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)器性能評估”章節(jié)為例，對課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過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)過程場景化”+“考核體系多元化”的改革方案。通過改革課程教學(xué)方法，提高學(xué)生對知識的掌握能力、對實際問題的解決能力以及創(chuàng)新意識，從而適應(yīng)新工科對人才培養(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

中圖分類號：G424 " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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)升級轉(zhuǎn)型，新一輪的工業(yè)革命為我國帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，而新技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展必然帶來工程教育的新變革。為聚焦國家產(chǎn)業(yè)升級需求[1]，我國于2017年開始新工科建設(shè)，對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)課程是高校自動化、物聯(lián)網(wǎng)工程、人工智能等多個專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，對培養(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)生解決工程問題的能力為導(dǎo)向，對機(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均有所不同。例如，在學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反向傳播時，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，需要以概率論的知識作為基礎(chǔ)；而強化學(xué)習(xí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是馬爾可夫決策過程。這些知識點跨越多個不同學(xué)科，在無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、對數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，在教學(xué)過程中，教師往往需要進(jìn)行大量的計算和公式推導(dǎo)，使得課程的授課內(nèi)容往往偏重于對知識點的講解和傳授[5]。在新工科背景下，工科類高等教育的目標(biāo)并非簡單地讓學(xué)生理解和記憶知識點，而是注重培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題的能力。因此，單純地傳授理論知識難以滿足新工科背景下社會對高素質(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、能力和價值三個方面的培養(yǎng)需要。

1.3" 學(xué)生缺乏主動性

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

2" 課堂教學(xué)改革整體思路

基于新工科建設(shè)強調(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，針對機(jī)器學(xué)習(xí)課堂教學(xué)中存在的問題，課程組結(jié)合課程自身特點和學(xué)生學(xué)情，設(shè)計了“教學(xué)內(nèi)容層次化”+“教學(xué)過程場景化”+“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”：對授課內(nèi)容進(jìn)行拆分與重組，根據(jù)知識點的難度、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)化為三個層次，使能力水平不同的學(xué)生都能夠有所收獲。同時，三個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)過程場景化”：對于每個層次的教學(xué)內(nèi)容都結(jié)合具體的應(yīng)用場景進(jìn)行講解，以此鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維以及解決工程問題的能力。此外，在講解理論知識和應(yīng)用場景時可通過問題驅(qū)動，讓學(xué)生帶著問題聽課，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價與終結(jié)性評價相結(jié)合的方式進(jìn)行。其中，形成性評價的方式可包括作業(yè)、隨堂測驗、小組作業(yè)等多種方式，使學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中能夠獲得“看得見，摸得著”的獎勵，從而對課程保持學(xué)習(xí)熱情。

3" 課堂教學(xué)設(shè)計案例

下面以“學(xué)習(xí)器性能評估”為例，對課堂教學(xué)設(shè)計進(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)包括知識目標(biāo)、能力目標(biāo)和價值目標(biāo)。知識目標(biāo)：說明精度、查準(zhǔn)率與查全率的基本概念與計算方法；區(qū)別精度、查準(zhǔn)率與查全率的適用場景。能力目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)、分析問題與制訂解決方案的能力。價值目標(biāo)：激發(fā)學(xué)生的民族自豪感和科技報國的使命擔(dān)當(dāng)；了解學(xué)科的前沿發(fā)展動態(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算方法，以及讓學(xué)生對精度、查準(zhǔn)率與查全率的適用場景進(jìn)行區(qū)別。

對于該部分的教學(xué)內(nèi)容，可根據(jù)布魯姆教學(xué)目標(biāo)分類，將知識點根據(jù)難易程度劃分為三個層次：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)生能夠說明精度、查準(zhǔn)率與查全率的基本概念并解釋其計算方法。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，選擇評估指標(biāo)，制訂評估方案。第三層，評價與創(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景和任務(wù)進(jìn)行評估，并在所學(xué)知識的基礎(chǔ)上，對評估指標(biāo)進(jìn)行擴(kuò)展，設(shè)計適用于多分類任務(wù)的性能評估指標(biāo)。

3.3" 教學(xué)過程場景化

3.3.1" 應(yīng)用場景一

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

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

3.3.2" 應(yīng)用場景二

對于第二層的教學(xué)內(nèi)容，可以結(jié)合抖音等短視頻平臺的推薦機(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算方法后，可以讓學(xué)生使用這三種指標(biāo)對視頻平臺的推薦機(jī)制進(jìn)行評估。對于新的問題，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)對其進(jìn)行性能評估。因此學(xué)生需要自主思考應(yīng)如何獲取評估用數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，以及應(yīng)該使用何種評估指標(biāo)對視頻推薦機(jī)制進(jìn)行評估。學(xué)生可以在解決問題的同時，自主學(xué)習(xí)三個指標(biāo)在進(jìn)行性能評估時的局限性，也能通過互相計算的結(jié)果不同，發(fā)現(xiàn)指標(biāo)之間的相互關(guān)聯(lián)。通過拋出實際問題并要求學(xué)生自己思考解決方式，在傳遞知識的同時，也鍛煉學(xué)生自主分析問題并制定解決方案的能力。

3.3.3" 應(yīng)用場景三

對于第三層的教學(xué)內(nèi)容，可結(jié)合肝病診斷的學(xué)習(xí)模型進(jìn)行講解。給定一個肝病診斷的樣本集和學(xué)習(xí)器，要求學(xué)生對學(xué)習(xí)器的性能進(jìn)行評估。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)，因此無法直接使用。此時，要求學(xué)生嘗試使用所學(xué)知識對指標(biāo)和二分類混淆矩陣進(jìn)行重新設(shè)計，將查準(zhǔn)率與查全率的適用范圍擴(kuò)展至多分類任務(wù)。通過重新設(shè)計新的性能評估指標(biāo)，讓學(xué)生們意識到在面對實際問題時，往往需要綜合多方面的知識進(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

針對學(xué)生“缺乏主動學(xué)習(xí)意識”的問題，采用考核體系多元化的對策。具體做法包括：①考核方法多樣化；②考核過程透明化；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價與終結(jié)性評價相結(jié)合的方式，其中形成性評價的考核方式包括課堂表現(xiàn)、作業(yè)、隨堂測驗、小組作業(yè)等多種方法。此外還應(yīng)提高形成性評價的占比，讓學(xué)生把功夫下在平時，避免期末“臨時抱佛腳”。②考核過程透明化。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具體內(nèi)容以及相應(yīng)的分值。通過這種方式讓學(xué)生在完成考核的過程中，能清楚地了解到自己已經(jīng)拿到了多少分?jǐn)?shù)以及在班級中所處的位置，從而使學(xué)習(xí)更有動力。③考核標(biāo)準(zhǔn)明確化。由于課程的考核方式多以簡答、報告、計算等主觀題的方式進(jìn)行，為使學(xué)生更好地掌握知識要點，教師在公布作業(yè)和測驗答案的同時，會對得分點以及扣分點及時進(jìn)行總結(jié)，讓學(xué)生明確自己的問題所在。同時，小組作業(yè)會明確公布評分的細(xì)則，具體將代碼、文本和課堂報告的評分點公布給學(xué)生，讓學(xué)生的準(zhǔn)備更具針對性，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)生評價與反饋結(jié)果，課程教學(xué)效果良好，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性有明顯提高。自從實施課程改革后，學(xué)生的成績整體呈上升趨勢。課程總評的優(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，教師會鼓勵并指導(dǎo)學(xué)生積極參加各類競賽。截至2023年底，學(xué)生榮獲各類省級競賽獎項6項，國家級競賽獎項2項，自主申報并成功立項校級、省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐項目各1項。通過上述競賽和實踐項目，學(xué)生的實踐能力得到了提高，創(chuàng)新意識得到了鍛煉。

5" 結(jié)語

機(jī)器學(xué)習(xí)課程涉及多門學(xué)科知識的交叉融合，課程入門難度高、知識覆蓋范圍廣，為提高教學(xué)質(zhì)量帶來了較大的挑戰(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)過程場景化”+“考核體系多元化”的改革方式，對課程教學(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，課程組會基于該方法繼續(xù)進(jìn)行探索嘗試，推動課程改革。

基金項目：大連海事大學(xué)2024年校級教學(xué)改革項目“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）。

參考文獻(xiàn)

[1] 許新征，王冠軍，李向群，等.“新工科”背景下人工智能專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系的探索與實踐[J].工業(yè)和信息化教育，2024（5）：1-4，14.

[2] 唐靜，王艷潔，王萌陽，等.基于“3M”教學(xué)方法的機(jī)器學(xué)習(xí)課程改革與實踐[J].計算機(jī)教育，2024（1）：97-102.

[3] 余波.基于成果導(dǎo)向的“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程教學(xué)改革[J].工業(yè)和信息化教育，2022（8）：24-28.

[4] 陳琳.高校《機(jī)器學(xué)習(xí)》課程教學(xué)改革探索[J].教育現(xiàn)代化，2018，5（6）：99-100，120.

[5] 李寧，羅雪妮，劉柯欣，等.基于創(chuàng)新應(yīng)用驅(qū)動的“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程教學(xué)改革研究[J].海峽科技與產(chǎn)業(yè)，2023，36（3）：74-77.

[6] 韋南，殷麗華，寧洪，等.本科“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程教學(xué)改革初探[J].網(wǎng)絡(luò)與信息安全學(xué)報，2022，8（4）：182-189.