人工智能背景下模式識別課程的教學(xué)實踐與改革

劉國利　何啟健

摘 要：隨著人工智能的快速發(fā)展，模式識別課程成為電子信息類專業(yè)的一門專業(yè)核心課?；谀Ｊ阶R別課程多學(xué)科知識融合、算法復(fù)雜抽象等特點，針對高職院校應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，本文總結(jié)模式識別課程傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，以柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和課程評價體系等方面進行了改革，取得了較好的教學(xué)效果，以滿足高職院校不同知識背景，不同需求的學(xué)生，使其在人工智能領(lǐng)域發(fā)揮最大作用。

關(guān)鍵詞：模式識別 教學(xué)改革 應(yīng)用型人才

1 引言

近年來，隨著人工智能的快速發(fā)展，社會各行各業(yè)對人工智能技術(shù)和人才的需求不斷增長。2017年7月8日，國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》的通知，明確規(guī)定人工智能的三步走措施，將人工智能發(fā)展提升到國家戰(zhàn)略層面。2020年教育部新增高職院校人工智能專業(yè)，促進了人工智能應(yīng)用型人才的加速培養(yǎng)。

在該背景下，模式識別作為人工智能的一個重要研究方向，也有了強勁的生存和發(fā)展空間。模式識別主要解決人工智能的感知問題，在圖像識別、語音識別、無人駕駛、心跳異位搏動識別等行業(yè)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

本文以高職院校應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)為切入點，以模式識別課程的實踐教學(xué)為基礎(chǔ)，分析高職院校該課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力，提升學(xué)生的專業(yè)技能。

2 模式識別課程傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題

2.1 教學(xué)內(nèi)容老舊

在網(wǎng)絡(luò)搜索已出版的模式識別教材，發(fā)現(xiàn)適用于高職院校應(yīng)用型的教材較少，教學(xué)內(nèi)容多是當(dāng)下已經(jīng)非常成熟的技術(shù)方法，如聚類分析、線性/非線性判別分析，模糊模式識別等，缺少對新技術(shù)、新方法的引入，如語音識別、圖像分類。因此，教師在教學(xué)過程中必須引入當(dāng)下最新的模式識別技術(shù)成果，以適應(yīng)時代發(fā)展的最新趨勢。

2.2 重理論，輕實踐

傳統(tǒng)模式識別課程理論教學(xué)內(nèi)容的時長在整個授課進度計劃中的占比較大，“PPT+講解”占多數(shù)，忽略了實踐教學(xué)內(nèi)容的重要性，與高職院校應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)不符，導(dǎo)致學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)興趣大幅降低，未幫助學(xué)生掌握相對應(yīng)的職業(yè)技能。

2.3 被動式教學(xué)

傳統(tǒng)教學(xué)方法下，知識是由教師“灌輸”給學(xué)生的，學(xué)生只是被動的接受。這種以“教師”為中心的課堂最終取得的教學(xué)效果微乎其微。不管何種教育，學(xué)生都是是教育的主體，也是教育的主人。因此，課堂教學(xué)要順應(yīng)時代發(fā)展的潮流，實現(xiàn)從“以教師為中心”到“以學(xué)生為中心”的轉(zhuǎn)變，為學(xué)生提供更為合理、舒適的教育環(huán)境。

2.4 單一的評價體系

閉卷考試+平時作業(yè)成績是大多數(shù)課程選擇的考核方式，在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，這種單一的課程評價體系雖然可以考核學(xué)生是否已掌握主要知識，但無法適用于不同基礎(chǔ)層次的高職學(xué)生，學(xué)生無較大的學(xué)習(xí)動力與積極性。因此，優(yōu)化課程評價體系，在其中加入學(xué)生的課堂表現(xiàn)、動手操作能力、創(chuàng)新能力，能夠有效提高教學(xué)效果。

3 模式識別課程教學(xué)改革思路

因此在模式識別課程中采取如下思路進行改革：①研究課程教學(xué)內(nèi)容，保留經(jīng)典知識內(nèi)容，引入前沿科技；②豐富教學(xué)方法與手段，提高教學(xué)效果；③注重學(xué)生創(chuàng)新、操作能力的提升。

通過以上教學(xué)改革思路，使得模式識別課程的教學(xué)緊跟人工智能行業(yè)的發(fā)展需求，讓學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)與企業(yè)要求相匹配，最終實現(xiàn)綜合能力的提升。

4 模式識別課程教學(xué)改革具體措施

4.1 教學(xué)內(nèi)容改革

1）調(diào)整“基礎(chǔ)性”與“前沿性”知識比例，緊跟科技發(fā)展熱點。

傳統(tǒng)模式識別課程在教學(xué)內(nèi)容上普遍以已經(jīng)成熟的原理和方法為主，缺少對新技術(shù)、新方法的引入。特別對于“00后”來說，網(wǎng)絡(luò)、科技更新已經(jīng)是非常普遍的事情。因此在教學(xué)過程中調(diào)整了教學(xué)內(nèi)容，將6類“前沿性”知識以項目實例的方式引入在教學(xué)內(nèi)容中，擴大以應(yīng)用為主導(dǎo)的教學(xué)內(nèi)容在整個課程體系中的占比，讓學(xué)生能夠加深對新技術(shù)、新知識的理解。6類“前沿性”內(nèi)容分別是：①文字識別；②語音識別；③圖像識別；④時間序列預(yù)測；⑤人臉識別；⑥生物特征識別。

例如，在講授卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊時，從學(xué)生身邊的實例—校園人臉識別門禁入手，淡化學(xué)生對卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的陌生感，使新知識、新技術(shù)變?yōu)閷W(xué)生身邊的“常態(tài)”，促進知識的理解與掌握。

部分新技術(shù)在現(xiàn)有教材中尚未出現(xiàn)，解決方法是引入國際前沿論文與網(wǎng)絡(luò)講座，通過課前將資料提供給學(xué)生，課中一起討論研究，課后進行總結(jié)歸納的方式，讓學(xué)生感受模式識別的“國際范”，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度與競爭意識。

2）優(yōu)化實踐環(huán)節(jié)，適當(dāng)提高體驗式實驗比例。

通過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)修讀模式識別課程學(xué)生的基礎(chǔ)、需求各不相同，增加了教學(xué)難度。因此在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)過程中，選擇盡量貼近實際應(yīng)用需求與可操作性的實驗內(nèi)容，避免學(xué)生出現(xiàn)“不懂、不會”的挫敗感。在課程初期，降低實驗難度，簡化代碼難度，通過體驗式實驗，讓學(xué)生感受模式識別的魅力，降低學(xué)生對模式識別課程的排斥和畏難情緒。課程后期逐漸增加實驗難度，在教師提供代碼的基礎(chǔ)上，基于工作任務(wù)完成個性化操作。

如在語音識別實驗環(huán)節(jié)中，教師以手機中的語音助手“小愛，給我來首歌”為例，發(fā)布語音轉(zhuǎn)文字實驗任務(wù)，提供網(wǎng)絡(luò)實驗平臺，學(xué)生只需按照任務(wù)要求錄制一段語音，使其能夠在語音轉(zhuǎn)文字實驗平臺成功轉(zhuǎn)為文字。將這種體驗式實驗放在教學(xué)前期，能夠大幅降低學(xué)生對新知識的陌生與排斥感，從而達到有效教學(xué)的目的。

3）融入思政元素，培養(yǎng)學(xué)生的工匠精神。

目前模式識別等人工智能類課程主要以程序設(shè)計、開發(fā)等應(yīng)用型方向為人才培養(yǎng)目標(biāo)，時間久了會讓學(xué)生產(chǎn)生枯燥感，喪失學(xué)習(xí)動力。因此，教師在講授專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，通過情景導(dǎo)入、故事引入、主體結(jié)合、內(nèi)容融合、教師總結(jié)、學(xué)生感想等方法，將課程思政融入到日常教學(xué)中。例如，在模式識別開學(xué)第一課中，首先展示國務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知，分析人工智能人才需求缺口很大，供給不足的現(xiàn)狀，學(xué)生有了“被需要”的感覺，對知識的獲得需求會大幅提升。在聚類算法中，通過“人以群分、物以類聚”、“近朱者赤近墨者黑”等經(jīng)典哲學(xué)道理，在教會學(xué)生知識的同時，也教導(dǎo)“以誠為本，以信為天”的道理。

將課程思政元素貫穿到課程的各個內(nèi)容、環(huán)節(jié)中，在智慧職教平臺展現(xiàn)經(jīng)典思政案例，避免了學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容的厭倦，讓學(xué)生感受到積極向上的育人元素。引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、職業(yè)道德、社會主義核心價值觀等向好的方向不斷發(fā)展，最終做到既育人又育智的核心目標(biāo)。

4.2 教學(xué)方法改革

1）項目教學(xué)法與任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)法相結(jié)合。

改變傳統(tǒng)按照章節(jié)順序進行教學(xué)的方式，轉(zhuǎn)變?yōu)閹熒餐瓿啥鄠€具有企業(yè)實際應(yīng)用的項目，項目的操作時間，按照其難易程度，可在4-24課時內(nèi)完成。每個項目又細(xì)化為多個任務(wù)，每個任務(wù)一般1-2課時內(nèi)便可完成。具體實施過程中，按照下列教學(xué)階段實施項目教學(xué)法：

確定項目完成目標(biāo)→制定項目計劃→實施計劃→學(xué)生自查結(jié)果→師生共同討論→優(yōu)秀作品展示。

其中，實施計劃階段可按照項目任務(wù)進一步劃分為下列環(huán)節(jié)：

① 任務(wù)情境展示：展示實際工作任務(wù)，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)能夠“聲臨其境”。

② 確定任務(wù)目標(biāo)：在實際任務(wù)情境下，讓學(xué)生帶著目標(biāo)去解決實際問題。

③ 小組協(xié)作完成：通過小組之間的討論、交流，對問題進行解決和不斷完善。

④ 效果評價：讓學(xué)生展示不同思路的解決方案、及在操作中遇到問題、分析問題的過程，加深學(xué)生對所學(xué)知識的掌握，促進學(xué)生邏輯思維能力和職業(yè)技能的提升。

例如，表1為模式識別課程中的“項目三：圖像檢測：我知道現(xiàn)在有多少人”的項目模塊與子任務(wù)設(shè)計。

2）趣味性/實例性教學(xué)設(shè)計。

學(xué)生是教育的主體，也是教育的主人。對于高職學(xué)生而言，超過十分鐘的純理論知識講授會相對枯燥，特別對于模式識別課程中數(shù)學(xué)知識較多的，學(xué)生更容易出現(xiàn)注意力下降、瞌睡打盹等現(xiàn)象。故在教學(xué)過程中要充分調(diào)動學(xué)生的聽覺、視覺，通過幽默的語言、形象生動的比喻等趣味性教學(xué)設(shè)計，如通過“直觀實例介紹-知識轉(zhuǎn)化”攻克重難點知識，在輕松的課堂氛圍中完成學(xué)習(xí)知識的目標(biāo)。

例如，在搭建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)手寫數(shù)字識別這一教學(xué)任務(wù)中，需要結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)去訓(xùn)練大量手寫數(shù)字圖像的樣本，這一過程較為抽象，在教學(xué)中結(jié)合Anaconda編程環(huán)境進行實例性教學(xué)。首先在Anaconda編程環(huán)境下向?qū)W生展示教師本人手寫數(shù)字圖像的識別結(jié)果，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)與操作興趣。接著收集學(xué)生“0-9”的手寫圖像，在訓(xùn)練好的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進行測試，對比實驗結(jié)果，激起學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情與競爭心態(tài)，提高學(xué)習(xí)效果。

再如，在講授模糊模式識別這一方法時，單純的算法原理、公式推導(dǎo)極其枯燥，因此加入形象生動的趣味性教學(xué)設(shè)計，加深學(xué)生對算法的理解。具體操作為：

① 以著名的問題之一-禿頭悖論為切入點，讓學(xué)生對問題（如何用精確數(shù)學(xué)方法判斷“禿頭”）展開討論與思考：

出現(xiàn)兩種情況：

a. 承認(rèn)精確方法：判定為不禿?？傻贸鼋Y(jié)論：有n根頭發(fā)的是禿頭，有n+1根頭發(fā)的不是禿頭。

b. 承認(rèn)生活常識：認(rèn)為僅一根頭發(fā)之差不會改變禿與不禿的結(jié)果，即有n+1根頭發(fā)者也應(yīng)是禿頭。那么采用傳統(tǒng)的邏輯推理，會得到命題：頭發(fā)為n根者為禿頭，頭發(fā)為n+1根者為禿頭，頭發(fā)為n+2根者為禿頭，……頭發(fā)為n+k根者為禿頭。最終結(jié)論是頭發(fā)很多者為禿頭/沒有頭發(fā)者不是禿頭。

② 天氣預(yù)報中的模式識別引入：

什么叫陰？晴？萬里無云便是晴天？云多到什么程度就是多云、陰天？

通過以上兩個趣味性教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生明確有些事物可以依據(jù)某種精確的標(biāo)準(zhǔn)對它們進行界線明確的認(rèn)識，而有些事物根本無法找出精確的分類標(biāo)準(zhǔn)，例如 “禿頭悖論”中的頭發(fā)根數(shù)的界線n，實際是不存在的。從而讓學(xué)生從形象、生動的實例描述中加深對知識點的理解與掌握。

此外，在學(xué)生完成項目/任務(wù)的過程中，教師主要任務(wù)是要引導(dǎo)學(xué)生積極思考，在學(xué)生不能順利完成當(dāng)前任務(wù)時，教師可以采取不同的方式進行干預(yù)，如讓學(xué)生核查是否完全理解當(dāng)前任務(wù)，是否漏掉實驗步驟，向?qū)W生演示任務(wù)的操作步驟、解決思路等，以鼓勵學(xué)生繼續(xù)完成任務(wù)。

4.3 豐富課程評價體系

1）豐富學(xué)生考核體系，提高學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量。

閉卷考試是大多數(shù)課程選擇的考核方式，在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，這種單一的課程評價體系無法應(yīng)用于不同基礎(chǔ)層次的高職學(xué)生。因此，采用學(xué)習(xí)過程考核（60%）+學(xué)習(xí)結(jié)果考核（40%）的方式評定學(xué)生最終成績。其中，學(xué)習(xí)過程考核包括課堂表現(xiàn)10%+實驗操作30%+作業(yè)完成情況20%，學(xué)習(xí)結(jié)果考核為課程期末考試。

其中，由于學(xué)生的知識背景不同，故將實驗環(huán)節(jié)劃分為個人實驗和小組實驗進行。在個人實驗環(huán)節(jié)以體驗式實驗為主，重點考核該生對實驗任務(wù)的理解程度，實驗所用方法及實驗結(jié)果。在小組實驗環(huán)節(jié)，對學(xué)生組內(nèi)協(xié)作情況、每位小組成員對小組實驗的貢獻度進行考核。

教學(xué)實踐表明，注重學(xué)生在學(xué)習(xí)該門課程的過程表現(xiàn)，可以最大程度發(fā)揮該學(xué)生的個人綜合能力。通過這種多元化的課程評價體系，極大促進了學(xué)生對模式識別課程的學(xué)習(xí)興趣和主動學(xué)習(xí)的積極性。

2）引入學(xué)生評教體系，促進教師教學(xué)改進。

除了教師考核學(xué)生以外，我們加入了學(xué)生對教師的教學(xué)評價。每周教學(xué)內(nèi)容結(jié)束后，學(xué)生從課程內(nèi)容、教學(xué)方法、教師態(tài)度等方面對教師進行評價，督促教師不斷改進。例如：教學(xué)內(nèi)容是否合適，教學(xué)節(jié)奏是否適當(dāng)；課堂是否對學(xué)生有吸引力，不枯燥；通過學(xué)習(xí)是否能夠鍛煉學(xué)生的綜合能力；學(xué)生評教真正是將“以學(xué)生為中心”落到實處的措施，在改變傳統(tǒng)教學(xué)理念的同時，讓教師和學(xué)生能夠共同督促、共同成長，最終達到教學(xué)改革的最佳效果。

5 小結(jié)

隨著人工智能的快速發(fā)展，模式識別在各個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，如圖像識別、無人駕駛、機器人、面都識別等。本文針對模式識別課程在高職院校教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及課程評價體系等角度入手，提出了一系列改革措施，并將其應(yīng)用到教學(xué)過程中不斷改進。通過實踐表明，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法后，學(xué)生對該課程的積極性有了顯著提升，同時，“考學(xué)生、評教師”的模式讓學(xué)生和教師能夠相互促進、相互成就。之后，教師將在此改革措施上進一步優(yōu)化和完善適用于高職學(xué)生的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，提高教學(xué)效果，激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)“愛國、敬業(yè)、誠信、友善”的高素質(zhì)、高技能人才，為學(xué)生的升學(xué)、就業(yè)打下堅實的基礎(chǔ)。

基金項目：2021 年度柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級教改項目“以人工智能背景為導(dǎo)向的模式識別課程的教學(xué)與改革”（項目編號：2021-JGC03）；2022 年度柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院教改項目“混合式教學(xué)模式下的《鐵路調(diào)車工作》課程數(shù)字化資源建設(shè)”（2022-JGB01）；2022 年度柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院課程思政示范課項目（2022-KCSZ18）：《鐵路調(diào)車工作》。

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