基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的“深度學(xué)習(xí)”課程教學(xué)改革

摘要： 針對(duì)“深度學(xué)習(xí)”課程教學(xué)中存在的主要問(wèn)題，探索基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)新路徑．通過(guò)引入基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，以具體項(xiàng)目為主線設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建以過(guò)程評(píng)價(jià)為核心的評(píng)價(jià)體系，提升“深度學(xué)習(xí)”課程的教學(xué)質(zhì)量．

關(guān)鍵詞： 深度學(xué)習(xí);項(xiàng)目驅(qū)動(dòng);過(guò)程評(píng)價(jià)

中圖分類(lèi)號(hào)： G642，TP3-05文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.2095-4298.2024.04.013

Project-driven teaching reform in the \"Deep learning\" course

Jiang Xiang， Wang Shumei

（School of Wisdom Education（School of Computer Science ＆ Technology），

Jiangsu Normal University，Xuzhou 221116，Jiangsu，China）

Abstract： In response to the main issues existing in the teaching of the \"Deep learning\" course， a novel project-driven teaching approach is explored in this paper. By introducing a project-driven teaching model， designing the teaching content with the specific project as the thread， and establishing an process evaluation-centered evaluation system， the quality of the teaching of the \"Deep learning\" course can be improved.

Key words： deep learning; project-driven; process evaluation

深度學(xué)習(xí)作為人工智能的重要分支，近年來(lái)在圖像處理、語(yǔ)音識(shí)別和自然語(yǔ)言理解等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用．因此，“深度學(xué)習(xí)”課程在培養(yǎng)創(chuàng)新型和應(yīng)用型人才方面具有關(guān)鍵作用［1］．作為一門(mén)新興學(xué)科，深度學(xué)習(xí)具有理論可解釋性不強(qiáng)、知識(shí)更新快、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，然而，傳統(tǒng)的教學(xué)模式存在課堂教學(xué)重理論輕實(shí)踐;實(shí)驗(yàn)教學(xué)依賴(lài)成熟框架與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，忽視底層算法;教學(xué)評(píng)價(jià)側(cè)重期末考核，忽視階段性學(xué)習(xí)成果的量化評(píng)估等不足［2］，難以滿足當(dāng)前的人才培養(yǎng)需求，并在一定程度上限制了學(xué)生的綜合發(fā)展．因此，本文探索基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的“深度學(xué)習(xí)”課程教學(xué)新路徑，即引入基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，彌補(bǔ)當(dāng)前教學(xué)環(huán)節(jié)與實(shí)踐過(guò)程的脫節(jié);以具體項(xiàng)目為主線設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)理論與實(shí)踐的深度融合;構(gòu)建以過(guò)程評(píng)價(jià)為核心的評(píng)價(jià)體系，推動(dòng)學(xué)生的全面發(fā)展，滿足人工智能領(lǐng)域?qū)Ω咚刭|(zhì)人才的需求．1基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式設(shè)計(jì)

基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式以項(xiàng)目開(kāi)發(fā)為主線，結(jié)合真實(shí)的產(chǎn)業(yè)需求，引入實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，將理論教學(xué)與項(xiàng)目實(shí)踐有機(jī)融合［3］．教師通過(guò)創(chuàng)設(shè)情景、講解理論、思路引導(dǎo)、組織討論等活動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生充分地參與到項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的每個(gè)環(huán)節(jié);學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)自發(fā)地尋找應(yīng)用場(chǎng)景，并結(jié)合教師對(duì)方案和結(jié)果的評(píng)價(jià)深化對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，強(qiáng)化實(shí)踐技能．

該教學(xué)模式包含引導(dǎo)、探究、評(píng)價(jià)3個(gè)主要階段（圖1）．在引導(dǎo)階段，教師引入與當(dāng)前產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)的實(shí)際項(xiàng)目，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生思考教師提出的問(wèn)題并進(jìn)行資料收集、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作．在探究階段，教師圍繞項(xiàng)目涉及的知識(shí)單元展開(kāi)理論教學(xué)，以互動(dòng)討論的形式引導(dǎo)學(xué)生思考如何將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際場(chǎng)景，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)可行的解決方案并進(jìn)行實(shí)踐．在評(píng)價(jià)階段，教師組織學(xué)生進(jìn)行公開(kāi)展示或開(kāi)放性答辯，學(xué)生根據(jù)教師的評(píng)價(jià)和復(fù)盤(pán)總結(jié)，識(shí)別并討論方案的不足和改進(jìn)方向，深化對(duì)項(xiàng)目的理解．2基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的模塊化教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

“深度學(xué)習(xí)”課程內(nèi)容包括基礎(chǔ)理論、非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與前沿拓展5個(gè)模塊．除基礎(chǔ)理論與前沿拓展模塊外，其他3個(gè)模塊的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)都是以1～2個(gè)具體項(xiàng)目為主線，在知識(shí)單元組織和項(xiàng)目構(gòu)成方面，涵蓋從理論講解到項(xiàng)目實(shí)踐的各個(gè)環(huán)節(jié)．

基礎(chǔ)理論模塊主要涵蓋數(shù)學(xué)基礎(chǔ)（包括反向傳播、鏈?zhǔn)角髮?dǎo)、梯度下降等）和環(huán)境配置的內(nèi)容，教師在講授此模塊內(nèi)容時(shí)，同時(shí)講授線性回歸、邏輯回歸等經(jīng)典線性模型，旨在與前置課程（如機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)分析等）進(jìn)行平滑過(guò)渡，使學(xué)生能夠迅速切入“深度學(xué)習(xí)”課程的學(xué)習(xí).

在前沿拓展模塊內(nèi)容的組織上，教師結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)與學(xué)科特色，對(duì)前沿相關(guān)技術(shù)（如圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)、元學(xué)習(xí)等）的部分內(nèi)容進(jìn)行科普性講授，拓展學(xué)生的知識(shí)視野，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新思維能力［4］．

在知識(shí)單元的組織上，基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式打破了傳統(tǒng)的知識(shí)單元順序，以具體項(xiàng)目為主線重新組織知識(shí)單元，確保教學(xué)內(nèi)容既貼近實(shí)際需求，又具備系統(tǒng)性和連貫性［5］．以“新能源車(chē)牌檢測(cè)與識(shí)別”項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目涉及多層感知機(jī)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等主要模型，也涉及數(shù)值穩(wěn)定性與正則化理論中的多個(gè)知識(shí)單元.隨著教學(xué)進(jìn)程的推進(jìn)，學(xué)生對(duì)所學(xué)習(xí)的模型進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，并持續(xù)利用新學(xué)習(xí)的技巧來(lái)改善模型的性能表現(xiàn)，從而能直觀感受所學(xué)知識(shí)的實(shí)踐效果，促進(jìn)理論與實(shí)際的結(jié)合.

在項(xiàng)目構(gòu)成方面，教師根據(jù)知識(shí)模塊的構(gòu)成來(lái)選擇貼合實(shí)際的具體項(xiàng)目，所涉及的項(xiàng)目具有較強(qiáng)的實(shí)踐性和一定的獨(dú)特性，每個(gè)項(xiàng)目單元都涵蓋了完整的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)流程，不可以通過(guò)簡(jiǎn)單的“調(diào)庫(kù)”來(lái)快速完成．例如，在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊中，采用車(chē)牌文字識(shí)別和快遞單號(hào)識(shí)別項(xiàng)目作為項(xiàng)目主線，讓學(xué)生參與數(shù)據(jù)采集、整理和清洗，搭建與訓(xùn)練模型，評(píng)估模型性能，完成迭代方案等項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的全過(guò)程，接觸項(xiàng)目的各個(gè)環(huán)節(jié)，提升整體把握能力．3基于過(guò)程評(píng)價(jià)的多維度教學(xué)評(píng)價(jià)體系

建立以過(guò)程評(píng)價(jià)為核心的評(píng)價(jià)體系，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控和反饋，是教學(xué)中的重要任務(wù)［6］．“深度學(xué)習(xí)”課程的評(píng)價(jià)內(nèi)容包括學(xué)生的理論知識(shí)掌握情況、解決實(shí)際問(wèn)題能力、自主學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作與參與程度（圖2），通過(guò)期末考核、階段性作業(yè)、項(xiàng)目評(píng)價(jià)和中間環(huán)節(jié)，多維度進(jìn)行評(píng)價(jià)，確保評(píng)價(jià)的公正性和全面性．

1）理論知識(shí)掌握情況的評(píng)價(jià)．主要通過(guò)定期的階段性作業(yè)和期末考核進(jìn)行評(píng)價(jià)，教師對(duì)學(xué)生在作業(yè)和考核中的代碼復(fù)現(xiàn)、概念解釋和圖示等內(nèi)容進(jìn)行客觀評(píng)分，并結(jié)合代碼質(zhì)量與知識(shí)的應(yīng)用情況，客觀衡量學(xué)生對(duì)“深度學(xué)習(xí)”課程基本理論和主流觀點(diǎn)的認(rèn)知和掌握情況．

2）解決實(shí)際問(wèn)題能力的評(píng)價(jià)．在項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式下，學(xué)生需要完成全流程任務(wù)．教師通過(guò)評(píng)價(jià)流程任務(wù)的完成情況，包括考量方案的可行性、代碼質(zhì)量、實(shí)驗(yàn)記錄和模型性能等，綜合評(píng)估學(xué)生的實(shí)踐操作和解決問(wèn)題能力．在項(xiàng)目中，若學(xué)生的模型能在評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)下取得更高性能，或在基礎(chǔ)模型中引入數(shù)據(jù)增強(qiáng)、學(xué)習(xí)率微調(diào)、正則優(yōu)化等技術(shù)，或采用更多樣的評(píng)價(jià)指標(biāo)和更合理的分析結(jié)果，則可獲得額外的分?jǐn)?shù)加成.

3）自主學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力的評(píng)價(jià)．教師主要針對(duì)學(xué)生的解決方案、項(xiàng)目報(bào)告以及開(kāi)放性答辯中的創(chuàng)新元素進(jìn)行評(píng)價(jià).在項(xiàng)目過(guò)程中，若有學(xué)生借助行業(yè)的前沿理論和方法，探索新算法、優(yōu)化模型或拓展應(yīng)用場(chǎng)景等，如進(jìn)行參數(shù)調(diào)整、模型改進(jìn)、模塊增減以及流程改進(jìn)等嘗試，都會(huì)獲得適當(dāng)?shù)募臃郑纾凇靶履茉窜?chē)牌檢測(cè)與識(shí)別”項(xiàng)目中，部分學(xué)生采用端到端方法實(shí)現(xiàn)無(wú)需字符分割的車(chē)牌識(shí)別;在“葡萄酒等級(jí)分類(lèi)”項(xiàng)目中，部分學(xué)生采用回歸模型完成項(xiàng)目;在“奔馳測(cè)試平臺(tái)耐久性估計(jì)”項(xiàng)目中，部分學(xué)生先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理后再輸入模型，都會(huì)獲得額外的分?jǐn)?shù)加成．

4）團(tuán)隊(duì)協(xié)作與參與程度的評(píng)價(jià)．教師通過(guò)學(xué)生在小組合作和開(kāi)放性答辯等環(huán)節(jié)的表現(xiàn)，評(píng)估學(xué)生的項(xiàng)目參與情況和協(xié)作效果，促進(jìn)學(xué)生的積極投入和有效合作．4教學(xué)效果分析

“深度學(xué)習(xí)”課程于2022年秋季學(xué)期開(kāi)設(shè)，面向智能科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)及人工智能專(zhuān)業(yè)的學(xué)生進(jìn)行授課．課程內(nèi)容涵蓋5個(gè)知識(shí)模塊，共17個(gè)知識(shí)單元，配備6個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目，通過(guò)包括數(shù)據(jù)整理、模型構(gòu)建、結(jié)果分析等環(huán)節(jié)的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)形式展開(kāi)教學(xué)與討論．為了評(píng)估教學(xué)效果，對(duì)參與課程的55名學(xué)生的期末考試、階段性作業(yè)、項(xiàng)目性能、項(xiàng)目報(bào)告、代碼質(zhì)量、小組討論、開(kāi)放性答辯及課堂參與8個(gè)維度的成績(jī)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析（圖3）．

由圖3可以看出，項(xiàng)目報(bào)告、代碼質(zhì)量和開(kāi)放性答辯3個(gè)部分學(xué)生取得了較高分?jǐn)?shù)，表明學(xué)生在理論知識(shí)和代碼技能方面掌握得較好;而小組討論和課堂參與部分分?jǐn)?shù)較低，表明學(xué)生公開(kāi)討論不夠充分，缺少對(duì)理論知識(shí)的深入理解，無(wú)法自行提出可行性高、創(chuàng)新性強(qiáng)的方案.從方差分析結(jié)果來(lái)看，學(xué)生的代碼質(zhì)量表現(xiàn)出較低的變異度，即學(xué)生傾向于依賴(lài)成熟框架;而在期末考試與小組討論中則呈現(xiàn)出較高的方差，表明學(xué)生應(yīng)對(duì)實(shí)際、解決非模板化問(wèn)題的能力仍有待提升.盡管在解決實(shí)際問(wèn)題能力上有所欠缺，但大部分學(xué)生依然展現(xiàn)了良好的理論聯(lián)系實(shí)際的能力．

經(jīng)“深度學(xué)習(xí)”課程訓(xùn)練，部分學(xué)生已經(jīng)能夠做到主動(dòng)追蹤前沿進(jìn)展來(lái)尋求解決方案，并能夠提出新的想法與思路;面對(duì)一些有難度的項(xiàng)目，如kaggle平臺(tái)中的“自行車(chē)租賃時(shí)長(zhǎng)估計(jì)”和“奔馳測(cè)試平臺(tái)耐久時(shí)長(zhǎng)預(yù)測(cè)”項(xiàng)目，部分小組所實(shí)現(xiàn)的方案達(dá)到了競(jìng)賽前10％的性能表現(xiàn)．這個(gè)結(jié)果對(duì)于只進(jìn)行了一個(gè)學(xué)期深度學(xué)習(xí)技能訓(xùn)練的學(xué)生來(lái)說(shuō)尤為可貴，充分體現(xiàn)了學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的提升．此外，結(jié)合學(xué)生的問(wèn)卷調(diào)查統(tǒng)計(jì)、評(píng)教結(jié)果、項(xiàng)目申請(qǐng)情況和學(xué)科競(jìng)賽獲獎(jiǎng)等可以看出，學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)、理論水平、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力都有長(zhǎng)足進(jìn)步．

5結(jié)語(yǔ)

基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的“深度學(xué)習(xí)”課程教學(xué)改革將理論教學(xué)與實(shí)踐應(yīng)用深度融合，以項(xiàng)目為主線，以過(guò)程評(píng)價(jià)為保障，形成完整的教學(xué)閉環(huán)．通過(guò)“引導(dǎo)探究評(píng)價(jià)”3個(gè)階段的有機(jī)結(jié)合，教師在每個(gè)環(huán)節(jié)中扮演關(guān)鍵的引導(dǎo)角色，確保教學(xué)目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn);學(xué)生在真實(shí)的項(xiàng)目環(huán)境中逐步構(gòu)建完整的知識(shí)體系，夯實(shí)了理論基礎(chǔ)，鍛煉了實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力．實(shí)踐表明，基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)與過(guò)程評(píng)價(jià)的課程教學(xué)有助于提高學(xué)生的綜合能力，對(duì)人工智能等前沿領(lǐng)域的創(chuàng)新人才培養(yǎng)具有一定的借鑒和參考意義．

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［責(zé)任編輯：韋慧伊］