Преподавание машинного обучения

Материал из MachineLearning.

Содержание 1 Машинное обучение — математический или инженерный курс? 2 Методика преподавания 3 Некоторые удачные методические приёмы 3.1 От проблемы к методу, а не наоборот 3.2 Практикум в рамках курса Прикладная регрессия и оптимизация 4 Терминология 5 Книги, которые можно выбрать за «скелет» курса 6 Дополнительная литература 7 Курсы

Данный виртуальный семинар предназначен для обсуждения методических вопросов, связанных с преподаванием машинного обучения и смежных дисциплин в российских вузах.

На данную страницу выносятся основные положения, результаты дискуссии и прочая хорошо структурированная информация. Споры, как обычно, ведутся в обсуждении.

Поскольку это семинар, на основной странице также можно высказывать личные мнения; желательно сопровождать их подписью участника.

Машинное обучение — математический или инженерный курс?

Согласно международным рекомендациям по преподаванию информатики в университетах ACM/IEEE Computing Curricula 2001 информатика (computer science) подразделяется на 14 областей, одна из которых — интеллектуальные системы (intelligent systems). Эта область, в свою очередь, имеет 10 разделов, один из них — машинное обучение и нейронные сети (machine learning and neural networks). Для непрофильных специальностей этот курс считается факультативным.

Типовые программы этого курса рассчитаны на расширение кругозора будущих IT-специалистов и, мягко говоря, поверхностны. Они ни в коей мере не рассчитаны на будущего научного работника или разработчика новых методов машинного обучения. Они лишь дают представление о том, какие задачи возникают на практике, какими методами их можно решать, в чём их основные принципы, какие существуют инструментальные средства, иногда — какие подводные камни ждут будущего BI-аналитика. Далеко не все методы освещаются. Теория вообще не рассматривается.

Вопрос: стоит ли ориентироваться на этот международный стандарт?

Стандарт оставляет большую свободу творчества преподавателю. Формально оставаясь в рамках стандарта, можно сделать и полную профанацию, и удачный курс для инженеров, показывающий нетривиальные примеры реальных задач и процесс их решения с помощью доступного инструментария. Заодно можно зацепить действительно глубокие проблемы, с одной стороны возникающие из нужд практики, с другой требующие хорошей математики. Однако сделать такой курс на порядок сложнее, чем скомпилировать материал нескольких книжек.

Математический курс нужен узкому кругу специалистов, которые предположительно будут заниматься разработкой новых методов и решением принципиально новых задач. Потребность в таких специалистах — около 5%. (К.В.Воронцов 22:33, 10 июля 2008 (MSD))

Инженерный курс нужен широкому кругу специалистов, которые предположительно будут заниматься применением стандартных методов для решения более-менее типичных задач. Он также нужен будущим IT-руководителям, которые обязаны не только знать о возможностях современных методов анализа данных, но и уметь доносить своё понимание до лиц, принимающих решения. Потребность в таких специалистах — около 95%. Кстати, без этих 95% инженеров, бизнес-аналитиков и IT-менеджеров те 5% математиков вообще не имеют шансов найти работу по специальности. (К.В.Воронцов 22:33, 10 июля 2008 (MSD))

Курсов машинного обучения «для инженеров» в мире очень много. Математических курсов сравнительно мало, и они очень разные; каждый несёт на себе отпечаток конкретной школы. Обычно это спецкурсы на кафедрах соотвествующего профиля.

Попытки найти «золотую середину» предпринимаются в тех университетах, где даётся хорошее базовое математическое образование. Пример — курс Machine Learning в MIT, разработанный Tommi Jaakkola. (К.В.Воронцов 22:33, 10 июля 2008 (MSD))

Думаю, что каждая кафедра решает вопрос, поставленный выше, исходя из уровня подготовки собственных студентов. Если у студентов хорошая математическая подготовка, зачем нужно читать им инженерный курс, который покажется им слишком простым и доступным для самостоятельного изучения? (Strijov 16:38, 11 июля 2008 (MSD))

Методика преподавания

Предлагается в этом разделе ставить вопросы, а ниже обсуждать удачный и неудачный опыт.

• Насколько повышается эффективность преподавания при использовании слайдов?
• Надо ли использовать наряду со слайдами раздаточные материалы? Когда материал запоминается лучше и дольше: когда студент пишет конспект лекции рукой или когда видит хорошо продуманные слайды с графикой и примерами, которые невозможно воспроизвести мелом на доске за разумное время?
• Как организовать практикум, чтобы это была эффективная самостоятельную работу студентов? Делать упор на разработку или на применение методов? На каком средстве: Matlab или C++ или R или WEKA или RapidMiner? Делать проекты индивидуальные или парные?
• Какие задачи и вопросы давать для контроля знаний?

Некоторые удачные методические приёмы

Предлагается пополнять коллекцию.

• В начале курса посвятить одну лекцию описанию примеров (от 3 до 10) разнообразных прикладных задач «из жизни». (К.В.Воронцов 22:33, 10 июля 2008 (MSD))
• В конце курса (например, на консультации перед экзаменом) нарисовать «карту курса», где показать взаимосвязи и сходство различных методов. (К.В.Воронцов 22:33, 10 июля 2008 (MSD))
• Рассказав метод, в явном виде перечислить его достоинства и недостатки; затем рассказать о путях устранения недостатков. (К.В.Воронцов 22:33, 10 июля 2008 (MSD))

От проблемы к методу, а не наоборот

Статистическое мышление — статья сотрудников Центра Статистических Технологий (Санкт-Петербург).

Основные идеи:

• Классический подход к обучению статистике по схеме «название метода → алгоритм расчета → интерпретация результатов → примеры» не годится. Получение знаний в области прикладной статистики должно проходить от проблемы к методу, а не наоборот. Осознав прикладную значимость, гораздо легче перейти к теории. Когда 20-летниему человеку говорят про дисперсионный анализ на абстрактных примерах, 99,9% полученных знаний уходят в пустоту.
• Предлагаемый подход: «прикладная задача → постановки проблем → выбор метода(ов) → применение и интерпретация с использованием стандартного инструментария → формулы и алгоритмы».
• Далеко не многие понимают, что в 80% случаев статистические методы используются как средство доказательства своих идей или проверки гипотез.

Практикум в рамках курса Прикладная регрессия и оптимизация

• Студентам назначаются задания из расчета 32-36 часов самостоятельной работы в семестр.
• Предполагается, что они программируют на С/++/# и им достаточно одной лекции (с иллюстрацией основных приемов), чтобы разобраться в программировании Matlab (SciLab, Octave). NB: Mathematica и Gap потребуют две лекции, одна из них -- введение в функциональное программирование и компьютерную алгебру.
• Выставляются рекомендации по организации выполнения работы и проведения вычислительных экспериментов (в частности, пожелания пользоваться обозначениями, введенными в лекциях). NB: план лекций, вопросы на экзамене, задачи для самостоятельного решения доступны.
• Доступны примеры программ и вычислительных экспериментов, это мотивирует к написанию красивого кода (сейчас идет подготовка к сезону 2008-осень, но все равно можно посмотреть, инструкции здесь).
• Результаты самостоятельной работы и докумениация к ним складывается на ftp-сервер до начала экзаменов так, чтобы оставалась возможность написать рецензию и указать, что надо доработать. NB: вариант с flash memory stick очень утомляет, т.к. по опыту, 4 из 5 студентов несут вирусы, на убиение которых уходит время.

Есть три варианта выполнения студентами «инженерного курса».

1. Он не делается вообще (к счастью, такого еще не случалось).
2. Студенты работают первые 4 недели, потом не работают, потом работают последние две недели.
3. Работа делается в последние две недели (при этом число фактически отработанных часов уменьшается).

Основная проблема, которая не решена:

• как организовать работу, чтобы кроме лекций, несколько часов каждую неделю было посвящено практике (которая, по моему мнению, и есть «инженерный курс» )?

— Strijov 16:38, 11 июля 2008 (MSD)

Терминология

Предлагается обсуждать список терминов, которые либо не понятно как переводить на русский, либо «де факто» они уже переведены разными авторами по-разному, и необходимо приходить к единству. Возможно, для этого обсуждения лучше завести отдельную страницу...

• Business-intelligence — интеллектуальные бизнес-системы или бизнес-интеллект?
• Data mining — интеллектуальный анализ данных
• Optimal brain damage — ?
• Optimal brain surgery — оптимальное прореживание нейронных сетей
• Shatter coeffiсient — коэффициент разнообразия
• Target function — целевая зависимость или восстанавливаемая зависимость? Целевая функция вызывает ненужные ассоциации с оптимизируемым функционалом.

Книги, которые можно выбрать за «скелет» курса

1. Hastie, T., Tibshirani, R., Friedman, J. The Elements of Statistical Learning, 2nd edition. — Springer, 2009. — 533 p.  (подробнее)

Дополнительная литература

1. Загоруйко Н. Г. Прикладные методы анализа данных и знаний. — Новосибирск: ИМ СО РАН, 1999. — 270 с. — ISBN 5-86134-060-9  (подробнее)
2. Журавлёв, Ю. И., Рязанов, В. В., Сенько, О. В. «Распознавание». Математические методы. Программная система. Практические применения. — М.: ФАЗИС, 2006. — 176 с.  (подробнее)

Курсы

• Machine Learning (Fall 2007) Prof. Tommi Jaakkola, MIT.
• Math Models for Learning and Discovery (Spring 2005) Prof. Kristin P. Bennett, Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, New York
• Machine Learning (Fall 2007) Prof. Lyle Ungar, University of Pennsylvania - School of Engineering & Applied Science.
• Машинное обучение (курс лекций, К.В.Воронцов)
• Машинное обучение (курс лекций, Н.Ю.Золотых)
• Прикладная регрессия и оптимизация (курс лекций, B.В.Стрижов)