基于漸進(jìn)式的留學(xué)生機(jī)器學(xué)習(xí)課程實(shí)踐研究

李延超

關(guān)鍵詞：機(jī)器學(xué)習(xí)課程；留學(xué)生教育；漸進(jìn)式教學(xué)；實(shí)踐教學(xué)；混合式教學(xué)

0 引言

教育國(guó)際化發(fā)展至今，國(guó)內(nèi)高校有很多中外合作辦學(xué)項(xiàng)目，如“一帶一路”沿線國(guó)家留學(xué)生項(xiàng)目[1]。高校運(yùn)行模式需要國(guó)際化，培養(yǎng)滿足國(guó)際化發(fā)展需求的人才。

從近幾年的留學(xué)生授課情況看，來(lái)華留學(xué)生普遍存在基礎(chǔ)教育知識(shí)薄弱，對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)課程體系所需要的數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)、概率及編程知識(shí)有一定程度的缺失現(xiàn)象，特別是缺乏必要的邏輯思維和分析問(wèn)題能力，導(dǎo)致他們很難達(dá)到學(xué)校的畢業(yè)要求[2]。

針對(duì)這種普遍現(xiàn)象，我們對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)課程采用漸進(jìn)性、實(shí)踐性和混合式教學(xué)的創(chuàng)新方法，通過(guò)課程教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和匯報(bào)演示，培養(yǎng)留學(xué)生知識(shí)、能力和素質(zhì)全面發(fā)展，使其具備一定的機(jī)器學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)，能夠較好的應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)模型和算法解決問(wèn)題。同時(shí)，能夠了解學(xué)科研究方向的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)，具備獨(dú)立從事科學(xué)研究和工程技術(shù)的能力。

1 教學(xué)目標(biāo)及其實(shí)踐教學(xué)方法

在機(jī)器學(xué)習(xí)課程建設(shè)中，課程教學(xué)大綱的設(shè)計(jì)是最重要的。其主要內(nèi)容應(yīng)包括課程內(nèi)容、課程目標(biāo)、教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)方法、教學(xué)反饋等方面[3]。機(jī)器學(xué)習(xí)課程為48 課時(shí)，其中課堂授課34 課時(shí)，課程實(shí)踐14 課時(shí)，外加課后習(xí)題及討論。

1.1 課程目標(biāo)

機(jī)器學(xué)習(xí)課程的目標(biāo)是運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法/模型解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。該課程講述機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展簡(jiǎn)史、任務(wù)、模型和應(yīng)用。其中包括傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，深度學(xué)習(xí)及其應(yīng)用。海外留學(xué)生通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)能夠了解基本的機(jī)器學(xué)習(xí)模型和方法，完成機(jī)器學(xué)習(xí)算法應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、自然語(yǔ)言處理應(yīng)用實(shí)驗(yàn)和自主型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。學(xué)生通過(guò)實(shí)踐，能夠發(fā)揮主動(dòng)性，理解機(jī)器學(xué)習(xí)算法運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。課程通過(guò)教學(xué)與編程實(shí)踐相結(jié)合，逐步培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力[4]。

1.2 漸進(jìn)性教學(xué)方法

漸進(jìn)性教學(xué)方法對(duì)于邏輯思維培養(yǎng)訓(xùn)練是非常有用的，通過(guò)循序漸進(jìn)的方式，一步一步地建立定制化的教學(xué)體系，同時(shí)通過(guò)迭代反饋來(lái)不斷改進(jìn)，形成階段式和反饋式教學(xué)方法[5]。在機(jī)器學(xué)習(xí)課程漸進(jìn)式體系實(shí)施過(guò)程中，首先采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方式，介紹機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用問(wèn)題（圖1），接著從任務(wù)（問(wèn)題）-方法（模型）-算法（圖2）角度介紹機(jī)器學(xué)習(xí)解決問(wèn)題的邏輯思路。最后逐個(gè)介紹機(jī)器學(xué)習(xí)模型、算法以及實(shí)現(xiàn)。在具體內(nèi)容的講解過(guò)程中，根據(jù)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)逐步突破和拓展，課堂上測(cè)驗(yàn)留學(xué)生學(xué)習(xí)的成效和反饋，此外，通過(guò)編碼實(shí)踐習(xí)題加深學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解。

1.3 實(shí)踐性教學(xué)方法

針對(duì)一些留學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)相對(duì)比較薄弱的情況，缺乏相應(yīng)的數(shù)理背景知識(shí)，機(jī)器學(xué)習(xí)課程采用理論和實(shí)踐教學(xué)同時(shí)進(jìn)行，具體采用漸進(jìn)式、過(guò)程改進(jìn)式的實(shí)踐教學(xué)方法，可以增強(qiáng)課程的接受度[6]。例如在講授回歸任務(wù)/問(wèn)題的過(guò)程中，首先介紹回歸任務(wù)中比較簡(jiǎn)單的線性回歸問(wèn)題，了解一般回歸模型訓(xùn)練與預(yù)測(cè)的流程，接著講解基于最小二乘法的線性回歸模型，最后介紹采用解析解和梯度下降的優(yōu)化算法進(jìn)行求解的方法。在介紹解析解的過(guò)程中，要把數(shù)學(xué)理論與代碼實(shí)踐相結(jié)合，讓學(xué)生理解求解步驟，然后用代碼實(shí)現(xiàn)，這樣可以提升留學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[7]。

基于最小二乘法進(jìn)行線性回歸任務(wù)分析過(guò)程中，通過(guò)解析解求解時(shí)，采用數(shù)學(xué)公式與代碼結(jié)合的方式講解，程序代碼如下：

此外，在簡(jiǎn)單線性回歸模型介紹的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步拓展。例如讓學(xué)生課后繼續(xù)學(xué)習(xí)其他模型解決線性回歸問(wèn)題，或者采用其他優(yōu)化算法進(jìn)行求解，具體的課后編程習(xí)題如表1 所示。總之，機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)踐教學(xué)的建設(shè)方法在授課的過(guò)程中得到了充分體現(xiàn)，這種方法在介紹神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與深度學(xué)習(xí)內(nèi)容中也得到了充分的應(yīng)用。

2 混合式教學(xué)創(chuàng)新方法

對(duì)留學(xué)生的機(jī)器學(xué)習(xí)課程采用混合式教學(xué)方法，線上授課，線上批改作業(yè)。選擇合適的線上教學(xué)工具和方法是一件非常重要的事情。結(jié)合課程的特點(diǎn)以及海外留學(xué)生的實(shí)際情況，最終選定結(jié)合騰訊會(huì)議線上授課和線上批改作業(yè)的形式。在整個(gè)的教學(xué)過(guò)程中，為了更好地了解留學(xué)生在各個(gè)階段的學(xué)習(xí)效果，用隨機(jī)練習(xí)題作為輔助測(cè)驗(yàn)。課堂隨機(jī)練習(xí)題樣題如下：

1. You have an input volume that is 63×63×16， andconvolve it with 32 filters that are each 7×7， using a strideof 2 and no padding. What is the output volume？A. 29×29×16 B. 29×29×32 C. 16×16×16 D. 16×16×32

2. You have an input volume that is 15x15x8， and pad itusing "pad=2. " What is the dimension of the resultingvolume （after padding）？

A. 17×17×10 B. 19×19×12 C. 19×19×8 D. 17×17×8

線上批改作業(yè)和解答形式結(jié)合可以快速并及時(shí)的反饋教學(xué)效果。在實(shí)際的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，這種方法可以跟進(jìn)留學(xué)生在聽(tīng)課過(guò)程中有哪些知識(shí)點(diǎn)存在疑惑，可以針對(duì)性多講解幾遍，加強(qiáng)知識(shí)的理解，也方便留學(xué)生課后進(jìn)一步編碼實(shí)現(xiàn)。通過(guò)實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，采用這種混合式教學(xué)方法可以增強(qiáng)留學(xué)生對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)模型/方法的學(xué)習(xí)興趣[8-9]。

3 實(shí)施案例和教學(xué)效果分析

從實(shí)施的案例來(lái)分析，在介紹神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)過(guò)程中，首先從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（多少層、每一層寬度、激活函數(shù)），損失函數(shù)（交叉墑、Sigmoid），神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)怎么計(jì)算梯度（前向傳播和反向傳播），Batch 大小，以及選擇優(yōu)化算法（SGD、AdaGrad、RMSprop）和一些其他參數(shù)的調(diào)節(jié)，包含學(xué)習(xí)率、迭代次數(shù)等。留學(xué)生可以比較清晰地明白神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是怎么訓(xùn)練的，同時(shí)也了解怎么去構(gòu)建一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這為后面介紹其他類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)奠定了很好的基礎(chǔ)。

在講解卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的過(guò)程中（圖3），通過(guò)基本神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)講解的鋪墊，開(kāi)始講解卷積操作（Operator），每講解一個(gè)操作，給出練習(xí)測(cè)試留學(xué)生接受的程度。在講解完卷積層的各個(gè)操作，總結(jié)卷積層關(guān)鍵部分，比如卷積核（Filter）數(shù)目、卷積核大小，步長(zhǎng)（Stride），Padding 選擇，激活函數(shù)、以及池化層配置等?？傊?，這樣的實(shí)踐教學(xué)使留學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣越來(lái)越大，并且也感受到自己可以上手編碼實(shí)現(xiàn)模型的訓(xùn)練和預(yù)測(cè)。程序代碼如下：

課程考核方式是學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法解決實(shí)際的應(yīng)用問(wèn)題，課程助教提供了諸如Kaggle、UCI 等公開(kāi)數(shù)據(jù)集平臺(tái)供大家下載數(shù)據(jù)集，課程通過(guò)提交大作業(yè)報(bào)告的形式和現(xiàn)場(chǎng)演示匯報(bào)結(jié)合。在近幾年的教學(xué)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)很多留學(xué)生做了非常充分的工作，比如有結(jié)合醫(yī)學(xué)、交通的數(shù)據(jù)應(yīng)用進(jìn)行匯報(bào)。表2 展示了通過(guò)漸進(jìn)性、實(shí)踐性和混合教學(xué)模式后學(xué)生平均成績(jī)呈現(xiàn)逐年提高趨勢(shì)，尤其在實(shí)踐能力的提高更為明顯。

留學(xué)生通過(guò)理論和實(shí)踐的學(xué)習(xí)，能力有特別明顯的提升。課程結(jié)束后，為了進(jìn)一步調(diào)研留學(xué)生學(xué)習(xí)效果，我們對(duì)留學(xué)生進(jìn)行1 對(duì)1 的訪談，發(fā)現(xiàn)學(xué)生掌握機(jī)器學(xué)習(xí)算法/模型實(shí)踐的認(rèn)識(shí)之后，再進(jìn)一步學(xué)習(xí)機(jī)器學(xué)習(xí)理論內(nèi)容，可以更好的吸收和理解。從調(diào)查問(wèn)卷結(jié)果反饋來(lái)看，相比于傳統(tǒng)教學(xué)，大部分學(xué)生更喜歡這種混合式教學(xué)方式。學(xué)生的表達(dá)能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、自學(xué)能力等得到了全面提升。

4 總結(jié)

采用漸進(jìn)性、邏輯性和實(shí)踐性教學(xué)，取得了很好的教學(xué)效果并得到了留學(xué)生的一致好評(píng)?！陡哔|(zhì)量線上教學(xué)講座》為教師提供了很多啟發(fā)性的教學(xué)方法和教學(xué)資源共享平臺(tái)的使用機(jī)會(huì)，這極大地方便了移動(dòng)化和高效率的線上授課。現(xiàn)如今，對(duì)于機(jī)器學(xué)習(xí)課程，網(wǎng)絡(luò)上有很多國(guó)內(nèi)外名校開(kāi)設(shè)的優(yōu)秀專項(xiàng)課程，可以進(jìn)一步嵌入互聯(lián)網(wǎng)資源的優(yōu)勢(shì)。我們能夠通過(guò)對(duì)教學(xué)內(nèi)容、混合式教學(xué)方法的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，來(lái)促進(jìn)對(duì)留學(xué)生高階學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。