基于S2S平臺機器學習課程建設研究

郝小寧 李東喜

(太原理工大學大數據學院 山西晉中 030600)

1 機器學習課程建設背景

十三屆全國人大四次會議3 月11 日表決通過了《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》（以下簡稱綱要）。綱要第五篇是加快數字化發展，建設數字中國。打造數字經濟新優勢，加快數字社會建設步伐，提高數字政府建設水平，營造良好數字生態[1]。“數字”在此篇出現數次，可見國家對數字的重視，并提到培育壯大人工智能、大數據、區塊鏈、云計算、網絡安全等新興數字產業。高校相應專業課程教學是落實相關人才培養根本任務的基礎工作。機器學習等核心技術人才的培養，將成為推動數字時代的重要力量。作為大數據學院專業課程機器學習的主講教師，深感責任重大。要承擔好育人責任，“守好一段渠，種好責任田”。

數字人才培養與科技創新是社會長期關注的問題。人才是創新的根基。后疫情時代下，建設機器學習優質在線教學資源，開展混合式教學，可不斷提升教學質量，助力數字化人才培養。因此，在線機器學習課程建設，對培養數字化人才意義非凡。筆者在現有教學經驗的基礎上，不斷加強機器學習課程的教學研究,對在線機器學習課程建設，進行深入思考、研究。

2 傳統機器學習課程存在的問題與數字化人才培養

2.1 傳統機器學習課程存在的問題

傳統機器學習課程是以理論為主。一方面，學習過程多限于老師主導的教（一言堂），學生被動聽課，學生在課堂上參與度不高，無法高效地實現師生互動，不利于調動學生的主動性；學生學習的目的性差，缺乏目標引領性；缺乏理論知識向實踐能力的轉化。另一方面，一節課結束時，老師不能立即明確學生對知識掌握的程度，信息反饋缺失，傳統機器學習課程亟需改革升級。因此，該文立足在線機器學習課程建設，目標是對傳統機器學習課程進行改革，以實現對學生知識、能力、實踐、創新一體化培養模式，聚焦數字化人才培養。

2.2 數字化人才培養

機器學習是該校大數據學院數據科學專業本科生的核心課程。通過該課程的學習，學生能夠掌握機器學習算法核心知識，能夠知道其然且知其所以然，夯實理論基礎。學生能夠獨立分析和解決問題，培養學生獲取綜合運用機器學習的能力，并提升實踐能力,達到培養高素質人才的作用。為學生今后從事大數據工程及人工智能工程等的相關領域工作奠定基礎。同時，樹立其對世界萬物建立模型，以達到認識世界和改造世界的目的。

當今，數字化時代的到來，企業通過云機器學習為創新數字化轉型插上騰飛的翅膀。各界對數字化人才的需求劇增，這讓人才培養面臨新的挑戰。機器學習課程在線建設順應并加快數字化發展的新需求，是高校機器學習課程教學改革的重要舉措，助力數字化人才培養，實現從能力培養到全面發展[2]。通過機器學習課程培養的人才將服務于數字化產業需求，涵蓋人工智能、大數據、區塊鏈等新興數字產業。

3 基于S2S平臺機器學習課程建設

3.1 S2S平臺的選擇及介紹

以一流的在線課程，促進一流本科專業建設[3]。該校大數據學院數據科學專業學生是在大二就開設此課程。由于在疫情期，提供的在線教學平臺中，比如中國大學MOOC、超星爾雅、學堂在線、智慧樹、虛擬仿真等平臺，機器學習這門課程的資源有限，并且與目前使用教材能配套的線上資源非常少，而異步SPOC的當時僅發現一個。由于前期課程設置的不同，學生反映聽這個異步SPOC課有些不太好理解掌握，并且無法跟講課的老師進行互動。因此，在“綱要”及后疫情的特殊背景下，應立足該校學生，選擇該校提供的S2S平臺作為機器學習課程建設的網絡平臺。

S2S 平臺為教師提供了一個集備課、課程資源管理及共享、課堂互動、學生學習管理、學生考評為一體的教學平臺。教師課前可以利用S2S平臺進行在線課程資源建設，可以發布教學視頻、教學PPT、建設題庫及各種學習資料。課中可進行教學活動，包括組織討論、發布練習、簽到等。課后可布置作業，發布拓展學習任務。在整個教學過程中，所有的教學環節都會實時記錄，便于教師教學管理。

S2S 平臺為學生提供一個貫通課前、課上、課后、考評等學習階段的學習平臺。學生可以從手機端和電腦端登陸S2S平臺，可課前預習；課中與教師進行在線討論，課堂互動。課后可多次觀看視頻、做作業及測試并網上提交，并開展拓展學習任務。學生過S2S 平臺可以實現一站式學習。

3.2 基于S2S平臺機器學習課程建設方案

基于S2S 平臺建立機器學習課程的基本信息，包括先修課程、課程簡介、教學大綱、以及教學計劃。在課程資源建設方面，該文將以學生為中心，圍繞課前、課中、課后這3個階段探索基于S2S平臺機器學習課程資源建設的方案，為后疫情時代提升教學質量、數字化人才培養做出貢獻。機器學習課程資源建設主要分為課前、課中、課后這3個模塊。

基于S2S 平臺，課前模塊的機器學習課程資源建設。機器學習課程不可避免會涉及高數、線代、概率、統計、優化等數學知識。大二的學生需要把這些先導知識掌握，才能更好地掌握機器學習。在實際教學時發現，學生對一些數學知識理解模糊、不準確。鑒于此，可以把這些先導知識以文本或小視頻的方式上傳至課前資源中。利于學生理解課中講授機器學習時用到的數學知識。同時可以預設幾個針對課中要學的問題，讓學生思考如何解決，帶著問題在課中學習、有目標的學習。

基于S2S 平臺，課中模塊的機器學習課程資源建設。利用錄屏軟件Camatasia，采取以PPT為主,并與教師手寫講授相結合進行錄屏。機器學習課程章節建設具體內容如下。

第1 章緒論。講解機器學習的基本術語、相關概念、發展歷程、應用現狀以及該課程的授課內容及安排。第2 章模型評估與選擇。主要講解模型評估方法、性能度量、比較檢驗。第3～8 章：主要講解監督學習，涉及線性模型、決策樹、神經網絡、支持向量機、貝葉斯分類器及集成學習。第9章：聚類，講解無監督學習[4]。具體課程知識結構內容見圖1。課中機器學習課程資源建設包括視頻資源、講義、習題。對機器學習中具體復雜理論公式，采用手寫屏授課、錄屏相結合。利用專業軟件，根據章節知識點將機器學習內容分別錄制微視頻進行講解，其中每個視頻時長控制在10 min 以內。課程資源建設期間，特別注意加強機器學習課程思政建設，有效發揮專業課程的育人功能[5]。比如對于數字化時代中存在的卡脖子問題，可鼓勵學生探索未知、追求真理，培養學生勇攀科學高峰的責任感和使命感。同時，也需要建立課堂教學活動的討論題目資源。對每一章節，給相出應知識的程序講解，理論聯系實際，旨在加強學生動手實踐的能力。對每一章節內容繪制思維導圖進行知識點總結，提高學習效率、增進理解記憶。在課中的建設中，要特別建設一套習題庫，在S2S平臺中習題庫包含填空、單選、多選、判斷、簡答這5種題型。這些題在機器學習講授過程中，會以練習或討論的方式讓學生參與，真正做到教師引導，學生為中心，讓學生動起來、積極思考。老師力爭做到點亮學生的思維火花，做學生錘煉品格的領路人、做學生學習知識的領路人、做學生創新思維的領路人、做學生奉獻祖國的領路人。在這個過程中，教師不再是知識的擁有者、傳授者和控制者，而是教學過程的參與者、引導者和推動者。學生不再是知識的被動接受者，而是主動學習者、自主構建者、積極發現者和執著探索者?；赟2S平臺的機器學習課中資源建設內容具體見圖2。

圖1 機器學習課程知識結構內容

圖2 課中資源建設內容

基于S2S 平臺，課后模塊的機器學習課程資源建設，分為基礎篇與提高篇，便于讓不同程度的學生學習。將與教學內容相關的經典的機器學習文章、最前沿的機器學習文章、機器學習在應用方面的期刊論文及一些優秀的視頻資源統一放到S2S平臺課后資源中,作為拓展能力使用。同時給出一些實際問題及相應數據集，升級難度，讓學生根據機器學習內容，編程解決，強化學生的動手實踐能力，旨在提高解決問題及創新的能力，做到扶放有度。學生可體會到有限的課堂時間，無限的探究學習活動，愛上機器學習課程,為培養數字化人才奠定堅實的基礎。

3.3 基于S2S平臺機器學習課程建設步驟

3.3.1 新建課程

登錄S2S 平臺網址，進入個人空間，點擊右上方“+”新建課程。課程建設主要分為四大部分操作：（1）新建課程；（2）完善課程基本信息；（3）建設課程資源；（4）建設題庫。

3.3.2 完善課程基本信息

點擊課程基本信息，需要完善五部分內容。分別為先修課程、課程簡介、教學大綱、教學計劃、教學要求。通過課程基本信息，學生大致可以對此課程做一個基本了解。

3.3.3 建設課程資源

課程資源建設中主要涉及兩大部分，頁面顯示分別為課程章節、課程資源，如圖3所示。通過點擊課程章節，可添加建立課程目錄及章節內容。點擊課程資源，上傳事先錄制的相關章節的微視頻、講義、習題（通過題庫進行添加）以及外部資源。

圖3 課程資源建設

3.3.4 建設題庫

建設題庫步驟如下：首先點擊題庫建設，其次選擇題目的類型，繼而點擊新建題庫，再選擇所屬章節，最后編輯題目。重復此過程，直至將S2S 平臺機器學習題庫建設完畢。

通過上述4個步驟，基于S2S平臺機器學習課程資源基本建設完畢。但是根據實際授課需要，可建立真實課堂。新建好真實課堂點擊編輯按鈕可以進行克隆，如果教師帶多個班級只是上課時間和班級不一樣，可以進行微調、進行克隆，而教學資源并不會發生變化。

4 基于S2S平臺機器學習課程特色

基于S2S 在線教學平臺，機器學習課程建設立足理論基礎，結合編程。其具備以下特色。

4.1 夯實數學理論基礎，培養數學應用能力，聚焦數字化人才培養

考慮到數據科學專業的特點，基于S2S 平臺機器學習的課程建設立足基礎理論，強化矩陣運算、概率論及統計等知識的運用，懂推導、闡述機器學習原理、掌握機器學習本質。在機器學習課程中強調基礎理論的重要作用，提升學生的理論水平與創新能力。

4.2 理論與實踐緊密結合，培養學生動手能力

掌握機器學習原理的基礎上，通過具體程序實現機器學習算法，思考不同算法之間的區別聯系。同時熟悉部分Python 庫的使用。通過實踐，可增強學生學習機器學習的熱情，提高動手實踐能力。

4.3 結合學術前沿，培養創新能力

通過課后一些前沿文章的學習，可開闊學生學術視野，拓寬科研思路，創新思維，提高全面認識問題的能力，培養學生創新意識和科研能力。

針對該校該專業學生，做到有的放矢。兼顧學生基礎，利于學生更好地掌握機器學習知識?？蛇M行在線的教學活動，包括在線練習、討論，學生可達到100%的參與，實現有效互動，而這在傳統的教學課堂中是不可能實現的。同時，可進行階段性的測試，及時發現掌握的薄弱環節，加以強化掌握。可結合線下教學，隨時師生見面，面對面地輔導答疑，實現精準教學，有效提升教學質量[6]。

5 結語

基于S2S 平臺的機器學習課程，可以提供高效互動的在線課堂。學生可更加清晰、深刻地理解掌握所學內容。筆者在課程建設中在教學理念及教學內容設計中收獲頗多。當然，課程建設是一個長期的過程。隨著今后教學實踐，課程將會不斷完善。相信基于S2S平臺的機器學習課程的混合教學及在線教學必將取得較好效果，全面提升教學質量，助力培養數字化新型人才。