新工科背景下機(jī)器學(xué)習(xí)課程教學(xué)改革探索

摘 要 在新工科建設(shè)背景下，各高校都在積極探索符合新工科人才培養(yǎng)需求的教學(xué)模式。文章以大連海事大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)機(jī)器學(xué)習(xí)課程教學(xué)中的“學(xué)習(xí)器性能評(píng)估”章節(jié)為例，對(duì)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過(guò)程和考核方法等教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了探討，提出了“教學(xué)內(nèi)容層次化”+“教學(xué)過(guò)程場(chǎng)景化”+“考核體系多元化”的改革方案。通過(guò)改革課程教學(xué)方法，提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握能力、對(duì)實(shí)際問(wèn)題的解決能力以及創(chuàng)新意識(shí)，從而適應(yīng)新工科對(duì)人才培養(yǎng)的新要求。

關(guān)鍵詞 新工科；機(jī)器學(xué)習(xí)；課程教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G424 " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.31.033

Innovative Exploration of Machine Learning Course Teaching Methods

under Background of New Engineering

——Taking \"Learner Performance Evaluation\" as an Example

LIU Tianhe

（College of Marine Electrical Engineering， Dalian Maritime University， Dalian， Liaoning 116000）

Abstract Under the background of New Engineering development， universities are actively exploring teaching models that meet the needs of New Engineering talent cultivation. Taking the \"Learning Machine Performance Evaluation\" in the Machine Learning course of the Internet of Things Engineering major at Dalian Maritime University as an example， this article discusses various teaching aspects such as course content， teaching process， and proposes a reform plan that combines \"hierarchical teaching content\"， \"scenario-based teaching process\"， and \"diversified assessment system\". Through reforming the teaching methods of the course， students' ability to grasp knowledge， solve practical problems， and innovate is enhanced， thus adapting to the new requirements of New Engineering for talent cultivation.

Keywords new engineering; machine learning; course instructional design

隨著人工智能等技術(shù)的不斷涌現(xiàn)與產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型，新一輪的工業(yè)革命為我國(guó)帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，而新技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展必然帶來(lái)工程教育的新變革。為聚焦國(guó)家產(chǎn)業(yè)升級(jí)需求[1]，我國(guó)于2017年開始新工科建設(shè)，對(duì)工程人才的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力提出了新的要求。

課程改革是新工科建設(shè)中的重要一環(huán)。機(jī)器學(xué)習(xí)課程是高校自動(dòng)化、物聯(lián)網(wǎng)工程、人工智能等多個(gè)專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工科思維，提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)與綜合能力，以及后續(xù)課程的學(xué)習(xí)都有著重要作用[2-3]。本文以“兩性一度”為指導(dǎo)思想，以“學(xué)生為中心”為核心理念，以提高課堂教學(xué)質(zhì)量、提升學(xué)生解決工程問(wèn)題的能力為導(dǎo)向，對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式等方面進(jìn)行研究探討，為新工科背景下的工科專業(yè)課程教學(xué)改革提供參考。

1" 機(jī)器學(xué)習(xí)課程教學(xué)現(xiàn)狀

1.1" 課程入門難度高

機(jī)器學(xué)習(xí)是一門典型的多領(lǐng)域交叉學(xué)科，需要高等數(shù)學(xué)、概率與統(tǒng)計(jì)學(xué)、線性代數(shù)等多門數(shù)學(xué)課作為基礎(chǔ)。不同的算法模型背后所涉及的底層知識(shí)均有所不同。例如，在學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反向傳播時(shí)，涉及高等數(shù)學(xué)的鏈?zhǔn)椒▌t；在學(xué)習(xí)高斯混合聚類時(shí)，需要以概率論的知識(shí)作為基礎(chǔ)；而強(qiáng)化學(xué)習(xí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是馬爾可夫決策過(guò)程。這些知識(shí)點(diǎn)跨越多個(gè)不同學(xué)科，在無(wú)形之中提升了課程的學(xué)習(xí)門檻，容易使學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒，進(jìn)而導(dǎo)致其喪失學(xué)習(xí)興趣[4]。

1.2" 知識(shí)覆蓋范圍廣

由于機(jī)器學(xué)習(xí)課程所涉及的學(xué)科門類繁多、對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，在教學(xué)過(guò)程中，教師往往需要進(jìn)行大量的計(jì)算和公式推導(dǎo)，使得課程的授課內(nèi)容往往偏重于對(duì)知識(shí)點(diǎn)的講解和傳授[5]。在新工科背景下，工科類高等教育的目標(biāo)并非簡(jiǎn)單地讓學(xué)生理解和記憶知識(shí)點(diǎn)，而是注重培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。因此，單純地傳授理論知識(shí)難以滿足新工科背景下社會(huì)對(duì)高素質(zhì)工程人才的需求，教師需要適當(dāng)調(diào)整授課內(nèi)容，兼顧知識(shí)、能力和價(jià)值三個(gè)方面的培養(yǎng)需要。

1.3" 學(xué)生缺乏主動(dòng)性

對(duì)于大多數(shù)學(xué)生而言，其選修課程的目的往往是拿學(xué)分而非對(duì)課程內(nèi)容有興趣，因此在面對(duì)高難度的學(xué)習(xí)內(nèi)容時(shí)，容易因?yàn)殡y以達(dá)到預(yù)期效果而陷入“上課聽不懂―作業(yè)不會(huì)做―分?jǐn)?shù)拿不到―更加不愛學(xué)”的惡性循環(huán)。對(duì)此，教師在活躍課堂氣氛的同時(shí)，也需要考慮如何對(duì)學(xué)生們進(jìn)行激勵(lì)，培養(yǎng)其主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí)[6]。

2" 課堂教學(xué)改革整體思路

基于新工科建設(shè)強(qiáng)調(diào)的“以學(xué)生為中心”的核心理念，以“兩性一度”為指導(dǎo)思想，針對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)課堂教學(xué)中存在的問(wèn)題，課程組結(jié)合課程自身特點(diǎn)和學(xué)生學(xué)情，設(shè)計(jì)了“教學(xué)內(nèi)容層次化”+“教學(xué)過(guò)程場(chǎng)景化”+“考核體系多元化”的改革方式，從而探索符合新工科人才培養(yǎng)需求的教學(xué)手段。

“教學(xué)內(nèi)容層次化”：對(duì)授課內(nèi)容進(jìn)行拆分與重組，根據(jù)知識(shí)點(diǎn)的難度、重要程度以及相互之間的關(guān)聯(lián)，將課程教學(xué)內(nèi)容精細(xì)化為三個(gè)層次，使能力水平不同的學(xué)生都能夠有所收獲。同時(shí)，三個(gè)層次之間的難度逐層升高且互相之間具有一定聯(lián)系。這樣的安排有利于幫助學(xué)生逐漸建立信心，讓處于較低層次的學(xué)生也能有信心、有意愿挑戰(zhàn)更高難度的內(nèi)容。“教學(xué)過(guò)程場(chǎng)景化”：對(duì)于每個(gè)層次的教學(xué)內(nèi)容都結(jié)合具體的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行講解，以此鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維以及解決工程問(wèn)題的能力。此外，在講解理論知識(shí)和應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)可通過(guò)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)，讓學(xué)生帶著問(wèn)題聽課，從而更好地理解理論的概念以及應(yīng)用方法。“考核體系多元化”：課程考核以形成性評(píng)價(jià)與終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式進(jìn)行。其中，形成性評(píng)價(jià)的方式可包括作業(yè)、隨堂測(cè)驗(yàn)、小組作業(yè)等多種方式，使學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過(guò)程中能夠獲得“看得見，摸得著”的獎(jiǎng)勵(lì)，從而對(duì)課程保持學(xué)習(xí)熱情。

3" 課堂教學(xué)設(shè)計(jì)案例

下面以“學(xué)習(xí)器性能評(píng)估”為例，對(duì)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行討論。

3.1" 課程教學(xué)目標(biāo)

本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)包括知識(shí)目標(biāo)、能力目標(biāo)和價(jià)值目標(biāo)。知識(shí)目標(biāo)：說(shuō)明精度、查準(zhǔn)率與查全率的基本概念與計(jì)算方法；區(qū)別精度、查準(zhǔn)率與查全率的適用場(chǎng)景。能力目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)、分析問(wèn)題與制訂解決方案的能力。價(jià)值目標(biāo)：激發(fā)學(xué)生的民族自豪感和科技報(bào)國(guó)的使命擔(dān)當(dāng)；了解學(xué)科的前沿發(fā)展動(dòng)態(tài)，培養(yǎng)學(xué)生終身學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣。

3.2" 教學(xué)內(nèi)容層次化

根據(jù)課程教學(xué)目標(biāo)，可以看出本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)在于讓學(xué)生記憶和理解查精度、查準(zhǔn)率與查全率的基本概念和計(jì)算方法，以及讓學(xué)生對(duì)精度、查準(zhǔn)率與查全率的適用場(chǎng)景進(jìn)行區(qū)別。

對(duì)于該部分的教學(xué)內(nèi)容，可根據(jù)布魯姆教學(xué)目標(biāo)分類，將知識(shí)點(diǎn)根據(jù)難易程度劃分為三個(gè)層次：第一層，記憶與理解。在該層次的教學(xué)目標(biāo)中，僅要求學(xué)生能夠說(shuō)明精度、查準(zhǔn)率與查全率的基本概念并解釋其計(jì)算方法。第二層，應(yīng)用與分析。在該層次的教學(xué)目標(biāo)中，要求學(xué)生能夠?qū)Ρ日f(shuō)明精度、查準(zhǔn)率與查全率之間的聯(lián)系和區(qū)別，并能夠根據(jù)具體任務(wù)要求，選擇評(píng)估指標(biāo)，制訂評(píng)估方案。第三層，評(píng)價(jià)與創(chuàng)造。在該層次的教學(xué)目標(biāo)中，要求學(xué)生們能夠?qū)取⒉闇?zhǔn)率與查全率的適用場(chǎng)景和任務(wù)進(jìn)行評(píng)估，并在所學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上，對(duì)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行擴(kuò)展，設(shè)計(jì)適用于多分類任務(wù)的性能評(píng)估指標(biāo)。

3.3" 教學(xué)過(guò)程場(chǎng)景化

3.3.1" 應(yīng)用場(chǎng)景一

對(duì)于第一層的教學(xué)內(nèi)容，教師可結(jié)合設(shè)備故障檢測(cè)來(lái)進(jìn)行講解。給出某設(shè)備運(yùn)行發(fā)生異常和故障的數(shù)據(jù)集，其中包括設(shè)備處于正常運(yùn)行狀態(tài)與處于異常狀態(tài)的數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)值的示例演示，可以讓學(xué)生很容易理解精度的含義。

在講解了精度的計(jì)算方法后，引導(dǎo)學(xué)生思考如下問(wèn)題：①所謂的分類錯(cuò)誤，可能會(huì)出現(xiàn)哪種錯(cuò)誤？②這些錯(cuò)誤有可能會(huì)引發(fā)怎樣的后果？③我們?nèi)绾吾槍?duì)這些錯(cuò)誤發(fā)生的可能性進(jìn)行評(píng)估？教師通過(guò)問(wèn)題導(dǎo)入，對(duì)查準(zhǔn)率和查全率的概念、意義和計(jì)算方法進(jìn)行詳細(xì)的講解。學(xué)生的好奇心和求知欲也通過(guò)問(wèn)題的層層遞進(jìn)被充分調(diào)動(dòng)，課堂教學(xué)效果得到提高。

3.3.2" 應(yīng)用場(chǎng)景二

對(duì)于第二層的教學(xué)內(nèi)容，可以結(jié)合抖音等短視頻平臺(tái)的推薦機(jī)制進(jìn)行講解。在講解了精度、查準(zhǔn)率與查全率的概念和計(jì)算方法后，可以讓學(xué)生使用這三種指標(biāo)對(duì)視頻平臺(tái)的推薦機(jī)制進(jìn)行評(píng)估。對(duì)于新的問(wèn)題，并沒有給定特定的數(shù)據(jù)集，也不限制學(xué)生使用何種指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行性能評(píng)估。因此學(xué)生需要自主思考應(yīng)如何獲取評(píng)估用數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，以及應(yīng)該使用何種評(píng)估指標(biāo)對(duì)視頻推薦機(jī)制進(jìn)行評(píng)估。學(xué)生可以在解決問(wèn)題的同時(shí)，自主學(xué)習(xí)三個(gè)指標(biāo)在進(jìn)行性能評(píng)估時(shí)的局限性，也能通過(guò)互相計(jì)算的結(jié)果不同，發(fā)現(xiàn)指標(biāo)之間的相互關(guān)聯(lián)。通過(guò)拋出實(shí)際問(wèn)題并要求學(xué)生自己思考解決方式，在傳遞知識(shí)的同時(shí)，也鍛煉學(xué)生自主分析問(wèn)題并制定解決方案的能力。

3.3.3" 應(yīng)用場(chǎng)景三

對(duì)于第三層的教學(xué)內(nèi)容，可結(jié)合肝病診斷的學(xué)習(xí)模型進(jìn)行講解。給定一個(gè)肝病診斷的樣本集和學(xué)習(xí)器，要求學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)器的性能進(jìn)行評(píng)估。由于肝病的類型多種多樣，而標(biāo)準(zhǔn)的查準(zhǔn)率和查全率僅適用于二分類任務(wù)，因此無(wú)法直接使用。此時(shí)，要求學(xué)生嘗試使用所學(xué)知識(shí)對(duì)指標(biāo)和二分類混淆矩陣進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，將查準(zhǔn)率與查全率的適用范圍擴(kuò)展至多分類任務(wù)。通過(guò)重新設(shè)計(jì)新的性能評(píng)估指標(biāo)，讓學(xué)生們意識(shí)到在面對(duì)實(shí)際問(wèn)題時(shí)，往往需要綜合多方面的知識(shí)進(jìn)行求解，從而鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3.4" 考核體系多元化

針對(duì)學(xué)生“缺乏主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)”的問(wèn)題，采用考核體系多元化的對(duì)策。具體做法包括：①考核方法多樣化；②考核過(guò)程透明化；③考核標(biāo)準(zhǔn)明確化。

①考核方法多樣化。課程考核采用形成性評(píng)價(jià)與終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式，其中形成性評(píng)價(jià)的考核方式包括課堂表現(xiàn)、作業(yè)、隨堂測(cè)驗(yàn)、小組作業(yè)等多種方法。此外還應(yīng)提高形成性評(píng)價(jià)的占比，讓學(xué)生把功夫下在平時(shí)，避免期末“臨時(shí)抱佛腳”。②考核過(guò)程透明化。教師在學(xué)期初就向?qū)W生公布了課程的考核形式，以及每種形式包括多少項(xiàng)具體內(nèi)容以及相應(yīng)的分值。通過(guò)這種方式讓學(xué)生在完成考核的過(guò)程中，能清楚地了解到自己已經(jīng)拿到了多少分?jǐn)?shù)以及在班級(jí)中所處的位置，從而使學(xué)習(xí)更有動(dòng)力。③考核標(biāo)準(zhǔn)明確化。由于課程的考核方式多以簡(jiǎn)答、報(bào)告、計(jì)算等主觀題的方式進(jìn)行，為使學(xué)生更好地掌握知識(shí)要點(diǎn)，教師在公布作業(yè)和測(cè)驗(yàn)答案的同時(shí)，會(huì)對(duì)得分點(diǎn)以及扣分點(diǎn)及時(shí)進(jìn)行總結(jié)，讓學(xué)生明確自己的問(wèn)題所在。同時(shí)，小組作業(yè)會(huì)明確公布評(píng)分的細(xì)則，具體將代碼、文本和課堂報(bào)告的評(píng)分點(diǎn)公布給學(xué)生，讓學(xué)生的準(zhǔn)備更具針對(duì)性，也更能夠鍛煉學(xué)生的編程、寫作和演講能力。

4" 教學(xué)改革成效

本課程于2021年開設(shè)，并于2022年開始逐步嘗試進(jìn)行改革。根據(jù)學(xué)生評(píng)價(jià)與反饋結(jié)果，課程教學(xué)效果良好，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性有明顯提高。自從實(shí)施課程改革后，學(xué)生的成績(jī)整體呈上升趨勢(shì)。課程總評(píng)的優(yōu)良率從2021年的39.3%上升至2023年的50%，不及格率從8.2%下降至2.4%；平均分由2021年的73.14上升至2023年的79.23。

在課堂教學(xué)之外，教師會(huì)鼓勵(lì)并指導(dǎo)學(xué)生積極參加各類競(jìng)賽。截至2023年底，學(xué)生榮獲各類省級(jí)競(jìng)賽獎(jiǎng)項(xiàng)6項(xiàng)，國(guó)家級(jí)競(jìng)賽獎(jiǎng)項(xiàng)2項(xiàng)，自主申報(bào)并成功立項(xiàng)校級(jí)、省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目各1項(xiàng)。通過(guò)上述競(jìng)賽和實(shí)踐項(xiàng)目，學(xué)生的實(shí)踐能力得到了提高，創(chuàng)新意識(shí)得到了鍛煉。

5" 結(jié)語(yǔ)

機(jī)器學(xué)習(xí)課程涉及多門學(xué)科知識(shí)的交叉融合，課程入門難度高、知識(shí)覆蓋范圍廣，為提高教學(xué)質(zhì)量帶來(lái)了較大的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合新工科建設(shè)背景，提出“教學(xué)內(nèi)容層次化”+“教學(xué)過(guò)程場(chǎng)景化”+“考核體系多元化”的改革方式，對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容與方法進(jìn)行重構(gòu)與優(yōu)化。該教學(xué)模式有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和工程應(yīng)用能力，整體應(yīng)用效果較好。在未來(lái)，課程組會(huì)基于該方法繼續(xù)進(jìn)行探索嘗試，推動(dòng)課程改革。

基金項(xiàng)目：大連海事大學(xué)2024年校級(jí)教學(xué)改革項(xiàng)目“新工科背景下的‘機(jī)器學(xué)習(xí)’線上線下混合式課程教學(xué)方法改革”（BJG-C2024073）。

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