“模式識(shí)別”課程虛擬教學(xué)平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)

張燦龍　唐艷平

摘 要： 針對(duì)目前研究生“模式識(shí)別”課程教學(xué)中所呈現(xiàn)的問題，并結(jié)合課程自身的特點(diǎn)，分析了構(gòu)建“模式識(shí)別”虛擬教學(xué)平臺(tái)應(yīng)解決的主要問題，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行平臺(tái)的構(gòu)建。此平臺(tái)主要由課程介紹、成員管理、在線學(xué)習(xí)、項(xiàng)目開發(fā)、在線測(cè)試和在線交流等功能模塊構(gòu)成。該虛擬教學(xué)平臺(tái)極大地?cái)U(kuò)展了教學(xué)空間，豐富了教學(xué)方法，提高了教學(xué)效率，為師生提供了一個(gè)便捷、有效的網(wǎng)上教學(xué)環(huán)境。

關(guān)鍵詞： 模式識(shí)別； 虛擬教學(xué)平臺(tái)； 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)； 計(jì)算機(jī)技術(shù)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2014）07-59-03

Abstract： Aiming at the existing problems in the teaching of pattern recognition course， the key issues that should be addressed in designing the virtual teaching platform of pattern recognition course are analyzed with the characteristics of the course，. The platform is constructed by the computer technology and Internet technology. The following functions including the course description， membership management， online learning， project development， online testing and online discussion are provided. The virtual teaching platform greatly expands teaching space， enriches the teaching method and improves teaching efficiency. It provides the teachers and students with a convenient and effective online environment.

Key words： pattern recognition； virtual learning platform； internet technology； computer technology

0 引言

鑒于模式識(shí)別技術(shù)的重要性，許多高等院校都將模式識(shí)別作為自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、控制理論與工程等相關(guān)專業(yè)研究生的主修課程。該課程理論性強(qiáng)、實(shí)踐性突出，與學(xué)科內(nèi)的多層面內(nèi)容相融合，其前沿技術(shù)發(fā)展日新月異，是集理論性、實(shí)用性、創(chuàng)新性于一體的綜合性課程[1]。但由于模式識(shí)別課程內(nèi)容太多[2-3]，無法在有限的課時(shí)內(nèi)全面講授，而基于互聯(lián)網(wǎng)的開放式虛擬教學(xué)平臺(tái)為我們解決這一問題提供了有效的途徑。作為傳統(tǒng)教育教學(xué)的有益補(bǔ)充，虛擬教學(xué)平臺(tái)可為教師和學(xué)生提供一個(gè)具有交互性、共享性、實(shí)時(shí)性和綜合性的學(xué)習(xí)環(huán)境[4]。本文首先介紹構(gòu)建“模式識(shí)別”虛擬教學(xué)平臺(tái)的必要性，然后給出該平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方法及各模塊的功能。該平臺(tái)整合了課程的教育教學(xué)資源，強(qiáng)化了教學(xué)過程中“教為主導(dǎo)，學(xué)為主體”的教學(xué)理念，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生更好地理解和掌握教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高教學(xué)質(zhì)量。

1 “模式識(shí)別”虛擬教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的必要性

模式識(shí)別是指通過計(jì)算機(jī)用數(shù)學(xué)技術(shù)方法來研究模式的自動(dòng)處理和判讀，是信息科學(xué)和人工智能的重要組成部分[1]。對(duì)于機(jī)器人、機(jī)器視覺、信息獲取、語(yǔ)音識(shí)別等研究有重要意義，已經(jīng)在軍事、醫(yī)學(xué)、公安、交通管理、天氣預(yù)報(bào)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。我們對(duì)廣西某高校模式識(shí)別課程的教學(xué)現(xiàn)狀作了一次調(diào)查，師生普遍反映模式識(shí)別課程內(nèi)容繁雜、難講、難學(xué)。下面我們從課程本身、教師授課和學(xué)生學(xué)習(xí)三個(gè)方面來分析該課程教學(xué)存在的主要問題。

1.1 課程內(nèi)容較多、理論性強(qiáng)

首先，模式識(shí)別課程內(nèi)容較多，通常包括貝葉斯決策與估計(jì)、特征提取與選擇、分類器設(shè)計(jì)與評(píng)估、聚類分析、有監(jiān)督、無監(jiān)督以及半監(jiān)督學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、模糊分類等，要在有限課時(shí)內(nèi)向?qū)W生講授這些內(nèi)容并使其掌握是很困難的一件事情；其次，模式識(shí)別課程涉及的數(shù)學(xué)知識(shí)較多，包括高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、矩陣論、隨機(jī)過程、工程優(yōu)化方法、小樣本統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論、模糊數(shù)學(xué)等，這對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)功底是一個(gè)較大的挑戰(zhàn)，同時(shí)也使得教學(xué)面臨著尷尬局面：既不能花過多的時(shí)間講數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，又要把以這些數(shù)學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)的內(nèi)容講清楚；最后，模式識(shí)別還是一門實(shí)踐性要求較高的課程，要求學(xué)生能運(yùn)用模式識(shí)別相關(guān)理論對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行分析和抽象建模，并編程實(shí)現(xiàn)問題的自動(dòng)化求解，因此要求學(xué)生具有較強(qiáng)的知識(shí)儲(chǔ)備、自學(xué)和動(dòng)手能力。

1.2 教學(xué)方法單一落后

受長(zhǎng)期給本科生授課方式的影響，大部分導(dǎo)師對(duì)研究生上課仍然采取“滿堂灌”的形式。他們往往會(huì)根據(jù)自己對(duì)課程的理解來上課，缺少與學(xué)生的交流，無法站在學(xué)生現(xiàn)有知識(shí)水平的基礎(chǔ)上去體會(huì)課程的難度，這是其一。其二，有些導(dǎo)師由于缺乏與模式識(shí)別相關(guān)的課題研究經(jīng)驗(yàn)，因此無法結(jié)合自身體會(huì)將有些深?yuàn)W的模式識(shí)別公式或理論形象化和實(shí)例化，而這往往是學(xué)生喜聞樂見的教學(xué)方式。其三，教學(xué)未能與時(shí)俱進(jìn)，仍采用課堂講授為主的教學(xué)方式，學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐少，因此很難將抽象知識(shí)和實(shí)踐結(jié)合應(yīng)用。

1.3 研究生基礎(chǔ)和學(xué)風(fēng)整體呈下滑趨勢(shì)

首先，受擴(kuò)招和重點(diǎn)大學(xué)競(jìng)爭(zhēng)的影響，地方高校生源質(zhì)量整體呈下滑趨勢(shì)，大部分研究生是通過調(diào)劑錄取的，其中還包括相當(dāng)數(shù)量的跨專業(yè)的學(xué)生，因此這些學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，特別是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)普遍較差，這給模式識(shí)別課程的教學(xué)帶來了很大困難；其次，由于自身基礎(chǔ)較差，研究生對(duì)學(xué)好模式識(shí)別課程缺乏足夠的信心，在學(xué)習(xí)和科研上缺乏積極性、主動(dòng)性和刻苦鉆研的動(dòng)力；最后，研究生的學(xué)習(xí)能力存在差異性，單一的課堂教學(xué)模式難以真正做到因材施教。

因此，有必要對(duì)現(xiàn)有教學(xué)模式進(jìn)行改革，通過利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建虛擬教學(xué)平臺(tái)，以此來突破傳統(tǒng)課堂教學(xué)的時(shí)空限制，并充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，最終達(dá)到在有限時(shí)間內(nèi)高質(zhì)量地完成課程教學(xué)之目的。

2 “模式識(shí)別”虛擬教學(xué)平臺(tái)的研究

通過上一節(jié)的分析不難看出，要構(gòu)建一個(gè)切實(shí)高效的虛擬教學(xué)平臺(tái)，就必須從課程設(shè)計(jì)、教師教法和學(xué)生管理三個(gè)方面來進(jìn)行分析和研究。下面是我們對(duì)構(gòu)建“模式識(shí)別”虛擬教學(xué)平臺(tái)的幾點(diǎn)思考。

⑴ 教學(xué)平臺(tái)應(yīng)對(duì)課程教學(xué)信息資源進(jìn)行有效整合。由于模式識(shí)別內(nèi)容較多，并涉及大量數(shù)學(xué)理論，因此課堂上只能對(duì)部分內(nèi)容和理論進(jìn)行精簡(jiǎn)式講解。為了使學(xué)生能對(duì)課程信息進(jìn)行全面了解，虛擬教學(xué)平臺(tái)必須提供更為詳實(shí)的教學(xué)資料。例如，以電子教案、多媒體課件、教學(xué)視頻及教學(xué)參考資料等形式對(duì)課程信息進(jìn)行共享。學(xué)生可以通過該平臺(tái)自主地預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，打破傳統(tǒng)教學(xué)模式的時(shí)空限制，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)的課外延伸，使學(xué)習(xí)過程變得更加方便和靈活。

⑵ 教學(xué)平臺(tái)應(yīng)提供在線項(xiàng)目開發(fā)和管理的功能。模式識(shí)別是一門理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的課程，因此必須培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用模式識(shí)別理論去解決實(shí)際問題的能力。同時(shí)，教學(xué)理論表明基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)方法能有效地激發(fā)和維持學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)機(jī)，并有助于教學(xué)者對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行有效管理[5]。為了達(dá)到以上目的，我們?cè)跇?gòu)建虛擬教學(xué)平臺(tái)時(shí)提供了在線項(xiàng)目開發(fā)和管理的功能。學(xué)生可以通過平臺(tái)自主地完成教師給定的項(xiàng)目任務(wù)，教師也可以及時(shí)地掌握學(xué)生完成項(xiàng)目任務(wù)的進(jìn)度，并給出必要的指導(dǎo)和幫助。

⑶ 教學(xué)平臺(tái)應(yīng)提供交互式學(xué)習(xí)的功能。教學(xué)理論和實(shí)踐表明，基于自由討論和交流的學(xué)習(xí)方式能有效地提供學(xué)習(xí)效率。然而，受教學(xué)時(shí)間的限制，在課堂教學(xué)中組織充分的教學(xué)討論和交流存在一定的現(xiàn)實(shí)困難，因此我們以新生代學(xué)生更愿意接受的留言板、郵件系統(tǒng)等形式設(shè)計(jì)了交互式學(xué)習(xí)模塊。通過虛擬教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生之間可就學(xué)習(xí)過程中遇到的各種問題展開討論并及時(shí)反饋，教師也可以通過該平臺(tái)將教學(xué)心得等信息傳播給學(xué)生，增強(qiáng)教師與學(xué)生之間的交流。

3 “模式識(shí)別”虛擬教學(xué)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

本文以Dreamweaver作為教學(xué)平臺(tái)的開發(fā)環(huán)境，使用JSP技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于B/S模式的“模式識(shí)別”虛擬教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)主要由課程介紹、成員管理、在線學(xué)習(xí)、項(xiàng)目開發(fā)、在線測(cè)試和在線交流等模塊組成，其功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.1 課程介紹模塊

課程介紹模塊主要由課程信息發(fā)布和教學(xué)模式簡(jiǎn)介兩部分組成。其中第一部分提供了課程簡(jiǎn)介、教學(xué)大綱、教學(xué)計(jì)劃、推薦教材等基本教學(xué)信息；第二部分介紹了該課程所倡導(dǎo)的教學(xué)理念、教師所采用的教學(xué)方法及對(duì)策、以及學(xué)生應(yīng)該使用的學(xué)習(xí)方法等。

通過該模塊學(xué)生能對(duì)模式識(shí)別課程的基本情況和教師擬采用的教學(xué)方法有一個(gè)通盤了解，從而知道該如何去執(zhí)行和操縱整個(gè)學(xué)習(xí)過程，才能獲得最好的教學(xué)效果。

3.2 成員管理模塊

系統(tǒng)的成員主要有教師和學(xué)生。教師信息管理模塊主要提供課程負(fù)責(zé)人和主講教師等基本信息的維護(hù)及查看功能，并展示教學(xué)團(tuán)隊(duì)所有成員的教學(xué)及科研成果信息。學(xué)生信息管理模塊主要介紹每個(gè)學(xué)生的基本信息、所在班級(jí)以及所承擔(dān)的項(xiàng)目任務(wù)等情況。

通過成員管理模塊學(xué)生對(duì)教師的教學(xué)水平和科研能力有了充分了解，教師也可對(duì)學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)有所了解，從而有助于制定合理的教學(xué)方案，最終實(shí)現(xiàn)師生之間的相互了解和溝通。

3.3 在線學(xué)習(xí)模塊

該模塊有教學(xué)資料管理和在線課程學(xué)習(xí)兩部分。其中教學(xué)資料管理模塊提供了與“模式識(shí)別”課程相關(guān)的教學(xué)資料的上傳、刪除等功能，如電子教案、多媒體課件、教學(xué)視頻及教學(xué)參考資料等；在線課程學(xué)習(xí)模塊提供了多媒體課件和教學(xué)視頻的在線播放功能。對(duì)多媒體課件的制作，主要使用了Powerpoint、Authorware、Flash等軟件。

該模塊支持學(xué)生在課堂以外進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，通過觀看相關(guān)課堂教學(xué)視頻和課件等方式，達(dá)到課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)的目的，有效避免了教學(xué)受到時(shí)間、地域約束的影響，使學(xué)習(xí)過程變得更加便捷和靈活。

3.4 項(xiàng)目開發(fā)模塊

項(xiàng)目開發(fā)模塊由項(xiàng)目任務(wù)管理和在線項(xiàng)目開發(fā)兩部分組成。其中第一部分主要負(fù)責(zé)項(xiàng)目任務(wù)的編制、介紹、分配以及測(cè)試數(shù)據(jù)的上傳和維護(hù)，教師用戶可以通過該模塊及時(shí)掌握學(xué)生執(zhí)行項(xiàng)目任務(wù)的情況，并給出相應(yīng)指導(dǎo)；第二部分則提供一個(gè)基于Matlab語(yǔ)言的“模式識(shí)別”課程項(xiàng)目開發(fā)系統(tǒng)，學(xué)生可通過該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目任務(wù)的在線開發(fā)、程序代碼的上傳和在線測(cè)試。常見的項(xiàng)目任務(wù)有手寫數(shù)字識(shí)別、人臉識(shí)別、指紋識(shí)別、虹膜識(shí)別、車牌識(shí)別等。

項(xiàng)目開發(fā)模塊是我們這個(gè)虛擬教學(xué)平臺(tái)的一大特色，它的作用是雙重的，既培養(yǎng)了學(xué)生應(yīng)用模式識(shí)別理論解決實(shí)際問題的能力，又便于教師有效地監(jiān)督和管理學(xué)生學(xué)習(xí)。

3.5 在線測(cè)試模塊

在線測(cè)試由測(cè)試題庫(kù)管理模塊和在線課程測(cè)試模塊組成，其中測(cè)試題庫(kù)管理提供測(cè)試題目的新增、修改、刪除等維護(hù)功能。在線測(cè)試功能分為章節(jié)測(cè)試和在線考試兩大類。章節(jié)測(cè)試是對(duì)某個(gè)章節(jié)的知識(shí)掌握情況進(jìn)行在線測(cè)試，在線考試是對(duì)整個(gè)課程知識(shí)點(diǎn)的掌握情況進(jìn)行綜合測(cè)試?？荚囶}型由選擇題、判斷題和實(shí)例設(shè)計(jì)題所構(gòu)成。學(xué)生點(diǎn)擊開始考試后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)測(cè)試題庫(kù)隨機(jī)生成一份考卷，測(cè)試完成后系統(tǒng)將測(cè)試結(jié)果及參考答案反饋給學(xué)生。

通過這種無紙化考試有助于學(xué)生進(jìn)行自我檢查，掌握自己的學(xué)習(xí)情況，及時(shí)查缺補(bǔ)漏。也有助于教師及時(shí)了解教學(xué)效果，并做出相應(yīng)的調(diào)整。

3.6 在線交流模塊

課程論壇為教師和學(xué)生提供討論交流的平臺(tái)，學(xué)生可以在這里發(fā)布學(xué)習(xí)過程中遇到的問題、學(xué)習(xí)心得及自己的學(xué)習(xí)資料等，實(shí)現(xiàn)一定的資源共享。學(xué)生可以通過在線答疑功能，將學(xué)習(xí)過程中遇到的問題和產(chǎn)生的疑問向老師提問，教師可以以留言的形式對(duì)問題進(jìn)行解答。此外，教師還可以將一些具有普遍性的問題發(fā)布到論壇中，便于學(xué)生參考。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬教學(xué)平臺(tái)是一種新型的教學(xué)模式，是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式的有益補(bǔ)充，在高校教育中已發(fā)揮越來越重要的作用。本文構(gòu)建了“模式識(shí)別”課程的虛擬教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生可以通過該平臺(tái)隨時(shí)隨地預(yù)習(xí)、上課、復(fù)習(xí)、討論和開發(fā)項(xiàng)目，這有效地促使學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)學(xué)習(xí)，讓師生之間的溝通與交互更加方便和靈活。此外，這種教學(xué)模式對(duì)于開展個(gè)性化教學(xué)，真正實(shí)現(xiàn)因材施教，也起到了積極作用。

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