机器学习中的最优化方法教学模式探究 -凯发一触即发

北京联合大学 北京 100101 亓呈明 胡立栓

摘要：机器学习作为科技前沿的技术，其中的最优化方法的难度对学生是一个挑战。根据本课程的特点和定位设计教学内容，以项目案例为驱动，丰富教学资源；把本学科最新发展成果和教改教研成果引入教学实践，强化实践教学，力争打造特色鲜明、教材先进、方法科学、教学质量高、深受学生欢迎、动态适应社会发展的课程。

1 引言

机器学习中大量的问题最终都可以归结为一个优化问题，因此掌握最优化方法成为培养应用型大学工科学生创新学习能力和解决实际问题能力的有效途径。本课程通过教学案例，使学生掌握最优化问题的建模、机器学习典型优化问题的理论和各种算法；改革现有教学方法和手段。利用课程网络资源，引导学生自主学习，不断探索，提高自身综合运用知识的能力和创新能力；坚持以技能考核为重点确定评价标准，建立合理的新的评价体系。提高学生应用数学理论与方法分析、解决实际问题的能力以及计算机应用能力；以研促教，开展研究性学习，实现“学为中心”。将研究成果形成具有一定普适性的策略予以推广。

2 理论基础与教学策略

2.1建构主义的学习观

(1)学习不是由教师把知识简单地传递给学生，而是由学生自己建构知识的过程。学生不是简单被动地接收信息，而是主动地建构知识的意义，这种建构是无法由他人来代替的。

(2)学习不是被动接收信息刺激，而是主动地建构意义，是根据自己的经验背景，对外部信息进行主动地选择、加工和处理，从而获得自己的意义。外部信息本身没有什么意义，意义是学习者通过新旧知识经验间的反复的、双向的相互作用过程而建构成的。因此，学习，不是象行为主义所描述的"刺激反应"那样。

(3)学习意义的获得，是每个学习者以自己原有的知识经验为基础，对新信息重新认识和编码，建构自己的理解。在这一过程中，学习者原有的知识经验因为新知识经验的进入而发生调整和改变。

(4)同化和顺应，是学习者认知结构发生变化的两种途径或方式。同化是认知结构的量变，而顺应则是认知结构的质变。同化-顺应-同化-顺应……循环往复，平衡-不平衡-平衡-不平衡，相互交替，人的认知水平的发展，就是这样的一个过程。学习不是简单的信息积累，更重要的是包含新旧知识经验的冲突，以及由此而引发的认知结构的重组。学习过程不是简单的信息输入、存储和提取，是新旧知识经验之间的双向的相互作用过程，也就是学习者与学习环境之间互动的过程。

2.2 培养学生创新能力的教学策略

（一）转变传统的教学理念

必须从教学方面进行革新，这也是提高教学生命力的重要举措。增设本课程的初衷，就是要对学生的创新能力进行重点培养。所以，在实际的课程教学中，教师必须打破原有教学理念对自身的束缚，敢于推陈出新，努力为学生营造更加轻松、愉悦的教学情境，让学生可以在这样的情境中轻松地掌握知识。同时，应该让学生成为课堂的主体，给予学生足够的课堂主动权，充分体现学生的主体地位，从而激发学生主动学习的欲望和兴趣，让学生积极主动地参与到学习中来，以培养学生的创新能力。

（二）运用创新的教学方法

要想实现真正的创新，就必须经历一个不断尝试与探究的过程。本课程和其它课程相比，显然具有更强的实践性。为此，教师在教学过程中，需要以教材为依托，采用更具创新性的教学模式，着力培养学生的创新能力。例如，教师在授课过程中可以采用分层教学法，根据学生的水平将学生划分成几个不同层次，然后展开不同难度的教学，提高教学的针对性。借助多媒体技术与网络资源，拓宽学生的学习思路，激起学生的创新欲望。

3. 课程特色与建设方案

3.1 课程特色

1. 重视传统课堂教学与现代教学手段的结合，本课程已经许多网上资源，供学生下载使用，发挥课程网络资源作用。讨论式教学中，可以针对网上讲解的知识点作深入探究。

2. 实验教学多分层次设计，将python机器学习库引入该课程，还以实际案例指导实验教学设计思想，体现了知识传授、素质培养与创新能力为一体的教学模式。

3. 以实用技能为核心，推行“教中做、做中学”的教学思路。按照“以实用技能为核心，以案例为主线，以项目经验为学习目标”，打破原有的课程章节体系，精心选择课程内容、设计教学环节。最终达到以用为本、学以致用的目的。推行“教中做、做中学”的教学思路，让学生在真实的项目开发环境中，以“项目实现”为目标，使教学效果得到有效提高。

4. 以动手能力为突破点，实施“任务驱动”、“项目导向”的教学手段，采用研究机构普遍采用的机器学习开发平台，实现理论与实践相结合的教学模式。

5. 以学习效果为导向进行课程教学过程管理，依据“定义预期学习结果”、“实现预期学习结果”、“评估学习结果”流程完成教学过程设计，通过专家听课、学生评教、学生座谈会、课程教学研讨会等过程管理方式，持续改进教学。

3.2建设方案

课程改革是教育改革的关键，而专业课程改革是课程建设的基础，课程改革与建设反映了经济与社会的发展，反映了行业、企业岗位需求的内涵，也反映了教育改革的价值取向，直接影响着教育的教学质量与人才培养水平。对本课程的建设方案做出如下规划：

1．本课程是计算机技术、运筹学（最优化）、概率论、统计学等多门学科的交叉课程，团队依托科研项目和开发平台开设本门课程，是融创新意识、创新思维、创新能力于一体的城市型、应用型创新课程。

2. 明确教学目标。以“提高学生应用数学理论与方法分析、解决实际问题的能力以及计算机应用能力”规划课程，运用从记忆、理解、应用、分析、评估到应用和创造的教育目标分类法突出应用和创新，激发学生主动学习。

3. 课程内容建设。结合本专业“校企合作，工学结合”人才培养模式，抓好课程教学内容体系改革，将实际案例及学生创新项目作为载体引入到教学过程中，不断完善补充教学案例，使教学案例更加合理化、具体化。精炼课程体系，进一步完善教学大纲，保持教学大纲与教学内容的先进性。开发本专业的特色化项目教材。

4. 以研促教，进一步推进教科研工作。研究性教学是教师教学创新的核心。课程建设须使教育教学与科研有机结合，边科研、边建设，以建设拉动科研，以科研促进建设。让学生参加到教师的教科研课题中，开展研究性学习，实现“学为中心”。

4. 教学探讨

4.1教师层面教育观念的转变

创新意识是由一个人对事物的好奇、求知、质疑、独立思考等方面构成的独创性的观念和认识。新的思想、创新点是需要一个思维跳跃大、灵活的大脑产生，而不是一个墨守成规的思想。想要有灵活的大脑，创新的思想，就要有源源不断的创新意识。但现在学校的教育大多是应试教育，学生学习的内容都是为了面对考试，上课内容略显死板，对学生的创新意识的形成是有一定阻碍作用的，学生无法完全表现出自身的个性特点，其独立思考的能力的培养也往往被忽视，严重约束了学生思想上的创新以及自身创新能力的运用。因此教师应转变以往的灌输式教育，教学模式应向开放、互动、启发式转变，注重培养学生的创新意识、独立思考意识等。

4.2 课程建设持续改进

传统的教学方法主要是老师按照教学大纲讲授知识给学生，为巩固学习到的内容，学生需要在课后进行大规模的题量练习。这样虽然有利于加强学生学习到的课本上基础的内容，但在实际操作能力上就显得力不从心。因此，要加速教学与科研相结合，不仅要在课堂教学内容上下功夫，更要让学生参与到科研项目中去。老师可以将教学内容编成项目，将学生自由分成几组，组成一个团队，这样在完成项目过程中，不仅有利于学生巩固学习到的知识，有利于培养学生们解决问题、探索知识的能力，更有利于鼓励学生大胆创新、大胆设计，也可以培养学生们的团队协作精神，全面发展学生们的能力，这也为学生以后步入社会、进入工作奠定基础。

5 总结

经过教学实践，打造了特色鲜明、方法科学、教学质量高、深受学生欢迎、动态适应社会发展的课程。根据本课程的特点和定位设计了教学内容，以项目案例为驱动，丰富了教学资源；把本学科最新发展成果和教改教研成果引入到教学实践，强化实践教学，根据学生特点开展了教学方法改革与创新, 坚持以学习效果为导向的课程教学过程管理，培养应用型人才;改进了教学评价体系，将创新应用能力纳入培养与考核范畴，有效调动了学生学习的积极性。

(本文得到北京联合大学2019年教学创新课程建设项目资助)