MATLAB+Python 双轨机器学习实战课：从算法原理到 ChatGPT 集成，中科院博士亲授工程应用全流程

课程章节

主要内容

第一章

MATLAB 基础编程串讲

1、MATLAB 基础操作：包括矩阵操作、逻辑与流程控制、函数与脚本文件、基本绘图等

2、文件导入：mat、txt、xls、csv、jpg、wav、avi 等格式

3、MATLAB 编程习惯、编程风格与调试技巧

4、MATLAB 数字图像处理入门

5、案例讲解

6、实操练习

第二章BP 神经网络

1、人工智能基本概念辨析（回归拟合问题与分类识别问题；有监督（导师）学习与无监督（无导师）学习；训练集、验证集与测试集；过拟合与欠拟合）

2、BP 神经网络的工作原理

3、数据预处理（归一化、异常值剔除、数据扩增技术等）

4、交叉验证与模型参数优化

5、模型评价与指标的选择（回归拟合问题 vs. 分类识别问题）

6、案例讲解：（1）手写数字识别 （2）人脸朝向识别 （3）回归拟合预测

7、实操练习

第三章

支持向量机、决策树与随机森林

1、  支持向量机的基本原理（支持向量的本质、核函数的意义、新启示等）

2、 决策树的基本原理（微软小冰读心术的启示；什么是信息熵和信息增益？ID3 算法和 C4.5 算法的区别与联系）

3、随机森林的基本原理（为什么需要随机森林算法？广义与狭义意义下的“随机森林”分别指的是什么？“随机”提现在哪些地方？随机森林 的本质是什么？）

4、知识扩展：支持向量机、决策树除了建模型之外，还可以帮我们做什么事情？怎样解读随机森林的结果？

案例讲解 -1：鸢尾花Iris 分类识别（SVM、决策树）

案例讲解-2：基于随机森林的乳腺癌良性/恶性肿瘤智能诊断模型

6、实操练习

第四章

变量降维与特征选择

1、变量降维(Dimension reduction)与特征选择(Feature selection) 在概念上的区别与联系

2、主成分分析（PCA）的基本原理

3、偏最小二乘法（PLS）的基本原理               

4 、PCA 与 PLS 的代码实现

5、经典特征选择方法

5.1前向选择法与后向选择法

5.2基于二进制遗传算法的特征选择

第五章

卷积神经网络

1、深度学习与传统机器学习的区别与联系（神经网络的隐含层数越多越好吗？深度学习与传统机器学习的本质区别是什么？）

2、卷积神经网络的基本原理（什么是卷积核？CNN 的典型拓扑结构是怎样的？CNN 的权值共享机制是什么？CNN 提取的特征是怎样的？）

3、LeNet、AlexNet、Vgg-16/19、GoogLeNet、ResNet 等经典深度神经网络的区别与联系

4、MATLAB 2024b深度学习工具箱新功能与新特性简介

5、deepNetworkDesigner 交互式设计工具演示

6、预训练模型（Alexnet、Vgg-16/19、GoogLeNet、ResNet 等）的下载与安装

案例讲解-1：CNN 预训练模型实现物体识别

案例讲解-2：利用卷积神经网络抽取抽象特征

案例讲解-3：自定义卷积神经网络拓扑结构

案例讲解-4：1D CNN 模型解决回归拟合预测问题

7、实操练习

第六章

网络优化与调参技巧

1、网络拓扑结构优化

2、优化算法（梯度下降、随机梯度下降、小批量随机梯度下降、动量法、 Adam 等）

3、调参技巧（参数初始化、数据预处理、数据扩增、批量归一化、超参 数优化、网络正则化等）

案例讲解-1：卷积神经网络模型优化

4、实操练习

第七章

迁移学习算法

1、迁移学习算法的基本原理（为什么需要迁移学习？为什么可以迁移学习？迁移学习的基本思想是什么？）

2、基于深度神经网络模型的迁移学习算法

案例讲解-1：猫狗大战（Dogs vs. Cats）

3、实操练习

第八章

循环神经网络与长短时记忆神经网络

1、循环神经网络（RNN）的基本原理

2、长短时记忆神经网络（LSTM）的基本原理

3、RNN 与 LSTM 的区别与联系

案例讲解-1：时间序列预测

案例讲解-2：序列-序列分类

4、实操练习

第九章

时间卷积网络

（Temporal 

Convolutional 

Network, TCN）

1、时间卷积网络（TCN）的基本原理

2、TCN 与 1D CNN、LSTM 的区别与联系

案例讲解-1：时间序列预测：新冠肺炎疫情预测

案例讲解-2：序列-序列分类：人体动作识别

3、实操练习

第十章

生成式对抗网络（GAN）

1、生成式对抗网络 GAN（什么是对抗生成网络？为什么需要对抗生成网络？对抗生成网络可以帮我们做什么？）

2、GAN 的基本原理

案例讲解-1：GAN 的 MATLAB 代码实现（向日葵花图像的自动生成）

3、 实操练习

第十一章

目标检测YOLO 模型

1、什么是目标检测？目标检测与目标识别的区别与联系

2、YOLO 模型的工作原理

案例讲解-1：使用预训练模型实现图像、视频等实时目标检测

案例讲解-2：训练自己的数据集：新冠疫情佩戴口罩识别

3、实操练习

第十二章

自编码器AutoEncoder

1、自编码器的组成及基本工作原理

2、自编码器的变种（去噪自编码器、卷积自编码器、掩码自编码器等）

案例讲解-1：基于自编码器的图像分类

3、实操练习

第十三章

U-Net图像语义分割模型

1、语义分割（Semantic Segmentation）简介

2、U-Net模型的基本原理

案例讲解-1基于U-Net的多光谱图像语义分割

3、实操练习

第十四章

MATLAB接入ChatGPT/DeepSeek等大语言模型

1、Ollama下载与安装

2、Large Language Models (LLMs) with MATLAB下载与安装

3、ChatGPT API Key配置与MATLAB接入ChatGPT对话

4、本地部署DeepSeek大语言模型与MATLAB接入DeepSeek对话

5、案例讲解与实操练习

第十五章

讨论与答疑

1、如何查阅文献资料？（去哪些地方查找论文与配套的数据和代码？）

2、如何提炼与挖掘创新点？

3、相关学习资料分享与拷贝（图书推荐、在线课程推荐等）

4、建立微信群，便于后期的讨论与答疑

备注

学员需自备电脑一台，提前安装MATLAB2024b版本软件

模块

主要内容

第一章

Python编程入门

9:00-10:30

1、Python环境搭建（ 下载、安装与版本选择）。

2、如何选择Python编辑器？（IDLE、Notepad++、Anaconda、PyCharm、Jupyter Notebook…）

3、Python基础（数据类型和变量、字符串和编码、list和tuple、条件判断、循环、函数的定义与调用等）

4、常见的错误与程序调试

5、第三方模块的安装与使用

6、文件读写（I/O）

7、实操练习

第二章

Python进阶与提高

10:30-12:00

14:00-15:30

1、Numpy模块库（Numpy的安装；ndarray类型属性与数组的创建；数组索引与切片；Numpy常用函数简介与使用）

2、Pandas模块库（DataFrame数据结构、表格的变换、排序、拼接、融合、分组操作等）

3、Matplotlib基本图形绘制（线形图、柱状图、饼图、气泡图、直方图、箱线图、散点图等）

4、图形样式的美化（颜色、线型、标记、字体等属性的修改）

5、图形的布局（多个子图绘制、规则与不规则布局绘制、向画布中任意位置添加坐标轴）

6、高级图形绘制（3D图、等高线图、棉棒图、哑铃图、漏斗图、树状图、华夫饼图等）

7、坐标轴高阶应用（共享绘图区域的坐标轴、坐标轴刻度样式设置、控制坐标轴的显示、移动坐标轴的位置）

8、实操练习

第三章

数据描述性统计分析与数据预处理

15:30-17:00

1、描述性统计分析（数据的频数分析：统计直方图；数据的集中趋势分析：算数平均值、几何平均数、众数、极差与四分位差、平均离差、标准差、离散系数；数据的分布：偏态系数、峰度；数据的相关分析：相关系数）

2、数据标准化与归一化（为什么需要标准化与归一化？）

3、数据异常值、缺失值处理

4、数据离散化及编码处理

5、手动生成新特征

6、实操练习

第四章

线性回归模型

9:00-10:00

1、一元线性回归模型与多元线性回归模型（回归参数的估计、回归方程的显著性检验、残差分析）

2、岭回归模型（工作原理、岭参数k的选择、用岭回归选择变量）

3、LASSO模型（工作原理、特征选择、建模预测、超参数调节）

4、Elastic Net模型（工作原理、建模预测、超参数调节）

5、案例实践与实操练习

第五章

前向型神经网络

10:00-12:00

1、BP神经网络的基本原理（人工智能发展过程经历了哪些曲折？人工神经网络的分类有哪些？BP神经网络的拓扑结构和训练过程是怎样的？什么是梯度下降法？BP神经网络建模的本质是什么？）

2、BP神经网络的Python代码实现（怎样划分训练集和测试集？为什么需要归一化？归一化是必须的吗？什么是梯度爆炸与梯度消失？）

3、BP神经网络参数的优化（隐含层神经元个数、学习率、初始权值和阈值等如何设置？什么是交叉验证？）

4、值得研究的若干问题（欠拟合与过拟合、泛化性能评价指标的设计、样本不平衡问题等）

5、极限学习机（Extreme Learning Machine, ELM）的工作原理

6、案例演示与实操练习

第六章

KNN、贝叶斯分类与支持向量机

14:00-15:30

1、KNN分类模型（KNN算法的核心思想、距离度量方式的选择、K值的选取、分类决策规则的选择）

2、朴素贝叶斯分类模型（伯努利朴素贝叶斯BernoulliNB、类朴素贝叶斯CategoricalNB、高斯朴素贝叶斯besfGaussianNB、多项式朴素贝叶斯MultinomialNB、补充朴素贝叶斯ComplementNB）

3、SVM的工作原理（SVM的本质是解决什么问题？SVM的四种典型结构是什么？核函数的作用是什么？什么是支持向量SVM扩展知识（如何解决多分类问题？SVM除了建模型之外，还可以帮助我们做哪些事情？）

4、案例实践与实操练习

第七章

决策树、随机森林、LightGBM、XGBoost

15:30-17:00

1、决策树的工作原理（微软小冰读心术的启示；什么是信息熵和信息增益？ID3算法和C4.5算法的区别与联系）；决策树除了建模型之外，还可以帮我们做什么事情？

2、随机森林的工作原理（为什么需要随机森林算法？广义与狭义意义下的“随机森林”分别指的是什么？“随机”体现在哪些地方？随机森林的本质是什么？怎样可视化、解读随机森林的结果？）

3、Bagging与Boosting的区别与联系

4、AdaBoost vs. Gradient Boosting的工作原理

5. 常用的GBDT算法框架（XGBoost、LightGBM）

6、案例实践与实操练习

第八章

变量降维与特征选择

9:00-11:00

1、主成分分析（PCA）的基本原理（如何确定最佳的主成分个数？）

2、偏最小二乘（PLS）的基本原理

3、常见的特征选择方法（优化搜索、Filter和Wrapper等；前向与后向选择法；区间法；无信息变量消除法；正则稀疏优化方法等）

4、遗传算法（Genetic Algorithm, GA）的基本原理（以遗传算法为代表的群优化算法的基本思想是什么？）

5、案例实践与实操练习

第九章

卷积神经网络

11:00-12:00

14:00-15:00

1、深度学习简介（深度学习大事记：Model + Big Data + GPU + AlphaGo）

2、深度学习与传统机器学习的区别与联系（神经网络的隐含层数越多越好吗？深度学习与传统机器学习的本质区别是什么？）

2、卷积神经网络的基本原理（什么是卷积核、池化核？CNN的典型拓扑结构是怎样的？CNN的权值共享机制是什么？CNN提取的特征是怎样的？）

3、卷积神经网络的进化史：LeNet、AlexNet、Vgg-16/19、GoogLeNet、ResNet等经典深度神经网络的区别与联系

4、利用PyTorch构建卷积神经网络（Convolution层、Batch Normalization层、Pooling层、Dropout层、Flatten层等）

5、卷积神经网络调参技巧（卷积核尺寸、卷积核个数、移动步长、补零操作、池化核尺寸等参数与特征图的维度，以及模型参数量之间的关系是怎样的？）

6、案例讲解：（1）CNN预训练模型实现物体识别（2）利用卷积神经网络抽取抽象特征（3）自定义卷积神经网络拓扑结构

7、实操练习

第十章迁移学习

15:00-15:30

1、迁移学习算法的基本原理（为什么需要迁移学习？为什么可以迁移学习？迁移学习的基本思想是什么？）

2、基于深度神经网络模型的迁移学习算法

3、案例讲解：猫狗大战（Dogs vs. Cats）

4、实操练习

第十一章

循环神经网络与长短时记忆神经网络

15:30-16:30

1、循环神经网络RNN的基本工作原理

2、长短时记忆网络LSTM的基本工作原理

3、案例讲解：时间序列预测（北京市污染物预测）

4、实操练习

第十二章

总结与答疑讨论

16:30-17:00

1、课程总结

2、相关学习资料分享与拷贝（图书推荐、在线课程推荐等） 

3、建立微信群，便于后期的讨论与答疑

4、答疑讨论（提前把问题准备好）

备注

学员需自备电脑一台，提前安装Python软件。