編程應(yīng)用類課程的綜合式課堂教學(xué)模式探索
——以中國計量大學(xué)“Python機器學(xué)習(xí)”課程為例

曹松曉，宋 濤

（中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

引言

機器學(xué)習(xí)是近些年研究和實際應(yīng)用中的熱門［1］，在當(dāng)前“智慧計量”的大背景下，在計量與測控教學(xué)中采用機器學(xué)習(xí)是未來的一大發(fā)展趨勢，而Python是目前人工智能、機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的一種編程語言［2］，容易入門且功能強大，因此，筆者面向中國計量大學(xué)計量測試工程學(xué)院的研究生開設(shè)了一門以Python為編程工具，以深入了解機器學(xué)習(xí)各種概念、方法及其算法的Python實現(xiàn)為目的的課程——“Python機器學(xué)習(xí)”。機器學(xué)習(xí)作為一個熱門的研究方向，探索其優(yōu)秀的教學(xué)方法一直是每個教育工作者持續(xù)追尋的目標［3］。

“Python機器學(xué)習(xí)”作為一門具有較強理論性和很強應(yīng)用性的編程類課程，探索一種綜合式課堂教學(xué)模式，使學(xué)生能在有限時間內(nèi)融匯各方面的知識，真正學(xué)有所得，是此類課程教學(xué)中必然會面對和亟須解決的一個問題。針對編程類課程教學(xué)，已經(jīng)有不少學(xué)者提出了各種行之有效的方法，如翻轉(zhuǎn)課堂模式［4-5］、線上線下混合模式［6］、解決問題為導(dǎo)向模式［7］和項目式教學(xué)［8］等，筆者試圖取各家所長，探索一種綜合式的適合本校研究生的課堂教學(xué)模式。

一、編程應(yīng)用類課程的綜合式課堂教學(xué)模式和方法探索

（一）因材施教，與時俱進

“Python機器學(xué)習(xí)”課程是一門新設(shè)立的課程，在之前的課程體系中，沒有一門將Python編程與機器學(xué)習(xí)相結(jié)合的綜合性課程，而這兩者之間的關(guān)系在實際科研和應(yīng)用中密不可分，因此有必要在課程建設(shè)期間，不斷優(yōu)化和更新現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容，實現(xiàn)二者的有機結(jié)合，同時緊跟前沿學(xué)術(shù)和技術(shù)變化，使學(xué)生學(xué)習(xí)到更新、更實用的內(nèi)容。

1.根據(jù)學(xué)生基礎(chǔ)，動態(tài)調(diào)整編程教學(xué)比重。由于本校的研究生來自不同高校和專業(yè)，編程基礎(chǔ)參差不齊，且每年的情況都會有所變化，同時Python作為當(dāng)前最熱門的編程語言之一，越來越多的學(xué)生在本科階段就已自學(xué)過相關(guān)內(nèi)容，因此有必要針對每學(xué)年學(xué)生的編程基礎(chǔ)，動態(tài)調(diào)整Python編程相關(guān)的教學(xué)比重。基于此思想，在每學(xué)年的課程開始前，筆者會在課程教學(xué)群中發(fā)起關(guān)于編程基礎(chǔ)的投票調(diào)查，從而可以較為準確地了解整個班級中有多少人已經(jīng)學(xué)習(xí)過Python，有多少人完全是新手，以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整編程相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的課時和比重，如圖1所示。

圖1 2020—2021學(xué)年教學(xué)班的Python編程調(diào)查結(jié)果

通過這種有針對性的問卷調(diào)查形式，筆者較好地掌握了學(xué)生的基礎(chǔ)，清楚地了解到在當(dāng)前教學(xué)班中，有85%的學(xué)生沒有Python的編程基礎(chǔ)，因此筆者在本次的教學(xué)中適當(dāng)?shù)丶哟罅藢ython基礎(chǔ)知識的講解，以照顧絕大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

2.跟蹤學(xué)術(shù)動態(tài)，添加最前沿的成果和方法。機器學(xué)習(xí)是當(dāng)前學(xué)術(shù)研究和實際應(yīng)用中的熱點，特別是在學(xué)術(shù)領(lǐng)域中，機器學(xué)習(xí)的方法和成果日新月異。因此，在教學(xué)過程中，教師要緊跟學(xué)術(shù)前沿，及時將最新的有代表性的成果融入日常教學(xué)中，使學(xué)生對課程有更強的代入感和參與感。例如，在本學(xué)年的教學(xué)中，當(dāng)課程進行到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的多層感知機模型（MLP）時，由于其方法已經(jīng)有幾十年的歷史，在部分學(xué)生看來可能已經(jīng)過時了，然而在相同的時間段，有學(xué)者在Google上發(fā)表了一篇頗具影響力的文章——“MLP-Mixer: An all-MLP Architecture for Vision”，這篇論文讓這個原本看似古老的方法重新煥發(fā)了生機。筆者在教學(xué)過程中，從宏觀角度系統(tǒng)介紹了這個學(xué)術(shù)成果，從學(xué)生聽課的反應(yīng)來看，大家都表現(xiàn)出了極大的興趣，同時對MLP方法有了更為直觀和深刻的理解。

（二）當(dāng)堂編程，邊學(xué)邊練

不同于以往編程類課程一部分課時集中課堂學(xué)習(xí)，一部分課時上機編程的教學(xué)方法，筆者在“Python機器學(xué)習(xí)”課程的教學(xué)過程中，探索了“當(dāng)堂編程、邊學(xué)邊練”的進行模式，即在課堂中，鼓勵學(xué)生攜帶筆記本電腦來聽課，在講課過程中布置較小的編程作業(yè)，讓學(xué)生當(dāng)場編寫提交，然后現(xiàn)場點評，讓大家一起來討論和分析別人所寫代碼的優(yōu)點和缺點。

如圖2是在上課過程中給學(xué)生布置當(dāng)堂編程作業(yè)時，學(xué)生在課程教學(xué)釘釘群里提交的代碼。通過與全班學(xué)生一起分析代碼的優(yōu)點和缺點，學(xué)生可以在課堂上快速掌握特定的知識點，避免出現(xiàn)上完課后就忘記，再次上機時得再學(xué)一遍的尷尬。

圖2 當(dāng)堂編程時學(xué)生所提交的代碼截圖

（三）既聽又講，翻轉(zhuǎn)課堂

自開設(shè)“Python機器學(xué)習(xí)”課程以來，課程組根據(jù)其教學(xué)特點，確定了以課堂教學(xué)為主，結(jié)合實踐大作業(yè)、論文答辯的教學(xué)模式。在整個課程教學(xué)過程中，教師會根據(jù)當(dāng)前機器學(xué)習(xí)研究的熱點，布置1～2次有一定難度的實踐大作業(yè)，讓學(xué)生以更貼近實際的方式來分析和解決問題。在課堂教學(xué)過程中，結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂的形式，讓學(xué)生當(dāng)堂演示自己編寫的程序，并通過讓學(xué)生講解自己使用Python機器學(xué)習(xí)方法解決實際問題時所用的方法、遇到的問題及思考內(nèi)容，進一步提高學(xué)生對機器學(xué)習(xí)的理解和認識。

（四）重視板書，從零推導(dǎo)

受新冠病毒感染疫情影響，“Python機器學(xué)習(xí)”課程第一次上課是網(wǎng)上授課，所有的教學(xué)內(nèi)容都是通過PPT課件的方式來講解的，這種講解方式對于編程相關(guān)的內(nèi)容是非常合適的；但是對于機器學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)相關(guān)的內(nèi)容來說，則不太合適，PPT課件的教學(xué)方式會使所有的公式和理論推導(dǎo)被一帶而過，學(xué)生沒有充足的時間消化和理解其中的理論知識，特別是涉及數(shù)學(xué)的相關(guān)知識，最終導(dǎo)致很多學(xué)生對機器學(xué)習(xí)的一些經(jīng)典方法仍是一知半解。針對這種情況，在近兩個學(xué)年的教學(xué)中，進行了較大幅度的改變，在涉及機器學(xué)習(xí)理論知識時，如《線性模型》《支持向量機》《神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)》等章節(jié)，大膽地嘗試了純板書教學(xué)的方式，在10 學(xué)時左右的課程中，不用任何PPT 課件，將每個方法的數(shù)學(xué)原理，從零開始一步一步用板書推導(dǎo)，將每個知識點都盡量講深講透。通過這種教學(xué)方式，學(xué)生對機器學(xué)習(xí)理論相關(guān)知識有了更深層次的理解，同時，教師對自己所教授的內(nèi)容有了更深刻的理解。手寫教案如圖3所示。

圖3 手寫教案

（五）線上線下，同步教學(xué)

在課程教學(xué)和建設(shè)過程中，筆者在學(xué)校最新的超星平臺上，搭建和完善了“Python機器學(xué)習(xí)”課程的教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺。

在新搭建的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺中，涵蓋了課程中的所有內(nèi)容，包括課程介紹、教學(xué)方法、教學(xué)條件、課件PPT、手寫教案、課程教學(xué)視頻等。在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的課程章節(jié)內(nèi)容建設(shè)過程中，充分利用平臺自帶的諸多功能，在每個課時中，首先用文字描述本節(jié)課的講授重點和要點，同時每個課時都要有一個講課視頻，視頻內(nèi)容與上課的內(nèi)容保持一致，使想學(xué)習(xí)的學(xué)生可以隨時復(fù)習(xí)之前所學(xué)的內(nèi)容。同時在網(wǎng)站風(fēng)格上參照慕課的風(fēng)格，簡潔明了，內(nèi)容豐富齊全。這樣一來，學(xué)生如果在課堂中錯過了某些關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以通過課后線上補習(xí)的方式來進行補漏和鞏固，給學(xué)生提供了更多的學(xué)習(xí)資源和機會。“Python機器學(xué)習(xí)”網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺界面如圖4所示。

圖4 “Python機器學(xué)習(xí)”網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺界面

（六）項目導(dǎo)向，實戰(zhàn)實練

在課程教學(xué)過程中，將采用理論教學(xué)與實踐教學(xué)交叉進行的教學(xué)方式，以理解和掌握經(jīng)典機器學(xué)習(xí)方法和深度學(xué)習(xí)方法為目標，以Pycharm和Jupyter Notebook為Python編程語言的開發(fā)載體，在傳授學(xué)生機器學(xué)習(xí)理論知識的基礎(chǔ)上，著重培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計能力和系統(tǒng)開發(fā)能力，通過選取課題組在日常科研中遇到的項目和課題，如基于機器學(xué)習(xí)的人體行為識別、缺陷檢測、目標跟蹤等，作為針對性的實踐項目，讓學(xué)生通過解決實際問題的方式，從根本上提高學(xué)生的實際動手能力，為今后的科研和工程項目開發(fā)掌握必要的技能。

二、教學(xué)效果總結(jié)和分析

自課程開設(shè)三年以來，共300余名學(xué)生參與了本課程，除第一年因新冠病毒感染疫情原因全程線上教學(xué)，較難面對面了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況之外，在后面兩個學(xué)年的教學(xué)中，學(xué)生對這種綜合式的教學(xué)模式較為認可，課程參與度較高，特別是“當(dāng)堂編程，邊學(xué)邊練”的模式，與他們之前的課堂教學(xué)模式有較大不同，因此課堂氛圍活躍，學(xué)生通過當(dāng)場討論自己和其他學(xué)生提交的代碼，分析各自的優(yōu)點和缺點，較大幅度地提高了編程的思維模式和方法。

當(dāng)前的教學(xué)模式也有值得反思和改進之處，如目前有10課時是純板書教學(xué)，包含了大量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)和理論證明，由于部分學(xué)生的數(shù)學(xué)功底稍弱，容易跟不上，從而降低了繼續(xù)聽講的興趣。因此，在后續(xù)教學(xué)過程中，一方面需要將板書與PPT適當(dāng)結(jié)合，盡量將這一部分理論內(nèi)容講得生動有趣，以吸引學(xué)生的課堂注意力；另一方面，也需要適當(dāng)縮短理論公式推導(dǎo)的教學(xué)時間，提升實際動手編程的比重，使整體教學(xué)方案更加合理化。