《機(jī)器學(xué)習(xí)與Python實(shí)踐》教學(xué)大綱

《機(jī)器學(xué)習(xí)與Python實(shí)踐》教學(xué)大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：22140142課程性質(zhì)：專業(yè)必修課學(xué)分：1.5學(xué)分學(xué)時(shí)：24學(xué)時(shí)（實(shí)驗(yàn)24學(xué)時(shí)）先修課程：C程序設(shè)計(jì)B、機(jī)器視覺及圖像處理等后續(xù)課程：畢業(yè)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)適用專業(yè)：機(jī)器人工程專業(yè)開課單位：智能工程學(xué)院一、課程說明《機(jī)器學(xué)習(xí)與Python實(shí)踐》是機(jī)器人工程專業(yè)必修的一門專業(yè)必修課。本課程是一門多領(lǐng)域交叉學(xué)科，涉及概率論、統(tǒng)計(jì)學(xué)、逼近論、凸分析、算法復(fù)雜度理論等多門學(xué)科。本課程主要結(jié)合Python這一面向?qū)ο蟮哪_本語言，實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)的分類、聚類、回歸、支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等學(xué)習(xí)算法，機(jī)器學(xué)習(xí)與Python實(shí)踐實(shí)驗(yàn)是一門實(shí)驗(yàn)課程，為學(xué)生以后從事技術(shù)工作打下必要的基礎(chǔ)。本課程的教學(xué)旨在培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識、解決實(shí)際問題的能力，注重培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和動(dòng)手能力。二、課程目標(biāo)通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達(dá)到如下目標(biāo)：課程目標(biāo)1：掌握機(jī)器學(xué)習(xí)理論及分類、聚類、回歸、支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等學(xué)習(xí)算法。能夠運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，根據(jù)具體工程問題，建立合適的機(jī)器人學(xué)習(xí)模型對問題進(jìn)行分類和預(yù)測。課程目標(biāo)2：使學(xué)生在全面了解Python面向?qū)ο筌浖幊趟枷?，逐步培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)解決和處理實(shí)際問題的思維方法與基本能力，能夠較正確而熟練地使用Python進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)；能夠識讀和編寫較復(fù)雜程度的程序，掌握使用Python第三方庫進(jìn)行Python常規(guī)項(xiàng)目的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)在機(jī)器人系統(tǒng)中機(jī)器學(xué)習(xí)的完美解決方案。課程目標(biāo)3：培養(yǎng)具有良好的工程素養(yǎng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓そ尘瘢槍μ囟ㄐ枨?，培養(yǎng)學(xué)生將現(xiàn)有的方法轉(zhuǎn)換成自己的工具解決機(jī)器人實(shí)際工程實(shí)踐的專業(yè)素養(yǎng)、知識與技能，能夠綜合運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，編寫機(jī)器人程序，能夠利用模型評估的度量方法改進(jìn)和調(diào)整機(jī)器人模型，從而對新數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。課程目標(biāo)4：培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)踏實(shí)、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)作風(fēng)，具備較強(qiáng)的動(dòng)手能力、分析解決問題能力及創(chuàng)新能力，樹立全面質(zhì)量管理意識，以及團(tuán)隊(duì)合作精神，為后續(xù)的機(jī)器人工程專業(yè)職業(yè)能力培養(yǎng)打下扎實(shí)基礎(chǔ)。三、課程目標(biāo)與畢業(yè)要求《機(jī)器學(xué)習(xí)與Python實(shí)踐》課程教學(xué)目標(biāo)對機(jī)器人工程專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表1。表1課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)課程目標(biāo)支撐強(qiáng)度1.工程知識1.3掌握信號處理、控制理論、機(jī)器人工程等專業(yè)理論知識，用于解決分析機(jī)器人工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題。課程目標(biāo)1：掌握機(jī)器學(xué)習(xí)理論及分類、聚類、回歸、支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等學(xué)習(xí)算法。能夠運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，根據(jù)具體工程問題，建立合適的機(jī)器人學(xué)習(xí)模型對問題進(jìn)行分類和預(yù)測。M2.問題分析2.2應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理等方法和專業(yè)知識，能夠?qū)C(jī)器人工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題進(jìn)行建模。課程目標(biāo)2：使學(xué)生在全面了解Python面向?qū)ο筌浖幊趟枷耄鸩脚囵B(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)解決和處理實(shí)際問題的思維方法與基本能力，能夠較正確而熟練地使用Python進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)；能夠識讀和編寫較復(fù)雜程度的程序，掌握使用Python第三方庫進(jìn)行Python常規(guī)項(xiàng)目的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)在機(jī)器人系統(tǒng)中機(jī)器學(xué)習(xí)的完美解決方案。M4.研究4.2能夠?qū)C(jī)器人工程的復(fù)雜部件或控制裝置進(jìn)行合理描述、建模設(shè)計(jì)。課程目標(biāo)3：培養(yǎng)具有良好的工程素養(yǎng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓そ尘?，針對特定需求，培養(yǎng)學(xué)生將現(xiàn)有的方法轉(zhuǎn)換成自己的工具解決機(jī)器人實(shí)際工程實(shí)踐的專業(yè)素養(yǎng)、知識與技能，能夠綜合運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，編寫機(jī)器人程序，能夠利用模型評估的度量方法改進(jìn)和調(diào)整機(jī)器人模型，從而對新數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。課程目標(biāo)4：培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)踏實(shí)、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)作風(fēng)，具備較強(qiáng)的動(dòng)手能力、分析解決問題能力及創(chuàng)新能力，樹立全面質(zhì)量管理意識，以及團(tuán)隊(duì)合作精神，為后續(xù)的機(jī)器人工程專業(yè)職業(yè)能力培養(yǎng)打下扎實(shí)基礎(chǔ)。H注：表中“H（高）、M（中）”表示課程與相關(guān)畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)度。四、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配實(shí)驗(yàn)部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配見表2。表2實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)對應(yīng)的課程目標(biāo)1.Python語法基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：安裝編程環(huán)境Python及sklearn、Numpy、Pandas、TensorFlow等工具包；Python語法基礎(chǔ)練習(xí)。實(shí)驗(yàn)要求：熟練安裝機(jī)器學(xué)習(xí)編程環(huán)境，能夠掌握Python基礎(chǔ)語法。21、22.Python語句結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：if語句，while語句，for語句，以及三種退出命令的用法。實(shí)驗(yàn)要求：熟練使用條件結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)并解決實(shí)際問題。21、23.Python復(fù)合數(shù)據(jù)類型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：復(fù)合數(shù)據(jù)類型創(chuàng)建及使用。實(shí)驗(yàn)要求：熟練創(chuàng)建復(fù)合數(shù)據(jù)類型對象；能夠?qū)υ剡M(jìn)行增刪改。21、2、34.Python函數(shù)定義及調(diào)用實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：函數(shù)自定義及調(diào)用，不同類型形參使用方法，返回值的處理。實(shí)驗(yàn)要求：掌握函數(shù)定義及調(diào)用方法；理解形參與實(shí)參；掌握返回值的處理方法。21、2、35.Python面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：定義類與創(chuàng)建對象實(shí)驗(yàn)要求：了解什么是面向?qū)ο?；掌握如何定義和使用類；掌握如何創(chuàng)建類的屬性；掌握繼承的基本語法；掌握方法重寫。21、2、3、46.圖形化界面開發(fā)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：編程實(shí)現(xiàn)圖形化界面開發(fā)。實(shí)驗(yàn)要求：掌握圖形化界面設(shè)計(jì)開發(fā)方法。21、2、3、47.logistic回歸算法Python實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：編程實(shí)現(xiàn)logistic回歸算法；使用梯度下降方式實(shí)現(xiàn)logistic回歸分類。實(shí)驗(yàn)要求：熟悉logistic回歸模型；能利用logistic回歸模型分類；理解梯度下降算法，并將其用于logistic回歸分類。21、2、3、48.K近鄰算法Python實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：編程實(shí)現(xiàn)K近鄰法算法；分析欠擬合、過擬合與泛化能力及評估方法。實(shí)驗(yàn)要求：理解欠擬合、過擬合與泛化能力；理解泛化能力評估方法理解過擬合抑制的原理，掌握常用抑制方法；理解并掌握K近鄰法。21、2、3、49.決策樹算法Python實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：編程構(gòu)造決策樹模型；實(shí)現(xiàn)決策樹分類算法。實(shí)驗(yàn)要求：熟練掌握決策樹的構(gòu)造算法；能夠理解并編程實(shí)現(xiàn)決策樹的構(gòu)造并能應(yīng)用于分類問題。21、2、3、410.k均值算法Python實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：編程實(shí)現(xiàn)K均值算法；利用K均值算法實(shí)現(xiàn)圖像分割。實(shí)驗(yàn)要求：加深對非監(jiān)督學(xué)習(xí)的理解和認(rèn)識；能理解并編程實(shí)現(xiàn)K均值算法；能夠利用K均值算法完成圖像分割。21、2、3、411.DBSCAN算法Python實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：DBSCAN算法及應(yīng)用領(lǐng)域、參數(shù)的確定、派生算法OPTICS、簇間距離度量、AGNES算法。實(shí)驗(yàn)要求：理解密度聚類DBSCAN算法和OPTICS算法，掌握其應(yīng)用方法，理解層次聚類AGNES算法，掌握其應(yīng)用方法。21、2、3、412.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別手寫數(shù)字實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：利用Python和Tensorflow進(jìn)行數(shù)據(jù)集手寫數(shù)字識別實(shí)驗(yàn)要求：掌握Tensorflow搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法；能夠利用Python和Tensorflow進(jìn)行數(shù)據(jù)集手寫數(shù)字識別。21、2、3、4合計(jì)24五、教學(xué)方法及手段本課程教學(xué)以實(shí)驗(yàn)主，采用演示、啟發(fā)式、討論式教學(xué)等，教師引導(dǎo)，學(xué)生為主，結(jié)合學(xué)習(xí)通、慕課、雨課堂資源，配合多媒體課件等共同課完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。采用E-mail、QQ、微信等交流工具，加強(qiáng)和學(xué)生之間的交流和溝通。六、課程資源1.推薦教材：（1）郭羽含.Python機(jī)器學(xué)習(xí)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2021.3.2.參考書：（1）周志華.機(jī)器學(xué)習(xí)[M].北京：清華大學(xué)出版社.2018.11.（2）黃勉.機(jī)器學(xué)習(xí)與Python實(shí)踐[M].北京：人民郵電出版社.2021.1．（3）雷明.機(jī)器學(xué)習(xí)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2019.1．（4）王衡軍.機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)[M].北京：清華大學(xué)出版社。2022.7.（5）葉維忠.Python編程從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2019.2.（6）埃里克·馬瑟斯[美].Python編程從入門到實(shí)踐[M].北京：人民郵電出版社，2016年07.（7）WesleyChun[美]，孫波翔李斌（譯）.Python核心編程[M].北京：人民郵電出版社，2018.12.3.期刊：（1）薛建波;譚凌嵐;羅佳.基于Python混合編程.電子測試2018年12期.（2）JohannesSossenheimer.ASensorReducedMachineLearningApproachforCondition-basedEnergyMonitoringforMachineTools.Procedia2019.P570-575.（3）HarpreetSingh.AMachinelearningapproachtodetectfluidleakagefromreservoirusingonlyinjectionratesandbottomholepressures.JournalofNaturalGasScienceandEngineering.2019.（4）GunasekaranManogaran.MachinelearningalgorithmstowardsmergingofmobileedgecomputingandInternetofThings.ComputerNetworks.2019.4.網(wǎng)絡(luò)資源：（1）/mic-position/248.html?jzl360a1.（2）http://zzb.zhizuobiao.vip/sem/Python/Python1.（3）https://www.P/.（4）https://www.P/.七、課程考核對課程目標(biāo)的支撐本課程成績由多個(gè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績的平均分評定。每份實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績由過程性考核成績構(gòu)成，分為實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、操作過程、結(jié)果分析三個(gè)階段，具體考核/評價(jià)細(xì)則及對課程目標(biāo)的支撐關(guān)系見表4。表4課程考核對課程目標(biāo)的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價(jià)細(xì)則課程目標(biāo)1234過程性考核實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)30（1）根據(jù)課堂出勤情況和實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)情況進(jìn)行考核。（2）在報(bào)告模板中，將分?jǐn)?shù)段分為四級，依據(jù)完成程度不同在不同階段打勾，批報(bào)告時(shí)給定總分?！獭獭獭?01064操作過程40（1）對每位學(xué)生的課堂表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)操作情況、小組協(xié)作情況進(jìn)行評定。（2）對每位學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作結(jié)果和數(shù)據(jù)記錄情況進(jìn)行評定。（3）根據(jù)評定結(jié)果，在操作成績欄對應(yīng)的四等級處打勾，批報(bào)告時(shí)給定總分?！獭獭獭?0101010結(jié)果分析30（1）根據(jù)每位學(xué)生針對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的總結(jié)、分析及問題回答情況進(jìn)行評定。（2）根據(jù)評定結(jié)果，在操作成績欄對應(yīng)的四等級處打勾，并給定報(bào)告總分?！獭獭獭?01064合計(jì)：100分30302218八、考核與成績評定1.考核方式及成績評定考核方式：本課程主要以實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、操作過程、結(jié)果分析等方式對學(xué)生進(jìn)行考核評價(jià)?？己嘶疽螅赫n程考核成績由各次實(shí)驗(yàn)的平均成績確定，其中單次實(shí)驗(yàn)成績主要由實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、操作過程和結(jié)果分析三個(gè)方面評定，其比例為實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)成績占實(shí)驗(yàn)成績的30%，操作過程成績占實(shí)驗(yàn)成績的40%，結(jié)果分析成績占實(shí)驗(yàn)成績的30%。單次實(shí)驗(yàn)成績低于50分者，該份實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績不計(jì)入期末總評中，即該份報(bào)告成績等同于0分。抄襲別人實(shí)驗(yàn)報(bào)告，證據(jù)確鑿的，該份實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績記為0分。到期末成績匯總時(shí)，未按規(guī)定及時(shí)上交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，該報(bào)告成績記為0分。無故曠課，需按規(guī)定補(bǔ)做實(shí)驗(yàn)，該次實(shí)驗(yàn)報(bào)告記60分。無故曠課2次及以上或者缺失報(bào)告2份及以上，本學(xué)期期末總成績?yōu)椤叭笨肌薄?.過程性考核成績的標(biāo)準(zhǔn)