以知識(shí)應(yīng)用為導(dǎo)向的工科專(zhuān)業(yè)案例教學(xué)模式研究

摘 "要 "常規(guī)教學(xué)模式中理論和實(shí)踐教學(xué)相分離，理論教學(xué)內(nèi)容枯燥且與應(yīng)用脫節(jié)。針對(duì)此問(wèn)題，構(gòu)建以應(yīng)用為導(dǎo)向的案例教學(xué)模式，以案例為主線(xiàn)、教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體，不斷優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和考核方式，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，獨(dú)立發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題以及應(yīng)變的能力，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和參與熱情，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)課程的教學(xué)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞 "案例教學(xué)法；工科專(zhuān)業(yè)；模式識(shí)別與機(jī)器學(xué)習(xí)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.4 " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）13-0070-04

0 "引言

國(guó)際著名教育改革理論專(zhuān)家哈維洛克（R. G."Havelock）教授曾對(duì)“教育改革”作過(guò)定義：“教育改革就是教育現(xiàn)狀所發(fā)生的任何有意義的轉(zhuǎn)變?！盵1]

伴隨著我國(guó)綜合國(guó)力的提升，為適應(yīng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展，教育部、河南省教育廳提出教育發(fā)展戰(zhàn)略改革路線(xiàn)及目標(biāo)，河南省高校等相關(guān)單位根據(jù)自身發(fā)展路線(xiàn)和方向，提出相應(yīng)的教育發(fā)展計(jì)劃以及要求。

河南省高校圍繞高等教育“雙一流建設(shè)”“一流本科建設(shè)”和“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育建設(shè)”，以“教改促實(shí)踐、實(shí)踐出成果、成果提質(zhì)量”為目標(biāo)，堅(jiān)持問(wèn)題導(dǎo)向，注重教學(xué)實(shí)效，突出創(chuàng)新性、前瞻性、可操作性。在教育改革思想的指導(dǎo)下，中原工學(xué)院緊緊圍繞省教育廳的相關(guān)政策要求，鼓勵(lì)和支持教師創(chuàng)新教學(xué)、實(shí)踐模式，開(kāi)展課堂改革，把優(yōu)秀的教學(xué)案例升華為優(yōu)秀的教改成果[2]。

工科案例方法是理論聯(lián)系實(shí)際的一種教學(xué)模式，結(jié)合當(dāng)前區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求與教育的關(guān)系，案例教學(xué)法已逐漸成為當(dāng)前專(zhuān)業(yè)技術(shù)課程教學(xué)的研究與實(shí)踐熱點(diǎn)之一[3-4]。早期，研究者將案例教學(xué)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、法學(xué)等領(lǐng)域；之后，案例教學(xué)逐漸進(jìn)入工科領(lǐng)域，并得到教育學(xué)者的廣泛關(guān)注。近幾年隨著科技的發(fā)展，工科實(shí)踐的教學(xué)理念得到深化。

案例教學(xué)模式適應(yīng)時(shí)代的需求，將培養(yǎng)學(xué)生思維、實(shí)踐能力作為重要目標(biāo)，已逐步成為工科專(zhuān)業(yè)課程的一種實(shí)用性教學(xué)方法。在這里，主要圍繞模式識(shí)別與機(jī)器學(xué)習(xí)課程展開(kāi)研究，通過(guò)對(duì)課程的研究和教學(xué)實(shí)施，達(dá)到以下目的：

首先，掌握當(dāng)前專(zhuān)業(yè)課程的案例教學(xué)運(yùn)行狀態(tài)，如學(xué)生接受程度及教學(xué)實(shí)踐效果；

其次，分析案例教學(xué)模式的要素及機(jī)理，逐步完善；

最后，發(fā)掘案例教學(xué)模式實(shí)施中存在的主要問(wèn)題并改進(jìn)。

1 "案例教學(xué)法的現(xiàn)狀及特點(diǎn)

1.1 "教育教學(xué)現(xiàn)狀

近年來(lái)，為促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)服務(wù)發(fā)展，在教育戰(zhàn)略的指導(dǎo)下，高校、科研機(jī)構(gòu)已進(jìn)行多次較大力度的教學(xué)和實(shí)踐改革，教育界涌現(xiàn)出多種多樣的教學(xué)理念、教學(xué)模式以及實(shí)踐方法，如“三三六”模式、對(duì)分課堂和循環(huán)大課堂等。林永波等人[5]分析課程設(shè)置、教學(xué)方法、學(xué)習(xí)年限等問(wèn)題，借鑒國(guó)外培養(yǎng)方式，總結(jié)教學(xué)中存在的一些問(wèn)題，提出進(jìn)一步深化教學(xué)改革的措施。2014年，余清臣等人[6]從反思的角度提出教學(xué)模式改革的內(nèi)涵，認(rèn)為課堂教學(xué)模式應(yīng)該定位于教育教學(xué)理念轉(zhuǎn)換、教學(xué)環(huán)節(jié)和運(yùn)行程序的改革。

《國(guó)家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出：“人才供給和高校創(chuàng)新能力明顯提升，創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型和技術(shù)技能型人才培養(yǎng)比例顯著提高，人才培養(yǎng)結(jié)構(gòu)更趨合理?！?018年，王秀鳳等人[7]進(jìn)行以應(yīng)用為導(dǎo)向的膠體與界面化學(xué)互動(dòng)式教學(xué)改革與實(shí)踐，探索各種形式的互動(dòng)教學(xué)和實(shí)踐方法。

隨著“輕論文、重實(shí)踐”教育導(dǎo)向逐漸占據(jù)上風(fēng)，高等教育開(kāi)始重拾案例教學(xué)法，尤其體現(xiàn)在工科的教學(xué)與研究中。2021年，羅黎等人[8]進(jìn)行了基于工程案例的液壓與氣動(dòng)技術(shù)課程教學(xué)改革，從知識(shí)點(diǎn)、綜合應(yīng)用角度研究工學(xué)課程的教學(xué)與實(shí)踐。段金龍[9]研究了案例教學(xué)法在空間分析與信息應(yīng)用實(shí)踐課程教學(xué)中的應(yīng)用，探索和討論案例教學(xué)法在專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用前景、組織架構(gòu)和注意事項(xiàng)并簡(jiǎn)要分析，以期為案例教學(xué)法在空間信息與數(shù)字技術(shù)專(zhuān)業(yè)中的發(fā)展提供理論導(dǎo)向。

當(dāng)前，我國(guó)高等教育的教學(xué)和實(shí)踐，尤其是河南省高等教育改革和實(shí)踐，仍然是任重而道遠(yuǎn)。河南省整體特點(diǎn)是人口多，教育資源貧瘠，存在如下問(wèn)題：

1）教學(xué)理念不受重視，先進(jìn)的教學(xué)理念處于弱勢(shì)；

2）教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新性、綜合性和前沿性不足；

3）培養(yǎng)計(jì)劃以及課程設(shè)置缺乏科學(xué)合理性；

4）學(xué)生的創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)不夠；

5）考核方式單一，標(biāo)準(zhǔn)不完善。

1.2 "特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

案例教學(xué)法是理論知識(shí)與實(shí)際案例相結(jié)合的一種教學(xué)實(shí)踐方法。通過(guò)搜集、組織案例，分析案例，歸納知識(shí)點(diǎn)，達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)掌握和實(shí)踐能力提升齊頭并進(jìn)。在案例教學(xué)過(guò)程中把學(xué)生作為課堂教學(xué)的主體，采用探討式、互動(dòng)式的教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生積極思考、參與討論，主動(dòng)進(jìn)入教學(xué)情境，跟隨教學(xué)與實(shí)踐的每個(gè)環(huán)節(jié)。鼓勵(lì)差異性回答，訓(xùn)練學(xué)生發(fā)散性思維，重視總結(jié)和反思，強(qiáng)化舉一反三的思維模式。通過(guò)對(duì)典型案例的探討與講解，讓學(xué)生掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，構(gòu)建知識(shí)點(diǎn)圖譜，以問(wèn)題導(dǎo)向的方式實(shí)現(xiàn)理論實(shí)踐掌握，同時(shí)掌握工程實(shí)踐流程及其解決方法。

案例教學(xué)法彌補(bǔ)了工科專(zhuān)業(yè)課程課堂教學(xué)枯燥、單調(diào)、乏味等不足。在案例教學(xué)前，學(xué)生需要在課前對(duì)案例相關(guān)的概念、理論開(kāi)展查找、搜集資料，分析、集體討論等活動(dòng)；在課堂上，學(xué)生思維進(jìn)入案例教學(xué)過(guò)程。案例教學(xué)做到精講多練，在精講教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，更重要的是注重實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)的傳授以及激發(fā)學(xué)生互動(dòng)、發(fā)散性思維。根據(jù)知識(shí)點(diǎn)和案例工程的需要，突出相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的實(shí)用性以及新穎性，從內(nèi)容上貼近前沿工程技術(shù)。

2 "以應(yīng)用為導(dǎo)向的案例教學(xué)法設(shè)計(jì)與實(shí)施

高等教育教學(xué)應(yīng)以課題理論研究和實(shí)踐應(yīng)用為導(dǎo)向，以理論學(xué)習(xí)與研究指導(dǎo)實(shí)踐應(yīng)用，通過(guò)應(yīng)用促進(jìn)理論理解和掌握，即做到“以學(xué)促用，以用檢學(xué)”。案例教學(xué)法以真實(shí)案例為教學(xué)內(nèi)容，包括課堂內(nèi)容組織，案例關(guān)聯(lián)的知識(shí)點(diǎn)圖譜、案例素材搜集，引入案例，分析和討論案例，總結(jié)案例。在案例教學(xué)中，理論與實(shí)踐的關(guān)系如圖1所示。首先，根據(jù)課堂內(nèi)容安排挑選、組織素材，建立素材與知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性，讓學(xué)生提前閱讀、思考案例；其次，討論案例解決的問(wèn)題以及采用的方法、實(shí)施環(huán)節(jié)以及注意事項(xiàng)；最后，總結(jié)、反思學(xué)習(xí)過(guò)程。

目前，中原工學(xué)院電子信息學(xué)院開(kāi)設(shè)的課程主要有基礎(chǔ)課程、專(zhuān)業(yè)課程以及選修課程，如科研方法論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、電路原理、數(shù)字電路、模擬電路、人工智能、矩陣分析、隨機(jī)過(guò)程、模式識(shí)別與機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等。根據(jù)專(zhuān)業(yè)課程的教育教學(xué)和實(shí)踐以及學(xué)生的實(shí)際情況，分別對(duì)課堂教學(xué)與實(shí)踐、課后輔導(dǎo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，研究知識(shí)應(yīng)用為導(dǎo)向的案例教學(xué)和實(shí)踐模式以及評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.1 "學(xué)情分析

以筆者所在學(xué)校專(zhuān)業(yè)課程為例，學(xué)生整體水平處于中等偏上，部分學(xué)生的學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)，素質(zhì)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，AI應(yīng)用技術(shù)得到快速發(fā)展，受大環(huán)境發(fā)展趨勢(shì)的影響，相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情高漲。對(duì)于模式識(shí)別與機(jī)器學(xué)習(xí)課程來(lái)說(shuō)，理論課程的學(xué)習(xí)需要一定的基礎(chǔ)知識(shí)（如高等數(shù)學(xué)、概率論、矩陣分析等），因此，基礎(chǔ)知識(shí)薄弱的學(xué)生容易喪失學(xué)習(xí)的積極性和熱情。

模式識(shí)別與機(jī)器學(xué)習(xí)課程總計(jì)13章內(nèi)容，教學(xué)時(shí)間為一個(gè)學(xué)期，共56個(gè)學(xué)時(shí)。針對(duì)教學(xué)對(duì)象接受能力參差不齊的現(xiàn)象，將課程分為兩部大部分，即基礎(chǔ)教育和提升教育。在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)第二階段的提升學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)差異化教學(xué)，達(dá)到課程教學(xué)的目的。

2.2 "教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)課程教學(xué)目標(biāo)、大綱以及課時(shí)要求，并結(jié)合區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教案等材料作出規(guī)劃。模式識(shí)別與機(jī)器學(xué)習(xí)課程包括13章內(nèi)容：第一章，緒論；第二章，統(tǒng)計(jì)判別；第三章，判別函數(shù)；第四章，特征選擇和提?。坏谖逭?，句法模式識(shí)別；第六章，統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)；第七章，有監(jiān)督學(xué)習(xí)基礎(chǔ)算法；第八章，支持向量機(jī)；第九章，無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)與半監(jiān)督學(xué)習(xí)；第十章，圖模型基礎(chǔ)；第十一章，集成學(xué)習(xí)；第十二章，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與深度學(xué)習(xí)；第十三章，典型應(yīng)用案例。

根據(jù)章節(jié)安排以及知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)性，并結(jié)合案例教學(xué)法的特點(diǎn)，重新梳理知識(shí)點(diǎn)，分簇、模塊化、層次化，如圖2所示。第一、二、三、四、五、六、七章是該課程的基本理論部分；第八、九、十、十一、十二、十三章是知識(shí)點(diǎn)組織、提升到框架模型層面，為課程的提升部分。

2.3 "教學(xué)過(guò)程

滿(mǎn)足企業(yè)、社會(huì)的需求是工科學(xué)生學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)課的根本目的。根據(jù)教學(xué)大綱的安排，結(jié)合科技產(chǎn)品的功能模塊，梳理知識(shí)點(diǎn)，做到實(shí)踐與專(zhuān)業(yè)知識(shí)有機(jī)結(jié)合，理論學(xué)習(xí)有的放矢。以科技產(chǎn)品引領(lǐng)知識(shí)學(xué)習(xí)，以理論知識(shí)學(xué)習(xí)創(chuàng)新應(yīng)用，推動(dòng)教學(xué)內(nèi)容充實(shí)、新穎，做到模式識(shí)別與機(jī)器學(xué)習(xí)課程的教學(xué)、實(shí)踐與時(shí)俱進(jìn)。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容安排，案例教學(xué)主要體現(xiàn)在三個(gè)環(huán)節(jié)：1）案例設(shè)計(jì)與分析；2）案例討論；3）案例歸納與知識(shí)點(diǎn)提升。案例教學(xué)法的思路與流程如圖3所示。在整個(gè)案例教學(xué)過(guò)程中，需要注意以下關(guān)鍵點(diǎn)。

2.3.1 "案例與知識(shí)點(diǎn)關(guān)聯(lián) "在理論與實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)案例，分析其工作原理，凝練和模式識(shí)別與機(jī)器學(xué)習(xí)課程相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)。如央視頻道人工智能大講堂的案例或XBOT服務(wù)機(jī)器人，即機(jī)器人對(duì)聲音或事物的識(shí)別、交互，機(jī)器人按照人的意愿完成某種行為（語(yǔ)音交互、身份識(shí)別）等。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用案例，講解機(jī)器人在識(shí)別過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)的處理環(huán)節(jié)：提取特征及事件表達(dá)、訓(xùn)練模型、分類(lèi)識(shí)別。對(duì)于提取特征及表達(dá)模塊，重點(diǎn)介紹提取特征的方法（如在圖像方面，采用SIFT、Harris

以及深度學(xué)習(xí)方法等）、k-means聚類(lèi)算法或GMM建立特征碼本及k-means或GMM碼本學(xué)習(xí)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)等。對(duì)于訓(xùn)練模型，講解如何設(shè)計(jì)模型和初始化參數(shù)，并優(yōu)化模型參數(shù)的算法等。對(duì)于每一塊涉及模式識(shí)別與機(jī)器學(xué)習(xí)的重要知識(shí)點(diǎn)，作出理論講解及其軟件實(shí)現(xiàn)方法介紹。

同樣，在模式識(shí)別與機(jī)器學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部分，為增強(qiáng)學(xué)習(xí)知識(shí)的交叉性，引入深度學(xué)習(xí)課程的基礎(chǔ)知識(shí)，講解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的種類(lèi)、工作原理及其優(yōu)化訓(xùn)練算法，講解不同網(wǎng)絡(luò)之間的差異性等。引入實(shí)例，如兒童在成長(zhǎng)過(guò)程中如何認(rèn)識(shí)事物，講解為什么深度學(xué)習(xí)需要大量數(shù)據(jù)才能訓(xùn)練出較好模型，以及從深度學(xué)習(xí)的角度講解諺語(yǔ)“姜還是老的辣”的道理。

2.3.2 "知識(shí)點(diǎn)與需求關(guān)系構(gòu)建知識(shí)圖譜 "傳統(tǒng)的教學(xué)方法大都采用知識(shí)序貫灌輸?shù)姆绞?，?duì)知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)以及知識(shí)點(diǎn)的組合應(yīng)用缺乏系統(tǒng)性。為了更好地激發(fā)學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，課程采用應(yīng)用導(dǎo)向型案例教學(xué)模式，依據(jù)知識(shí)點(diǎn)，拓展、概括知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用領(lǐng)域，搭建課程知識(shí)點(diǎn)圖譜結(jié)構(gòu)，促使知識(shí)點(diǎn)與知識(shí)點(diǎn)、知識(shí)點(diǎn)與實(shí)際應(yīng)用關(guān)聯(lián)，如掃地機(jī)器人、智能物流、XBOT多功能服務(wù)機(jī)器人、高德語(yǔ)音導(dǎo)航、語(yǔ)音在線(xiàn)翻譯、京東客服機(jī)器人、雙目視覺(jué)定位等案例。

2.4 "考核方式

工科專(zhuān)業(yè)以應(yīng)用為導(dǎo)向的案例教學(xué)法，在考核方式上應(yīng)結(jié)合教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)相應(yīng)的考核方式。常規(guī)的考核方式輕過(guò)程、重理論，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏積極性，臨近期末采用突擊方式學(xué)習(xí)理論知識(shí)。在新的教學(xué)實(shí)踐評(píng)價(jià)模式下，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的比重增加，在案例探討與實(shí)踐課上增加考核比例，即傾向于非正式考試或單元測(cè)驗(yàn)。學(xué)生的最終成績(jī)由形成性評(píng)估（formative evaluation）成績(jī)和期末理論考試成績(jī)共同決定，可合理地反映學(xué)生的付出和學(xué)習(xí)成效。形成性評(píng)估和期末理論考試成績(jī)比例如表1所示。

3 "結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)兩年的實(shí)踐，已將電子信息專(zhuān)業(yè)課程模式識(shí)別與機(jī)器學(xué)習(xí)建設(shè)成綜合性較強(qiáng)的課程，構(gòu)建了理論與實(shí)踐銜接恰當(dāng)?shù)陌咐虒W(xué)模式，完成了教學(xué)內(nèi)容的整合與更新，課程內(nèi)容在保留原有重要理論知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，增加了前沿性的科技信息，授課內(nèi)容更加系統(tǒng)、完善。以知識(shí)應(yīng)用為導(dǎo)向的案例教學(xué)模式讓學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)通過(guò)改革綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，全面提升學(xué)生的個(gè)人動(dòng)手能力、工程系統(tǒng)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

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