機器學習課程思政教學改革探析

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摘要:課程思政是高等教育的理念創(chuàng)新、制度創(chuàng)新和實踐創(chuàng)新，“機器學習”課程是人工智能時代新工科的核心課程之一，時代性和應用性強，課程思政從科技強國戰(zhàn)略、科技應用方向和敬業(yè)精神方面開展，全方位將思政元素潤物無聲地融入教學，讓課程成為育人的主渠道，發(fā)揮同向協(xié)同作用。

關鍵詞:課程思政；機器學習；同向協(xié)同

2016年12月，總書記在全國高校思想政治工作會議上強調(diào)：“要用好課堂教學這個主渠道,思想政治理論課要堅持在改進中加強,提升思想政治教育親和力和針對性,滿足學生成長發(fā)展需求和期待,其他各門課都要守好一段渠、種好責任田,使各類課程與思想政治理論課同向同行,形成協(xié)同效應?！盵1]2020年，教育部印發(fā)《高等學校課程思政建設指導綱要》（簡稱《綱要》），全面推進高校課程思政建設?！毒V要》提出“圍繞全面提高人才培養(yǎng)能力這一核心點，圍繞政治認同、家國情懷、文化素養(yǎng)、憲法法治意識、道德修養(yǎng)等重點，優(yōu)化課程思政內(nèi)容供給，提升教師開展課程思政建設的意識和能力”[2]，對推進高校課程思政建設進行了整體設計和全面指導。北京聯(lián)合大學把課程思政作為落實立德樹人的基礎性和全面性工作，在實踐中確立了“校院整體推進、系（部）主導、教師主體”這一重要原則[3]，形成了“課程門門有思政，教師人人講育人”的育人環(huán)境[4]，著力構建價值引領、知識教育、能力培養(yǎng)“三位一體”的人才培養(yǎng)模式。機器學習是人工智能領域的核心技術，近年來得到了長足發(fā)展和廣泛應用，“機器學習”課程是機器人學院在第5學期開設的核心課程，開課專業(yè)包括機器人工程、軟件工程、自動化等。在新工科建設和應用型人才培養(yǎng)的背景下，筆者對該課程展開了課程思政教學改革和探究。

1課程建設目標與思政融入設計

1.1課程建設目標與內(nèi)容

按照學校對課程的總體要求，“機器學習”課程按照OBE（Outcomes-basedEducation）教學理念設計建設，課程目標分為知識、應用、整合、情感、價值、學習6個維度。其中，知識維度是使學生達到具有正確選取和使用常用機器學習算法的能力；應用維度是能夠依據(jù)訓練數(shù)據(jù)、測試數(shù)據(jù)和實際需求選擇合適的機器學習算法，能應用標注數(shù)據(jù)、無標注數(shù)據(jù)解決分類、回歸和標注等方面的學習問題，對獲得的有效結論能進行分析和評價。整合維度是能將專業(yè)能力、綜合素養(yǎng)和雙創(chuàng)精神有機統(tǒng)一，發(fā)現(xiàn)專業(yè)領域內(nèi)的新問題、產(chǎn)生新想法、創(chuàng)意新方案或新產(chǎn)品；情感維度是認識到應用所學知識解決社會實際問題的重要性和意義，能針對具體問題，通過調(diào)研、溝通等多種方式進行資料整理和研究，綜合靈活運用知識提出解決方案；價值維度是讓學生正確認識人與機器學習技術的關系，能在解決復雜工程問題的技術方案中體現(xiàn)人與機器學習技術和諧發(fā)展的思想，樹立正面利用機器學習技術的價值觀；學習維度是使學生養(yǎng)成課前和課后利用各種線上線下資源自主學習的習慣，養(yǎng)成在工程實踐中學習的習慣，培養(yǎng)快速迭代的學習力。6個維度的課程目標有機融合、相輔相成，并支撐著學生畢業(yè)指標中的具備專業(yè)工程知識能力、研究分析解決復雜工程問題能力、溝通能力以及終身學習能力，如圖1所示。本課程在高等數(shù)學、線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、高級語言程序設計等基礎上，介紹分析常用機器學習的原理、技術和算法。課程內(nèi)容主要包括模型評估與選擇、線性模型、支持向量機、K近鄰法、聚類、決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡、貝葉斯分類器、強化學習等。

1.2課程思政融入設計

“機器學習”課程思政的核心設計是要將“做人做事的基本道理、社會主義核心價值觀的根本要求、實現(xiàn)民族復興的理想和責任”這三方面精神融入課程教學過程。課程思政與思政課程不同，思政課程是直接、明晰的意識形態(tài)教育，而課程思政是要將思政元素融入專業(yè)課程，要做到基因式融入、立體化滲透、浸潤式演繹，做到潤物無聲、如鹽入味，這需要教學團隊精心設計與籌備，鉆研思政融入的方法，把握融入的力度與精度。近年來，機器學習作為人工智能領域的核心技術，在各個應用領域都發(fā)揮了積極的作用，如技術進步、社會民生、國防安全、國家戰(zhàn)略等方面，該課程的思政融入設計以此為突破點，包括以下三個層次：1.2.1科技強國戰(zhàn)略——培養(yǎng)學生的科技自信和學習動力。作為新工科類專業(yè)課程，所面對的學生將是國家的科技生力軍。因此，學生不僅要埋頭苦學科技知識，更要具有放眼國家和世界發(fā)展的胸襟，要了解世界科技發(fā)展趨勢和國家發(fā)展戰(zhàn)略需求，厚植愛國情懷，強化責任擔當。隨著第四次工業(yè)革命的到來，人類社會進入了人工智能的新時代，科技強國更是成為每個國家的發(fā)展戰(zhàn)略。2016年5月30日，總書記在全國科技創(chuàng)新大會、兩院院士大會、中國科協(xié)第九次全國代表大會上發(fā)表重要講話，強調(diào)實現(xiàn)“兩個一百年”奮斗目標，實現(xiàn)中華民族偉大復興的中國夢，必須堅持走中國特色自主創(chuàng)新道路，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，加快各領域科技創(chuàng)新，掌握全球科技競爭先機?？倳浀闹匾v話吹響了建設世界科技強國的號角，而人工智能領域的發(fā)展是其中的重要組成部分。本課程將向學生講解科技強國戰(zhàn)略中人工智能及機器學習相關部分的知識，以及機器學習技術在機器人研發(fā)、智慧城市建設、神九飛天，蛟龍入海、天氣預報、全球抗擊肺炎疫情、中美貿(mào)易戰(zhàn)等方面發(fā)揮的作用，例如講解如何應用隱馬爾可夫模型（HMM）對自然語言進行分析處理和識別研究，引導學生進入人工智能技術創(chuàng)新這一熱門領域。這些思政元素的融入，為學生樹立了科技自信、指明了學習方向。1.2.2科技應用的方向——培養(yǎng)學生的家國情懷和社會責任感。科學沒有國界，但科學家是有祖國的。手握科學技術這把利器，將他用向何方體現(xiàn)了科學家的家國情懷和責任擔當。在課程思政中融入科技應用方向的元素，引導學生關注身邊的社會與民生，通過講解機器學習技術在抗擊肺炎疫情中如何高效匯總、分析疫情數(shù)據(jù)，在防疫物資生產(chǎn)、人員流調(diào)、防護措施決策等方面發(fā)揮的重要作用，如采用GIS（空間地理信息系統(tǒng)）和空間聚類分析算法結合，掌握疫情在空間分布的規(guī)律和模式，針對不同地區(qū)采取不同的防護模式和防護準備；世界衛(wèi)生組織當前使用機器學習從大量在線數(shù)據(jù)中檢測新的公共衛(wèi)生事件的警報，并使用開源的傳染病智能（EIOS）平臺，將自然語言處理技術用于數(shù)據(jù)的處理、分類和組合。這些都體現(xiàn)了機器學習技術的社會價值和科技價值。在此基礎上，進一步引導學生關注更多社會民生問題，如養(yǎng)老、醫(yī)療、在線學習、智慧北京等，如基于強化學習的人臉和手勢識別，減少接觸，增加人身和系統(tǒng)安全等。引導學生思考如何利用學到的知識解決問題，并就小規(guī)模模擬場景提出技術路線。讓技術在解決民生問題時產(chǎn)生溫度，進而成為溫暖社會的力量，讓學生體會到自我價值與社會價值的結合是技術研究與應用的最高境界，做有為的新時代青年。1.2.3敬業(yè)精神——培養(yǎng)學生刻苦鉆研的工匠精神。兩千多年前，孔子就說過“執(zhí)事敬”“事思敬”“修己以敬”，宋朝朱熹提出“專心致志以事其業(yè)”，都指的是敬業(yè)精神。機器學習是現(xiàn)代科學技術的一個分支，融合了概率論、統(tǒng)計學、近似理論、復雜算法、模式識別等多學科交叉的知識，嚴謹而復雜。學習者和應用者更應該做到敬業(yè)、專注、精益。面對每一種機器學習算法，要探究它的理論依據(jù)、推導過程、適用場景、優(yōu)化方向等，這些需要一絲不茍的態(tài)度和身體力行的實踐，需要耐心、專心、用心。比如在講授和學習KNN（K-NearestNeighbor，K最近鄰算法）的過程中，為了得到合適的優(yōu)化模型，需要對模型的參數(shù)進行反復訓練、不斷調(diào)整。在這個過程中，學生要專注每一次訓練結果和參數(shù)調(diào)整的要點，要在挫折中不斷尋找成功的方向。學生在實踐中逐步培養(yǎng)嚴謹、耐心、專注的品質。這三個層次逐級深入，從宏觀到微觀，從思想到實踐，從家國情懷到工匠精神，將“做人做事的基本道理、社會主義核心價值觀的要求、實現(xiàn)民族復興的理想和責任”與“機器學習”課程相結合，讓課程成為育人主渠道。

2課程思政實施步驟

課程思政的實施是有計劃、有步驟的，要做到潤物無聲、如鹽入味，更要在思政的設計和實踐中下足力氣，落實、落細、落小?！皺C器學習”課程思政的實施可分為三個步驟：課前、課中和課后，如圖2所示。（1）在課前，教師要做到教育者先受教育，不斷提升自己在專業(yè)知識、思想意識、愛國情懷等方面的素養(yǎng)和能力，在武裝頭腦的基礎上，指導工作，推動實踐。對于新工科類課程，教師不斷適應時展需求，不斷學習、鉆研科技前沿技術與問題，對學生也是一種勇攀科技高峰的言傳身教。教師要具備讓學生敬重的學問與品行，要以自己的理想信念、道德情操、扎實學識、仁愛之心、言傳身教，讓學生耳濡目染。在備課的過程中，深挖思政元素并將其合理融入課程。（2）課堂上，以春風化雨的方式，將科技強國和家國情懷等思政元素融入知識講解，通過案例分析和討論，提升學生分析問題和辨別是非的能力。課程思政的融入，不僅體現(xiàn)在思政元素與課程內(nèi)容的結合上，也體現(xiàn)在教師講解的語氣、臉部的表情以及肢體語言上，是一個渾然天成的過程。（3）在課后，通過布置體會社會民生與技術發(fā)展的調(diào)研作業(yè)，培養(yǎng)學生關注社會、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，同時提升其團隊合作能力和自學能力，讓學生不斷積累社會責任感和擔當意識，并感受技術的溫度。

3總結

2018年7月，總書記在全國組織工作會議上強調(diào)：“實現(xiàn)中華民族偉大復興，堅持和發(fā)展中國特色社會主義，關鍵在黨，關鍵在人，歸根到底在培養(yǎng)造就一代又一代可靠接班人?！盵4]因此，要全面推進課程思政建設，將課程思政融入課堂教學全過程。機器學習是人工智能時代的核心技術，融合了多學科的知識，在社會發(fā)展和國家戰(zhàn)略上都發(fā)揮著重要作用。因此，用好、用對機器學習技術，培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞男聲r代新工科人才，是“機器學習”課程思政教學改革不斷前進的方向。

參考文獻

[1]談治國理政(第2卷)[M].北京:外文出版社,2017.

[2]教育部關于印發(fā)《高等學校課程思政建設指導綱要》的通知[EB/OL].(2020-05-28).

[3]韓憲洲.論課程思政建設中的幾個基本問題:課程思政是什么、為什么、怎么干、怎么看[J].北京教育(高教版),2020(5):48-50.

[4]談治國理政(第3卷)[M].北京:外文出版社,2020.

[5]韓憲洲.課程思政方法論探析:以北京聯(lián)合大學為例[J].北京聯(lián)合大學學報(人文社會科學版),2020,18(2):1-6.

[6]韓憲洲.以課程思政推動立德樹人的實踐創(chuàng)新[J].中國高等教育,2019(23):12-14.

作者:商新娜 宏晨 田娥 夏齊霄 單位:北京聯(lián)合大學機器人學院