“模式識(shí)別導(dǎo)論”課程教學(xué)方法改革與探索

劉得軍， 艾清慧， 錢(qián)步仁， 閆景富， 薛亞茹

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球物理與信息工程學(xué)院， 北京 102249)

0 引言

模式識(shí)別是60年代迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)技術(shù)，該技術(shù)用于自動(dòng)地將物理對(duì)象或抽象的多維模式進(jìn)行分類(lèi)。近年來(lái)，隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，各種模式識(shí)別算法在石油工程領(lǐng)域也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著的應(yīng)用效果，例如：基于現(xiàn)代模式識(shí)別方法的油、氣、水分類(lèi)識(shí)別、巖性識(shí)別、油氣輸送管道泄漏檢測(cè)、套管損傷探測(cè)、鉆頭壽命預(yù)測(cè)、射孔質(zhì)量檢測(cè)等等。

在高校,“模式識(shí)別導(dǎo)論”是一門(mén)理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的課程，該課程具有一定的抽象性與難度，學(xué)生不容易理解所學(xué)內(nèi)容，因此教師在傳授過(guò)程中需要特別注重教學(xué)方法的改進(jìn)。

本文以我?！澳Ｊ阶R(shí)別導(dǎo)論”課程的教學(xué)現(xiàn)狀為例，從多個(gè)方面的綜合評(píng)價(jià)入手，分析現(xiàn)階段課程教學(xué)存在的問(wèn)題，探索與研究新的教學(xué)方法。

1 教學(xué)現(xiàn)狀調(diào)查與分析[1]

本次調(diào)查采用集體問(wèn)卷和問(wèn)題留言相結(jié)合的方法，以我校地球物理與信息工程學(xué)院13至14級(jí)主修過(guò)“模式識(shí)別導(dǎo)論”課程的研究生為調(diào)研對(duì)象，涉及電子與通信、信息與通信工程兩個(gè)專(zhuān)業(yè)。本次調(diào)查共回收問(wèn)卷22份，剔除部分信息缺失的問(wèn)卷，有效問(wèn)卷為17份。本次調(diào)查分別從教學(xué)質(zhì)量、數(shù)學(xué)背景知識(shí)、以及本課程中的第二至八章節(jié)的重要性、難度和教學(xué)效果三個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)對(duì)被調(diào)查者提出問(wèn)題：本課程教學(xué)改革中，你認(rèn)為應(yīng)改進(jìn)的最突出的問(wèn)題是什么？

首先針對(duì)以往授課的教學(xué)質(zhì)量開(kāi)展調(diào)查，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示：

表1 教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)

從表1可以看出，對(duì)于原有的授課模式，學(xué)生普遍認(rèn)為條理性很清楚，重點(diǎn)很突出，教學(xué)方法的引導(dǎo)性也比較強(qiáng)，這些都是以往授課的可取之處，應(yīng)予以保持。而主要問(wèn)題反映在課程的更新程度，以及理論和實(shí)踐分配的合理性上。在問(wèn)題留言的回復(fù)中可知，學(xué)生普遍建議課堂氣氛可以活躍一些，授課風(fēng)格可以更加輕松活潑；亟需將課程內(nèi)容和具體的科研項(xiàng)目或者目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的先進(jìn)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，讓知識(shí)與時(shí)俱進(jìn)；課時(shí)較短，在比較有難度的地方需要延長(zhǎng)教學(xué)時(shí)間，有針對(duì)性地去學(xué)習(xí)深入，并多舉實(shí)例讓課程更加通俗易懂；最后的考試形式和作業(yè)任務(wù)可以更加多樣化，從不同角度去反映學(xué)生對(duì)此課的掌握程度，才會(huì)取得更好的教學(xué)效果。

其次，“模式識(shí)別導(dǎo)論”是一門(mén)理論性很強(qiáng)的課程，涉及的數(shù)學(xué)知識(shí)較多，主要以概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、矩陣論、最優(yōu)化方法、圖論與拓?fù)鋵W(xué)、人工智能和控制論為主，因此，針對(duì)學(xué)生對(duì)以上數(shù)學(xué)知識(shí)的掌握程度和與本課程的關(guān)聯(lián)程度進(jìn)行調(diào)查，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示：

表2 數(shù)學(xué)背景知識(shí)調(diào)查

從表2可以看出，在學(xué)習(xí)“模式識(shí)別導(dǎo)論”課程之前，學(xué)生對(duì)表中六種需要儲(chǔ)備的數(shù)學(xué)知識(shí)都集中在“一般”的掌握程度，其中對(duì)概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、最優(yōu)化方法和人工智能的了解稍微多一些；而基礎(chǔ)最薄弱的是圖論與拓?fù)鋵W(xué)和控制論知識(shí)。在關(guān)聯(lián)性方面，學(xué)生普遍認(rèn)為概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、圖論與拓?fù)鋵W(xué)、最優(yōu)化方法等知識(shí)與本課程聯(lián)系緊密，而圖論與拓?fù)鋵W(xué)又是學(xué)生比較生疏的，因此這方面的知識(shí)補(bǔ)充成為重中之重；而控制論相對(duì)來(lái)說(shuō)涉及到的相關(guān)知識(shí)并不太多，可以稍微降低對(duì)此數(shù)學(xué)知識(shí)的教學(xué)儲(chǔ)備。

“模式識(shí)別導(dǎo)論”課程共有八章，主要章節(jié)包括第二章“判別函數(shù)”、第三章“分類(lèi)器設(shè)計(jì)”、第四章“Bayes分類(lèi)器”、第五章“參數(shù)估計(jì)”、第六章“聚類(lèi)分析”、第七章“句法結(jié)構(gòu)模糊識(shí)別”和第八章“模糊模式識(shí)別”。對(duì)于如何分配每一章教學(xué)的比重，本次調(diào)查從學(xué)生的答卷中，針對(duì)每一章的重要性、課程難度和教學(xué)效果都進(jìn)行了柱狀圖式統(tǒng)計(jì)與分析。圖1所示為課程章節(jié)重要性評(píng)價(jià)柱狀圖。

圖1 課程章節(jié)重要性評(píng)價(jià)

由圖1可以看出，第二至八章每一章都比較重要，其中“聚類(lèi)分析”最為重要，是學(xué)生認(rèn)為整個(gè)課程里面最核心占比重最大的一章。

圖2所示為課程章節(jié)難度評(píng)價(jià)柱狀圖。

圖2 課程章節(jié)難度評(píng)價(jià)

由圖2可以看出，學(xué)生認(rèn)為第六章“聚類(lèi)分析”和第八章“模糊模式識(shí)別”的難度最大，而第六章又被認(rèn)為是最重要的一章，因此需要注重加強(qiáng)對(duì)“聚類(lèi)分析”的教學(xué)方法；而第二章“判別函數(shù)”為開(kāi)始的章節(jié)，學(xué)生認(rèn)為較為簡(jiǎn)單，容易理解，可以適當(dāng)簡(jiǎn)化此章節(jié)的教學(xué)過(guò)程。

圖3所示為課程章節(jié)教學(xué)效果評(píng)價(jià)柱狀圖。

圖3 課程章節(jié)教學(xué)效果評(píng)價(jià)

由圖3可以看出，學(xué)生普遍對(duì)第四章“Bayes分類(lèi)器”和第五章“參數(shù)估計(jì)”的教學(xué)最滿(mǎn)意，原有教學(xué)中的比較優(yōu)良的授課方法可以繼續(xù)保持下去；而最后兩章“句法結(jié)構(gòu)模式識(shí)別”和“模糊模式識(shí)別”的教學(xué)效果相對(duì)欠佳，尤其是“模糊模式識(shí)別”的難度很大，學(xué)生對(duì)此章的知識(shí)理解不夠透徹。教師需要分析其存在的問(wèn)題和弊端，結(jié)合表1和學(xué)生對(duì)教改問(wèn)題回復(fù)的情況進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)改革。

由圖1、圖2和圖3可得出結(jié)論：第六章“聚類(lèi)分析”和第八章“模糊模式識(shí)別”是教學(xué)過(guò)程中需要著重加強(qiáng)的主要章節(jié)，教師可以有針對(duì)性地增加這些環(huán)節(jié)的教學(xué)比重，提高教學(xué)方法的多樣性和有效性。

2 交融互動(dòng)式教學(xué)方法

在以往的灌輸被動(dòng)式教學(xué)模式下,研究生始終處于被動(dòng)的學(xué)習(xí)境地,整個(gè)教學(xué)過(guò)程中研究生一直跟著教師的指揮棒轉(zhuǎn)，從而制約了研究生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性, 影響了其創(chuàng)造性的發(fā)揮[2]。

本教改項(xiàng)目改變了這一教學(xué)模式，采用先由教師根據(jù)每章具體內(nèi)容，或先講理論，再講發(fā)展前沿，或先介紹發(fā)展前沿的內(nèi)容及應(yīng)用，再講解經(jīng)典理論方法，并要求學(xué)生針對(duì)各自導(dǎo)師的研究方向，結(jié)合所學(xué)算法的主要內(nèi)容、熱點(diǎn)內(nèi)容等查閱已有的文獻(xiàn)資料,選擇具有代表性的文獻(xiàn)對(duì)其中算法進(jìn)行認(rèn)真剖析，并在設(shè)置的討論課中由學(xué)生親自講解，與教師和其他學(xué)生進(jìn)行研討，探討算法的優(yōu)、缺點(diǎn)及進(jìn)一步改進(jìn)的可能性。

互動(dòng)式教學(xué)方法多種多樣，各有特點(diǎn)[3]?；?dòng)主題可根據(jù)“模式識(shí)別導(dǎo)論”課程的教學(xué)內(nèi)容，并結(jié)合學(xué)生自己的專(zhuān)業(yè)方向精心挑選，或選擇學(xué)生們普遍感興趣、能夠發(fā)表自己看法的話(huà)題進(jìn)行討論。例如，在講授完句法模式識(shí)別算法后的討論課環(huán)節(jié)，某學(xué)生提出可以利用句法模式識(shí)別方法解決雷達(dá)信號(hào)識(shí)別問(wèn)題,并根據(jù)自己查閱文獻(xiàn)的結(jié)果詳細(xì)講述了其識(shí)別過(guò)程。由于現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中涉及許多導(dǎo)彈制導(dǎo)與反導(dǎo)問(wèn)題，其中復(fù)雜雷達(dá)信號(hào)識(shí)別是制導(dǎo)與反導(dǎo)的關(guān)鍵技術(shù)，因此該主題立即引起了學(xué)生們的共鳴。有同學(xué)提問(wèn)到：雷達(dá)信號(hào)是如何與推斷文法相關(guān)聯(lián)的？有限狀態(tài)機(jī)又是如何構(gòu)造的呢？對(duì)此，教師首先對(duì)提出問(wèn)題的學(xué)生加以肯定與鼓勵(lì)，并讓講解的學(xué)生根據(jù)自己的理解做出重點(diǎn)答復(fù)，然后動(dòng)員全體同學(xué)深入探討，對(duì)于難以理解的地方，由教師做出適當(dāng)提醒。由于學(xué)生對(duì)該問(wèn)題普遍感興趣，很快就你一言我一語(yǔ)地討論了起來(lái)，期間教師不斷提醒學(xué)生注意關(guān)鍵信息的所在，以便形成問(wèn)題答案，并由提出問(wèn)題的學(xué)生對(duì)所形成的答案進(jìn)行口頭概述。整個(gè)討論期間，設(shè)定話(huà)題的學(xué)生和提出問(wèn)題的學(xué)生都是主角，其他同學(xué)積極參與，教師進(jìn)行輔助。通過(guò)這樣的交互融合，學(xué)生能很快掌握相關(guān)的理論知識(shí)，學(xué)會(huì)將理論內(nèi)容與實(shí)際工程問(wèn)題進(jìn)行結(jié)合并增加了學(xué)習(xí)的積極性。

上述類(lèi)似的互動(dòng)式教學(xué)實(shí)踐，很容易形成研究生與研究生、研究生與教師之間相互學(xué)習(xí)、共同提高的互動(dòng)局面。該教學(xué)方法最終讓研究生既能系統(tǒng)深人地學(xué)到模式識(shí)別的基本理論和方法，又給研究生留下較大的思維空間，讓他們學(xué)會(huì)自己去思考，去假設(shè)，去得出有用的結(jié)論，使其創(chuàng)新性學(xué)術(shù)思維切實(shí)得到鍛煉與加強(qiáng)。

3 實(shí)例先導(dǎo)式教學(xué)方法

實(shí)例先導(dǎo)式教學(xué)法是指在介紹每一章或者相關(guān)的幾章內(nèi)容之前首先用一個(gè)實(shí)例引出要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。教師通過(guò)對(duì)實(shí)例的講解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[4]。以“Bayes分類(lèi)器”章節(jié)為例，教師在正式講授算法原理之前，先結(jié)合石油院校的特點(diǎn)，引入非常貼合實(shí)際工作的項(xiàng)目 “基于Bayes方法的低阻油、水層分類(lèi)識(shí)別研究”作為教學(xué)案例，與學(xué)生共同探討油井中油層和水層的識(shí)別與分類(lèi)方法[5]。在該案例教學(xué)中，教師先將油層、水層分為2種不同的儲(chǔ)集層模式，選取了大慶齊家凹陷地區(qū)某口井的實(shí)際測(cè)井資料構(gòu)建各模式的訓(xùn)練樣本集，并詳細(xì)講解了油水層分類(lèi)模型的建模方法，最后通過(guò)算法演示，給出了實(shí)際的分類(lèi)結(jié)果。整個(gè)案例講解過(guò)程中，教師特別注意了實(shí)際工程問(wèn)題處理與理論教學(xué)中涉及的各種學(xué)術(shù)概念及算法模型的銜接和對(duì)應(yīng)，從而使學(xué)生很快掌握了Bayes分類(lèi)器的主要功能及算法內(nèi)涵，進(jìn)一步提升了研究生們理論聯(lián)系實(shí)踐的能力，同時(shí)也對(duì)畢業(yè)后所要從事的具體工作有了比較清晰的認(rèn)識(shí)。

通常情況下，研究生對(duì)學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)要解決的實(shí)際模式識(shí)別問(wèn)題比枯燥的理論方法學(xué)習(xí)更感興趣。因此，課程開(kāi)始前就讓學(xué)生先接觸到所研究領(lǐng)域內(nèi)需要解決的實(shí)際模式識(shí)別問(wèn)題，往往會(huì)比開(kāi)始就講解算法理論更能引發(fā)學(xué)生積極的思考。授課過(guò)程中，教師可以針對(duì)引入的具體問(wèn)題組織學(xué)生進(jìn)行討論，看是否能夠利用已學(xué)過(guò)的模式識(shí)別方法解決該問(wèn)題。若可以解決，則教師引導(dǎo)學(xué)生分析利用已學(xué)方法解決該問(wèn)題時(shí)存在的不足，從而引出下面將要介紹的新方法。但若所引入的模式識(shí)別問(wèn)題不能用已學(xué)的方法解決，則教師引導(dǎo)學(xué)生分析該模式識(shí)別問(wèn)題的特點(diǎn)，思考為何必須引入新的模式識(shí)別方法來(lái)解決該問(wèn)題，學(xué)生是否能夠據(jù)此提出自己的解決方案。在分析和思考之后，教師再將解決該問(wèn)題的思路引入到下面將要介紹的新方法上。這樣，在學(xué)習(xí)新方法的同時(shí)，學(xué)生會(huì)很自然地將新方法與已學(xué)方法進(jìn)行比較，分析各種方法的優(yōu)劣，并積極思考利用新方法解決所提出問(wèn)題的可能性。該教學(xué)方法力求加快研究生對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容的深入理解與掌握，以此提高研究生對(duì)實(shí)際科學(xué)問(wèn)題的探索欲望與興趣。

4 項(xiàng)目申報(bào)式課程考核模式構(gòu)想

隨著我國(guó)科技事業(yè)的不斷發(fā)展，國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)科研的投入越來(lái)越多，各類(lèi)基金項(xiàng)目的申請(qǐng)已成為學(xué)術(shù)研究人員成長(zhǎng)的助推劑。研究生作為未來(lái)基礎(chǔ)科技研究的骨干力量，盡早把握各項(xiàng)基金申請(qǐng)書(shū)的撰寫(xiě)要點(diǎn)，盡快養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)作風(fēng)和勇于創(chuàng)新的科研素質(zhì)，對(duì)其今后成長(zhǎng)非常重要。

“模式識(shí)別導(dǎo)論”課程理論性強(qiáng)，涉及的數(shù)學(xué)知識(shí)多，如概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、矩陣論、函數(shù)論、最優(yōu)化方法和圖論等，還用到信號(hào)處理、人工智能、控制論、程序設(shè)計(jì)和仿生學(xué)等知識(shí)，且應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，在相當(dāng)多基金類(lèi)項(xiàng)目申報(bào)中均有所涉及。因此，本教改項(xiàng)目擬依據(jù)該課程的教學(xué)特點(diǎn)，提出開(kāi)放式(項(xiàng)目申報(bào)式)課程考核模式構(gòu)想，其基本思路是：學(xué)生從各自相關(guān)科研方向提煉出與課程教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的研究課題，或由授課教師根據(jù)實(shí)際科研項(xiàng)目歸納出若干與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的研究課題，以此形成考核題目，要求學(xué)生采用基金項(xiàng)目申請(qǐng)書(shū)的標(biāo)準(zhǔn)格式，查詢(xún)并閱讀規(guī)定數(shù)量的國(guó)內(nèi)外相關(guān)參考文獻(xiàn)，撰寫(xiě)項(xiàng)目綜述；認(rèn)真提煉所提研究課題的科學(xué)問(wèn)題，歸納出研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)；設(shè)計(jì)合理的技術(shù)路線(xiàn)與實(shí)施方案，并依據(jù)所學(xué)內(nèi)容對(duì)項(xiàng)目實(shí)施的可行性進(jìn)行論證。教師則參照基金項(xiàng)目的各項(xiàng)評(píng)閱標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)學(xué)生們提交的項(xiàng)目申請(qǐng)書(shū)進(jìn)行評(píng)閱，給出成績(jī)。上述考核模式力求改善研究生進(jìn)入課題組后不知如何入手撰寫(xiě)基金申請(qǐng)書(shū)的尷尬，促使研究生的科研綜合能力和學(xué)術(shù)素質(zhì)得到全面提升。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，模式識(shí)別算法在很多高科技產(chǎn)業(yè)中得到了應(yīng)用，例如文本、圖像和視頻檢索、機(jī)器人、生物信息學(xué)和面部識(shí)別等。本文通過(guò)對(duì)“模式識(shí)別導(dǎo)論”課程教學(xué)方法的改革和探索，獲得了一些行之有效的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)效果都有了顯著提高，教師在此基礎(chǔ)上繼續(xù)深化改革，不斷完善與提高，使之更加適用于模式識(shí)別人才培養(yǎng)的需要。

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