“模式識別”課程的研究型教學(xué)

蔡宣平，余 莉，劉 雨，羅鵬飛

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙410073)

0 引言

“模式識別”課程是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其應(yīng)用特征應(yīng)屬于人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)范疇，主要講授模式分類、特征提取和機(jī)器學(xué)習(xí)的基本理論方法和技術(shù)，很多高校均為高年級本科生和研究生開設(shè)了該課程。課程特點(diǎn)是以數(shù)理為基礎(chǔ)，綜合性、交叉性、應(yīng)用性強(qiáng)。涉及到代數(shù)學(xué)、矩陣論、函數(shù)論、概率統(tǒng)計(jì)等理論，應(yīng)用到信息論、信號處理、控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)和生理物理學(xué)等知識。典型應(yīng)用包括文字、語音、圖像、視頻機(jī)器識別及雷達(dá)、紅外、遙感目標(biāo)識別，可用于生物、天文、地質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、醫(yī)學(xué)、偵探和軍事等眾多領(lǐng)域。隨著信息技術(shù)越來越強(qiáng)勁的智能化需求，其應(yīng)用和自身發(fā)展將更加廣泛而深入。

未來機(jī)器的計(jì)算能力越來越強(qiáng)大，應(yīng)用上對目標(biāo)識別、信息對抗、人工智能、數(shù)據(jù)挖掘、知識發(fā)現(xiàn)的需求越來越迫切，這導(dǎo)致對信息技術(shù)從業(yè)人員在模式識別基礎(chǔ)知識和技能方面的要求越來越高?！澳Ｊ阶R別”課程的發(fā)展趨勢是深化基礎(chǔ)，透析經(jīng)典基礎(chǔ)(如貝葉斯方法)與模式識別新方法的繼承和發(fā)展的關(guān)系[1]。我們通過對最新典型案例的剖析，強(qiáng)化學(xué)生對課程內(nèi)容的理解和對解決實(shí)際問題的認(rèn)識，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。

基于上述特點(diǎn)，多數(shù)模式識別教材呈現(xiàn)給學(xué)生的就是有很多繁雜的數(shù)學(xué)公式和各種分類算法，令初學(xué)者有畏難情緒，普通的教學(xué)方法效果不夠理想。為提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)效果，我們近年來認(rèn)真分析了“模式識別”課程的特點(diǎn)，在教學(xué)方法上進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，對提高教學(xué)質(zhì)量有一定的成效，受到了各級教學(xué)專家組的肯定和學(xué)生的普遍好評。

1 課程教學(xué)的主要改革措施

1.1 教學(xué)理念

我?！澳Ｊ阶R別”教學(xué)團(tuán)隊(duì)引入了研究型教學(xué)的思想，探索和實(shí)踐了研討式教學(xué)、案例式教學(xué)和基于團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)的教學(xué)方法，在教師課堂講授的同時(shí)著重加強(qiáng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)、課堂研討與課外探索環(huán)節(jié)[2]。

1.2 教學(xué)內(nèi)容

教學(xué)團(tuán)隊(duì)認(rèn)真分析了國內(nèi)外主要模式識別教材的章節(jié)安排和內(nèi)容描述，結(jié)合多年來積累的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一條由淺入深、精講多練的教學(xué)思路。我們在講授傳統(tǒng)的、經(jīng)典內(nèi)容的同時(shí)，也介紹一些不斷出現(xiàn)的新理論、新方法，新技術(shù)和新應(yīng)用。一般針對本科生開設(shè)的“模式識別”課程，主要涉及特征提取與選擇、貝葉斯分類器、線性與非線性分類器、聚類分析等，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊模式識別、句法模式識別等新技術(shù)，不同的教材在章節(jié)安排上有很大差異。

我們通過多年的教學(xué)實(shí)踐，按照聚類分析、判別域代數(shù)界面方程、統(tǒng)計(jì)判決、統(tǒng)計(jì)決策中的學(xué)習(xí)與錯(cuò)誤率估計(jì)、最近鄰方法、特征提取與選擇、其它模式識別方法的順序進(jìn)行講解。我們有別于其它教材，把章節(jié)這樣安排，特別是把聚類分析放在最前面講解，是基于聚類分析的相關(guān)內(nèi)容較為獨(dú)立，易于初學(xué)者理解和編程實(shí)現(xiàn)。在講授各章節(jié)的同時(shí)，我們還加入了許多喜聞樂見的案例[3]。比如在聚類分析中，我們引入了車牌的數(shù)字識別問題，介紹了應(yīng)用聚類技術(shù)將車牌信息從復(fù)雜的背景圖像中提取出來;在判別域代數(shù)界面方程中，引入了紙幣識別的問題，介紹如何利用已知類別樣本訓(xùn)練學(xué)習(xí)分類界面;在統(tǒng)計(jì)判決中，引入圖像的皮膚檢測問題等等。通過增加不同的案例，使課堂教學(xué)生動很多，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.3 實(shí)踐環(huán)節(jié)

主要章節(jié)的課程都安排了相應(yīng)的實(shí)踐內(nèi)容，重點(diǎn)對典型的算法如C均值聚類、感知器算法、貝葉斯判決、最近鄰方法和K-L變換等都布置了編程實(shí)踐題。教學(xué)團(tuán)隊(duì)為節(jié)省學(xué)生的編程時(shí)間，事先開發(fā)了供學(xué)生實(shí)踐的軟件平臺，學(xué)生只需要針對具體的算法模塊進(jìn)行編程，而其它的交互、繪圖等可視化方面的工作均有軟件平臺來完成，這樣既使學(xué)生的編程有針對性，又能對其所編程序是否正確用可視化的形式直觀表現(xiàn)出來。

為了提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，我們提前布置一些小的研究課題如基于視頻的人臉識別、手勢識別、掌紋識別、文字識別以及車牌識別等等，學(xué)生分組自選相應(yīng)課題在課外完成。待課程結(jié)束后，各小組要提交研究論文，然后組織專題研討和展示其研究成果，教學(xué)團(tuán)隊(duì)選派教師和學(xué)生代表一起對各小組的成果進(jìn)行評比。課程的最終成績除了基本知識的筆試外，還包含了各組的評比成績、平時(shí)作業(yè)以及上機(jī)實(shí)踐等部分，教學(xué)實(shí)踐表明，這樣的考核成績更能體現(xiàn)學(xué)生的綜合能力。

1.4 網(wǎng)絡(luò)課程資源共享

我們一方面依托校園教學(xué)專網(wǎng)、軍隊(duì)園區(qū)網(wǎng)的Blackboard教學(xué)平臺構(gòu)建了模式識別網(wǎng)絡(luò)課程，主要服務(wù)對象為擁有學(xué)校數(shù)字校園ID的選課學(xué)生，這需要任課教師授權(quán)訪問。網(wǎng)絡(luò)課程擁有豐富的資源，包括課程簡介、任課教師、教學(xué)大綱、教學(xué)課件、電子教案、授課計(jì)劃、實(shí)驗(yàn)資料、在線/離線答疑、在線/離線測試以及成績發(fā)布等內(nèi)容，涵蓋了教學(xué)實(shí)施和教學(xué)管理的全部環(huán)節(jié)。

我們還將這門國家精品課程向公眾開放，沒有訪問授權(quán)限制。該網(wǎng)站分別在軍隊(duì)園區(qū)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布，兼顧了軍隊(duì)和地方的需求，同時(shí)也擴(kuò)大了影響面。網(wǎng)站包括了課程介紹、任課教師介紹、教學(xué)大綱、課件教案、動畫演示、案例教學(xué)、在線測試、交互式實(shí)驗(yàn)平臺、答疑討論等豐富的資源，功能齊全，受到了使用者的好評。

2 教改主要收獲

2.1 提出了多維教學(xué)方法

作為信息與通信學(xué)科的一門基礎(chǔ)課程，“模式識別”課程的理論性、實(shí)踐性特點(diǎn)比較突出，教學(xué)團(tuán)隊(duì)以研究型教學(xué)理念為指導(dǎo)，突出課程的基礎(chǔ)性、應(yīng)用性和先進(jìn)性，提出了“縱向貫通、橫向關(guān)聯(lián)、深度啟發(fā)”的多維教學(xué)方法。

首先，在課程知識體系上以模式可分性的度量和應(yīng)用為主線，縱向貫通全課程;橫向上注重各種模式識別方法的內(nèi)在聯(lián)系和對比分析;在深度上從認(rèn)知科學(xué)的角度進(jìn)行啟發(fā)。

其次，縱向上使模式識別涉及的理論與數(shù)學(xué)、信號處理和計(jì)算機(jī)等基礎(chǔ)課程的知識貫通;橫向上與通信、雷達(dá)和信息工程等專業(yè)課知識關(guān)聯(lián);深度上用典型應(yīng)用的成功實(shí)例與模式識別基本方法的聯(lián)系對學(xué)生進(jìn)行啟發(fā);實(shí)施途徑上按照基礎(chǔ)理論、應(yīng)用實(shí)例、案例分析、編程實(shí)驗(yàn)、分組作業(yè)、集中研討的步驟，進(jìn)行教學(xué)組織和設(shè)計(jì)。我們提出了針對模式識別課程教學(xué)的啟發(fā)式、研討式、開放式案例等多種教學(xué)方法，加強(qiáng)了積木式實(shí)驗(yàn)、交互性動畫示范、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)等教學(xué)環(huán)節(jié)。在教學(xué)過程中注重激發(fā)學(xué)生的求知欲、好奇心和創(chuàng)新力，同時(shí)根據(jù)軍人學(xué)員的培養(yǎng)特點(diǎn)，將基于團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)(TBL)的思想貫徹到實(shí)際的教學(xué)實(shí)踐中，保證了課程的思辨性、實(shí)踐互動性和趣味性[4]。形成以學(xué)帶動用，以用促進(jìn)學(xué)的良性循環(huán)，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。

2.2 建立了教學(xué)案例庫

我院信息與通信學(xué)科有著雄厚的科研成果，在眾多的科研成果中蘊(yùn)含著豐富的模式識別技術(shù)應(yīng)用的實(shí)例，為此，模式識別教學(xué)團(tuán)隊(duì)十分注重模式識別典型實(shí)例和最新應(yīng)用實(shí)例的收集，并根據(jù)教學(xué)需求建立了豐富的教學(xué)案例庫，這些案例涵蓋了文字、語音、圖像、視頻以及故障診斷等領(lǐng)域的分類識別，極大地豐富了案例教學(xué)的素材。在課程學(xué)習(xí)期間，通過布置相關(guān)的小課題由學(xué)生分組完成，然后研討推舉出優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)作品，將這些作品整理后也放入教學(xué)案例庫中，使得教學(xué)實(shí)例素材不斷得到豐富和發(fā)展，實(shí)現(xiàn)推陳出新。

2.3 建設(shè)了精品資源共享課

按照本、碩、博多層次培養(yǎng)的不同需求，教學(xué)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了較為科學(xué)的系列課程，出版了9部相關(guān)教材。在課程現(xiàn)場授課的同時(shí)，為了方便學(xué)生自學(xué)和適應(yīng)教學(xué)互動，教學(xué)團(tuán)隊(duì)在學(xué)校教學(xué)網(wǎng)、軍隊(duì)園區(qū)網(wǎng)和國際互聯(lián)網(wǎng)上均建立了本課程的教學(xué)網(wǎng)站。并按照以學(xué)生為本的理念，根據(jù)點(diǎn)面結(jié)合、循環(huán)漸進(jìn)、全面培養(yǎng)、突出創(chuàng)新的原則，對模式識別內(nèi)容布局與知識點(diǎn)銜接進(jìn)行優(yōu)化，從原理、算法、應(yīng)用多方面有機(jī)組合教學(xué)內(nèi)容，所建立的課程網(wǎng)站內(nèi)容豐富，深受學(xué)生的歡迎。2013年“模式識別”課程在課程網(wǎng)上通過轉(zhuǎn)型升級為資源共享課程，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)容更豐富、質(zhì)量更高的教學(xué)資源共享。

2.4 形成了較強(qiáng)的教學(xué)優(yōu)勢

(1)依托學(xué)科優(yōu)勢，堅(jiān)持科研成果進(jìn)入課堂;

(2)豐富教學(xué)案例，強(qiáng)化模式識別課程建設(shè);

(3)改進(jìn)教學(xué)方法，完善研究型教學(xué)與基于團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)實(shí)踐;

(4)形成團(tuán)隊(duì)優(yōu)勢，提高整體教學(xué)水平。

3 結(jié)語

教學(xué)質(zhì)量是大學(xué)的生命線，如何提高教學(xué)質(zhì)量是教師不斷追求的目標(biāo)，在接受大學(xué)教育機(jī)會增多的今天，尤為重視學(xué)生的動手操作能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，因此，不斷提高“模式識別”課程教學(xué)質(zhì)量的工作將永無止境。

隨著大規(guī)模在線開放課程MOOC(Massive Online Open Course)作為全新的在線教學(xué)模式闖入世人的視野，教育資源的共享已經(jīng)成為潮流和趨勢。我校已經(jīng)著手創(chuàng)建自己的MOOC平臺，建設(shè)MOOC課程，開展MOOC實(shí)踐。如何爭取將“模式識別”課程建設(shè)成為MOOC課程，將是模式識別教學(xué)團(tuán)隊(duì)下一步的建設(shè)目標(biāo)[5，6]。

[1]Pattern Classification，Richard O.Duda Peter E David G.Stork[M]，北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.10

[2]曉強(qiáng)，孫浩，王再英，研究型課堂教學(xué)模式的探索與實(shí)踐[J]，石家莊:教育教學(xué)論壇，2013:228-229

[3]劉雨，孫即祥，余莉，“模式識別”課程開放式案例教學(xué)設(shè)計(jì)[J]，南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011:103-105

[4]于洪彥，朱輝煌，團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)導(dǎo)向和綜合能力培養(yǎng):基于團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的研究[J]，長春:長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)(社會科學(xué)版)，2013，71-73，76

[5]王文禮，MOOC的發(fā)展及其對高等教育的影響[J]，南京:江蘇高教，2013:53-57

[6]王萍，大規(guī)模在線開放課程的新發(fā)展與應(yīng)用:從cMOOC到xMOOC[J]，成都:現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究，2013:13-19