案例結(jié)合課堂學(xué)術(shù)報(bào)告的研究生模式識(shí)別課程改革與實(shí)踐

李兆飛 熊興中 王小剛

摘? 要： 目前模式識(shí)別課程存在教學(xué)內(nèi)容不完善、教學(xué)模式局限和考評(píng)機(jī)制單一等問(wèn)題，無(wú)法支撐研究生培養(yǎng)質(zhì)量的需求。為此，對(duì)該課程進(jìn)行了課內(nèi)、課外立體化的改革和實(shí)踐，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和教學(xué)考核機(jī)制等方面著手，構(gòu)建了開放式案例結(jié)合課堂學(xué)術(shù)報(bào)告以及案例復(fù)現(xiàn)的研究生模式識(shí)別課程。實(shí)踐證明，該教學(xué)模式能有效地提高研究生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞： 研究生; 模式識(shí)別; 案例教學(xué); 教學(xué)改革; 課程建設(shè)

中圖分類號(hào)：TP399? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2021）12-109-04

Abstract： At present， there are some problems in the pattern recognition course， such as imperfect teaching content， limited teaching mode and single evaluation mechanism， which cannot meet the needs of postgraduate training quality. Therefore， the three-dimensional reform and practice of the course in and out of class are carried out. Starting from the aspects of teaching content， teaching mode and teaching assessment mechanism， a postgraduate pattern recognition course with open cases， classroom academic reporting and case recurrence is constructed. Practice proves that the teaching mode can effectively improve post graduate students' learning interest and learning effect.

Key words： postgraduate student; pattern recognition; case teaching; teaching reform; course construction

0 引言

人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展將深刻改變?nèi)祟惿鐣?huì)生活。我國(guó)已成為全球人工智能的發(fā)展中心之一。模式識(shí)別作為人工智能的重要組成部分，是一門前沿的信息處理科學(xué)且引領(lǐng)著學(xué)科方向。模式識(shí)別，是在給定的任務(wù)下，讓機(jī)器對(duì)事物的信息進(jìn)行自動(dòng)分析和處理，在錯(cuò)誤概率最小的條件下，由機(jī)器使識(shí)別的結(jié)果與客觀事實(shí)相符合，討論機(jī)器認(rèn)識(shí)事物的基本屬性、基本方法及其實(shí)現(xiàn)情況。目前大熱的DL（Deep Learning，深度學(xué)習(xí)）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)儼然成為了人工智能的代名詞。

近十幾年來(lái)，模式識(shí)別一直是信息處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，無(wú)論是理論研究還是應(yīng)用實(shí)踐，都有很多進(jìn)展。目前，模式識(shí)別理論和方法已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，并在智能控制、計(jì)算機(jī)視覺、自適應(yīng)濾波和信號(hào)處理、非線性優(yōu)化、自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、連續(xù)語(yǔ)音識(shí)別、聲納信號(hào)的處理、知識(shí)處理、傳感技術(shù)與機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)工程、土木、交通、測(cè)繪工程等方面取得了很大的進(jìn)展。因此，模式識(shí)別技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平在一定意義上是一個(gè)國(guó)家和社會(huì)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志之一，也是人工智能相關(guān)學(xué)科的必修學(xué)位課程。

1 模式識(shí)別課程建設(shè)現(xiàn)狀

1929年，Tauschek發(fā)明了能閱讀0～9數(shù)字的閱讀機(jī)開始，標(biāo)志著模式識(shí)別學(xué)科的誕生，該領(lǐng)域的研究逐漸吸引了國(guó)內(nèi)外高校和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。此后，國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)高校中信息類學(xué)科的碩士和博士研究生階段都開設(shè)了該課程，其中，斯坦福大學(xué)和麻省理工學(xué)院在上世紀(jì)四十年代最早開設(shè)相關(guān)課程。教材建設(shè)方面，西奧多里迪斯（希臘）所著的《Pattern Recognition》，現(xiàn)已是第四版;Richard O.Duda所著的教材《Pattern Classification》;C.M.Bishop所著的教材《Pattern Recognition and Machine Learning》都是國(guó)外經(jīng)典的模式識(shí)別課程教材，也有相應(yīng)的中譯本[1]。當(dāng)前，斯坦福大學(xué)模式識(shí)別課程名稱為“機(jī)器學(xué)習(xí)”，課程代碼CS229，由國(guó)際知名的機(jī)器學(xué)習(xí)科學(xué)家Andrew Ng主講，并發(fā)布于著名的Coursera平臺(tái)供全球?qū)W習(xí)者學(xué)習(xí)及下載。

國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)從1981年獲得“模式識(shí)別與智能系統(tǒng)”碩、博士點(diǎn)開始，就為研究生開設(shè)了模式識(shí)別課程，隨后1988年編寫了模式識(shí)別教材（國(guó)家精品課程教材），到目前為止已經(jīng)是第三版。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、中科院的模式識(shí)別研究處于國(guó)際國(guó)內(nèi)領(lǐng)先行列。目前，很多學(xué)校甚至還資助經(jīng)費(fèi)將模式識(shí)別課程建設(shè)成了精品課程及雙語(yǔ)課程，清華大學(xué)的“模式識(shí)別基礎(chǔ)”課程在2007年被評(píng)為國(guó)家級(jí)精品課程[2]。此外，國(guó)防科技大學(xué)的蔡宣平團(tuán)隊(duì)采用孫即祥所著教材《現(xiàn)代模式識(shí)別》（國(guó)內(nèi)經(jīng)典教材之一）已建成模式識(shí)別國(guó)家級(jí)精品課程，這些都為該課程的教學(xué)和應(yīng)用研究做出了顯著貢獻(xiàn)。雖然有很多的教材、精品課程和網(wǎng)絡(luò)慕課資源可以借鑒學(xué)習(xí)，但是模式識(shí)別課程所涉及的理論及算法太多，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)難于掌握理解;不同的高校有不同的研究方向和應(yīng)用領(lǐng)域;目前最新的教材也滯后于模式識(shí)別研究的新成果和領(lǐng)域的新發(fā)展。

我校從2004年開始為模式識(shí)別與智能系統(tǒng)、控制科學(xué)與工程學(xué)科的研究生開設(shè)了與模式識(shí)別相關(guān)的智能計(jì)算課程，并且作為專業(yè)的必修課程。2008年開始，開設(shè)了模式識(shí)別課程，并且作為研究生的學(xué)位課程。

2 模式識(shí)別課程建設(shè)存在主要問(wèn)題

由于模式識(shí)別課程涉及到的數(shù)學(xué)理論（主要涉及概率論及線性代數(shù)等）及模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、繁多，對(duì)很多研究生來(lái)說(shuō)都感覺非?？菰铮y以理解，呈現(xiàn)出“老師難教，學(xué)生難學(xué)”的課程特點(diǎn)，嚴(yán)重影響相關(guān)學(xué)科研究生培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，也成為各高校研究生培養(yǎng)所面臨的共同問(wèn)題，歸納起來(lái)，主要有以下幾點(diǎn)[3-6]。

⑴ 模式識(shí)別課程教學(xué)內(nèi)容及實(shí)踐教學(xué)案例簡(jiǎn)單、有助于單個(gè)知識(shí)點(diǎn)的理解，缺乏對(duì)整體模式識(shí)別體系方法相關(guān)性的把握;也缺少前沿最新算法的案例及典型應(yīng)用。

⑵ 課堂教學(xué)與課外項(xiàng)目研究實(shí)踐缺少銜接。課程進(jìn)行了課堂理論及簡(jiǎn)單案例教學(xué)，但是課后一般是布置一些簡(jiǎn)單的計(jì)算題目，沒(méi)有和研究生有關(guān)課題研究進(jìn)行對(duì)接，呈現(xiàn)出課程學(xué)習(xí)和項(xiàng)目研究脫節(jié)現(xiàn)象。

⑶ 模式識(shí)別課程測(cè)評(píng)手段單一。該課程目前仍然以期末閉卷考試或者寫課程報(bào)告等傳統(tǒng)形式為主，缺乏多樣化、個(gè)性化的綜合課程學(xué)習(xí)考評(píng)機(jī)制。

3 模式識(shí)別課程改革及實(shí)踐

綜上，為提高研究生的學(xué)科視野、軟件開發(fā)能力，核心算法的實(shí)驗(yàn)仿真能力，與研究生客體研究做到無(wú)縫對(duì)接。在團(tuán)隊(duì)多年研究及教學(xué)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了開放式案例教學(xué)演示及課后案例復(fù)現(xiàn)擴(kuò)展的課堂研討式課程課內(nèi)、外立體式教學(xué)改革方案及具體實(shí)施方式。

3.1 教學(xué)內(nèi)容的專題模塊化構(gòu)建及實(shí)踐

通過(guò)團(tuán)隊(duì)成員對(duì)該課程多年的教學(xué)及相關(guān)學(xué)術(shù)研究的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建并實(shí)踐了該課程內(nèi)容的專題模塊[6-7]，所構(gòu)建的專題模塊如圖1所示。在圖1中，課程對(duì)控制科學(xué)與工程及電子信息專業(yè)學(xué)位研究生基于統(tǒng)計(jì)決策方法作為理論基礎(chǔ)，共分為監(jiān)督學(xué)習(xí)、非監(jiān)督學(xué)習(xí)、特征提取與特征選擇、模式識(shí)別系統(tǒng)的評(píng)價(jià)共四個(gè)大的專題模塊組，各專題模塊以統(tǒng)計(jì)決策方法作為前后銜接。每一專題模塊組又分為多個(gè)單元模塊，單元模塊又包含相應(yīng)單元的具體模式識(shí)別算法。通過(guò)這樣一個(gè)專題模塊，單元模塊，到具體算法的內(nèi)容構(gòu)建使學(xué)生掌握模式識(shí)別課程的基本內(nèi)容及脈絡(luò)，講授課件也從表格、模式識(shí)別算法模型、插圖等多方面著手，突出重點(diǎn)，將抽象難懂的內(nèi)容圖示化、形象化，強(qiáng)化教學(xué)效果。

3.2 案例內(nèi)容的單元模塊化構(gòu)建及實(shí)踐

通過(guò)對(duì)課程內(nèi)容專題模塊化建設(shè)，每一專題模塊又包含多個(gè)單元模塊組，每一單元模塊組又包含多個(gè)具體的算法模型。在課程內(nèi)容構(gòu)建的基礎(chǔ)上，課程構(gòu)建相應(yīng)的開放式案例庫(kù)，案例庫(kù)中的案例由教師科研項(xiàng)目成果分解出的和由往屆學(xué)生參與設(shè)計(jì)的可完成某特定任務(wù)的模塊化程序。案例分為若干單元模塊組，分別與課程講授內(nèi)容專題模塊相對(duì)應(yīng)。案例是開放式的基本模塊，可由學(xué)生進(jìn)一步擴(kuò)展優(yōu)化，便于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)術(shù)創(chuàng)新能力及與科研項(xiàng)目的無(wú)縫對(duì)接。比如用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行人臉識(shí)別，其程序包括人臉特征信號(hào)的提取、預(yù)處理、深度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、在Matlab環(huán)境下的仿真實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析幾個(gè)功能模塊。課程案例單元模塊化架構(gòu)如圖2所示。

案例模塊的建設(shè)中，目標(biāo)描述是完整描述案例的處理對(duì)象，輸入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，處理流程，處理方法和要達(dá)到的目標(biāo);方法對(duì)比分析是課程中相關(guān)方法的對(duì)比分析，這是案例的重要功能，通過(guò)對(duì)比分析，使學(xué)生了解各種模式識(shí)別模型的思想脈絡(luò)及學(xué)習(xí)過(guò)程和應(yīng)用特點(diǎn);問(wèn)題歸納由師生共同完成對(duì)實(shí)驗(yàn)和研討的歸納總結(jié)，結(jié)論以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，介紹最新研究成果。所有案例都采用Matlab（課堂）進(jìn)行圖形化結(jié)果仿真演示、評(píng)講及課堂研討，主要采用鳶尾花數(shù)據(jù)集和人臉數(shù)據(jù)集進(jìn)行分類識(shí)別，所建設(shè)的案列均以直觀的方式嵌入到各專題配套課件理論介紹之后，從而升華學(xué)生對(duì)模式識(shí)別課程相關(guān)內(nèi)容的理。

3.3 案例課后擴(kuò)展復(fù)現(xiàn)及翻轉(zhuǎn)課堂研討的教學(xué)模式建設(shè)及實(shí)踐

⑴ 案例課后擴(kuò)展復(fù)現(xiàn)

課程改革及實(shí)踐中，除了啟發(fā)式講解專題模塊化內(nèi)容并采用Matlab對(duì)相關(guān)專題算法通過(guò)案例編程實(shí)現(xiàn)及教學(xué)研討，加深學(xué)生對(duì)相關(guān)專題知識(shí)的理解和掌握外，課程的另一個(gè)建設(shè)內(nèi)容是對(duì)相關(guān)案例以研討小組為單位通過(guò)Python（要求學(xué)生通過(guò)Google公司的基于Python語(yǔ)言的開源平臺(tái)Tensorflow實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)案例，簡(jiǎn)單案例通過(guò)Python語(yǔ)言的集成平臺(tái)Anocoda編寫代碼）在課后進(jìn)行復(fù)現(xiàn)作為作業(yè)并進(jìn)一步擴(kuò)展，加深對(duì)相關(guān)專題案例的理解和應(yīng)用。因Python大多通過(guò)調(diào)用不同的包就能實(shí)現(xiàn)相關(guān)程序，有助于引導(dǎo)學(xué)生對(duì)案列進(jìn)一步的應(yīng)用，理解模式識(shí)別基本算法，并能夯實(shí)Python編程知識(shí)。

⑵ 翻轉(zhuǎn)課堂研討

此外，課程改革的另一部分建設(shè)內(nèi)容是采用翻轉(zhuǎn)課堂的研討式教學(xué)，課程設(shè)計(jì)在第一次開課時(shí)將班級(jí)同學(xué)分成多個(gè)學(xué)習(xí)研討小組，每個(gè)小組6～8人左右，開課之初就會(huì)布置給學(xué)生相應(yīng)的自學(xué)內(nèi)容（與模式識(shí)別相關(guān)專題或前沿進(jìn)展），要求學(xué)生按小組進(jìn)行分組討論學(xué)習(xí)，并在第四次課程開始按小組順序結(jié)合PPT在課堂進(jìn)行學(xué)術(shù)小報(bào)告，并要求全體學(xué)生進(jìn)行討論。項(xiàng)目已設(shè)計(jì)學(xué)生自學(xué)研討的內(nèi)容主要有：距離及其表示;統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別中非參數(shù)估計(jì)的案例設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn);深度學(xué)習(xí)的最新發(fā)展綜述;強(qiáng)化學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)、聯(lián)邦學(xué)習(xí)的概念及實(shí)現(xiàn)案例;模糊C均值算法原理及Matlab案列等，自學(xué)研討的內(nèi)容也可以是學(xué)生自由選題與課程內(nèi)容相關(guān)的知識(shí)。這樣翻轉(zhuǎn)課堂式的課堂學(xué)術(shù)小報(bào)告不僅能培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神，也能培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)、演講及掌握相關(guān)知識(shí)的能力，加大了同學(xué)們學(xué)習(xí)課程相關(guān)知識(shí)理解的深度，營(yíng)造了很好的課程學(xué)習(xí)氛圍。實(shí)踐結(jié)果是學(xué)生有很大的參與熱情，營(yíng)造了濃郁的課題學(xué)習(xí)及學(xué)術(shù)研究熱情。

3.4 模式識(shí)別系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)報(bào)告建設(shè)及實(shí)踐

課程結(jié)束時(shí)，要求學(xué)生以研討小組為單位提交一份與模式識(shí)別課程相關(guān)的課程綜合設(shè)計(jì)報(bào)告，報(bào)告內(nèi)容可以是課程相關(guān)案例及知識(shí)的擴(kuò)展，也可以是參與實(shí)施的導(dǎo)師科研項(xiàng)目。報(bào)告中必須包含設(shè)計(jì)目的，數(shù)據(jù)來(lái)源及形式，模型原理，算法編程實(shí)現(xiàn)，算法結(jié)果可視化展示及效果評(píng)價(jià)等方面[8]。該綜合設(shè)計(jì)報(bào)告可以強(qiáng)化學(xué)生對(duì)模式識(shí)別算法相關(guān)知識(shí)理解及實(shí)際掌握，實(shí)現(xiàn)從理論到實(shí)踐的知識(shí)轉(zhuǎn)化，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生自主及個(gè)性學(xué)習(xí)、實(shí)踐創(chuàng)新以及創(chuàng)業(yè)探索能力的培養(yǎng)，最終培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)際工程項(xiàng)目的協(xié)作及學(xué)術(shù)論文的寫作能力。

3.5 課程學(xué)習(xí)成果的合理教學(xué)質(zhì)量考評(píng)機(jī)制建設(shè)及實(shí)踐

由于模式識(shí)別在控制科學(xué)、電子信息類專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)的特殊地位，也是當(dāng)前人工智能的研究前沿和熱點(diǎn)。因此，對(duì)課程學(xué)習(xí)成果的考核及評(píng)價(jià)不能簡(jiǎn)單的采用傳統(tǒng)考試給分的方式進(jìn)行。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，采用了多樣化的課程成績(jī)?cè)u(píng)定與研究生導(dǎo)師反饋評(píng)價(jià)相結(jié)合的考評(píng)機(jī)制。

⑴ 課程成績(jī)?cè)u(píng)定 該課程在研究生培養(yǎng)體系中屬于考試必修課，因此，課程成績(jī)的評(píng)定我們采用出勤占5%、課堂學(xué)術(shù)報(bào)告占15%、課后案例復(fù)現(xiàn)占15%、綜合設(shè)計(jì)報(bào)告占15%、期末半開卷考試占50%的綜合、多樣化的課程成績(jī)?cè)u(píng)定方式，最終課程成績(jī)?cè)u(píng)定=出勤×5%+課堂學(xué)術(shù)報(bào)告×15%+課后案例復(fù)現(xiàn)×15%+綜合設(shè)計(jì)報(bào)告×15%+期末半開卷考核成績(jī)×50%。其中課堂學(xué)術(shù)報(bào)告根據(jù)研討小組成員貢獻(xiàn)大小及講解內(nèi)容和效果依次給分，最高分15分;課后案列復(fù)現(xiàn)及綜合設(shè)計(jì)報(bào)告根據(jù)研討小組團(tuán)隊(duì)成員自己給出的貢獻(xiàn)率并結(jié)合完成效果及完成情況依次給分，最高分15分;期末半開卷考試：期末考試一般基礎(chǔ)題（選擇、填空及判斷）30分，簡(jiǎn)答題30分，計(jì)算及編程改錯(cuò)題40分?？荚囍辉试S學(xué)生攜帶一張自己總結(jié)了相關(guān)課程內(nèi)容知識(shí)的A4紙，我們稱這種形式為“半開卷”考試。

⑵ 課程教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià) 課程以掌握基本內(nèi)容、培養(yǎng)研究思維及提高研究能力為目標(biāo)，通過(guò)“學(xué)生自評(píng)和導(dǎo)師反饋評(píng)價(jià)”相結(jié)合的課程質(zhì)量評(píng)價(jià)方式。把教學(xué)內(nèi)容和所支撐的課程分目標(biāo)對(duì)應(yīng)，把課程分目標(biāo)與相應(yīng)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)。通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查的方式評(píng)價(jià)課程學(xué)習(xí)后各個(gè)目標(biāo)的“達(dá)成度”作為學(xué)生學(xué)習(xí)課程的“獲得感”或成功與否的標(biāo)準(zhǔn)。后續(xù)我們將考慮通過(guò)更合理有效的方式評(píng)估學(xué)生的知識(shí)建構(gòu)與能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

為提高教學(xué)質(zhì)量并持續(xù)推進(jìn)課程教學(xué)改革，形成以學(xué)生為中心的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)實(shí)踐改革模式，加強(qiáng)學(xué)生綜合創(chuàng)新及研究能力的培養(yǎng)。對(duì)模式識(shí)別課程的教學(xué)我們進(jìn)行了課內(nèi)、課外立體化的改革及實(shí)踐，并以“算法模型理論講授+Matlab案例演示+課堂研討+相應(yīng)的Python案例編程課后復(fù)現(xiàn)擴(kuò)展+綜合設(shè)計(jì)報(bào)告”綜合考評(píng)的方式，結(jié)合我校及我學(xué)科的特點(diǎn)，呈現(xiàn)模式識(shí)別的原理和新發(fā)展，通過(guò)實(shí)踐，該教學(xué)模式能有效提高研究生的學(xué)習(xí)興趣和課程學(xué)習(xí)效果，能與今后的項(xiàng)目研究有很好的銜接。

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