“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程教學(xué)探索與實(shí)踐

閔鋒　魯統(tǒng)偉

摘要：為了提高“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程的教學(xué)質(zhì)量，在分析教學(xué)過程中存在的主要問題的基礎(chǔ)上，提出改進(jìn)的教學(xué)方法。理論教學(xué)環(huán)節(jié)，注重激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，理論聯(lián)系實(shí)踐和互動(dòng)式教學(xué)。實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)層次化、實(shí)驗(yàn)要求明確化和實(shí)驗(yàn)考核常規(guī)化，培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和解決實(shí)際問題的能力，這些教學(xué)經(jīng)驗(yàn)在教學(xué)實(shí)踐中取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：機(jī)器學(xué)習(xí)；教學(xué)方法；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）53-0158-02

“機(jī)器學(xué)習(xí)”是現(xiàn)代信息技術(shù)科技領(lǐng)域中一門非常重要的學(xué)科，涉及概率論、統(tǒng)計(jì)學(xué)、腦科學(xué)、認(rèn)知學(xué)等多門學(xué)科，專門研究計(jì)算機(jī)怎樣模擬或?qū)崿F(xiàn)人類的學(xué)習(xí)行為，以獲取新的知識(shí)或技能，重新組織已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)使之不斷改善自身的性能。“機(jī)器學(xué)習(xí)”是人工智能的核心，是使計(jì)算機(jī)具有智能的根本途徑，具有重要的研究價(jià)值和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。因此，要想成為高科技行業(yè)的高層次人才，就需要掌握與“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程所相關(guān)的知識(shí)和技術(shù)。

一、課程安排和教學(xué)內(nèi)容選擇

“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程是我院“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)的專業(yè)課程之一，與“人工智能”、“數(shù)學(xué)圖像處理”、“機(jī)器視覺”構(gòu)成了本科生培養(yǎng)的有機(jī)課程體系。按照我院“機(jī)器學(xué)習(xí)”教學(xué)大綱的要求，總學(xué)時(shí)數(shù)為32，其中理論教學(xué)24學(xué)時(shí)，實(shí)踐教學(xué)8學(xué)時(shí)。我院選用的教材是由Tom Mitchell所著，曾華軍、張銀奎等譯的“Machine Learning”，這是一本“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程的經(jīng)典教材，展示了機(jī)器學(xué)習(xí)中核心的算法和理論，并闡明了算法的運(yùn)行過程。該書總共有十三章，有些內(nèi)容如第七章的“計(jì)算學(xué)習(xí)理論”對于本科生來說理論性過強(qiáng)，不易理解；有些內(nèi)容如第四章的“人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”和第九章的“遺傳算法”與我們的另一門專業(yè)課“智能計(jì)算”在內(nèi)容上有重疊。因此，要想在最短的時(shí)間內(nèi)讓本科生掌握最基本的“機(jī)器學(xué)習(xí)”的原理和方法，就需要對教學(xué)課程選擇優(yōu)化，激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為進(jìn)一步的深入學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。最終，我們選擇了該書的第一、二、三、五、六、八、十三章作為教學(xué)的主要內(nèi)容，同時(shí)結(jié)合教師自己的科研工作，時(shí)刻關(guān)注“機(jī)器學(xué)習(xí)”在國內(nèi)、國際上的最新進(jìn)展，在教學(xué)過程中以專題講座的形式將“機(jī)器學(xué)習(xí)”的最新研究成果介紹給學(xué)生，達(dá)到使學(xué)生開闊眼界、增長見識(shí)的目的。

二、教學(xué)中存在的問題

筆者承擔(dān)“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程教學(xué)工作已有五年，在日常的教學(xué)活動(dòng)中，發(fā)現(xiàn)該課程的教學(xué)問題主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.課程理論抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高?！皺C(jī)器學(xué)習(xí)”理論性強(qiáng)，如按照傳統(tǒng)的教學(xué)方法在課堂上講解“機(jī)器學(xué)習(xí)”的各種理論和算法，必然涉及到大量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，這就要求學(xué)生要有較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，從而使數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不好的學(xué)生學(xué)習(xí)起來比較困難，興趣不高，教學(xué)效果不佳。

2.教學(xué)內(nèi)容豐富，知識(shí)點(diǎn)分散?！皺C(jī)器學(xué)習(xí)”涉及的理論、算法很多，并且算法之間聯(lián)系不大，教學(xué)內(nèi)容易面面俱到，這就導(dǎo)致學(xué)生只掌握了分散的知識(shí)點(diǎn)，沒有形成一條完整的知識(shí)鏈，不知道自己所學(xué)的算法有什么用、如何使用，從而失去了學(xué)習(xí)目標(biāo)，影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

3.實(shí)驗(yàn)課比例較小且難度較大?！皺C(jī)器學(xué)習(xí)”是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，由于實(shí)驗(yàn)課時(shí)較少，僅提供8學(xué)時(shí)，使原本很重要的實(shí)踐活動(dòng)變成了搭配；同時(shí)，部分“機(jī)器學(xué)習(xí)”算法較復(fù)雜，編程實(shí)現(xiàn)難度較大，加上大部分學(xué)生本身的編程能力有限，很難在較短的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容。最終導(dǎo)致學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課的興趣不高，消極應(yīng)對，沒有將學(xué)習(xí)到的理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐，學(xué)生的動(dòng)手能力也沒有得到充分鍛煉。

針對以上問題，筆者在“機(jī)器學(xué)習(xí)”教學(xué)實(shí)踐中注重理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)緊密相連，研究如何恰當(dāng)組織教學(xué)內(nèi)容，合理分配實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，達(dá)到知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)的有效結(jié)合。

三、教學(xué)方法改進(jìn)

（一）理論教學(xué)

在一個(gè)完整的教學(xué)過程中，理論教學(xué)是尤為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，是學(xué)生獲取知識(shí)的直接渠道。如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；如何把枯燥無味的理論和算法講解深入顯出，易于理解，是理論教學(xué)問題中需要重要解決的問題。可以從以下幾個(gè)方面入手。

1.上好緒論課，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。“興趣是最好的老師”，興趣是學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、積極思維、勇于探索的強(qiáng)大動(dòng)力。因此在教學(xué)活動(dòng)中，應(yīng)該注重激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生自始至終主動(dòng)參與學(xué)習(xí)，全身心地投入到學(xué)習(xí)活動(dòng)中。因此，我們應(yīng)該重視緒論課，通過查閱大量文獻(xiàn)資料，將最新的“機(jī)器學(xué)習(xí)”的研究成果展現(xiàn)給學(xué)生，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教材中列舉了“機(jī)器學(xué)習(xí)”的一些成功應(yīng)用，如學(xué)習(xí)識(shí)別人類的講話、學(xué)習(xí)駕駛車輛、學(xué)習(xí)分類新的天文結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)以世界級的水平對弈西洋雙陸棋等。但是，這些應(yīng)用只有一些文字上的描述，很難給學(xué)生留下直觀的印象，我們可以上網(wǎng)查找一些相關(guān)的視頻資料，結(jié)合視頻資料來講解這些應(yīng)用，這樣會(huì)讓學(xué)生更加直觀的認(rèn)識(shí)到“機(jī)器學(xué)習(xí)”的應(yīng)用價(jià)值和遠(yuǎn)大的市場前景，從而對這門課程產(chǎn)生濃厚的興趣。

2.結(jié)合實(shí)例講解，注重理論聯(lián)系實(shí)踐?！皺C(jī)器學(xué)習(xí)”的很多算法理論性強(qiáng)、抽象、不易理解，單純采用文字?jǐn)⑹龊凸酵茖?dǎo)的教學(xué)手段，教學(xué)效果并不好。因此在理論教學(xué)中，可以結(jié)合實(shí)例講解，注重理論聯(lián)系實(shí)踐。例如在講解“貝葉斯學(xué)習(xí)”這章時(shí)，有一個(gè)樸素貝葉斯分類器的算法，實(shí)現(xiàn)該算法的難點(diǎn)在于估計(jì)給定目標(biāo)值時(shí)各屬性的概率。為了讓學(xué)生更好的理解和掌握該算法，可以結(jié)合“識(shí)別手寫阿拉伯?dāng)?shù)字”這一實(shí)例進(jìn)行講解。首先，將手寫阿拉伯?dāng)?shù)字圖像二值化，并分割成“4×4=16”個(gè)同等大小的子圖像；然后，計(jì)算每一個(gè)子圖像中黑色像素的個(gè)數(shù)，將該值作為數(shù)字圖像的一個(gè)屬性值；最后，從100張訓(xùn)練樣本中統(tǒng)計(jì)出給定數(shù)字時(shí)各屬性的概率。這樣，學(xué)生通過實(shí)例，知道算法的應(yīng)用場合和方法，學(xué)習(xí)興趣和效率自然就會(huì)提高。

3.教師與學(xué)生互動(dòng)，注重問答式教學(xué)。教師與學(xué)生互動(dòng)是理論教學(xué)最基本的組織形式，是提高課堂效率、達(dá)成教學(xué)最優(yōu)化的有效途徑之一。因此，課堂教學(xué)模式應(yīng)由傳統(tǒng)傳授“滿堂灌”的方式轉(zhuǎn)向“互動(dòng)問答”的方式，通過提問引導(dǎo)學(xué)生去思考，激發(fā)學(xué)生的求知欲，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主觀能動(dòng)性。例如，在講解“基于實(shí)例的學(xué)習(xí)”這一章時(shí)，首先給學(xué)生介紹了三種學(xué)習(xí)方法：k近鄰算法、局部加權(quán)回歸和基于案例的推理，這時(shí)可以問學(xué)生：這些方法有什么共同點(diǎn)？與前面學(xué)習(xí)的方法有什么不同？根據(jù)學(xué)生的回答，引導(dǎo)出積極學(xué)習(xí)和消極學(xué)習(xí)的概念，并指出這兩種方法之間的重要差異。然后進(jìn)一步問學(xué)生：歸納偏置方面積極和消極方法是否有實(shí)質(zhì)性的差異？引導(dǎo)學(xué)生去思考引起這些差異的原因是什么，探求問題的本源。接著還可以問學(xué)生：這些差異會(huì)影響學(xué)習(xí)器的泛化精度嗎？讓學(xué)生去進(jìn)一步思考這些差異會(huì)導(dǎo)致什么樣的結(jié)果，從而對所學(xué)的算法有更加深入的了解和認(rèn)識(shí)。endprint

（二）實(shí)踐教學(xué)

實(shí)踐教學(xué)是理論教學(xué)的深化和補(bǔ)充，學(xué)生在實(shí)踐環(huán)節(jié)將理論教學(xué)學(xué)到的理論算法應(yīng)用于實(shí)踐，有助于知識(shí)的理解和掌握，也有助于提高學(xué)生的動(dòng)手能力。傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容大多為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，缺乏綜合性實(shí)驗(yàn)，對學(xué)生綜合應(yīng)用能力和解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)不夠。因此，教學(xué)過程中要加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，增加綜合性實(shí)驗(yàn)，將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)密切結(jié)合起來?？梢詮膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)考核這三方面入手。

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)層次化。根據(jù)理論教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況，按照由淺入深的原則安排了三個(gè)實(shí)驗(yàn)：候選消除算法、ID3決策樹算法、和識(shí)別手寫阿拉伯?dāng)?shù)字。前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)相關(guān)算法，驗(yàn)證教材實(shí)例的正確性；后一個(gè)實(shí)驗(yàn)為綜合性實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生綜合運(yùn)用數(shù)字圖像處理、可視化編程技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等課程知識(shí)，解決實(shí)際問題。實(shí)驗(yàn)的難度由易到難，層層深入，有利于學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)。

2.實(shí)驗(yàn)要求明確化。對于每一個(gè)實(shí)驗(yàn)，都有明確的要求，讓學(xué)生明白實(shí)驗(yàn)要做什么，該輸出怎樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如在候選消除算法實(shí)驗(yàn)中，首先要求學(xué)生以讀文件的方式讀訓(xùn)練樣例，并將樣例顯示在屏幕上；然后，實(shí)現(xiàn)極大特殊假設(shè)算法并將每一步的極大特殊邊界輸出到屏幕；最后，實(shí)現(xiàn)極大一般假設(shè)算法并將每一步的極大一般邊界輸出到屏幕。通過完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對候選消除算法的過程有了一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，加深了對算法的理解。

3.實(shí)驗(yàn)考核常規(guī)化。為了保證實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量，加強(qiáng)對實(shí)驗(yàn)的管理，對每一次實(shí)驗(yàn)都要求學(xué)生簽到，并完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，交由教師批改。教師根據(jù)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的情況，給出評分和評語，并計(jì)入學(xué)生的平時(shí)成績中。學(xué)生的最終考試成績?yōu)槠綍r(shí)成績與期末卷面成績的加權(quán)和。通過常規(guī)化實(shí)驗(yàn)考核，學(xué)生會(huì)意識(shí)到實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的重要性，積極認(rèn)真的對待實(shí)驗(yàn)。

四、結(jié)語

針對“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程特點(diǎn)和我校的實(shí)際情況，我們積極開展教學(xué)改革研究，從理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩方面進(jìn)行了一些探索，并初步取得了令人滿意的效果?！皺C(jī)器學(xué)習(xí)”是一門不斷發(fā)展的交叉學(xué)科，要求“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程的內(nèi)容不斷更新，教學(xué)方法也要不斷改進(jìn)。為了更好的講授這門課，還需要在日后的教學(xué)實(shí)踐中不斷改進(jìn)和完善。

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