模型的應(yīng)用背景以及相應(yīng)參數(shù)的物理意義，講解其實現(xiàn)方法，結(jié)合在學(xué)術(shù)方面的經(jīng)典研究與應(yīng)用，闡述特征提取描述、建模方法的優(yōu)勢及不足，最后做出比較分析。例如，特征提取組塊的知識點內(nèi)容，采用遞進邏輯思維方式，闡述特征提取技術(shù)的發(fā)展歷程，互動形式講解每種方法的理論依據(jù)，解決的問題或改進的目的。采用辯證唯物主義的方法讓學(xué)生認(rèn)識每項新技術(shù)或理論發(fā)展的科學(xué)過程，提升學(xué)生獨立發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。

考核評價分為形成性和總結(jié)性考核。形成性評價是指在教學(xué)過程中，對學(xué)生的表現(xiàn)、態(tài)度以及提問或測驗，考查教學(xué)目標(biāo)的預(yù)習(xí)、完成情況。形成性評價包括網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的測試題庫、平時上交的單元練習(xí)、網(wǎng)上討論的表現(xiàn)以及課堂教學(xué)中的成果展示，小組討論、互動表現(xiàn)等。形成性評價幫助教師和學(xué)生互動，督促學(xué)生及時進行學(xué)習(xí)與溫習(xí)，為教與學(xué)提供參考。總結(jié)性評價即期末水平測試，卷面成績作為總結(jié)性評價依據(jù)。學(xué)生的最終考核成績是形成性與總結(jié)性評價成績按照百分比而產(chǎn)生。

結(jié)語

當(dāng)前社會發(fā)展現(xiàn)狀和教育發(fā)展的需求，工科研究生教育已成為當(dāng)前及未來中高層次應(yīng)用型人才培育的主戰(zhàn)場。在課程建設(shè)與教學(xué)實施過程中，緊緊圍繞以思政為魂，知識點為綱，實踐應(yīng)用為體，通過課題調(diào)研，利用案例教學(xué)法實現(xiàn)混合教學(xué)，通過課后反思總結(jié)不斷提升教學(xué)技能、學(xué)術(shù)水平。在教學(xué)理念、課程內(nèi)容、教學(xué)方法、考核評價等方面，將逐步完善其內(nèi)容，為知識應(yīng)用能力的訓(xùn)練提供保障，將繼續(xù)把握中高層次應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求特點，全面提升研究生的實踐與創(chuàng)新能力，使課程建設(shè)更加凸顯研究生教育的方向性、實踐創(chuàng)新性以及學(xué)術(shù)統(tǒng)一性。