付榮榮， 時培明， 潘 釗， 王 娜

(燕山大學 電氣工程學院， 河北 秦皇島 066004)

0 引言

在工程教育國際化背景下，以工程教育認證為牽引，各大高等學校都在積極實施人才培養(yǎng)模式綜合改革[1]。在全面培養(yǎng)學生工程能力的同時擴大學生的國際視野，重視學生跨文化交流能力的提高。

“模式識別”課程中新的算法及有關的文獻基本上都是用英文撰寫，這就對教學、學生自學和科研提出了較高的英語要求。在課程的教學中有意識、有針對性地學習和借鑒世界著名大學先進的教學理念和方法，培養(yǎng)高素質、具有國際競爭能力的創(chuàng)新型工程技術人才。因此，開展教學改革實踐，探索既與國際先進水平接軌又切合實際的課程教學模式與方法勢在必行。

1 教材選擇

當前，“模式識別”課程的教材種類多樣，在諸多教材中引進先進原版教材十分重要。

有效的利用原版教材能充分體現(xiàn)國外先進的教育理念和教學方法，著力培養(yǎng)學生的學習能力、工程素養(yǎng)，即應用所學的理論和方法，解決所面臨的實際工程問題。同時還要培養(yǎng)學生在未來工作中使用英語的能力。

隨著模式識別領域的研究的發(fā)展，國內外學者已經(jīng)編著了大量優(yōu)秀的教材[2]。部分具有代表性的教材列出如表1所示。

表1 部分優(yōu)秀模式識別教材

依據(jù)內容新、使用面寬和難度合理三個原則，通過檢索和比較，我們擬使用由Richard O. Duda等人編著的《Pattern Classification》作為我院雙語課程的教材[3]。該教材是美國電氣工程專業(yè)本科生的經(jīng)典教材，如圖1所示。

(a) 原版教材封面 (b) 豐富的示例 (c) 直觀的圖形
圖1 模式識別教材

這本教材具有以下特點：①包含大量實例；②圖形解釋直觀；③具有檢索區(qū)和筆記區(qū)。

結合著教材實例可以將抽象的內容具象化，引起學生的學習興趣；圖形解釋，在概念教學中幫助學生分析、理解、認識數(shù)學概念，通過形象化的記憶，內化所學新知識；通過頁邊檢索區(qū)標注和筆記的內容，強調出重要的概念，有助于學生復習，重點突出可讀性強。

2 教學組織方式

當前我院“模式識別”課程教學組織方式主要存在以下四點問題：

(1) 對英語的重視度不夠。

(2) 灌輸式的教學方法仍占主導地位，學生不能靈活地將公理、概念、公式與工程實際聯(lián)系起來。

(3) 課程具有理論性強、概念多、公式多、內容抽象且難以理解的教學特點，學生學習吃力，普遍存有懼怕心態(tài)。學生不知道所學知識能解決什么問題，缺乏在工程實際中解決問題的能力。

(4) 考核方式單一。很多基本理論知識和基本技能不能全方位地呈現(xiàn)，對學生的工程能力評價不全面。

以上四點所提及的主客觀方面問題導致教學難以取得應有的教學效果。針對上述問題，我們在課程教學中進行下面的改革，改革方案如圖2所示。

圖2 課程教學改革方案

課程教學改革主要體現(xiàn)在教學方式和考核方式兩個方面。

1) 改革課程的教學方式

(1) 啟發(fā)式教學代替灌輸式

在教學中引入項目實例學習：帶領學生學習模式識別算法的應用及效果。例如，在貝葉斯決策部分的教學中強調基本原理講解的同時，為了激發(fā)學生的學習興趣，以人臉皮膚的提取為應用實例，結合程序編寫帶領學生分步學習和理解貝葉斯決策中包含的先驗概率、類條件概率等概念，并且比較基于最小錯誤率的貝葉斯決策和基于最小風險的貝葉斯決策。關于先驗概率的計算，可以借助圖3讓學生直觀地理解。

圖3 人臉圖像二值化

通過二值化處理后的圖像可以計算皮膚和非皮膚的先驗概率，計算如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

分別利用基于貝葉斯最小錯誤率準則和最小風險準則進行逐點判斷是否為皮膚，結果如圖4所示。

(a) 基于貝葉斯最小錯誤率準則(b) 基于貝葉斯最小風險準則圖4 應用貝葉斯準則皮膚提取結果圖

經(jīng)過上面的實例學習，各種概念一目了然，學生對貝葉斯準則中涉及的概念會有更加深刻的理解。因此，針對每一個具體的知識點提供相應的實例，結合程序實現(xiàn)，以供學生實踐練習，這是激發(fā)學生積極思考的有效手段。

(2) 橫/縱向知識梳理的教學方式

縱向知識學習是指理論教學以課堂講授為主，突出對原理的分析、對方法的總結以及理論體系的完整建立，實踐過程則強調各種模式識別算法的應用，每一種識別算法的應用都利用啟發(fā)式教學模式，引入實例結合程序進行實踐。

橫向知識學習：進行系統(tǒng)專題總結，使學生在過程中學會思考與總結，強化知識的學習；例如基于“度量相似度的各種距離對鐵軌道岔故障診斷”這一工程問題進行專題教學?？偨Y了模式識別中涉及到的各種距離準則，包括歐式距離、標準化歐式距離、馬氏距離、Cityblock距離、切比雪夫距離、Minkowski距離、余弦距離、互相關距離、Spearman距離、漢明距離和jaccard距離。利用上述11種距離準則可對鐵軌道岔數(shù)據(jù)進行批量處理，其中，以漢明距離和余弦距離公式為例，計算兩者曲線的距離形成二維圖如圖5所示。

(a) 漢明距離 (b) 余弦距離圖5 基于距離的鐵軌道岔故障診斷結果

從圖5給出的結果中學生直觀地看到第30條、第46-48條道岔曲線與其他曲線的距離較大，存在著較大的差異，判定為故障曲線。

結合道岔故障診斷這一工程實例，學生便可系統(tǒng)地學習“模式識別”中涉及到的所有距離準則。這樣的學習過程思路清晰，在學生的腦中會形成完整系統(tǒng)的知識體系。

2)改革考核方式

注重平時學習過程的引導和督促，注重平時作業(yè)環(huán)節(jié)的指導與考核，強調培養(yǎng)學生運用課程知識分析和解決實際問題的能力。作業(yè)全部要求用中-英文完成，部分作業(yè)要求用 Matlab 完成，這部分成績占課程總成績的30%；結課考試全部試題為英文，因為著重考查學生對于模式識別知識的理解和應用能力，所以以開卷形式考試，鼓勵學生用英文答卷，但用中文答卷者不扣分，該部分占課程總成績的70%。過程考核與結課考核結合以確?？己朔绞降目尚行耘c考核指標的全面性與合理性。

3 教學反思

(1) 采用中英文雙語教學方式，結合英文原版教材以及英文課件，遵循工程教育國際化的人才培養(yǎng)模式，對于學生的跨文化溝通、交流能力及工程素養(yǎng)的提高是很有必要的。

(2) 針對“模式識別”課程理論性強、概念多、公式多、章與章、節(jié)與節(jié)之間聯(lián)系緊密、內容抽象且難以理解等問題，通過在教學中正確運用橫向-縱向知識學習結合對比法，不但可以使概念公式便于記憶，加深理解，而且能使所學知識更系統(tǒng)化、條理化，有利于認識共性和個性，使概念公式等不易混淆，達到事半功倍的學習效果。

(3) 本課程采用實例學習的教學方式，學生通過接觸工程實例，全面理解和領會課程的理論知識，同時掌握這些理論知識在工程實踐中的運用。從而漸漸培養(yǎng)學生從工程的角度去分析問題的習慣和意識，循序漸進地提升學生解決工程實際問題的能力。

(4) 針對模式識別任務的實現(xiàn)，在“模式識別”課程的學習中引入Matlab，利用其強大的計算和繪圖能力，達到簡化計算、快速繪圖、提高學習效率的目的。這樣做可以激發(fā)學生的學習興趣，為課程改革和創(chuàng)新性人才培養(yǎng)提供新的途徑。

4 結語

本文介紹了“模式識別” 課程在工程教育國際化背景下及專業(yè)認證理念的指導下所進行的課改嘗試與探討。堅持以學生為中心，為學生創(chuàng)造開放的學習氣氛，充分調動學生的學習積極性，使學生深入理解和掌握模式識別技術，并找到學習知識的意義和樂趣。培養(yǎng)學生在問題分析及溝通等方面能力，提高學生的綜合素質和國際競爭力，滿足工程教育認證的需求。