“模式識(shí)別”課程的工程教育能力點(diǎn)設(shè)計(jì)

摘 要 文章通過對(duì)工程認(rèn)證教育內(nèi)涵的解讀和模式識(shí)別教學(xué)內(nèi)容的詳細(xì)解析，著重探討了該課程在高等工程教育中的關(guān)鍵地位，指出該課程通過教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度以及強(qiáng)調(diào)實(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)，幫助學(xué)生建立起對(duì)工程領(lǐng)域的全面理解。通過工程教育能力點(diǎn)的設(shè)計(jì)和對(duì)模式識(shí)別教學(xué)案例的詳細(xì)解析，展示了該課程如何幫助學(xué)生在未來工程領(lǐng)域中靈活運(yùn)用技術(shù)解決實(shí)際問題，為工程教育領(lǐng)域的進(jìn)一步探討和實(shí)踐提供有益的借鑒。

關(guān)鍵詞 模式識(shí)別；工程教育；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.17.033

Engineering Education Competency Point Design for Pattern Recognition Courses

LIU Renfeng1， SHENG Zhongyin1， GUO Haisong2

（1. School of Mathematics and Computer Science， Wuhan Polytechnic University， Wuhan， Hubei 430048;

2. Changchong Junior High School of Yingshan County， Huanggang， Hubei 438799）

Abstract This paper， through an interpretation of the essence of engineering certification education and a detailed analysis of pattern recognition teaching content， focuses on the crucial role of this course in higher engineering education. It emphasizes that the course helps students establish a comprehensive understanding of the engineering field by delving into the depth and breadth of teaching content and emphasizing the cultivation of practical application abilities. By designing engineering education competency points and analysing pattern recognition teaching cases， this paper demonstrates how the course assists students in flexibly applying technology and solving real-world problems in future engineering fields. It provides valuable insights for further discussions and practices in the field of engineering education.

Keywords pattern recognition; engineering education; teaching reform

在第四次產(chǎn)業(yè)革命浪潮中，美、德、法、日等世界強(qiáng)國(guó)紛紛向智能制造、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域投入大量資金。為適應(yīng)這一趨勢(shì)，各國(guó)開始進(jìn)行高等工程教育的改革，以解決高級(jí)工程技術(shù)人才短缺的問題，工程認(rèn)證教育應(yīng)運(yùn)而生。工程認(rèn)證教育是一種通過專業(yè)組織或權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)可的教育體系，旨在確保學(xué)生在特定領(lǐng)域具備必要的知識(shí)、技能和素養(yǎng)，達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)并獲得認(rèn)證資格。工程認(rèn)證教育不僅是一種教學(xué)模式，還是一種全面提升工程學(xué)科教育質(zhì)量的途徑。通過認(rèn)證體系，高校能更好地滿足社會(huì)對(duì)工程人才的需求，為學(xué)生提供更加實(shí)用、全面的工程教育[1]。

在工程認(rèn)證教育中，注重學(xué)科知識(shí)的深度和廣度，強(qiáng)調(diào)實(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)。通過認(rèn)證體系，學(xué)生將在工程領(lǐng)域接受系統(tǒng)化的培訓(xùn)，建立起對(duì)于該領(lǐng)域的全面理解[2]。這不僅包括專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，還包括實(shí)踐性項(xiàng)目的參與，以及行業(yè)實(shí)習(xí)的機(jī)會(huì)，使學(xué)生能夠在真實(shí)場(chǎng)景中運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，增強(qiáng)解決實(shí)際問題的能力。此外，工程認(rèn)證教育注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。通過項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式，學(xué)生將在實(shí)際項(xiàng)目中面臨各種挑戰(zhàn)，激發(fā)解決問題的創(chuàng)新靈感。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)協(xié)作也是工程認(rèn)證教育的重要組成部分，可以培養(yǎng)學(xué)生在團(tuán)隊(duì)中的溝通協(xié)調(diào)能力和集體協(xié)作精神。

“模式識(shí)別”課程在高等工程教育中具有重要地位?！澳Ｊ阶R(shí)別”作為一門交叉學(xué)科，涉及統(tǒng)計(jì)學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等多領(lǐng)域的知識(shí)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用技能和解決實(shí)際問題的能力起到關(guān)鍵作用。首先，模式識(shí)別課程強(qiáng)調(diào)理論基礎(chǔ)，通過學(xué)習(xí)概率統(tǒng)計(jì)、機(jī)器學(xué)習(xí)算法等基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)生能夠建立扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。其次，該課程的知識(shí)體系與實(shí)際項(xiàng)目聯(lián)系緊密，學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)應(yīng)用于解決實(shí)際問題，培養(yǎng)他們?cè)诠こ填I(lǐng)域中靈活運(yùn)用模式識(shí)別技術(shù)的能力。此外，“模式識(shí)別”課程關(guān)注最新的深度學(xué)習(xí)、人工智能等前沿技術(shù)，有助于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)未來工程領(lǐng)域的創(chuàng)新思維和應(yīng)對(duì)技術(shù)挑戰(zhàn)的能力。目前，結(jié)合工程認(rèn)證的模式識(shí)別課程教學(xué)系統(tǒng)研究仍舊較少，袁立從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)等三個(gè)方面進(jìn)行了模式識(shí)別課程教學(xué)改革探索[3]，翟婷婷等從模式識(shí)別課程內(nèi)容體系、實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練環(huán)節(jié)等方面介紹了課程教學(xué)改革的方法[4]。

綜上所述，“模式識(shí)別”課程在高等工程教育中的重要性體現(xiàn)在其全面性、實(shí)踐性和前瞻性。通過該課程，學(xué)生不僅能夠深入理解模式識(shí)別的理論，還能夠在實(shí)際應(yīng)用中運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，為他們未來在工程領(lǐng)域的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 模式識(shí)別教學(xué)內(nèi)容解析

“模式識(shí)別”課程主要針對(duì)高等院校信息類、智能類、數(shù)據(jù)科學(xué)類專業(yè)的研究生或高年級(jí)本科生，一般教材涵蓋了概率密度函數(shù)估計(jì)、貝葉斯決策理論、線性判別函數(shù)、支持向量機(jī)、統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論、決策樹、監(jiān)督學(xué)習(xí)與非監(jiān)督學(xué)習(xí)等各種經(jīng)典方法與理論，近年來還拓展到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度信念網(wǎng)絡(luò)、生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)等代表性的深度學(xué)習(xí)方法?！澳Ｊ阶R(shí)別”課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)旨在為學(xué)生提供系統(tǒng)而實(shí)用的知識(shí)，使其在理論和應(yīng)用層面都能夠熟練運(yùn)用模式識(shí)別技術(shù)，具體的教學(xué)內(nèi)容可分為基礎(chǔ)理論知識(shí)、經(jīng)典模式識(shí)別方法、高級(jí)模式識(shí)別技術(shù)和實(shí)踐性項(xiàng)目四個(gè)模塊。

基礎(chǔ)理論知識(shí)模塊主要講述模式識(shí)別的基礎(chǔ)理論，包括定義、發(fā)展歷程、應(yīng)用領(lǐng)域等，讓學(xué)生對(duì)模式識(shí)別的整體認(rèn)知有一個(gè)清晰的框架。其教學(xué)目標(biāo)為加強(qiáng)模式識(shí)別中的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，如概率論、統(tǒng)計(jì)學(xué)、線性代數(shù)等，為學(xué)生理解算法和模型提供必要的數(shù)學(xué)支持。

經(jīng)典模式識(shí)別方法模塊主要學(xué)習(xí)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別方法，包括最大似然估計(jì)、貝葉斯分類器、監(jiān)督學(xué)習(xí)、無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)、支持向量機(jī)、決策樹、聚類算法等。其教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生能夠理解和應(yīng)用基于統(tǒng)計(jì)方法的模式識(shí)別技術(shù)，使學(xué)生能夠選擇和應(yīng)用適當(dāng)?shù)乃惴ń鉀Q實(shí)際問題。

高級(jí)模式識(shí)別技術(shù)模塊學(xué)習(xí)深度學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)，引入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）等深度學(xué)習(xí)模型，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于復(fù)雜數(shù)據(jù)的特征學(xué)習(xí)和抽象能力。教學(xué)目標(biāo)是通過學(xué)習(xí)模式識(shí)別在圖像和語(yǔ)音處理中的具體應(yīng)用案例，讓學(xué)生了解模式識(shí)別在計(jì)算機(jī)視覺和語(yǔ)音處理領(lǐng)域的具體應(yīng)用。

實(shí)踐性項(xiàng)目模塊與工程教育緊密結(jié)合，學(xué)生將參與實(shí)際項(xiàng)目，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別算法，從數(shù)據(jù)采集到結(jié)果分析全方位掌握項(xiàng)目流程。通過對(duì)真實(shí)世界中模式識(shí)別問題的案例分析，讓學(xué)生能夠在實(shí)踐過程中逐步掌握解決問題的方法。

通過以上教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，“模式識(shí)別”課程教學(xué)可為學(xué)生提供全面、系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)，使他們能夠在未來工程領(lǐng)域中靈活運(yùn)用模式識(shí)別技術(shù)解決實(shí)際問題。同時(shí)，注重實(shí)踐和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)，為學(xué)生未來的職業(yè)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 工程教育能力點(diǎn)設(shè)計(jì)

根據(jù)2022年中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)發(fā)布的最新工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，工程教育應(yīng)涵蓋工程知識(shí)、問題分析、設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案等共12條核心畢業(yè)能力要求[5]。其中，與“模式識(shí)別”課程關(guān)系最緊密的包括第2條問題分析能力和第4條研究能力，這也是本文的研究重點(diǎn)。本文根據(jù)這兩條能力設(shè)計(jì)的工程教育能力點(diǎn)細(xì)化如下。

對(duì)應(yīng)問題分析能力的畢業(yè)要求為：能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理，識(shí)別、表達(dá)并通過文獻(xiàn)研究分析復(fù)雜工程問題，以獲得有效結(jié)論。針對(duì)本課程的目標(biāo)能力點(diǎn)可設(shè)計(jì)成四個(gè)方面：①運(yùn)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)基本原理，結(jié)合模式識(shí)別理論，對(duì)復(fù)雜工程問題進(jìn)行全面識(shí)別和表達(dá)；②通過文獻(xiàn)研究，深入分析復(fù)雜工程問題，運(yùn)用模式識(shí)別方法獲取并理解相關(guān)信息，形成系統(tǒng)性結(jié)論；③能夠靈活應(yīng)用模式識(shí)別技術(shù)，識(shí)別工程問題中的關(guān)鍵模式，通過問題分析得出準(zhǔn)確結(jié)論；④在模式識(shí)別的框架下，對(duì)工程問題進(jìn)行分層和分類，從而更好地理解問題的復(fù)雜性和相互關(guān)系。

對(duì)應(yīng)研究能力的畢業(yè)要求為：能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法研究復(fù)雜工程問題，包括設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析與解釋數(shù)據(jù)，并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。針對(duì)本課程的目標(biāo)能力點(diǎn)可設(shè)計(jì)成四個(gè)方面：①基于科學(xué)原理，運(yùn)用模式識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，收集并整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)； ②通過模式識(shí)別方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，提取關(guān)鍵信息，為問題研究提供有力支持；③具備解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力，能夠運(yùn)用模式識(shí)別理論解釋數(shù)據(jù)背后的規(guī)律和趨勢(shì)；④運(yùn)用信息綜合方法，將模式識(shí)別結(jié)果與其他信息相結(jié)合，形成對(duì)復(fù)雜工程問題的研究結(jié)論。

通過上述課程目標(biāo)能力點(diǎn)的設(shè)計(jì)，學(xué)生能在模式識(shí)別領(lǐng)域獲得理論知識(shí)和實(shí)踐技能，而且能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決真實(shí)的工程問題。這不僅有助于提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，同時(shí)也突出了課程內(nèi)容對(duì)問題分析和復(fù)雜工程問題研究的關(guān)鍵性支持。

3 模式識(shí)別教學(xué)案例設(shè)計(jì)

工程教育畢業(yè)要求中，問題分析能力點(diǎn)要求學(xué)生結(jié)合實(shí)際工程問題，運(yùn)用所學(xué)的模式識(shí)別理論和方法，分析復(fù)雜工程問題并提出有效結(jié)論。因此，本文針對(duì)能力點(diǎn)要求設(shè)計(jì)了一系列教學(xué)案例，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用理論參與實(shí)踐的能力，使其能夠在真實(shí)的復(fù)雜工程場(chǎng)景中熟練運(yùn)用模式識(shí)別技術(shù)進(jìn)行問題分析，下面針對(duì)前述問題分析能力和研究能力給出兩個(gè)具體教學(xué)案例如下。

針對(duì)問題分析的第三個(gè)目標(biāo)能力點(diǎn)，可設(shè)計(jì)主題為“采用深度信念網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行推薦系統(tǒng)”的教學(xué)案例，案例主要內(nèi)容為DBN算法設(shè)計(jì)、特征學(xué)習(xí)和抽取，以及個(gè)性化的推薦結(jié)果生成。該案例演示了如何利用深度信念網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)推薦系統(tǒng)，展示特征學(xué)習(xí)和抽取的過程，以及如何利用模型生成個(gè)性化的推薦結(jié)果。通過實(shí)際用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行推薦，并評(píng)估模型的準(zhǔn)確性和推薦效果。該案例通過識(shí)別推薦系統(tǒng)工程問題中的關(guān)鍵特征模式，掌握特征學(xué)習(xí)和抽取方法，最終獲得精確的個(gè)性化推薦結(jié)果。

針對(duì)問題研究能力的第四個(gè)目標(biāo)能力點(diǎn)，可設(shè)計(jì)主題為“使用生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖像生成”的教學(xué)案例，通過學(xué)習(xí)GAN算法設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)生成器網(wǎng)絡(luò)和判別器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)逼真人臉圖像生成。該案例演示了如何使用生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)生成虛假的人臉圖像，展示生成器網(wǎng)絡(luò)和判別器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和訓(xùn)練過程，再通過模型生成一些逼真的人臉圖像，并與真實(shí)圖像進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估生成圖像的質(zhì)量和相似度。該案例運(yùn)用了信息綜合方法，將AI生成的人臉圖像與真實(shí)圖像進(jìn)行對(duì)比，可使學(xué)生深刻理解如何應(yīng)對(duì)復(fù)雜工程問題的各類綜合信息，并使用較為復(fù)雜的對(duì)抗生成網(wǎng)絡(luò)解決問題。

通過上述案例，學(xué)生可以學(xué)到如何對(duì)模式識(shí)別領(lǐng)域的工程問題進(jìn)行分層和分類，從而更好地理解問題的復(fù)雜性和相互關(guān)系。同時(shí)，學(xué)生還可以學(xué)習(xí)支持各類統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論、機(jī)器學(xué)習(xí)算法和人工智能算法在模式識(shí)別中的應(yīng)用，提高分析實(shí)際復(fù)雜工程問題的能力和進(jìn)行深入研究的能力。

4 結(jié)語(yǔ)

本論文旨在探討模式識(shí)別課程在工程教育中的關(guān)鍵作用，并通過設(shè)計(jì)工程教育能力點(diǎn)，結(jié)合模式識(shí)別課程的具體教學(xué)內(nèi)容，以期培養(yǎng)學(xué)生更全面、實(shí)用的工程實(shí)踐能力。

工程認(rèn)證教育作為一種已通過認(rèn)可的教育體系，為高校提供了明確的培養(yǎng)目標(biāo)，為學(xué)生提供了更具競(jìng)爭(zhēng)力的發(fā)展機(jī)會(huì)，同時(shí)也為社會(huì)培養(yǎng)了更優(yōu)秀的工程人才。本文詳細(xì)探討了模式識(shí)別課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)。從基礎(chǔ)理論知識(shí)到高級(jí)模式識(shí)別技術(shù)，再到實(shí)踐性項(xiàng)目和案例設(shè)計(jì)，確保學(xué)生在理論和實(shí)踐中都能夠全面掌握模式識(shí)別領(lǐng)域的知識(shí)。在工程教育能力點(diǎn)設(shè)計(jì)中，本文將模式識(shí)別課程的教學(xué)內(nèi)容與工程教育的核心能力點(diǎn)相結(jié)合。通過問題分析與解決、團(tuán)隊(duì)協(xié)作與溝通、創(chuàng)新與實(shí)踐、終身學(xué)習(xí)與信息獲取、跨學(xué)科思維與工程實(shí)踐能力等方面的培養(yǎng)，使學(xué)生在模式識(shí)別領(lǐng)域不僅具備扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，還具備全面的工程實(shí)踐能力。

綜上所述，本文通過對(duì)工程認(rèn)證教育的概述、模式識(shí)別教學(xué)內(nèi)容的詳細(xì)解析，以及工程教育能力點(diǎn)的設(shè)計(jì)，為高校提供了一種全面推動(dòng)工程領(lǐng)域教育質(zhì)量提升的思路。通過這一系統(tǒng)的培養(yǎng)模式，我們期望學(xué)生能夠在未來的工程實(shí)踐中充分發(fā)揮所學(xué)知識(shí)和能力，為社會(huì)發(fā)展作出積極貢獻(xiàn)。希望這一研究能夠?yàn)楣こ探逃I(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展提供有益的借鑒。

基金項(xiàng)目：武漢輕工大學(xué)校級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目“工程教育認(rèn)證背景下計(jì)算機(jī)類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系與評(píng)價(jià)研究”（XM2024011）。

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