“模式識(shí)別”課程新穎性趣味性教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

徐勇

[摘要] 本科“模式識(shí)別”屬于數(shù)理基礎(chǔ)內(nèi)容多、難度較高的工科課程，具有授課量多、授課進(jìn)度較快等特點(diǎn)。因此，學(xué)生在課堂上容易出現(xiàn)困乏、知識(shí)接受程度低等問題。針對(duì)這些問題，在該課程中借助多種教學(xué)手段，包括首次提出和采用的具有創(chuàng)新性的基于電子化教學(xué)手段和對(duì)象比擬的暗喻，以及幽默的語言與比喻、引導(dǎo)式提問、重要知識(shí)的“圖”“畫”式表達(dá)等，可調(diào)動(dòng)學(xué)生的思維與注意力、視覺、聽覺以及知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)遷移的潛力，激發(fā)學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與積極性，取得了較好的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞] 模式識(shí)別;趣味性教學(xué);知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)遷移;暗喻;本科課程設(shè)計(jì)

[基金項(xiàng)目] 2018—2021年度國家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目“圖像目標(biāo)檢測的深度特征提取方案設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)”（61876051）

[作者簡介] 徐 勇（1972—），男，四川簡陽人，工學(xué)博士，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師（通信作者），主要從事計(jì)算機(jī)視覺與模式識(shí)別研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2021）16-0097-04? ? [收稿日期] 2021-01-13

由高中階段過渡到本科階段后，面臨教學(xué)內(nèi)容難度增加、課程數(shù)和授課量增多、授課進(jìn)度快等變化，部分學(xué)生出現(xiàn)學(xué)習(xí)困難、甚至產(chǎn)生了受挫情緒等問題。因此，對(duì)本科生的課堂授課質(zhì)量提出了較高要求。筆者認(rèn)為，趣味教學(xué)的引入是解決該問題的有效手段之一。

在本科“模式識(shí)別”課程的教學(xué)中，為了調(diào)動(dòng)學(xué)生的注意力、提升知識(shí)的傳遞效率和增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，采取具有創(chuàng)新性的基于PPT輔助和對(duì)象比擬的暗喻、輕松幽默的語言和形象生動(dòng)的比喻、引導(dǎo)式的提問、重要知識(shí)的“圖”“畫”式表達(dá)等趣味性教學(xué)手段，使學(xué)生在輕松的環(huán)境中進(jìn)行學(xué)習(xí)，取得了較好的學(xué)習(xí)效果。上述幾種教學(xué)手段各有特色、互為補(bǔ)充，課堂中可根據(jù)具體授課內(nèi)容選用。

本文教學(xué)設(shè)計(jì)的思路為充分開啟學(xué)生感官，調(diào)動(dòng)學(xué)生的視覺、聽覺以及大腦思維，同步利用學(xué)習(xí)主體在文字、聲音、圖像與影像方面的感知與認(rèn)知能力，達(dá)成“模式識(shí)別”課程知識(shí)的高效傳遞、轉(zhuǎn)移與遷移[1]。筆者基于此教學(xué)設(shè)計(jì)取得了很好的教學(xué)實(shí)效，如圖1所示。

一、基于PPT輔助的暗喻和對(duì)象比擬

多媒體教室的使用，為課堂教學(xué)提供了以電子講義為主要載體的多種電子化技術(shù)手段。借助于承載主要知識(shí)點(diǎn)的PPT，可以適時(shí)為課堂提供暗喻，通過將知識(shí)對(duì)象與暗喻事例中的對(duì)象進(jìn)行比擬，提高知識(shí)的“可達(dá)率”和理解效率。暗喻的最大優(yōu)勢在于通過“漫畫式”的圖像或者畫面感很強(qiáng)的語言，將看似高深的理論巧妙地轉(zhuǎn)化為十分容易理解的道理，知識(shí)的接受者可以十分輕松地完成從日常道理或常識(shí)到知識(shí)的遷移，甚至在哈哈大笑中完成知識(shí)的接受和駐留。暗喻一般呈現(xiàn)為圖像或動(dòng)畫的形式，少數(shù)呈現(xiàn)為生動(dòng)活潑的文字形式。

借助暗喻進(jìn)行課程內(nèi)容講授可以實(shí)現(xiàn)知識(shí)和學(xué)生認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)的遷移。心理學(xué)認(rèn)為，知識(shí)遷移是人類學(xué)習(xí)的重要而有效的方法之一。人們?cè)趯W(xué)習(xí)新知識(shí)和遇到新現(xiàn)象時(shí)，常將其與已有知識(shí)或經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，倘若能夠找出二者之間的一致或類似之處，則對(duì)新知識(shí)和新現(xiàn)象將有更快更好地理解?！芭e一反三”等認(rèn)知方法實(shí)則為古代人們樸素的知識(shí)遷移思想的體現(xiàn)。

在本科“模式識(shí)別”課程的教學(xué)中暗喻分兩種：一是只陳列不講述的暗喻，二是陳列且簡單講述的暗喻。對(duì)于簡單且形象直觀的暗喻，可以采取第一種方式;而對(duì)于內(nèi)涵豐富的暗喻，一般采取第二種方式。兩種方式都有很高的課堂效率，其中需要講述的暗喻也只需要很少的課堂時(shí)間，如圖2所示。

“模式識(shí)別”課堂教學(xué)中使用的一個(gè)講述型的典型暗喻如下：在講解隱馬爾科夫模型時(shí)，隱狀態(tài)與可見狀態(tài)二者之間的對(duì)應(yīng)是一個(gè)難點(diǎn)。為此，可給學(xué)生舉例如下：如果將隱馬爾科夫模型應(yīng)用于將語音翻譯為文字，其中可以直接感知的語音就是可見狀態(tài)，而相應(yīng)的文字就是隱狀態(tài)。為了說明一個(gè)可見狀態(tài)可能對(duì)應(yīng)多個(gè)隱狀態(tài)，以暗喻的方式將張學(xué)良學(xué)英文“nine”的故事以文字截圖的方式放到了PPT中相應(yīng)內(nèi)容的下面，如圖3所示。筆者在課堂教學(xué)中花一兩分鐘時(shí)間對(duì)此暗喻故事進(jìn)行講解，并提及一個(gè)可見狀態(tài)可能對(duì)應(yīng)多個(gè)隱狀態(tài)的難題會(huì)對(duì)翻譯任務(wù)的準(zhǔn)確度造成很大的影響。這樣的講授方式引來的會(huì)意的笑聲表明，學(xué)生對(duì)一個(gè)可見狀態(tài)（語音）可對(duì)應(yīng)多個(gè)隱狀態(tài)（文字）的知識(shí)點(diǎn)已經(jīng)留下了十分深刻的印象。

圖4為輔助最小風(fēng)險(xiǎn)貝葉斯決策講解的暗喻圖片，其直觀地實(shí)現(xiàn)了如下對(duì)象比擬：最小錯(cuò)誤率貝葉斯決策將分類錯(cuò)誤率為唯一目標(biāo)，這好比只追求可能的最大化收益的激進(jìn)投資策略，其中的隱患在于忽略了投資策略可能帶來較大損失的風(fēng)險(xiǎn)，而這樣的風(fēng)險(xiǎn)一旦真實(shí)發(fā)生，投資者將面臨難以承受的損失。而最小風(fēng)險(xiǎn)貝葉斯決策則將可能的收益與損失共同考慮，設(shè)計(jì)既追求收益又能較好規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的投資策略。此暗喻可給學(xué)生留下深刻的印象，讓他們很好地理解和記住最小錯(cuò)誤率貝葉斯決策與最小風(fēng)險(xiǎn)貝葉斯決策的區(qū)別。

二、形象幽默的語言與比喻

工科課程的教學(xué)內(nèi)容相對(duì)枯燥，且課程內(nèi)容較多，學(xué)生容易出現(xiàn)注意力下降和疲乏。因此，課堂中適當(dāng)采用形象幽默的語言與比喻，不僅有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的注意力，而且十分利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。

梁啟超提出了著名的“趣味教育”，其重要意義在于可以很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的感官，在輕松與愉悅的氛圍中達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)[2]。實(shí)踐表明，“趣味教育”在不同層次人群的教學(xué)活動(dòng)中都是有效的手段。從心理學(xué)的角度分析，大腦感受到“有趣”的信號(hào)時(shí)，處于十分興奮和活躍的狀態(tài)，相應(yīng)的知識(shí)傳遞過程十分高效。筆者認(rèn)為，高等教育的課堂教學(xué)中，基于語言的趣味化教學(xué)是最直接、最高效和最便捷地令大腦感受到“有趣”信號(hào)的“趣味教育”手段。幽默、詼諧、睿智的語言不僅可以讓學(xué)生高效率地接受知識(shí)的傳授，而且可以在會(huì)心一笑甚至哈哈大笑中留下知識(shí)的烙印，并形成長時(shí)的記憶。

為此，需要進(jìn)行如下教學(xué)設(shè)計(jì)：梳理知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)行形象幽默的比喻設(shè)計(jì)與語言準(zhǔn)備，在課堂中結(jié)合比喻等進(jìn)行知識(shí)講解。如圖5所示。根據(jù)實(shí)際情況，比喻的給出可在知識(shí)點(diǎn)講解之前或之后。經(jīng)驗(yàn)表明，時(shí)長超過十五分鐘的純課程知識(shí)教授之后，幽默風(fēng)趣的語言運(yùn)用可很好地提高學(xué)生注意力和提升課堂教學(xué)效果。

“模式識(shí)別”課程教學(xué)中，一個(gè)形象幽默的比喻實(shí)例可設(shè)計(jì)如下：在講授最近鄰分類時(shí)，為了提高學(xué)生的注意力，設(shè)計(jì)如下提問：“在座談過戀愛的男同學(xué)請(qǐng)舉手。你們知道談戀愛時(shí)女孩子主要受誰的意見影響嗎？”稍做停頓后，給出答案：“請(qǐng)男同學(xué)們注意，談戀愛時(shí)女孩子主要會(huì)受母親意見的影響，因?yàn)槟赣H是她最親、心理距離最近的人。因此，有一句話，叫作搞定丈母娘。所以，有追求目標(biāo)的男同學(xué)們，加油??！”。這一段語言不僅會(huì)把學(xué)生的注意力調(diào)動(dòng)起來，而且經(jīng)常會(huì)帶來笑聲。緊接著，繼續(xù)授課時(shí)可講：“剛才講的生活中女孩子主要受心理距離最近的人的影響，而我們的課程中，一個(gè)待分類的樣本，主要受誰的影響呢？主要受與他空間距離最近的訓(xùn)練樣本的影響！相應(yīng)的方法這就是我們的主要內(nèi)容——最近鄰分類方法……”。

“模式識(shí)別”課程教學(xué)中采用的另外一個(gè)形象幽默的比喻如下。若以錯(cuò)誤率為標(biāo)準(zhǔn)，最小錯(cuò)誤率貝葉斯分類器是理論上的最優(yōu)分類器。講解完此部分內(nèi)容后，為了對(duì)課程引入其他分類器的“必要性”進(jìn)行介紹，在課堂中生動(dòng)地講道：最小錯(cuò)誤貝葉斯分類器是理論上錯(cuò)誤率最低的最好的分類器，它堪稱分類器中的“女神”。但是，這有一個(gè)前提——每一類別的后驗(yàn)概率的值準(zhǔn)確無誤。然而，實(shí)際應(yīng)用中，要準(zhǔn)確地得出后驗(yàn)概率是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。理論上只有擁有無窮多的“訓(xùn)練樣本”，才能無誤差地得出后驗(yàn)概率，這在實(shí)際中幾乎是不可能的;其次，不少實(shí)際應(yīng)用中，由于圖像數(shù)據(jù)等樣本具有很高的維數(shù)，即使擁有大量“訓(xùn)練樣本”，也難以無誤差地得出后驗(yàn)概率。因此，我們說，最小錯(cuò)誤率貝葉斯分類器并非完美，可以說它是“可望而不可即”的“女神”！因此，明智的男生會(huì)放棄對(duì)“不可即”的“女神”的追求。這也是本課程還要介紹其他分類器的原因，其他分類器也在實(shí)際任務(wù)中大量使用。

課堂實(shí)踐中，幽默詼諧語言的運(yùn)用也需把握好度?？偟膩碚f，在營造輕松愉悅的課堂教學(xué)環(huán)境的過程中，應(yīng)同時(shí)保持課堂作為知識(shí)傳授場所必要的嚴(yán)肅性;在課堂用語中，要將幽默與戲謔加以區(qū)別，做到用語得當(dāng)與“不逾矩”。

三、引導(dǎo)式的提問

調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性思維是提高課堂教學(xué)效果的重要手段，引導(dǎo)式提問能在這方面起到好的作用，可讓學(xué)生從跟隨式學(xué)習(xí)切換到主動(dòng)探究式學(xué)習(xí)，而且還有很好的課堂交互效果。相比于直接給學(xué)生講授課程內(nèi)容，設(shè)問和提問環(huán)節(jié)還可以適當(dāng)放慢課堂節(jié)奏，適當(dāng)放松學(xué)生處于緊張思維狀態(tài)的大腦。

應(yīng)用此教學(xué)手段，需進(jìn)行的課堂設(shè)計(jì)包括：適合提問的課程內(nèi)容分析與問題設(shè)計(jì)。適合安排引導(dǎo)式提問的環(huán)節(jié)包括：其一，兩個(gè)相關(guān)聯(lián)的課程內(nèi)容的銜接之處，將學(xué)生的思路引向接下來的課堂內(nèi)容;其二，一堂課快結(jié)束時(shí)，以達(dá)到讓學(xué)生頭腦中裝著問題進(jìn)入下一次課的目的;其三，一堂課開始時(shí)，以達(dá)到快速將學(xué)生思路引向課程內(nèi)容的目的。提問后可根據(jù)需要，靈活地選擇請(qǐng)學(xué)生回答和不請(qǐng)學(xué)生回答。

在“模式識(shí)別”課堂教學(xué)中，筆者針對(duì)最近鄰分類到K近鄰分類的思維轉(zhuǎn)化、K近鄰分類方法的改進(jìn)、緊接主分量分析之后的線性鑒別分析的引入、緊接Parzen窗估計(jì)方法之后的另一個(gè)非參數(shù)估計(jì)方法——Kn近鄰估計(jì)方法的引入等課堂內(nèi)容設(shè)計(jì)了一系列的引導(dǎo)式提問，并取得了很好的教學(xué)實(shí)效。

例如，為K近鄰分類改進(jìn)方法的思路介紹設(shè)計(jì)了如下兩個(gè)層次的引導(dǎo)式提問：其一，K近鄰分類思路簡單、易于實(shí)現(xiàn)，得到了很多應(yīng)用。另一方面，請(qǐng)同學(xué)們想一想，K近鄰分類的思路是否完美？其思路是否還有改進(jìn)空間？其二，K近鄰分類采用了少數(shù)服從多數(shù)的原則，即測試樣本的K個(gè)近鄰中，哪個(gè)類別的訓(xùn)練樣本最多，就將測試樣本分類到哪個(gè)類別。但是，K近鄰分類忽略了如下事實(shí)：K個(gè)近鄰與測試樣本的空間遠(yuǎn)近關(guān)系明顯不同，根據(jù)“近朱者赤近墨者黑”的經(jīng)驗(yàn)，是否可以認(rèn)為距離測試樣本更近的近鄰樣本對(duì)測試樣本的分類應(yīng)該有更大的影響呢？基于如上兩個(gè)層次的設(shè)問，學(xué)生對(duì)后續(xù)介紹的利用近鄰樣本與測試樣本的距離對(duì)K近鄰分類方法進(jìn)行改進(jìn)的思路會(huì)有很高的接受度。

此外，在課堂中結(jié)合人們普遍關(guān)注的社會(huì)熱點(diǎn)問題，設(shè)計(jì)與課程內(nèi)容緊密相關(guān)的提問，在引起學(xué)生注意后再引出教學(xué)內(nèi)容，也是一個(gè)很好的做法。

四、重要知識(shí)的“圖”“畫”式表達(dá)

“一圖勝千言”說明圖像化表達(dá)的重要作用。

圖像內(nèi)容的豐富性與有序性、直觀性與易理解性均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過文字。因此，筆者在“模式識(shí)別”課程的教學(xué)設(shè)計(jì)中比較注重重要知識(shí)的圖像化表達(dá)，對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行“圖”（圖像）、“畫”（動(dòng)畫或影像）

式的呈現(xiàn)或者“例證”，形成圖文并茂的知識(shí)闡釋風(fēng)格。在文字、圖與畫構(gòu)成的兩層知識(shí)表達(dá)的基礎(chǔ)上，學(xué)生可在課堂教學(xué)中很好地實(shí)現(xiàn)知識(shí)轉(zhuǎn)化。

“圖”“畫”二者的取舍如下：對(duì)一般的重要知識(shí)點(diǎn)，以圖像式的呈現(xiàn)為主;對(duì)內(nèi)涵豐富的重要知識(shí)點(diǎn)，盡量采取動(dòng)畫式呈現(xiàn)，以較全面地體現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)的主要要素，便于學(xué)生相對(duì)全面地“觀察”。如圖6所示。具體課堂教學(xué)設(shè)計(jì)包括：不同類別的概率密度函數(shù)的非參數(shù)估計(jì)方法原理的動(dòng)畫演示、K近鄰分類方法中K近鄰確定的圖示、基于單特征的類別可判別性的圖示、線性可分問題的圖示、過適應(yīng)的圖示、貝葉斯決策錯(cuò)誤率的圖示、訓(xùn)練樣例數(shù)量對(duì)分類結(jié)果影響的圖示等。

五、結(jié)語

本文闡述了基于PPT輔助和對(duì)象比擬的暗喻、輕松幽默的語言和形象生動(dòng)的比喻、引導(dǎo)式的提問、重要知識(shí)的“圖”“畫”式表達(dá)等趣味性教學(xué)手段，目標(biāo)在于讓學(xué)生在輕松和趣味性的環(huán)境中進(jìn)行高效學(xué)習(xí)，在本科“模式識(shí)別”課程的教學(xué)中取得了很好的效果。其中，基于PPT輔助和對(duì)象比擬的暗喻為筆者首次提出和采用的教學(xué)手段，其他教學(xué)手段則充分結(jié)合課程特色進(jìn)行了內(nèi)涵設(shè)計(jì)。幾種教學(xué)手段在具有相同特性的本科課程的教學(xué)中均可使用，既可以根據(jù)需要使用其中一種教學(xué)手段，也可以將兩種甚至多種教學(xué)手段組合應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]王雪松，潘杰，程玉虎.知識(shí)遷移學(xué)習(xí)方法及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2016.

[2]區(qū)華宇，田麗麗.趣味教育的基本原理與發(fā)展方式[J].中國校外教育（旬刊），2016（6）：85-86.

Design and Practice of Novel and Interesting Teaching Methods for Pattern Recognition Course

XU Yong

（School of Computer Science and Technology， Harbin Institute of Technology （Shenzhen）， Shenzhen， Guangdong 518055， China）

Abstract： There are some problems in the undergraduate course of Pattern Recognition， such as large teaching volume and fast teaching progress. Moreover， this course is a difficult engineering course with many basic mathematical and physical contents. Therefore， students are prone to drowsiness and low knowledge acceptance in class. In view of the above problems， the author used a variety of teaching methods in the course， including innovative electronic-based teaching methods and using metaphor， humorous language， heuristic questions， graphic expression of important knowledge， etc. These methods can fully mobilize students' thinking and attention， vision， hearing， and the potential of knowledge and experience transfer， and stimulate students' initiative and enthusiasm in classroom learning， which has achieved better teaching results.

Key words： Pattern Recognition; interesting teaching; knowledge and experience transfer; metaphor; undergraduate course design