新工科背景下機(jī)器學(xué)習(xí)課程建設(shè)研究

姚興華+吳恒洋+方志軍+游曉明

摘要：

機(jī)器學(xué)習(xí)課程建設(shè)是普通高等院校數(shù)據(jù)人才的培養(yǎng)重要環(huán)節(jié)。新工科建設(shè)背景下，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段3方面探討數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)如何建設(shè)機(jī)器學(xué)習(xí)課程。提出機(jī)器學(xué)習(xí)課程應(yīng)按照數(shù)據(jù)科學(xué)工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，以學(xué)生為中心，遵循“知識(shí)夠用、注重應(yīng)用、內(nèi)容先進(jìn)和總體優(yōu)化”原則選擇教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)以案例為載體、重互動(dòng)的教學(xué)方法，發(fā)展現(xiàn)代化技術(shù)教學(xué)手段，以保障教學(xué)計(jì)劃實(shí)施，提高數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：

數(shù)據(jù)科學(xué)；機(jī)器學(xué)習(xí)；新工科；課程建設(shè)

DOIDOI：10.11907/rjdk.172388

中圖分類號(hào)：G434

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：1672-7800（2018）001-0221-03

Abstract：Curriculum construction of machine learning is an important part of universities and colleges training data talents. In this paper， based on the emerging engineering education we explore how to construct the machine learning curriculum in the major of data science and big-data technology in the three aspects including teaching contents， teaching methods and teaching techniques. For the training object of application-oriented talents of engineering in data science， the machine learning curriculum construction is student-centered， chooses teaching contents according to the principle “theory being serviceable enough， emphases in applications， knowledge being advanced and optimal totally”， devises teaching methods which take cases as carriers and pay attention to interaction， and develops teaching techniques with modern technology. Such results in the curriculum construction could make sure that teaching programmes are implemented effectively， and improve effects of training data talents.

Key Words：data science； machine learning； the emerging engineering； curriculum construction

0引言

課程建設(shè)是學(xué)校教學(xué)基本建設(shè)重要內(nèi)容，是大學(xué)內(nèi)涵發(fā)展的重要抓手[1]。加強(qiáng)課程建設(shè)能夠有效保證教學(xué)計(jì)劃落實(shí)，提高教學(xué)水平與人才培養(yǎng)質(zhì)量。

教育部2017年批準(zhǔn)上海工程技術(shù)大學(xué)開設(shè)“數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)”本科專業(yè)。2017年9月招收首批本科學(xué)生，培養(yǎng)數(shù)據(jù)人才主要為數(shù)據(jù)工程師、數(shù)據(jù)分析師、數(shù)據(jù)分析員等。一個(gè)合格的數(shù)據(jù)科學(xué)工作者，需精通統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)知識(shí)，熟練使用機(jī)器學(xué)習(xí)等知識(shí)發(fā)掘方法，具有堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)分析知識(shí)及并行與高性能計(jì)算知識(shí)[2]。數(shù)據(jù)科學(xué)工作者培養(yǎng)分為4部分：相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科學(xué)習(xí)、知識(shí)發(fā)掘方法學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)科學(xué)理論大數(shù)據(jù)背景下應(yīng)用及數(shù)據(jù)科學(xué)行業(yè)應(yīng)用[2]。知識(shí)獲取是整個(gè)數(shù)據(jù)處理過程的關(guān)鍵與重要目的。所以，知識(shí)發(fā)掘方法學(xué)習(xí)是培養(yǎng)數(shù)據(jù)科學(xué)工作者的關(guān)鍵。

學(xué)生的知識(shí)獲取能力，可以通過開設(shè)機(jī)器學(xué)習(xí)、統(tǒng)計(jì)推理、數(shù)據(jù)挖掘等課程培養(yǎng)。通過機(jī)器學(xué)習(xí)、統(tǒng)計(jì)推理課程，學(xué)生可掌握一系列知識(shí)獲取概率模型，如線性回歸模型、邏輯回歸模型等[2]。機(jī)器學(xué)習(xí)是大數(shù)據(jù)分析關(guān)鍵技術(shù)，是數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)主要專業(yè)課程。因此，重視其課程建設(shè)在很大程度上能夠保證數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1“新工科”建設(shè)與數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)

世界范圍內(nèi)新一輪科技與產(chǎn)業(yè)革命驅(qū)動(dòng)著新經(jīng)濟(jì)形成與發(fā)展[3]。目前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)型升級(jí)攻堅(jiān)期，新舊增長(zhǎng)動(dòng)能正在轉(zhuǎn)換，以互聯(lián)網(wǎng)為核心的新一輪科技與產(chǎn)業(yè)革命正在發(fā)展，新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式蓬勃興起[3]。新經(jīng)濟(jì)發(fā)展迫切需要新型工科人才支撐，要求培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)與跨界整合能力的工程科技人才，相應(yīng)的高等工程教育改革受到前所未有的重視與普遍關(guān)注[3-4]。2016年，“新工科”概念的提出為工程教育理論與實(shí)踐探索提供了新視角，即將國(guó)際工程教育改革進(jìn)行中國(guó)本土化[3-5]。新工科教育內(nèi)涵是：以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才[6]。2017年2月，教育部在復(fù)旦大學(xué)召開了高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)，與會(huì)高校共同探討了新時(shí)期工程人才培養(yǎng)、新工科建設(shè)與發(fā)展路徑選擇等問題。2017年4月，教育部在天津大學(xué)召開新工科建設(shè)研討會(huì)，60多所高校與會(huì)代表一致認(rèn)為“新工科”建設(shè)與教育應(yīng)致力于以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，注重跨界交叉融合，探索建立工科發(fā)展新范式；緊跟技術(shù)發(fā)展，及時(shí)更新工程人才知識(shí)體系；以學(xué)生為中心，根據(jù)學(xué)生志趣選擇、設(shè)計(jì)教學(xué)方法與手段。endprint

數(shù)據(jù)顯示，2016年全球大數(shù)據(jù)市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)453億美元[7]。賽迪智庫預(yù)測(cè)，2017年我國(guó)大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望達(dá)到4 185億元，未來2～3年市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)率將保持在35%左右[7]。大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)逐漸成為新經(jīng)濟(jì)重要組成部分與推動(dòng)力量[8]。因此，為新經(jīng)濟(jì)發(fā)展培養(yǎng)合格數(shù)據(jù)人才，是我國(guó)在新經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占領(lǐng)高新技術(shù)制高點(diǎn)的關(guān)鍵，是新工科建設(shè)重要內(nèi)容。

2課程建設(shè)目標(biāo)

“新工科”背景下，數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)以社會(huì)需求與企業(yè)需求為導(dǎo)向，以交叉融合、共享、創(chuàng)新為主要途徑來培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型數(shù)據(jù)人才。具體而言，就是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、智能科學(xué)等相關(guān)專業(yè)進(jìn)行交叉、融合，培養(yǎng)具有良好個(gè)人素質(zhì)、職業(yè)素養(yǎng)、科學(xué)素養(yǎng)，系統(tǒng)掌握大數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)理論，熟練掌握大數(shù)據(jù)采集、處理、分析技術(shù)，能夠從事金融、商業(yè)、電信等領(lǐng)域數(shù)據(jù)科學(xué)工作的高級(jí)工程技術(shù)創(chuàng)新人才。

機(jī)器學(xué)習(xí)是數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)主要專業(yè)課程。機(jī)器學(xué)習(xí)課程建設(shè)需圍繞數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，面向“新工科”建設(shè)，在教學(xué)內(nèi)容上增加工程應(yīng)用案例內(nèi)容份額，適時(shí)引入相關(guān)領(lǐng)域最新知識(shí)與技術(shù)，緊跟學(xué)科發(fā)展方向，積極探索出一套適用于本課程的有效教學(xué)方法與教學(xué)手段。

3教學(xué)內(nèi)容建設(shè)

機(jī)器學(xué)習(xí)是計(jì)算機(jī)科學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、智能科學(xué)等多學(xué)科交叉領(lǐng)域，與數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等共同發(fā)展起來，內(nèi)容上存在交叉與重疊，但又有其自身學(xué)科特點(diǎn)，且不斷發(fā)展出新理論與方法。因此，機(jī)器學(xué)習(xí)課程本科教學(xué)需選擇與優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生理解機(jī)器學(xué)習(xí)基本概念、常用機(jī)器學(xué)習(xí)模型、常用學(xué)習(xí)算法，能夠運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)關(guān)鍵技術(shù)分析實(shí)際問題，了解當(dāng)前機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)展動(dòng)態(tài)。

機(jī)器學(xué)習(xí)前導(dǎo)課程是微積分、高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、概率論與統(tǒng)計(jì)、高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法，后續(xù)課程是并行計(jì)算、Hadoop、計(jì)算機(jī)視覺、視頻大數(shù)據(jù)綜合實(shí)驗(yàn)、社交網(wǎng)絡(luò)與信息傳播分析綜合實(shí)驗(yàn)。圍繞數(shù)據(jù)科學(xué)工程應(yīng)用型人才專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，面向“新工科”建設(shè)，本課程教學(xué)內(nèi)容選擇將遵循“知識(shí)夠用、注重應(yīng)用、內(nèi)容先進(jìn)和總體優(yōu)化”原則。機(jī)器學(xué)習(xí)是實(shí)踐性較強(qiáng)課程，該課程本科生教學(xué)應(yīng)以知識(shí)應(yīng)用與實(shí)踐技能為重點(diǎn)內(nèi)容，并適度引入機(jī)器學(xué)習(xí)最新技術(shù)以保證課程內(nèi)容先進(jìn)性。

本課程教學(xué)內(nèi)容分為理論教學(xué)內(nèi)容與實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容?；谏鲜鲈瓌t，理論教學(xué)內(nèi)容分為3部分：①機(jī)器學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，通過案例說明機(jī)器學(xué)習(xí)是什么、相關(guān)概念及實(shí)驗(yàn)工具介紹[6]；②機(jī)器學(xué)習(xí)關(guān)鍵技術(shù)，通過具體案例應(yīng)用介紹數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)常見模型與算法，包括決策樹、支持向量機(jī)、線性回歸、邏輯回歸、貝葉斯方法、k-均值算法、k-近鄰算法、誤差逆?zhèn)鞑ィ˙P）算法、Boosting算法等；③機(jī)器學(xué)習(xí)前沿技術(shù)介紹，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)、對(duì)偶學(xué)習(xí)等。

實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容將根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)不同應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合理論教學(xué)內(nèi)容第二部分“機(jī)器學(xué)習(xí)的關(guān)鍵技術(shù)”進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)踐教學(xué)中，提升學(xué)生對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)理解及相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，鍛煉學(xué)生分析問題與解決問題能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)與能力。具體實(shí)施分為“學(xué)習(xí)——模仿——分析——應(yīng)用——開發(fā)”5個(gè)階段，體現(xiàn)循序漸進(jìn)教學(xué)過程，逐步引導(dǎo)本科生參與教師科研項(xiàng)目，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

4教學(xué)方法與教學(xué)手段建設(shè)

面向“新工科”建設(shè)，以學(xué)生為主體，根據(jù)學(xué)生志趣與特點(diǎn)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，調(diào)動(dòng)學(xué)生主觀能動(dòng)性與創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生協(xié)作、分析、解決問題能力。理論教學(xué)以案例應(yīng)用為載體講解知識(shí)原理，注重問題分析過程與知識(shí)技術(shù)應(yīng)用[9-11]；實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，引導(dǎo)學(xué)生分析問題場(chǎng)景，鼓勵(lì)學(xué)生嘗試、對(duì)比不同技術(shù)，啟發(fā)學(xué)生思考[12]。

4.1教學(xué)方法建設(shè)

4.1.1以案例驅(qū)動(dòng)教學(xué)

機(jī)器學(xué)習(xí)理論與方法發(fā)展，最終目的是解決實(shí)際問題，服務(wù)生產(chǎn)與生活。該課程理論教學(xué)使用案例應(yīng)用作為問題場(chǎng)景，如2012年美國(guó)大選期間，奧巴馬麾下有一支由半監(jiān)督學(xué)習(xí)研究專家R.Ghani領(lǐng)導(dǎo)的機(jī)器學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)，基于機(jī)器學(xué)習(xí)模型分析結(jié)果提示奧巴馬如何開展拉票活動(dòng)。教師通過案例分析引出相關(guān)技術(shù)，提煉問題引出相關(guān)概念，分析、驗(yàn)證、評(píng)價(jià)案例中技術(shù)，總結(jié)使用方法。以案例為載體驅(qū)動(dòng)教學(xué)，實(shí)戰(zhàn)性強(qiáng)，學(xué)生積極性高，能極大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。通過親歷案例應(yīng)用解決過程，學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)主動(dòng)成長(zhǎng)，收獲信心與成就感。

4.1.2以問題提升教學(xué)

根據(jù)授課內(nèi)容與學(xué)習(xí)目的，合理設(shè)計(jì)應(yīng)用場(chǎng)景問題與理論知識(shí)問題，提供參考學(xué)習(xí)資料，啟發(fā)學(xué)生思考、分析，組織學(xué)生討論，促進(jìn)學(xué)生理解機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)與思維能力[10-11]。此外，解決一個(gè)問題往往可采用多種機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)完成，哪種技術(shù)效果最好？哪種技術(shù)效率最高？每種技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景特點(diǎn)是什么？此類問題，教師先鼓勵(lì)學(xué)生查找文獻(xiàn)、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，再聽取學(xué)生實(shí)驗(yàn)匯報(bào)，給予解答。通過實(shí)驗(yàn)分析、比較，學(xué)生加深對(duì)問題本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，提升對(duì)技術(shù)、方法的理解。

4.1.3以“鼓勵(lì)”提升教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)以實(shí)踐方式提升學(xué)生對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)模型、機(jī)器學(xué)習(xí)算法的理解與運(yùn)用，鍛煉學(xué)生分析、解決實(shí)際問題的能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)根據(jù)理論教學(xué)知識(shí)點(diǎn)選擇、設(shè)計(jì)相應(yīng)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。教學(xué)過程中，啟發(fā)學(xué)生分析問題場(chǎng)景，鼓勵(lì)學(xué)生按照自己思路嘗試解決問題，在解決問題過程中鼓勵(lì)、啟發(fā)學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生分析、總結(jié)實(shí)驗(yàn)。

4.2教學(xué)手段建設(shè)

該課程教學(xué)可融合多種教學(xué)手段，將傳統(tǒng)教學(xué)方式與現(xiàn)代多媒體、移動(dòng)手機(jī)教學(xué)方式相結(jié)合，將網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，將課件制作與最新計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，增強(qiáng)知識(shí)內(nèi)容趣味性，引導(dǎo)學(xué)生思考問題、體驗(yàn)解決問題的樂趣。為了提高教學(xué)效果及學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，加強(qiáng)兩方面教學(xué)手段建設(shè)：①有效利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)。通過網(wǎng)絡(luò)，向?qū)W生推薦課程課件、課程視頻、電子書、會(huì)議論文資源、數(shù)據(jù)集、開源工具箱、學(xué)術(shù)論壇網(wǎng)站等，進(jìn)行在線知識(shí)問答、提交作業(yè)，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供便利，幫助學(xué)生進(jìn)步。②精心制作課件。根據(jù)教學(xué)大綱，科學(xué)選擇教學(xué)內(nèi)容，精心制作PPT，合理組織演示內(nèi)容，文字、公式結(jié)合圖片、動(dòng)畫、聲音，增加內(nèi)容生動(dòng)性與趣味性。endprint

5結(jié)語

數(shù)據(jù)資源是重要現(xiàn)代戰(zhàn)略資源。發(fā)現(xiàn)大數(shù)據(jù)中有價(jià)值信息，是數(shù)據(jù)科學(xué)工作者的核心工作。培養(yǎng)合格數(shù)據(jù)人才，對(duì)我國(guó)新經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要作用。本文在新工科建設(shè)背景下，圍繞數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)本科培養(yǎng)目標(biāo)，討論機(jī)器學(xué)習(xí)課程建設(shè)目標(biāo)；分析機(jī)器學(xué)習(xí)教學(xué)內(nèi)容建設(shè)工作，提出教學(xué)內(nèi)容選擇原則，給出教學(xué)內(nèi)容主要框架；討論機(jī)器學(xué)習(xí)教學(xué)方法與教學(xué)手段，提出以案例驅(qū)動(dòng)教學(xué)、以問題提升教學(xué)、以“鼓勵(lì)”提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量3種教學(xué)方法。上述研究成果將能有效保障機(jī)器學(xué)習(xí)課程教學(xué)計(jì)劃實(shí)施，提升課程教學(xué)質(zhì)量及數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)質(zhì)量。

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[11]鄧志鴻，謝昆青.機(jī)器學(xué)習(xí)課程的教學(xué)實(shí)踐——以北京大學(xué)“智能科學(xué)與技術(shù)”本科專業(yè)為例[J].計(jì)算機(jī)教育，2016（10）：18-19.

[12]曲衍鵬，鄧安生，王春立，等.面向機(jī)器學(xué)習(xí)課程的教學(xué)改革實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2014（19）：88-91.

（責(zé)任編輯：何麗）endprint