基于CDIO的機器學習課程教學改革與探究

王昊 劉高軍 趙爾平

【摘要】針對機器學習課程教學過程中存在的問題，本文基于CDIO理念提出機器學習課程教學改革新思路。教學方法上，以案例驅動教學，調動學生學習主動性；教學內容上，以實踐為主體，理論為輔助，培養學生動手能力；實踐模式上，以團隊為核心，培養學生溝通，協調與共同解決問題的能力，從而為培養大數據人才打下堅實的基礎。

【關鍵詞】CDIO 機器學習 教學改革

【中圖分類號】G642.0 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）22-0245-01

黨的十八大以來，黨和國家領導人把科教興國、人才強國和創新驅動發展戰略擺在國家發展全局的核心位置，高度重視人才工作[1]。大學作為人才培養的重要組成環節，積極響應國家號召，全面提高教學水平和人才培養質量，具有重大的時代意義。

2000年起，麻省理工學院和瑞典皇家工學院等四所世界一流大學，經過四年研究與探索，創立了CDIO工程教育新模式。CDIO代表構思（conceive），設計（design）、實現（implement）和運作（operate），它以項目（產品）研發到項目（產品）運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程。該模式從工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力四個維度對學生進行培養，并為各維度設計培養目標，達到提高學生綜合素質的目的[2]。

機器學習是大數據分析的基礎課程，兼顧理論性和實踐操作性。熟練理解掌握機器學習對深入學習大數據技術有著重要意義。在機器學習的教學過程中，需強調理論、實踐和團隊相結合的原則，培養學生分析、解決問題和團隊協作的實踐動手能力。本文在分析機器學習教學問題的基礎上，基于CDIO工程教育理念，提出機器學習教學新思路。

一、機器學習課程教學現狀

教學方法上，缺乏師生互動，機器學習課程知識點較多，在規定的課時量下，傳授大量內容給學生容易造成“填鴨式”教學。教學過程以教師為主體，學生被動式學習，缺乏師生互動，課堂氣氛沉悶，學生學習興趣低，聽課意愿不足，聽課效率差，難以達成既定的教學目標。

教學內容上，理論重于實踐，機器學習教材多側重于理論，其中概念、定義、公式推導多。存粹地進行理論教學，容易造成理論與實踐的脫節，且授課內容枯燥無味，難以調動學生的學習主動性。

實踐模式上，團隊教學不足，教師側重于學生個體指導工作，缺乏團隊訓練，不利于學生溝通、協助能力的提高，項目設計多局限于書本內容，缺乏實際項目的熏陶。

二、CDIO模式下的課程教學改革

高校開設機器學習課程，需要結合學生實際水平，教學過程應以案例驅動教學、實踐為主體，團隊為核心。幫助學生充分消化、吸收機器學習知識，全面提高學生理論、實踐水平，培養團隊合作精神。結合CDIO 理念，針對機器學習教學中存在的問題，提出如下改進思考。

（一）教學方法上采用案例驅動式教學

教學方法的適應性直接影響教學效果，機器學習是理論與實踐緊密結合的課程，教學目標在于使學生理解大數據處理的基本思想、概念，培養學生實踐動手能力，因此，案例驅動的教學方法[3]，可以提高學生注意力，調動學生學習熱情，讓學生對機器學習產生濃厚的興趣。

機器學習授課應從案例分析、求解入手，以解決實際問題為出發點。教師應依據教學大綱，有針對性的設計合理難度的案例。案例中承載的問題，要符合學生的理解、接受能力，過難的問題會打擊學生的學習積極性，過于簡單的問題，容易使學生產生自滿情緒，影響后續教學工作的開展。教師應選擇具有代表性的典型案例，并根據學生反饋情況，有針對性地實時調整介入程度。

以案例驅動課堂，將知識點有序的穿插在案例中進行講解，引導學生結合案例對知識點進行探索，提高學生發現問題，分析問題，解決問題的能力。案例驅動教學始終以學生作為教學的主體，教師負責引導學生發現、分析和解決問題，能充分調動學生的積極性，營造良好的互動氛圍，提高教學質量。

（二）教學內容上強調實踐主體性

常見的機器學習教材側重于理論，其中概念、定義、公式推導多，容易使初學者產生為難情緒。教材可選用案例驅動類教材，如《集體編程智慧》，該類教材從案例出發，理論、知識點為案例服務，有利于達成“以實踐為主體、理論為實踐服務”的教學目標，培養學生動手能力，能取得良好的教學效果。

教學內容圍繞案例中具體問題展開，對公式推導、變形等理論問題進行精簡，非核心問題選講，重視算法的具體應用，引導學生理解掌握算法應用場景和應用技巧，發現問題及時指導。針對機器學習而言，精簡其基礎理論中，誤差范圍公式、支持向量機公式、拉格朗日條件、KKT條件、對偶問題變形等理論推導教學內容；譜聚類、密度聚類、層次聚類、基于混合高斯模型的聚類等按實際情況選講；強調機器學習各類算法的應用方法，引導學生在實踐中理解算法內涵，建立微信輔導群，密切關注學生學習進展，積極幫助學生解決實踐中遇到的各種困難。

（三）實踐模式上以實際項目為依托，強調團隊合作精神

CDIO理論以項目（產品）研發到項目（產品）運行的生命周期為載體，為工程教學模擬真實的項目（產品）開發流程。教師對實際開發項目（產品）作出適量簡化，保留與算法理解具有緊密關聯的核心問題，在保證核心問題正確解決的基礎上，鼓勵學生嘗試非核心問題[4]。項目完成后，撰寫實踐報告，鞏固實踐心得體會。

項目交由團隊開發，團隊由學生自由組合，自行推選團隊負責人，總體負責項目分工，開發進度，人員協調，技術攻關等工作。教師實時關注團隊開發進度，以團隊為單位進行指導，引導解決開發中遇到的問題，并針對各團隊的共性問題，集中進行解答[5]。

三、結束語

機器學習是大數據分析的入門課程，具有一定的理論深度和強實踐性。理解掌握機器學習理論，對進一步學習和深入研究大數據具有重要意義。針對機器學習教學中常見的問題，本文依據CDIO理論提出案例驅動教學下，以實踐為核心、理論為輔助，側重團隊開發的機器學習教學新思路，助力大數據人才培養。

參考文獻：

[1]新華社 創新引領發展 建設科技強國.

[2]克勞雷（美）等，顧佩華， 沈民奮， 陸小華譯， 重新認識工程教育：國際CDIO培養模式與方法，高等教育出版社：2009.

[3]趙輝，李萬龍，鄭山紅，張麗娟.“項目導向案例驅動”的軟件工程教學模式.計算機教育，2012（10）， 89-92.

[4]顧學雍.聯結理論與實踐的CDIO——清華大學創新性工程教育的探索. 高等工程教育研究 2009（1）， 11-23.

[5]董晨，李繼芳，楊慶，金冉.團隊合作結合競賽式教學法的實踐與探索， 浙江省高校計算機教學研究會2008年學術年會， 2008.