應用導向下的統(tǒng)計學習方法教學探索與實踐

摘要：統(tǒng)計學習方法是以數(shù)據(jù)為研究對象、以計算機及網(wǎng)絡為平臺、通過統(tǒng)計理論建立模型并對數(shù)據(jù)進行分析和預測的學科，該課程的學習有助于提升學生的實踐意識和應用意識，滿足大數(shù)據(jù)時代下對統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析人才的需求。本文在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，以應用人才培養(yǎng)為導向，以統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析方向的學生為服務對象，深入挖掘統(tǒng)計學習方法在專業(yè)課程體系中的地位和作用，構建了適應于數(shù)據(jù)分析背景的課堂教學和實驗教學體系，有助于提升學生的創(chuàng)新思維和實踐能力，培養(yǎng)多元化創(chuàng)新型人才。

關鍵詞：統(tǒng)計學習；數(shù)據(jù)分析；機器學習算法；大數(shù)據(jù)

中圖分類號：O213.9

《統(tǒng)計學習方法》作為介于數(shù)學、統(tǒng)計學和機器學習三者之間的一門應用課程，是統(tǒng)計學相關專業(yè)學生的一門綜合性課程，該課程全面地介紹大數(shù)據(jù)背景下的各類統(tǒng)計學習算法，包括分類與標注問題、自然語言處理、文本數(shù)據(jù)挖掘等數(shù)據(jù)分析模型與方法，使學生掌握統(tǒng)計學習和機器學習的基本思想和基本方法，并能夠使用Python語言和scikit-learn、numpy、scipy等機器學習庫進行算法編程和數(shù)據(jù)分析[1-4]。

該課程屬于交叉學科，覆蓋多門先修課程，如概率統(tǒng)計、運籌優(yōu)化、編程語言等，要求學生有較強的數(shù)學建模和實踐編程能力，而且課程本身涉及的理論知識多、推導過程復雜，因此在教學中應重點著眼于從知識學習到研究技能培養(yǎng)的轉變，注重學生獨立研究和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，采用討論式、啟發(fā)式的教學方式，去思考基本理論、模型、推導過程的實際含義，使學生“知其然，更知其所以然”，并能有機會接觸到研究熱點和前沿問題的來龍去脈，意義重大。在目前的課程開展過程中，主要存在以下一些問題，亟需在教學改革中逐步改進.

1統(tǒng)計學習方法教學現(xiàn)狀

1.1教材內容抽象，教學模式固化

目前我校在統(tǒng)計學習方法課程教學中使用的教材是李航教授編著的《統(tǒng)計學習方法》，參考書為周志華教授編著的《機器學習》和加雷斯·詹姆斯等編著的《統(tǒng)計學習導論—基于R應用》，內容涉及監(jiān)督學習、無監(jiān)督學習以及強化學習等，包括經(jīng)典的機器學習方法（決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡、樸素貝葉斯法、決策樹、邏輯斯諦回歸與大熵模型、支持向量機、提升方法、EM算法等），以及特征選擇、聚類方法、主成分分析、概率圖模型等。授課內容涉及高等數(shù)學、概率論、統(tǒng)計學、最優(yōu)化、信息論、機器學習等各個領域的知識，理論性和實踐性都很強，并且處于不斷的發(fā)展更新過程中，教材講述較為抽象，內容集中于從公式上推導各類算法的數(shù)學模型，模型結構和求解算法復雜，實驗方法和實驗數(shù)據(jù)比較欠缺，使得初學者面對模型中深奧的數(shù)學理論望而卻步。

目前我校在統(tǒng)計學習方法課程的教學中一直采用傳統(tǒng)的教師課堂講授、學生被動聽講的方式，重教師講授、輕學生參與，但由于理論知識枯燥，學生對模型的歸納形式、算法的理論推導僅限于淺層面理解，難以深入或系統(tǒng)性地理解模型背后的知識內涵，導致學生學習起來深感抽象，因此學習積極性難以被調動。

1.2課堂教學與實際應用脫節(jié)

統(tǒng)計學習方法是實踐應用性很強的課程，我校面向大數(shù)據(jù)應用方向的高年級本科生以及統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析方向的研究生開設了這門課程，課程教學學時為32學時，本科生配以課內實踐環(huán)節(jié)，研究生的教學實踐僅以課后實驗的方式開展。受課時所限，目前教學中存在重理論推導、輕應用實踐的局限，課堂學時主要用于向學生講解理論知識，少有操作演示，教學形式太過單一，師生難以產(chǎn)生有效溝通和互動，在教學中容易出現(xiàn)各種問題，例如學生能夠理解理論但在實踐中無從下手；實驗內容較少、實驗數(shù)據(jù)量過小，導致教學與實踐沒有真正達到結合，學生也很難感受到所學知識如何進行實際應用。

2教學現(xiàn)狀的探索

在以往的教學改革中，統(tǒng)計學習方法教學團隊采用過翻轉課堂等教學形式。首先由教師錄制教學視頻分享給學生，學生在上課前通過學習通平臺自主學習線上視頻，可以任由學生來決定視頻的播放終止，對于學生自身不了解的知識點，可以單獨重復播放，然后通過課前小測實施反饋過程化考核結果，促使一些學習進度比較慢的學生提前預習，之后再回到課堂中進行師生之間、生生之間面對面的學習成果交流。這樣的教學方法較之從前調整了課堂內外時間比例，給予了學生更大的學習自主權，更加強調學生課前學習和師生的課堂互動，學生有更多時間專注于主動實踐學習，從而獲得更深層次的理解，方便教師針對學生自學情況因材施教，提高課堂效率。

在大數(shù)據(jù)應用的導向下，數(shù)據(jù)分析算法和技術越來越廣泛地應用在各個社會和科技領域，教師授課時亟需注意授課內容的時效性和應用性，對教學內容做出及時更新，將科技前沿方法及其應用引入課堂中，同時引導學生關注最新的學術成果和產(chǎn)業(yè)界應用，主動思考這些成果中運用了哪些課堂所學知識。在這樣的背景下，項目式案例教學尤為適應統(tǒng)計學習方法課程的教學體系。本課程教學方法改革著眼于從知識學習到研究技能培養(yǎng)的轉變，注重學生獨立研究和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，采用討論式、啟發(fā)式的教學方式，去思考基本理論、模型、公式背后的意義，使學生接觸到研究熱點和前沿問題的來龍去脈。

此外，鼓勵學生在課外參加Kaggle、天池、和鯨社區(qū)等各類數(shù)據(jù)科學競賽活動，此類數(shù)據(jù)科學競賽能夠涵蓋python應用、機器學習、計算機視覺、自然語言處理等多領域，融合項目案例，考察知識面較廣，形式較多樣化，有利于做到“以賽促學、以賽促教、賽創(chuàng)融合”，以便讓更多有創(chuàng)造力、有奮斗精神的學生接觸到前沿應用，學到高、精、深的專業(yè)知識與技能，在專業(yè)“論劍”中突破知識局限，提升跨學科交叉融合的實踐能力。同時，該類競賽也給教師提供了互相學習交流的平臺，教師通過參加或指導學生參與競賽，積累了大量的實踐經(jīng)驗和更優(yōu)秀的教學資源，加強了教學和實踐的深度融合，有益于提升專業(yè)能力提升和教學質量。

3教學內容和方法的改革實踐

對高年級本科生和研究生來說，需要投入更多時間到科研課題和項目中，而這些科研項目多與相關的行業(yè)背景有一定聯(lián)系[5-7]。結合近年的教學經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，多數(shù)選課學生會在后續(xù)的科研階段應用該課程所學的數(shù)據(jù)分析算法展開課題研究。因此，該課程的教學質量和培養(yǎng)的學生應用能力優(yōu)劣直接影響到研究生在科研過程中的論文選題與研究路線，做好統(tǒng)計學習方法的教學改革，提高其教學質量迫在眉睫。下面主要分析《統(tǒng)計學習方法》在教學內容和手段上所采用的項目式案例教學方法，在每一種算法的學習階段，教師首先針對相應的知識點準備豐富的實際案例，由易到難、循序漸進完成算法地建模過程和模型求解等理論知識的講解，然后通過學生分組、教師輔助的形式，由學生獨立完成編程和案例求解，并進行小組成果展示和答辯。具體來說，擬在以下七個經(jīng)典模型算法方面整合更適合統(tǒng)計學習方法教學的完整案例，從案例背景->數(shù)據(jù)收集->數(shù)據(jù)清洗->數(shù)據(jù)插補->特征降維->算法選取->程序調試->評估模型->課堂演示等步驟逐步深化，使得學生充分掌握使用統(tǒng)計模型和方法解決實踐問題的全過程。

結語

統(tǒng)計學習方法的實踐教學改革是一項長期的任務，在實際教學過程中，細化教學目的、貫穿案例驅動、強化實踐教學，依據(jù)課程內容，重在將統(tǒng)計學習的理論研究及與課程相關的最新前沿熱點應用引入到教學內容中，以研促教，以賽促學，注重學生自主學習能力的培養(yǎng)與科研素質的養(yǎng)成，使學生有效掌握精粹、消除疑惑、理解抽象的算法，從而培養(yǎng)統(tǒng)計理論基礎好，實踐能力強，具有深厚的專業(yè)素質，具備解決大數(shù)據(jù)時代中實踐應用和挑戰(zhàn)的能力，從而更好地適應新時代需求。

參考文獻：

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[7]楊志杰，張鴻波.新工科背景下針對碩士研究生“現(xiàn)代分析測試技術”課程的改革與實踐[J].內蒙古教育，2021，24：33-36.

基金項目：北京信息科技大學教學改革項目（2023JGSZ）

作者簡介：王昕（1978—），女，漢族，河北邯鄲人，博士，教授，研究方向：統(tǒng)計學習、數(shù)據(jù)分析。