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研究生课程教学模式改革实践 ——以“神经网络理论与应用”课程为例
2023-02-27 浏览量:476


 

研究生课程教学模式改革实践

——以“神经网络理论与应用”课程为例

张  强,邵思羽,牛天林,李大喜,杨新宇

空军工程大学防空反导学院,陕西 西安,710051

[  ]:为适应新时代国家经济社会发展需要,研究生培养工作需要紧跟建设发展步伐,创新开展教学模式改革。以研究生课程“神经网络理论与应用”为例,结合以往教学实践经验和当下信息化技术手段,创新采用线上线下的混合式教学模式对课程教学进行改革探索,提出“综合审视、合理混合,理实一体、突出创新”的课程教学模式改革思路,突出学员“学”为主体的教学理念,重点从方法手段、课程资源、创新培养和团队协作等方面探索有益的举措方法,为课程内涵质量提升奠定坚实基础。

[关键词]:教学模式;研究生培养;教学改革;混合式教学

[基金项目]2020年度中国人民解放军空军工程大学防空反导学院教育教学研究立项课题、“研究生《神经网络理论与应用》课程“线上线下”模式探索与实践”、考评中心[2020]6号;2020年度陕西省自然科学基础研究计划、“掺混聚甲氧基二甲醚改善军用柴油机高原环境适应性的燃烧机理研究”、2020JQ-475【注:基金项目或编号都可以去掉

[作者简介]:张强,(1973-),男,汉族,陕西汉中人,博士,副教授,空军工程大学防空反导学院,从事电力系统及其自动化、深度学习领域科研工作。邵思羽,(1991-),女,汉族,山东邹城人,博士,讲师,空军工程大学防空反导学院,从事机电系统智能故障诊断、深度学习应用领域研究工作。牛天林,(1982-),男,汉族,博士,讲师,空军工程大学防空反导学院,从事能源与动力工程领域科研工作。

[中图分类号]G643.0    [文献标识码] 

 

 

一、新时代背景对研究生课程建设提出更高要求

随着2020年全国研究生教育会议的召开,研究生教育工作受到前所未有的重视,是新时代下我国在教育领域步入世界一流水平的核心追求,肩负着德才兼备的高层次人才培养和创新创造的重要使命,是国家发展、社会进步的重要基石。如今,研究生体量、规模已经发生了巨大的变化,国家新时代的发展也对研究生教育工作提出了更高的要求,既要追求学术卓越,也要面向国家利益国家需求。根据新时代我国研究生教育的使命与任务,深入推进学科专业的调整,提升导师队伍水平,完善人才培养体系,深化研究生培养模式的改革,其中关键的一项就是要以“研”突破,重视课程体系改革和课程水平提升[1]。

当前研究生培养环节更偏重科研学术能力的培养,课程体系与质量是培养环节中不足的一方面。在课程理念的先进性、课程及其内容设置的科学性规范性、课程之间的逻辑关系、课程教育教学方法适用性上、内容时效性、课堂内容知识性饱满性等多个方面仍有待提升。正因如此,为了提高教师教学效果以及学生学习效率,有必要采用创新教育理念对研究生课程进行模式改革,为课程学习带来新的活力[2]。工科类学科是以解决实际问题、服务社会发展、创新创造为导向而建设的,其固有属性决定了其特殊性,既需要严谨完整的理论知识体系,又需要解决问题的实际效能。一方面,工科类课程要建设夯实理论基础的“硬课内容”,为研究生建立了解和深入认知完整学科全貌的渠道;另一方面,课程建设仍要考虑研究生实践能力的培养,理论指导实践,培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力,要以能独立发掘研究目标作为课程学习成果的一个重要标志[3]。

不同于普通高等教育,军队院校教育中的课程建设具有更为特殊的含义。随着新版《军队院校教育条例》试行发布,进一步强调军队院校教育的建设目标是培养德才兼备的高素质、专业化新型军事人才,军队院校教育是培养军事人才的基本途径,与部队训练实践、军事职业教育共同构成三位一体新型军事人才培养体系。因此,军队院校的研究生课程建设更加多元,不仅需要满足高等教育中对高层次人才创新创造能力的培养,同时要紧贴军队院校教育发展目标,培养军事人才、服务备战打仗。要培养掌握学科坚实的基础理论和系统的专门知识,熟悉本学科的发展和前沿,具有从事科学研究及独立担负专门技术工作的能力,能够解决科学技术难题,具有创新能力的高层次专业技术人才,并具备成长为高层次参谋、指挥管理人才的潜力,具有较强的事业心和献身精神,积极为军队现代化建设服务。

随着大数据时代的到来、人工智能相关技术高速发展以及强大计算资源的可利用,新一代大型深层神经网络模型蓬勃发展,成功解决机器视觉、自然语言处理等多个领域内的关键问题,这其中,神经网络理论与算法是人工智能领域的奠基石,是各类先进智能化模型的基础。要想了解人工智能先进算法,首先需要掌握传统神经网络的基本概念及理论背景,建立完整的理论知识体系,为后续创新创造打牢基础;同时,人工智能的高速发展又要求课程内容与时俱进,紧跟科研学术与工业生产发展步伐,以解决实际问题与服务社会为导向,不断保持课程知识体系的持续更新。

“神经网络理论与应用”作为一门研究生专业课程,主要研究神经网络的算法理论及其仿真应用,是开展科学研究的重要理论基础,课程着重突出算法理论的系统性与综合性,仿真实现的灵活性与多样性,课程教学总体目标是全面、系统地掌握神经网络理论与应用的基本理论、方法和技术,了解当前相关学科方向的典型应用和研究前沿,具有利用神经网络理论、技术、方法和工具,解决科学技术问题的能力,为创新创造工作打下坚实的理论和技术基础。

二、课程改革探索理念与思路

1. 教育教学目标与课程改革理念

通过课程内容的设置以及实践能力的培养,使研究生初步掌握开展学术研究的基本技能,培养学生开放学习、自主学习的意识与能力,在教学全过程中贯彻“学为主体”的理念,利用现代化信息技术手段辅助课程教学,提升教师教学效果与学生学习效率,全面提升课程教学质量[4]。

瞄准课程内涵质量提高目标,结合教学团队线上教学实践经验,在综合审视线上、线下教学模式优劣势基础上,提出科学合理的线上线下混合式教学模式,并重点从教学内容、方法手段、课程资源、创新培养和团队协作等方面探索有益的举措方法,全面促进研究生学员的自主学习能力、协作沟通能力和创新能力的提升,更加贴近研究生课程教学和能力培养的直接需求,有效解决课程教学传统瓶颈问题,为课程内涵质量提升奠定坚实基础[5]。

2. 教法创新——“线上线下”混合教学模式探索

课程传统的教学模式主要采用精讲、研讨、实验和文献课等形式依托课堂环境组织教学实施,较好的传授了知识与方法,但与“教为主导、学位主体”、“拓展研究生学员前沿视野,激发创新思维,培树科研能力”、“加大课程信息化教学模式改革”等更高更新要求还有一定差距[6]。为全面提高课程教学质量,经教学团队集智研究,提出“综合审视、合理混合,理实一体、突出创新”的课程线上线下混合式教学模式改革思路。

“综合审视”——深刻反思课程属性、目标职能和传统教学质量束缚问题,深刻理解信息化教学模式优势,重点剖析线上线下教学的优劣势,将“要求—问题—方向”整合式分析,形成课程教学模式改革的前提依据;“合理混合”——科学合理解决课程线上线下混合教学的内容设置、课时比例、形式方法等关键问题;“理实一体”——基于课程理论与应用双重教学目标的要求,通过科学实施课程线上线下教学的理论与实践环节,交互迭代,全面提高质量效益;“突出创新”——在神经网络科技高速发展趋势和研究生学术科研创新能力培养要求的共同倒逼下,通过宽视野、新知识、高要求、细环节、重闭环等实际举措,为综合素质能力培养提供有力支撑。

三、课程教学模式改革的具体实践

1. 积极开展线上线下混合式教学

原有课程教学主要依靠线下教学,受限于思维理念和计算机网络条件,导致前沿知识更新缓慢、丰富网络资源利用率低,为提升课程教学质量,优化为线上线下混合教学模式。在以线上教学为主体、线上教学为辅助的方式下,基于钉钉、雨课堂等在线教学平台,加强课前、课中、课后全程质量监控。充分利用丰富的人工智能网络视频资源、Python例程和论坛、中英文文献资料,发挥学员主体作用,且不受时空限制,提高课程教学质量。

精讲课采用课前预习、课中教学和课后巩固三个步骤实现线上线下混合教学方法。课前提前向学生发布教学资料和预习任务,注重学生自学能力,并利用钉钉、雨课堂等在线教学平台的预习答题等功能了解学生自学效果;课中综合运用线上线下答题、投票、情景表演等多种形式掌控学员学习状态,获取学生的效果反馈,加强教学互动;课后布置适合学生独立思考的开放性探讨性题目,发布教学视频、课堂教学效果统计等帮助学员巩固以及教师了解学员学习动态[7]。

仿真实验课与研讨课的混合教学包括教员示范、学员练习以及焦点问题讨论三个部分,各个环节综合利用线下课堂教学环境与线上软件平台的优势,发挥课程教学与学生动手实践的最大效能,提升课程教学质量。

2. 深入更新完善课程信息化教学资源

针对“神经网络理论与应用”课程性质与特色,注重加强课程教学资源的建设,在已有资源基础上,充分利用互联网多平台共享资源,有针对性地为学员提供理论学习与实践创新条件。

l 搭建线上课程平台

利用钉钉软件平台组建包括所有教员与学员的课程教学班级,用于在线教学的课程开展以及方便教员与学员之间的沟通。通过钉钉平台可以实现课程教学课件的上传与存储方便学员下载进行课前预习与课后复习、理论授课可以进行在线录制并在课后进行发布,学员可以针对薄弱环节回看往期课程,同时学员可以通过线上平台提交作业程序与论文报告等,教员进行批注反馈,形成较为完整的教学闭环,提高教与学的效率。

此外,在线平台还可以随时实现优质资源分享,作为课程的参考资料,丰富课程教学内容的建设,开阔学员视野。课程钉钉平台线上回看界面如图1所示。

研究生课程教学模式改革实践  ——以“神经网络理论与应用”课程为例 

1 课程钉钉平台线上回看界面

l 充分利用多平台共享资源加强课程建设

神经网络相关科技发展迅速,在课程授课过程中针对实际应用问题启发地引入先进神经网络模型结构理念,分享相应科技论文与文摘,提高学员学习与探究的兴趣;针对程序编写、调试与运行相关内容,在展示及研讨环节总结、提炼、分享经验心得,引导学员学会在编程论坛问题库中进行有效检索与学习;针对神经网络经典理论与拓展知识,分享国内外优质课程资源以及相关学科领域课程资源,帮助学员构建宏观、全面的视角;针对实践环节的落实,神经网络往往解决大数据分析问题,分享和介绍神经网络应用领域常用数据集,包括图像类数据集(CIFAR、MNIST等)、语音类数据集、机电类相关数据集等,帮助学员拓展视野同时为程序运行提供数据基础。

3. 注重协作加强教学团队建设

课程具有基础理论与实践操作相结合的特点,不仅包含理论讲授,还有较大比例的实践操作环节。因此,对于教学团队建设需进行相应的规划与设计,采用主讲教员与辅导教员相结合的模式有效实现课程教学,提高教员教学与学员学习的效率,促进教学相长。

l 构建教学团队,明确主讲与辅助教员分工

主讲教员具有丰富的教学经验与雄厚的理论知识积累,对于课程性质地位、学情分析具有深刻的见解,在课程内容安排上实现宏观把控,主要针对神经网络相关经典基础理论进行讲授,为实践环节打下良好理论基础。

辅导教员负责实验操作的辅助帮带、课后答疑等环节,帮助更多学员及时解决问题,提高授课效率,辅导教员通过观察学员课堂表现、课后作业问题反馈等方式及时发现学员学习存在困惑与问题,及时进行总结反思,找准学员兴趣点,加强授课效果。

l 科研学术反哺教学,提高学员科学素养

一是根据课程内容安排,利用当下先进神经网络、人工智能相关科技理念引发学员学习兴趣,与课程内容相结合,采用问题导向式教学与实践,提高学员创新意识与动手能力;二是利用教学团队优势资源,发挥教员在相关研究领域的成果积累,在课程中融入科研学术论文阅读方法、文献综述方法、科技论文写作方法、科学研究技能等专题研讨课,采用教员讲授与学员研讨等多种方式,在掌握课程知识的基础上加强科学研究素养;三是课程内容涵盖理论与应用两个方面,神经网络应用将紧紧围绕科技发展前沿,紧贴学科专业应用领域,及时更新课程教学内容,保持与时俱进,保证课程内容的时效性;四是加强研究生学员自主学习、编程能力提高、科学研究素养等创新实践能力的培养,为课程学习与所学专业形成良好对接。

结语

国家社会发展需求对研究生教育工作提出更高的要求,结合当下大数据智能化时代的高速发展,研究生课程建设更需要进行及时的革新,以“神经网络理论与应用”研究生课程为例,突出其兼顾理论性与实践性的工科类课程属性,结合当下信息化技术手段,创新采用线上线下的混合式教学模式对课程教学进行改革探索,重点从方法手段、课程资源、创新培养和团队协作等方面探索有益的举措方法,全面促进研究生学员的自主学习能力、协作沟通能力和创新能力的提升,更加贴近研究生课程教学和能力培养的直接需求,有效解决课程教学传统瓶颈问题,为课程内涵质量提升奠定坚实基础。

 

[参考文献]

[1] 杨卫. 对研究生教育的几点认识[J]. 学位与研究生教育, 2020(09): 1-3.

[2] 杨斌. 以“研”突破迸发创新活力加速研究生教育改革发展[J]. 学位与研究生教育, 2020(09): 3-6.

[3] 周文辉. 加强研究生教育研究 助力研究生教育高质量发展[J]. 学位与研究生教育, 2020(09): 8-9.

[4] 周定平, 杨文礼. 公安院校线上与线下教学同质等效面临的挑战及其对策[J]. 公安教育, 2020(05): 60-63.

[5] 李俊刚. 面向法学课程线上线下混合式教学实践———以西方法律思想史为例[J]. 黑龙江教育(高教研究与评估), 2020(05): 6-8.

[6] 李琛,刘兵,陈春晟等. 线上线下融合教学模式应用[J]. 2019(12): 25-29.

[7] 杨宇翔, 黄继业, 吴占雄. 线上线下混合教学模式实施方案设计[J]. 课程教育研究, 2015(02): 3-4.

 

Postgraduate Course Teaching Mode Reform Practice

——Take the "Neural Network Theory and Application" course as an example

Qiang Zhang, Siyu Shao, Tianlin Niu, Daxi Li and Xinyu Yang

Air and Missile Defense College, Air Force Engineering University,

Xi’an Shanxi, China, 710051

 

Abstract: Nowadays, in order to meet the needs of national economic and social development, postgraduate education needs to keep up with the pace of social construction and development. Education mode reform should be performed innovatively. Taking the postgraduate course "Neural Network Theory and Application" as an example, based on the past teaching practical experience and current information technology methods, this paper presents the ideas of "comprehensive review, reasonable mixing, integration of theory and practice, and highlighting innovation" in innovative curriculum teaching methods. Based on the teaching philosophy of highlighting students' learning as the main body, this paper focuses on exploring useful measures from the aspects of curriculum resources, innovation training and teamwork, which lays a solid foundation for the improvement of the content and quality of the course.

 

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