《圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)》課程教學(xué)大綱

《圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)》教學(xué)大綱課程名稱：圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)課程編號：F062091362英文名稱：GraphicNeuralNetworks學(xué)時：32學(xué)時 學(xué)分：2學(xué)分開課學(xué)期：第4學(xué)期適用專業(yè)：數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)課程類別：理論課程性質(zhì)：專業(yè)方向與拓展先修課程：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與深度學(xué)習(xí)、算法設(shè)計與分析、數(shù)據(jù)挖掘與機器學(xué)習(xí)一、課程的性質(zhì)及任務(wù)《圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)》課程是數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)專業(yè)學(xué)生的專業(yè)方向與拓展，依據(jù)河北工程大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)專業(yè)培養(yǎng)計劃，本課程需要培養(yǎng)學(xué)生的能力是：能夠?qū)?shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)相關(guān)知識用于大數(shù)據(jù)工程問題解決方案的比較與綜合（畢業(yè)要求指標(biāo)1.4）能夠站在環(huán)境保護(hù)和社會可持續(xù)發(fā)展的角度思考大數(shù)據(jù)工程實踐的可持續(xù)性，評價產(chǎn)品周期中可能對人類和環(huán)境造成的損害和隱患。（畢業(yè)要求指標(biāo)7.2）能夠主動與其他學(xué)科背景的成員合作開展工作（畢業(yè)要求指標(biāo)9.2）二、課程目標(biāo)與要求2.1課程目標(biāo)1、本課程的目的是提高學(xué)生對如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展、基本原理和基本概念的理解。2、培養(yǎng)學(xué)生計算思維和研究辦法以及發(fā)現(xiàn)、辨析和解釋科學(xué)計算與數(shù)據(jù)科學(xué)領(lǐng)域基本現(xiàn)象的能力。3、通過實驗、課程設(shè)計和項目制作等環(huán)節(jié)，使學(xué)生理解并掌握神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與深度學(xué)習(xí)關(guān)鍵技術(shù)。4、以團(tuán)隊合作方式讓學(xué)生了解目前常用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，了解學(xué)科發(fā)展前言，培養(yǎng)學(xué)生自我更新知識的能力。5、掌握信息數(shù)據(jù)分析的基本方法，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)分析能力。6、通過課程項目的實踐應(yīng)用，掌握圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生問題發(fā)現(xiàn)與解決能力。7、培養(yǎng)學(xué)生書面表達(dá)與口頭答辯能力。8、培養(yǎng)學(xué)生個人分工與團(tuán)隊合作能力。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與深度學(xué)習(xí)教學(xué)大綱PAGE16PAGE152.2課程目標(biāo)與畢業(yè)要求對應(yīng)關(guān)系課程目標(biāo)畢業(yè)要求二級指標(biāo)畢業(yè)要求12345678●●●1-4能夠?qū)?shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)相關(guān)知識用于大數(shù)據(jù)工程問題解決方案的比較與綜合。1.工程知識應(yīng)用能力：具有扎實的數(shù)學(xué)與自然科學(xué)知識和工程基礎(chǔ)，系統(tǒng)地掌握數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)領(lǐng)域的基本理論、基礎(chǔ)知識，并綜合運用所學(xué)知識解決復(fù)雜工程問題?！瘛?-2能夠站在環(huán)境保護(hù)和社會可持續(xù)發(fā)展的角度思考大數(shù)據(jù)工程實踐的可持續(xù)性，評價產(chǎn)品周期中可能對人類和環(huán)境造成的損害和隱患。7.環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展：具有環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展意識，能夠理解和評價針對大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題的工程實踐對環(huán)境、社會可持續(xù)發(fā)展的影響。●●●●9-2能夠主動與其他學(xué)科背景的成員合作開展工作。9.個人和團(tuán)隊：具有健康的體魄和良好的綜合素質(zhì)，能夠正確理解多學(xué)科背景下團(tuán)隊中個體、團(tuán)隊成員以及負(fù)責(zé)人的角色，并承擔(dān)其責(zé)任與義務(wù)。2.3課程目標(biāo)與培養(yǎng)環(huán)節(jié)對應(yīng)矩陣序號課程目標(biāo)理論教學(xué)課內(nèi)實驗課后作業(yè)1本課程的目的是提高學(xué)生對圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與深度學(xué)習(xí)的發(fā)展、基本原理和基本概念的理解。HL2培養(yǎng)學(xué)生計算思維和研究辦法以及發(fā)現(xiàn)、辨析和解釋科學(xué)計算與數(shù)據(jù)科學(xué)領(lǐng)域基本現(xiàn)象的能力。HL3通過實驗、課程設(shè)計和項目制作等環(huán)節(jié)，使學(xué)生理解并掌握圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與深度學(xué)習(xí)關(guān)鍵技術(shù)。HL4以團(tuán)隊合作方式讓學(xué)生了解目前常用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，了解學(xué)科發(fā)展前言，培養(yǎng)學(xué)生自我更新知識的能力。HL5掌握信息數(shù)據(jù)分析的基本方法，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)分析能力。MH6通過課程項目的實踐應(yīng)用，掌握圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生問題發(fā)現(xiàn)與解決能力。MM7培養(yǎng)學(xué)生書面表達(dá)與口頭答辯能力。MM8培養(yǎng)學(xué)生個人分工與團(tuán)隊合作能力。HL注：H表示該能力的在此環(huán)節(jié)重點培養(yǎng)；M表示該能力在此環(huán)節(jié)有應(yīng)用要求；L表示該能力在此環(huán)節(jié)有所涉及。數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)課程教學(xué)大綱PAGE2PAGE12.4目標(biāo)達(dá)成度的評價1、課程目標(biāo)1、2、3、4主要通過理論教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行培養(yǎng)，在課后作業(yè)中有所涉及。主要通過課堂測試、課后作業(yè)和期末考試中概念性、原理性題目進(jìn)行考核。目標(biāo)達(dá)成綜合以上內(nèi)容進(jìn)行評價。2、課程目標(biāo)5主要通過理論教學(xué)環(huán)節(jié)、課后作業(yè)進(jìn)行培養(yǎng)，在課內(nèi)實驗有應(yīng)用要求。目標(biāo)達(dá)成綜合以上內(nèi)容進(jìn)行評價。3、課程目標(biāo)6主要通過理論教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行培養(yǎng)。目標(biāo)達(dá)成綜合以上內(nèi)容進(jìn)行評價。4、課程目標(biāo)7主要通過理論教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行培養(yǎng)，在課后作業(yè)、課內(nèi)實驗有應(yīng)用要求。目標(biāo)達(dá)成綜合以上內(nèi)容進(jìn)行評價。5、課程目標(biāo)8主要通過課內(nèi)實驗培養(yǎng)，在課后作業(yè)中有所涉及。目標(biāo)達(dá)成綜合以上內(nèi)容進(jìn)行評價。三、教學(xué)方法及手段理論教學(xué)以課堂講授為主，面向基礎(chǔ)知識的準(zhǔn)確、扎實掌握，突出對原理的分析、對方法的總結(jié)以及理論體系的完整建立；課程強調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，強調(diào)通過自學(xué)的方式消化、吸收課程的龐大知識量，并在此基礎(chǔ)上舉一反三。四、課程的基本內(nèi)容與教學(xué)要求（一）圖論基礎(chǔ)（4課時）圖的基本概念和表示方法無向圖、有向圖、加權(quán)圖鄰接矩陣、鄰接表圖的遍歷算法深度優(yōu)先搜索、廣度優(yōu)先搜索圖的基本性質(zhì)和度量度、連通性、最短路徑（二）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)（6課時）神經(jīng)元模型輸入、輸出、激活函數(shù)多層感知機前向傳播、反向傳播常見的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（三）圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)（6課時）圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GCN）原理和公式推導(dǎo)頻譜域和空域的GCN對比圖注意力網(wǎng)絡(luò)（GAT）注意力機制在圖中的應(yīng)用模型結(jié)構(gòu)和訓(xùn)練方法圖采樣和池化操作隨機采樣、重要性采樣圖池化方法介紹（四）圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和優(yōu)化（4課時）損失函數(shù)和優(yōu)化算法交叉熵?fù)p失、均方誤差損失隨機梯度下降、Adagrad、Adadelta等過擬合和欠擬合的處理正則化方法（L1、L2正則化）早停法、Dropout模型評估指標(biāo)準(zhǔn)確率、召回率、F1值平均精度均值（mAP）（五）圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用（8課時）1、社交網(wǎng)絡(luò)分析好友推薦、社區(qū)發(fā)現(xiàn)案例：Facebook社交網(wǎng)絡(luò)分析2、生物信息學(xué)蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)分析基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)預(yù)測3、推薦系統(tǒng)基于圖的推薦算法案例：淘寶商品推薦系統(tǒng)4、交通網(wǎng)絡(luò)預(yù)測交通流量預(yù)測路徑規(guī)劃優(yōu)化（六）前沿研究與拓展（2課時）最新的圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展圖生成網(wǎng)絡(luò)、異構(gòu)圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與其他技術(shù)的結(jié)合與強化學(xué)習(xí)的結(jié)合、與自然語言處理的結(jié)合（七）課程總結(jié)與復(fù)習(xí)（2課時）課程內(nèi)容總結(jié)重點和難點回顧五、課程學(xué)時分配講次授課章節(jié)內(nèi)容學(xué)時分配講課實驗上機設(shè)計其他1圖論基礎(chǔ)22圖論基礎(chǔ)23神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)24神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)25神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)26圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)27圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)28圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)29圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和優(yōu)化210圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和優(yōu)化211圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用212圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用213圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用14圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用15前沿研究與拓展16課程總結(jié)與復(fù)習(xí)注：實驗課由實驗教師負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)安排時間，原則上安排在課堂教學(xué)結(jié)束后、考試之前一周以上完成。七、課程考核與成績評定7.1考核方式考核環(huán)節(jié)包括課程學(xué)習(xí)過程考核和期末考試，其中課程過程考核占總成績的40%，分別由課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、實驗情況進(jìn)行評定；期末考試成績占總成績的60%。各環(huán)節(jié)的比重如下?？己谁h(huán)節(jié)比重合計過程考核（平時成績）課堂表現(xiàn)20%40%作業(yè)20%期末成績期末測試60%60%總計100%100%7.2考核內(nèi)容及要求本課程為考試課?？己藘?nèi)容及分值分配如下?？己朔绞娇己藘?nèi)容分值課程目標(biāo)總分值期末考核60%對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)概念的理解2～4目標(biāo)1100分對圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理解2～5目標(biāo)2、7圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何應(yīng)用在各行各業(yè)中5～15目標(biāo)5、6、7圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)典算法5～15目標(biāo)3選題完成情況5～10目標(biāo)5、6團(tuán)隊協(xié)作10～20目標(biāo)4、5、6個人表現(xiàn)5～15目標(biāo)4、5、6文檔整體寫作情況15～30目標(biāo)4、5、6過程考核40%課堂表現(xiàn)課堂測試、出勤情況15目標(biāo)1、2、3、4、5、6、715分課后作業(yè)作業(yè)完成情況15目標(biāo)2、3、4、6、715分7.3成績評定1.課堂表現(xiàn)課堂表現(xiàn)總分15分，由課堂測試與課堂出勤情況評定。其中，課堂測試滿分10分，以客觀題（填空、選擇、判斷）為主，每學(xué)期隨堂測試15~20次，每次測試1~2道題目，每答錯一道題目扣0.5分（直到扣滿10分為止）；課堂出勤滿分5分，缺勤一次扣1分，遲到或請假扣0.5分。2.課后作業(yè)課后作業(yè)總分15分，由作業(yè)完成情況評定。每學(xué)期布置作業(yè)5次，每次作業(yè)占3分，評分標(biāo)準(zhǔn)如下；評分標(biāo)準(zhǔn)分值標(biāo)準(zhǔn)描述課后作業(yè)3能夠按時認(rèn)真完成作業(yè)、作業(yè)態(tài)度認(rèn)真、書寫清楚、分析計算正確。2能夠按時完成作業(yè)、作業(yè)態(tài)度較好、書寫較清楚、分析計算基本正確1能夠按時完成作業(yè)、作業(yè)態(tài)度一般、書寫不清楚、分析計算錯誤較多0不交作業(yè)或作業(yè)態(tài)度不認(rèn)真、抄襲他人作業(yè)3.期末考試采用閉卷考試形式進(jìn)行，期末成績?yōu)榘俜种疲嬋肟偝煽儠r乘以60%，由教務(wù)處安排考試流程，考試內(nèi)容須覆蓋支撐全部畢業(yè)要求指標(biāo)的授課內(nèi)容，考試完成后在綜合教務(wù)系統(tǒng)中按照設(shè)定的占比系數(shù)錄入成績。八、課程評價與持續(xù)改進(jìn)8.1課程評價課程評價周期定為每1年評價一次。設(shè)置達(dá)成情況目標(biāo)值，采用成績分析法進(jìn)行評價。課程達(dá)成評價根據(jù)專業(yè)課程達(dá)成評價方法進(jìn)行計算，評價結(jié)果用于持續(xù)改進(jìn)。負(fù)責(zé)人組織教師實施課程評價，制定持續(xù)改進(jìn)措施，監(jiān)督持續(xù)改進(jìn)過程。課程負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)撰寫課程考核總結(jié)報告，實施課程評價持續(xù)改進(jìn)。8.2持續(xù)