機器學(xué)習(xí)教學(xué)改革與人工智能人才培養(yǎng)

張樂飛?羅勇?杜博

摘 要：機器學(xué)習(xí)是人工智能的關(guān)鍵核心技術(shù)。本文結(jié)合武漢大學(xué)計算機學(xué)院近年來開設(shè)機器學(xué)習(xí)本科生課程的教學(xué)經(jīng)驗，對機器學(xué)習(xí)本科生課程教學(xué)改革與人工智能專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)進行了系統(tǒng)的探索與實踐。該課程以一批青年國家級人才為骨干師資，依托國家級、省級和校級科研平臺，將機器學(xué)習(xí)課程的教學(xué)過程深化擴展為理論與實踐相結(jié)合的人工智能專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，具體包括機器學(xué)習(xí)理論課程教學(xué)改革、機器學(xué)習(xí)英文課程教學(xué)探索、人工智能綜合創(chuàng)新實訓(xùn)建設(shè)、人工智能A類會議學(xué)術(shù)創(chuàng)新和互聯(lián)網(wǎng)頭部企業(yè)協(xié)同人才培養(yǎng)等方面，培養(yǎng)具有國際競爭力的復(fù)合型人工智能創(chuàng)新人才。

關(guān)鍵詞：機器學(xué)習(xí)；人工智能；本科生；教學(xué)改革；人才培養(yǎng)

一、引言

人工智能作為深刻改變社會生產(chǎn)力和生產(chǎn)關(guān)系的顛覆性技術(shù)，正引領(lǐng)著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命向縱深推進[1]，是國家戰(zhàn)略必爭的科技制高點。機器學(xué)習(xí)是人工智能的關(guān)鍵核心技術(shù)，近年來一直是武漢大學(xué)弘毅學(xué)堂（工科試驗班）、計算機科學(xué)與技術(shù)、軟件工程等專業(yè)的核心專業(yè)課程。自2020年3月經(jīng)教育部批準，武漢大學(xué)在計算機學(xué)院設(shè)立人工智能本科專業(yè)，機器學(xué)習(xí)就成為專業(yè)必修課程。此外，機器學(xué)習(xí)還是武漢大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、物理學(xué)、金融學(xué)、電氣、遙感等多個專業(yè)的重要選修課，近年來引起了越來越多本科生的學(xué)習(xí)興趣。

武漢大學(xué)計算機學(xué)院機器學(xué)習(xí)課程組以一批青年國家級人才為骨干師資，依托國家多媒體軟件工程技術(shù)研究中心、湖北珞珈實驗室、小米–武漢大學(xué)人工智能聯(lián)合實驗室、武漢大學(xué)—京東可信人工智能聯(lián)合研究中心等科研平臺，在武漢大學(xué)教育教學(xué)改革研究等項目的支持下，將機器學(xué)習(xí)課程的教學(xué)過程深化擴展為理論與實踐相結(jié)合的人工智能專業(yè)本科創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[2]。該模式突破了傳統(tǒng)工科培養(yǎng)的人才與當前新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟要求的創(chuàng)新人才之間的鴻溝，以國家需求和科技創(chuàng)新為導(dǎo)向，聚焦國際前沿，全方位培養(yǎng)理論功底扎實、應(yīng)用創(chuàng)新能力強、具有國際競爭力的復(fù)合型人工智能創(chuàng)新人才。

二、機器學(xué)習(xí)理論課程教學(xué)改革

機器學(xué)習(xí)課程所需的前期數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識和計算機編程水平要求較高，如果沒有相當良好的知識儲備，在有限的48學(xué)時內(nèi)（包括上機），本課程的學(xué)習(xí)效果只能達到非計算機專業(yè)的業(yè)余水平，即“公式看不懂，算法跑不通”。為了讓人工智能專業(yè)本科生能夠更好地掌握這一門硬核必修課，課程組提出了“清楚概念，掌握原理，重視推導(dǎo)，關(guān)注應(yīng)用”的教學(xué)理念。

在教材選用方面，選取南京大學(xué)周志華教授編寫的《機器學(xué)習(xí)》教材[3]，該教材是人工智能領(lǐng)域公認的優(yōu)秀機器學(xué)習(xí)中文教材，介紹了線性方法、統(tǒng)計方法、支持向量機等經(jīng)典機器學(xué)習(xí)理論方法，每一章都有適量的公式推導(dǎo)，同時互聯(lián)網(wǎng)上還有配套的公式推導(dǎo)解析，方便數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱的同學(xué)能夠看懂每一個公式。在課堂上，教師會要求學(xué)生提前預(yù)習(xí)教學(xué)內(nèi)容，并在教學(xué)過程中針對關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行提問。通過學(xué)生的反饋，對于少數(shù)水平超出本教材的學(xué)生，教師會推薦本領(lǐng)域英文教材和最新會議論文，深度激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，由于該教材大部分內(nèi)容聚焦于傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)方法，課程組會安排兩次課專門介紹深度學(xué)習(xí)技術(shù)，使學(xué)生了解前沿進展。

本課程的教學(xué)內(nèi)容絕不能僅僅停留在概念和原理，學(xué)生還需要掌握能夠?qū)嶋H解決問題的能力。為此，在上機課程中，課程組基于學(xué)院購置的希冀教學(xué)平臺，分別結(jié)合模型選擇、線性分類、支持向量機和主成分分析設(shè)計了四次課程實驗，實驗按照1：8的人數(shù)比配備研究生助教，指導(dǎo)學(xué)生利用公開數(shù)據(jù)集完成相關(guān)算法的編程和調(diào)優(yōu)，并提交實驗報告，充分鍛煉學(xué)生的編程能力，將學(xué)生對機器學(xué)習(xí)算法的理解從課本上升到應(yīng)用。

同時，課程組還探索改革了本課程的期末考試方式。傳統(tǒng)的考試方式為開卷或閉卷筆試，學(xué)生在考試前復(fù)習(xí)概念、演算應(yīng)用題，最終考試結(jié)果常常發(fā)生“過學(xué)習(xí)”現(xiàn)象，學(xué)生實際學(xué)到的知識有限。為此，課程組提出將考試改革為課程論文的方式，要求通過教師指定或?qū)W生自選的方式，讀懂、復(fù)現(xiàn)一篇當年的A類會議論文，并完成課程論文。在這個過程中，助教參與指導(dǎo)并檢查學(xué)生的編程過程。對于少數(shù)完成度較好的學(xué)生，教師可以引導(dǎo)其發(fā)現(xiàn)論文的不足，并加入教師課題組進行科研訓(xùn)練。最終學(xué)生提交的課程論文能夠更加全面反映學(xué)生的理論水平和應(yīng)用能力，同時對于課程論文完成度較高的學(xué)生，課程組教師可以與學(xué)生提前建立畢業(yè)論文的指導(dǎo)關(guān)系，指導(dǎo)學(xué)生將課程論文進一步深入研究，完成其學(xué)士學(xué)位論文。

三、機器學(xué)習(xí)英文課程教學(xué)探索

機器學(xué)習(xí)在國外的發(fā)展歷史更為悠久，目前相關(guān)主流會議和期刊仍以英文為主，相關(guān)領(lǐng)域的引領(lǐng)者也以國外學(xué)者居多。因此，需要學(xué)生具備本領(lǐng)域的英文閱讀、寫作和交流能力。為了全面提升人工智能專業(yè)本科生在這些方面的能力，同時考慮到本科生對專業(yè)英語的了解非常有限，課程組對機器學(xué)習(xí)英文教學(xué)進行了探索。具體教學(xué)內(nèi)容、學(xué)習(xí)進度和考核方式都區(qū)別于普通班，并總結(jié)出“重點概念英文講解—部分小節(jié)英文講解—整章全英文講解—英文小論文研討會”的漸進式英文教學(xué)方案。

首先，對于某些機器學(xué)習(xí)的重點概念名詞，如“boosting”“bootstrap”“bagging”和“transformer”等，將其直譯為“提升”“解靴帶”“裝袋”和“變形器”等可能無法直觀地表達其內(nèi)涵，但通過英文的直接描述或表達，使得學(xué)生對這些難以用中文進行準確描述的名稱或概念有了更深刻的理解，避免了由翻譯導(dǎo)致的偏差，同時更利于學(xué)生在課外直接閱讀本領(lǐng)域英文學(xué)術(shù)論文。同時我們進一步選取了部分內(nèi)容簡單、容易理解的小節(jié)（如“線性回歸”“K近鄰分類”“K均值聚類”等）進行了全英文講解，通過英文講解與互動，鍛煉了學(xué)生聽懂英文學(xué)術(shù)報告的能力。更進一步，對于總體比較容易理解的整章內(nèi)容如“集成學(xué)習(xí)”，以及近年來的研究熱點“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”進行了全英文教學(xué)，激發(fā)了學(xué)生主動獲取機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域國際前沿進展的興趣。同時，通過推薦學(xué)生閱讀英文教科書原文、觀看國外頂級名校機器學(xué)習(xí)課程錄像等方式，使得少數(shù)基礎(chǔ)比較好的學(xué)生能夠達到全英文學(xué)習(xí)的水平，提前適應(yīng)將來可能出國讀研的學(xué)習(xí)環(huán)境。最后，通過讓學(xué)生調(diào)研英文文獻、撰寫英文小論文，提升了英文資料查閱能力，培養(yǎng)了英文寫作思維。并且為了提升學(xué)生的英文學(xué)術(shù)交流能力，在學(xué)期末舉辦了英文小論文研討會，模擬英文國際會議的模式，從所有學(xué)生的小論文中評選出20%的論文做英文口頭（Oral）報告，其余論文做英文海報（Poster）報告。研討會邀請海外優(yōu)秀青年教師做專題（Tutorial）報告，全程采用英文交流和問答，并最終評選出最佳口頭報告和海報，讓學(xué)生體會論文投稿、展示和交流的全流程，為后續(xù)的本科畢業(yè)論文和研究生深造打下基礎(chǔ)。

四、人工智能綜合創(chuàng)新實訓(xùn)建設(shè)

在理論教學(xué)和課程實驗之外，以多學(xué)科開放創(chuàng)新型實驗室為支撐平臺，將綜合創(chuàng)新實訓(xùn)作為人工智能專業(yè)學(xué)生的實踐教學(xué)體系中重要環(huán)節(jié)，對學(xué)生專業(yè)實踐創(chuàng)新能力的提升以及人工智能專業(yè)建設(shè)具有十分重要的意義[4]。為此，以機器學(xué)習(xí)課程為理論基礎(chǔ)之一，武漢大學(xué)人工智能系建設(shè)了人工智能程序設(shè)計實訓(xùn)、智能系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)、人工智能綜合項目實踐、人工智能高級項目實踐等多門專業(yè)實踐課程，結(jié)合具備武漢大學(xué)自身特色的人工智能基礎(chǔ)、人工智能共性技術(shù)、醫(yī)學(xué)人工智能、跨媒體智能與時空計算和泛在物聯(lián)網(wǎng)與智能系統(tǒng)五大研究方向，組織學(xué)生開展了綜合創(chuàng)新實訓(xùn)活動。在實訓(xùn)中，課程組打破了傳統(tǒng)教學(xué)方式，提出先進的案例教學(xué)模式與方法，以創(chuàng)新實驗與專題討論相結(jié)合的方式，圍繞基本原理、方法、技術(shù)與應(yīng)用開展案例教學(xué)，最大限度地激發(fā)了學(xué)生自主創(chuàng)新的學(xué)習(xí)熱情。同時，課程組將最前沿的人工智能科研成果有機融入綜合創(chuàng)新實訓(xùn)中，并結(jié)合國內(nèi)外的最新人工智能相關(guān)技術(shù)應(yīng)用，確保實訓(xùn)內(nèi)容具有先進性、前沿性和實

用性。

人工智能綜合創(chuàng)新實訓(xùn)建設(shè)還體現(xiàn)在將學(xué)科競賽與課程教學(xué)相結(jié)合，形成“以賽促學(xué)”的創(chuàng)新人才培養(yǎng)范式。課程組提出了改進課程實踐教學(xué)方法，充分利用MOOP、實驗教學(xué)平臺等新型教學(xué)方式，結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)行動計劃項目等，提升學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力；同時，以創(chuàng)新、創(chuàng)造、創(chuàng)業(yè)的“三創(chuàng)”融合為驅(qū)動，把學(xué)科競賽內(nèi)容科學(xué)融入教學(xué)環(huán)節(jié)中，既豐富了教學(xué)方式和內(nèi)容，又能將部分學(xué)科競賽內(nèi)容充實到實驗案例庫中，作為開放共享的教學(xué)資源給全校各專業(yè)需要學(xué)習(xí)機器學(xué)習(xí)課程的學(xué)生使用；堅持強化學(xué)科競賽對學(xué)生專業(yè)實踐創(chuàng)新能力的提升，課程組教師結(jié)合人工智能前沿應(yīng)用及本人在研的國家級科研項目，設(shè)計、培養(yǎng)和孵化更高階的挑戰(zhàn)型實驗項目供學(xué)生自我探索；聚焦于推動人工智能類競賽的宣傳與參與，指導(dǎo)學(xué)生參與中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、“挑戰(zhàn)杯”中國大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計劃競賽等人工智能相關(guān)競賽，培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)知識解決實際問題的能力。

五、人工智能A類會議學(xué)術(shù)創(chuàng)新

人工智能A類會議指的是中國計算機學(xué)會（CCF）推薦的國際上極少數(shù)的拔尖刊物和會議，鼓勵我國學(xué)者去突破[5]。實際上，武漢大學(xué)計算機學(xué)院人工智能專業(yè)的少數(shù)大三、大四的高年級本科生有必要也有能力做出創(chuàng)新性較強的學(xué)術(shù)成果，沖擊A類會議論文。

在具體創(chuàng)新實踐中，課程組提出了教學(xué)與科研相結(jié)合的原則，并探索了拔尖學(xué)生選拔機制。在機器學(xué)習(xí)等前沿性較強的專業(yè)課教學(xué)過程中，融入A類會議研討環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生了解A類會議，掌握本領(lǐng)域國際最前沿；在課程教

學(xué)、課外研討、學(xué)科競賽、科研訓(xùn)練等各環(huán)節(jié)中，選拔對相關(guān)領(lǐng)域具有強烈興趣、自驅(qū)動能力強、數(shù)學(xué)英語計算機編程基礎(chǔ)扎實、有意向繼續(xù)攻讀研究生并從事科學(xué)探索的學(xué)生，進入指導(dǎo)教師團隊進行有組織科研。

面向本科生的人工智能A類會議學(xué)術(shù)創(chuàng)新可以分為以下四個階段：（1）教師選題與學(xué)生興趣相結(jié)合，確定研究方向。由于剛開始學(xué)生對于具體研究方向沒有明確的把握，可由教師在相關(guān)領(lǐng)域指定10～20篇當年的A類會議論文供學(xué)生研讀，之后進行討論；在這個過程中，隨著學(xué)生論文閱讀量的提升，也可自主確定感興趣的選題，由指導(dǎo)教師從選題難度、國內(nèi)外現(xiàn)狀、本團隊研究基礎(chǔ)等方面評估選題可行性。（2）論文閱讀、代碼復(fù)現(xiàn)與問題發(fā)現(xiàn)。學(xué)生大量閱讀論文，復(fù)現(xiàn)論文代碼，鼓勵學(xué)生通過論文對比閱讀和實驗對比分析來發(fā)現(xiàn)本領(lǐng)域A類論文方法中尚存在的問題，由指導(dǎo)教師和學(xué)生共同判定已發(fā)現(xiàn)的問題的重要性和新穎性，確定具體研究內(nèi)容。（3）新方案的提出與實驗驗證。針對發(fā)現(xiàn)的問題，指導(dǎo)教師與學(xué)生共同制訂新方案，并進行實驗驗證；對于實驗無效方案，分析原因并繼續(xù)改進，同時與本任務(wù)國際上最新A類論文中提出的方案進行對比。（4）指導(dǎo)教師和學(xué)生共同總結(jié)提出的新方案的創(chuàng)新性以及實驗結(jié)果的有效性，根據(jù)研究工作的綜合情況選定目標會議，完成論文撰寫并投稿。

通過完成以上目標，使得武漢大學(xué)人工智能專業(yè)最優(yōu)秀的一批本科生能夠具備較好的學(xué)術(shù)創(chuàng)新能力，研究水平達到國內(nèi)人工智能一線高校優(yōu)秀本科生水平，幫助學(xué)生在大四上學(xué)期的時候，具備申請國際名校博士研究生項目所需的科研能力。近年來，武漢大學(xué)計算機學(xué)院每年都有本科生以第一作者身份在CVPR、ACL等人工智能A類會議發(fā)表學(xué)術(shù)論文。

六、互聯(lián)網(wǎng)頭部企業(yè)協(xié)同人才培養(yǎng)

當前，高校與企業(yè)之間資源沒有打通，高校中的傳統(tǒng)課程主要是以經(jīng)典基礎(chǔ)理論為主，課本上的理論知識與企業(yè)實際需求脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生畢業(yè)后就業(yè)形勢嚴峻。在協(xié)同創(chuàng)新的環(huán)境下，武漢大學(xué)計算機學(xué)院以新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的校企深度合作為基礎(chǔ)，構(gòu)建了校企合作的教學(xué)模式和實施方案，為協(xié)同創(chuàng)新背景下人工智能專業(yè)的教學(xué)模式提供了新的思路，同時也為校企合作機制建設(shè)的完善奠定基礎(chǔ)。通過校企協(xié)同創(chuàng)新、實踐育人，可以將高校前沿研究在實際產(chǎn)業(yè)環(huán)境中進行探索和落地，有利于高校的科技成果轉(zhuǎn)化。具體實現(xiàn)途徑包括：（1）實用化課程設(shè)置。在協(xié)同創(chuàng)新的環(huán)境下，在課程

中融入當前行業(yè)遇到的實際困難問題，讓學(xué)生掌握相關(guān)實踐內(nèi)容。（2）校內(nèi)外聯(lián)合培養(yǎng)。為學(xué)生配備校外企業(yè)指導(dǎo)團隊，為學(xué)生提供多維度的實踐指導(dǎo)，協(xié)同單位的項目化教學(xué)，以項目為導(dǎo)向，培養(yǎng)實踐和應(yīng)用能力。（3）定向研發(fā)課題攻關(guān)。圍繞企業(yè)面臨的重要科學(xué)技術(shù)問題展開攻關(guān)，產(chǎn)生有影響力的科技成果。

目前，在“校企深度融合、理論應(yīng)用互補、產(chǎn)業(yè)需求牽引、融合集成創(chuàng)新”的理念驅(qū)動下[6]，

武漢大學(xué)已與華為、京東、小米、OPPO等互聯(lián)網(wǎng)頭部企業(yè)通過建立聯(lián)合實驗室或研究中心等方式開展長期合作，從本科生和研究生中選拔優(yōu)秀學(xué)生進行實習(xí)交流，實現(xiàn)聯(lián)合創(chuàng)新、協(xié)同育人、共同發(fā)展。此外，經(jīng)國家批準，武漢大學(xué)獲批成為工程碩博培養(yǎng)改革專項試點單位。面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，計劃通過5年時間，聯(lián)合國內(nèi)大型國企及高新技術(shù)企業(yè)，重點招收和培養(yǎng)少量工程碩博士卓越人才，解決“卡脖子”問題。從2022年開始，該試點項目面向全校研究生新生選拔，選拔的學(xué)科領(lǐng)域包括新一代信息通信技術(shù)、人工智能和智慧能源等。入選學(xué)生的培養(yǎng)方案以就讀專業(yè)為主，實行雙導(dǎo)師制，課程增加企業(yè)方開設(shè)的課程。學(xué)生畢業(yè)時可選擇留在企業(yè)工作，也可自主擇業(yè)。有望培養(yǎng)出更多國家急需的、能與企業(yè)無縫對接的專業(yè)技術(shù)型人才。

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[基金項目：武漢大學(xué)本科教育質(zhì)量建設(shè)綜合改革項目、武漢大學(xué)研究生導(dǎo)師育人方式創(chuàng)新項目]

[責(zé)任編輯：余大品]