机器学习课程思政教学改革探析

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摘要:课程思政是高等教育的理念创新、制度创新和实践创新，“机器学习”课程是人工智能时代新工科的核心课程之一，时代性和应用性强，课程思政从科技强国战略、科技应用方向和敬业精神方面开展，全方位将思政元素润物无声地融入教学，让课程成为育人的主渠道，发挥同向协同作用。

关键词:课程思政；机器学习；同向协同

2016年12月，总书记在全国高校思想政治工作会议上强调：“要用好课堂教学这个主渠道,思想政治理论课要坚持在改进中加强,提升思想政治教育亲和力和针对性,满足学生成长发展需求和期待,其他各门课都要守好一段渠、种好责任田,使各类课程与思想政治理论课同向同行,形成协同效应。”[1]2020年，教育部印发《高等学校课程思政建设指导纲要》（简称《纲要》），全面推进高校课程思政建设。《纲要》提出“围绕全面提高人才培养能力这一核心点，围绕政治认同、家国情怀、文化素养、宪法法治意识、道德修养等重点，优化课程思政内容供给，提升教师开展课程思政建设的意识和能力”[2]，对推进高校课程思政建设进行了整体设计和全面指导。北京联合大学把课程思政作为落实立德树人的基础性和全面性工作，在实践中确立了“校院整体推进、系（部）主导、教师主体”这一重要原则[3]，形成了“课程门门有思政，教师人人讲育人”的育人环境[4]，着力构建价值引领、知识教育、能力培养“三位一体”的人才培养模式。机器学习是人工智能领域的核心技术，近年来得到了长足发展和广泛应用，“机器学习”课程是机器人学院在第5学期开设的核心课程，开课专业包括机器人工程、软件工程、自动化等。在新工科建设和应用型人才培养的背景下，笔者对该课程展开了课程思政教学改革和探究。

1课程建设目标与思政融入设计

1.1课程建设目标与内容

按照学校对课程的总体要求，“机器学习”课程按照OBE（Outcomes-basedEducation）教学理念设计建设，课程目标分为知识、应用、整合、情感、价值、学习6个维度。其中，知识维度是使学生达到具有正确选取和使用常用机器学习算法的能力；应用维度是能够依据训练数据、测试数据和实际需求选择合适的机器学习算法，能应用标注数据、无标注数据解决分类、回归和标注等方面的学习问题，对获得的有效结论能进行分析和评价。整合维度是能将专业能力、综合素养和双创精神有机统一，发现专业领域内的新问题、产生新想法、创意新方案或新产品；情感维度是认识到应用所学知识解决社会实际问题的重要性和意义，能针对具体问题，通过调研、沟通等多种方式进行资料整理和研究，综合灵活运用知识提出解决方案；价值维度是让学生正确认识人与机器学习技术的关系，能在解决复杂工程问题的技术方案中体现人与机器学习技术和谐发展的思想，树立正面利用机器学习技术的价值观；学习维度是使学生养成课前和课后利用各种线上线下资源自主学习的习惯，养成在工程实践中学习的习惯，培养快速迭代的学习力。6个维度的课程目标有机融合、相辅相成，并支撑着学生毕业指标中的具备专业工程知识能力、研究分析解决复杂工程问题能力、沟通能力以及终身学习能力，如图1所示。本课程在高等数学、线性代数、概率论与数理统计、高级语言程序设计等基础上，介绍分析常用机器学习的原理、技术和算法。课程内容主要包括模型评估与选择、线性模型、支持向量机、K近邻法、聚类、决策树、神经网络、贝叶斯分类器、强化学习等。

1.2课程思政融入设计

“机器学习”课程思政的核心设计是要将“做人做事的基本道理、社会主义核心价值观的根本要求、实现民族复兴的理想和责任”这三方面精神融入课程教学过程。课程思政与思政课程不同，思政课程是直接、明晰的意识形态教育，而课程思政是要将思政元素融入专业课程，要做到基因式融入、立体化渗透、浸润式演绎，做到润物无声、如盐入味，这需要教学团队精心设计与筹备，钻研思政融入的方法，把握融入的力度与精度。近年来，机器学习作为人工智能领域的核心技术，在各个应用领域都发挥了积极的作用，如技术进步、社会民生、国防安全、国家战略等方面，该课程的思政融入设计以此为突破点，包括以下三个层次：1.2.1科技强国战略——培养学生的科技自信和学习动力。作为新工科类专业课程，所面对的学生将是国家的科技生力军。因此，学生不仅要埋头苦学科技知识，更要具有放眼国家和世界发展的胸襟，要了解世界科技发展趋势和国家发展战略需求，厚植爱国情怀，强化责任担当。随着第四次工业革命的到来，人类社会进入了人工智能的新时代，科技强国更是成为每个国家的发展战略。2016年5月30日，总书记在全国科技创新大会、两院院士大会、中国科协第九次全国代表大会上发表重要讲话，强调实现“两个一百年”奋斗目标，实现中华民族伟大复兴的中国梦，必须坚持走中国特色自主创新道路，面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求，加快各领域科技创新，掌握全球科技竞争先机。总书记的重要讲话吹响了建设世界科技强国的号角，而人工智能领域的发展是其中的重要组成部分。本课程将向学生讲解科技强国战略中人工智能及机器学习相关部分的知识，以及机器学习技术在机器人研发、智慧城市建设、神九飞天，蛟龙入海、天气预报、全球抗击肺炎疫情、中美贸易战等方面发挥的作用，例如讲解如何应用隐马尔可夫模型（HMM）对自然语言进行分析处理和识别研究，引导学生进入人工智能技术创新这一热门领域。这些思政元素的融入，为学生树立了科技自信、指明了学习方向。1.2.2科技应用的方向——培养学生的家国情怀和社会责任感。科学没有国界，但科学家是有祖国的。手握科学技术这把利器，将他用向何方体现了科学家的家国情怀和责任担当。在课程思政中融入科技应用方向的元素，引导学生关注身边的社会与民生，通过讲解机器学习技术在抗击肺炎疫情中如何高效汇总、分析疫情数据，在防疫物资生产、人员流调、防护措施决策等方面发挥的重要作用，如采用GIS（空间地理信息系统）和空间聚类分析算法结合，掌握疫情在空间分布的规律和模式，针对不同地区采取不同的防护模式和防护准备；世界卫生组织当前使用机器学习从大量在线数据中检测新的公共卫生事件的警报，并使用开源的传染病智能（EIOS）平台，将自然语言处理技术用于数据的处理、分类和组合。这些都体现了机器学习技术的社会价值和科技价值。在此基础上，进一步引导学生关注更多社会民生问题，如养老、医疗、在线学习、智慧北京等，如基于强化学习的人脸和手势识别，减少接触，增加人身和系统安全等。引导学生思考如何利用学到的知识解决问题，并就小规模模拟场景提出技术路线。让技术在解决民生问题时产生温度，进而成为温暖社会的力量，让学生体会到自我价值与社会价值的结合是技术研究与应用的最高境界，做有为的新时代青年。1.2.3敬业精神——培养学生刻苦钻研的工匠精神。两千多年前，孔子就说过“执事敬”“事思敬”“修己以敬”，宋朝朱熹提出“专心致志以事其业”，都指的是敬业精神。机器学习是现代科学技术的一个分支，融合了概率论、统计学、近似理论、复杂算法、模式识别等多学科交叉的知识，严谨而复杂。学习者和应用者更应该做到敬业、专注、精益。面对每一种机器学习算法，要探究它的理论依据、推导过程、适用场景、优化方向等，这些需要一丝不苟的态度和身体力行的实践，需要耐心、专心、用心。比如在讲授和学习KNN（K-NearestNeighbor，K最近邻算法）的过程中，为了得到合适的优化模型，需要对模型的参数进行反复训练、不断调整。在这个过程中，学生要专注每一次训练结果和参数调整的要点，要在挫折中不断寻找成功的方向。学生在实践中逐步培养严谨、耐心、专注的品质。这三个层次逐级深入，从宏观到微观，从思想到实践，从家国情怀到工匠精神，将“做人做事的基本道理、社会主义核心价值观的要求、实现民族复兴的理想和责任”与“机器学习”课程相结合，让课程成为育人主渠道。

2课程思政实施步骤

课程思政的实施是有计划、有步骤的，要做到润物无声、如盐入味，更要在思政的设计和实践中下足力气，落实、落细、落小。“机器学习”课程思政的实施可分为三个步骤：课前、课中和课后，如图2所示。（1）在课前，教师要做到教育者先受教育，不断提升自己在专业知识、思想意识、爱国情怀等方面的素养和能力，在武装头脑的基础上，指导工作，推动实践。对于新工科类课程，教师不断适应时展需求，不断学习、钻研科技前沿技术与问题，对学生也是一种勇攀科技高峰的言传身教。教师要具备让学生敬重的学问与品行，要以自己的理想信念、道德情操、扎实学识、仁爱之心、言传身教，让学生耳濡目染。在备课的过程中，深挖思政元素并将其合理融入课程。（2）课堂上，以春风化雨的方式，将科技强国和家国情怀等思政元素融入知识讲解，通过案例分析和讨论，提升学生分析问题和辨别是非的能力。课程思政的融入，不仅体现在思政元素与课程内容的结合上，也体现在教师讲解的语气、脸部的表情以及肢体语言上，是一个浑然天成的过程。（3）在课后，通过布置体会社会民生与技术发展的调研作业，培养学生关注社会、发现问题和解决问题的能力，同时提升其团队合作能力和自学能力，让学生不断积累社会责任感和担当意识，并感受技术的温度。

3总结

2018年7月，总书记在全国组织工作会议上强调：“实现中华民族伟大复兴，坚持和发展中国特色社会主义，关键在党，关键在人，归根到底在培养造就一代又一代可靠接班人。”[4]因此，要全面推进课程思政建设，将课程思政融入课堂教学全过程。机器学习是人工智能时代的核心技术，融合了多学科的知识，在社会发展和国家战略上都发挥着重要作用。因此，用好、用对机器学习技术，培养德才兼备的新时代新工科人才，是“机器学习”课程思政教学改革不断前进的方向。

参考文献

[1]谈治国理政(第2卷)[M].北京:外文出版社,2017.

[2]教育部关于印发《高等学校课程思政建设指导纲要》的通知[EB/OL].(2020-05-28).

[3]韩宪洲.论课程思政建设中的几个基本问题:课程思政是什么、为什么、怎么干、怎么看[J].北京教育(高教版),2020(5):48-50.

[4]谈治国理政(第3卷)[M].北京:外文出版社,2020.

[5]韩宪洲.课程思政方法论探析:以北京联合大学为例[J].北京联合大学学报(人文社会科学版),2020,18(2):1-6.

[6]韩宪洲.以课程思政推动立德树人的实践创新[J].中国高等教育,2019(23):12-14.

作者:商新娜 宏晨 田娥 夏齐霄 单位:北京联合大学机器人学院