徐勇

[摘要] 本科“模式識別”屬于數(shù)理基礎內(nèi)容多、難度較高的工科課程，具有授課量多、授課進度較快等特點。因此，學生在課堂上容易出現(xiàn)困乏、知識接受程度低等問題。針對這些問題，在該課程中借助多種教學手段，包括首次提出和采用的具有創(chuàng)新性的基于電子化教學手段和對象比擬的暗喻，以及幽默的語言與比喻、引導式提問、重要知識的“圖”“畫”式表達等，可調(diào)動學生的思維與注意力、視覺、聽覺以及知識與經(jīng)驗遷移的潛力，激發(fā)學生課堂學習的主動性與積極性，取得了較好的教學效果。

[關(guān)鍵詞] 模式識別;趣味性教學;知識與經(jīng)驗遷移;暗喻;本科課程設計

[基金項目] 2018—2021年度國家自然科學基金委項目“圖像目標檢測的深度特征提取方案設計與實驗”（61876051）

[作者簡介] 徐 勇（1972—），男，四川簡陽人，工學博士，哈爾濱工業(yè)大學（深圳）計算機科學與技術(shù)學院教授，博士生導師（通信作者），主要從事計算機視覺與模式識別研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）16-0097-04? ? [收稿日期] 2021-01-13

由高中階段過渡到本科階段后，面臨教學內(nèi)容難度增加、課程數(shù)和授課量增多、授課進度快等變化，部分學生出現(xiàn)學習困難、甚至產(chǎn)生了受挫情緒等問題。因此，對本科生的課堂授課質(zhì)量提出了較高要求。筆者認為，趣味教學的引入是解決該問題的有效手段之一。

在本科“模式識別”課程的教學中，為了調(diào)動學生的注意力、提升知識的傳遞效率和增強學習效果，采取具有創(chuàng)新性的基于PPT輔助和對象比擬的暗喻、輕松幽默的語言和形象生動的比喻、引導式的提問、重要知識的“圖”“畫”式表達等趣味性教學手段，使學生在輕松的環(huán)境中進行學習，取得了較好的學習效果。上述幾種教學手段各有特色、互為補充，課堂中可根據(jù)具體授課內(nèi)容選用。

本文教學設計的思路為充分開啟學生感官，調(diào)動學生的視覺、聽覺以及大腦思維，同步利用學習主體在文字、聲音、圖像與影像方面的感知與認知能力，達成“模式識別”課程知識的高效傳遞、轉(zhuǎn)移與遷移[1]。筆者基于此教學設計取得了很好的教學實效，如圖1所示。

一、基于PPT輔助的暗喻和對象比擬

多媒體教室的使用，為課堂教學提供了以電子講義為主要載體的多種電子化技術(shù)手段。借助于承載主要知識點的PPT，可以適時為課堂提供暗喻，通過將知識對象與暗喻事例中的對象進行比擬，提高知識的“可達率”和理解效率。暗喻的最大優(yōu)勢在于通過“漫畫式”的圖像或者畫面感很強的語言，將看似高深的理論巧妙地轉(zhuǎn)化為十分容易理解的道理，知識的接受者可以十分輕松地完成從日常道理或常識到知識的遷移，甚至在哈哈大笑中完成知識的接受和駐留。暗喻一般呈現(xiàn)為圖像或動畫的形式，少數(shù)呈現(xiàn)為生動活潑的文字形式。

借助暗喻進行課程內(nèi)容講授可以實現(xiàn)知識和學生認知經(jīng)驗的遷移。心理學認為，知識遷移是人類學習的重要而有效的方法之一。人們在學習新知識和遇到新現(xiàn)象時，常將其與已有知識或經(jīng)驗進行關(guān)聯(lián)，倘若能夠找出二者之間的一致或類似之處，則對新知識和新現(xiàn)象將有更快更好地理解?！芭e一反三”等認知方法實則為古代人們樸素的知識遷移思想的體現(xiàn)。

在本科“模式識別”課程的教學中暗喻分兩種：一是只陳列不講述的暗喻，二是陳列且簡單講述的暗喻。對于簡單且形象直觀的暗喻，可以采取第一種方式;而對于內(nèi)涵豐富的暗喻，一般采取第二種方式。兩種方式都有很高的課堂效率，其中需要講述的暗喻也只需要很少的課堂時間，如圖2所示。

“模式識別”課堂教學中使用的一個講述型的典型暗喻如下：在講解隱馬爾科夫模型時，隱狀態(tài)與可見狀態(tài)二者之間的對應是一個難點。為此，可給學生舉例如下：如果將隱馬爾科夫模型應用于將語音翻譯為文字，其中可以直接感知的語音就是可見狀態(tài)，而相應的文字就是隱狀態(tài)。為了說明一個可見狀態(tài)可能對應多個隱狀態(tài)，以暗喻的方式將張學良學英文“nine”的故事以文字截圖的方式放到了PPT中相應內(nèi)容的下面，如圖3所示。筆者在課堂教學中花一兩分鐘時間對此暗喻故事進行講解，并提及一個可見狀態(tài)可能對應多個隱狀態(tài)的難題會對翻譯任務的準確度造成很大的影響。這樣的講授方式引來的會意的笑聲表明，學生對一個可見狀態(tài)（語音）可對應多個隱狀態(tài)（文字）的知識點已經(jīng)留下了十分深刻的印象。

圖4為輔助最小風險貝葉斯決策講解的暗喻圖片，其直觀地實現(xiàn)了如下對象比擬：最小錯誤率貝葉斯決策將分類錯誤率為唯一目標，這好比只追求可能的最大化收益的激進投資策略，其中的隱患在于忽略了投資策略可能帶來較大損失的風險，而這樣的風險一旦真實發(fā)生，投資者將面臨難以承受的損失。而最小風險貝葉斯決策則將可能的收益與損失共同考慮，設計既追求收益又能較好規(guī)避風險的投資策略。此暗喻可給學生留下深刻的印象，讓他們很好地理解和記住最小錯誤率貝葉斯決策與最小風險貝葉斯決策的區(qū)別。

二、形象幽默的語言與比喻

工科課程的教學內(nèi)容相對枯燥，且課程內(nèi)容較多，學生容易出現(xiàn)注意力下降和疲乏。因此，課堂中適當采用形象幽默的語言與比喻，不僅有利于調(diào)動學生的注意力，而且十分利于學生對知識的理解。

梁啟超提出了著名的“趣味教育”，其重要意義在于可以很好地調(diào)動學生的感官，在輕松與愉悅的氛圍中達成學習目標[2]。實踐表明，“趣味教育”在不同層次人群的教學活動中都是有效的手段。從心理學的角度分析，大腦感受到“有趣”的信號時，處于十分興奮和活躍的狀態(tài)，相應的知識傳遞過程十分高效。筆者認為，高等教育的課堂教學中，基于語言的趣味化教學是最直接、最高效和最便捷地令大腦感受到“有趣”信號的“趣味教育”手段。幽默、詼諧、睿智的語言不僅可以讓學生高效率地接受知識的傳授，而且可以在會心一笑甚至哈哈大笑中留下知識的烙印，并形成長時的記憶。

為此，需要進行如下教學設計：梳理知識點，進行形象幽默的比喻設計與語言準備，在課堂中結(jié)合比喻等進行知識講解。如圖5所示。根據(jù)實際情況，比喻的給出可在知識點講解之前或之后。經(jīng)驗表明，時長超過十五分鐘的純課程知識教授之后，幽默風趣的語言運用可很好地提高學生注意力和提升課堂教學效果。

“模式識別”課程教學中，一個形象幽默的比喻實例可設計如下：在講授最近鄰分類時，為了提高學生的注意力，設計如下提問：“在座談過戀愛的男同學請舉手。你們知道談戀愛時女孩子主要受誰的意見影響嗎？”稍做停頓后，給出答案：“請男同學們注意，談戀愛時女孩子主要會受母親意見的影響，因為母親是她最親、心理距離最近的人。因此，有一句話，叫作搞定丈母娘。所以，有追求目標的男同學們，加油??！”。這一段語言不僅會把學生的注意力調(diào)動起來，而且經(jīng)常會帶來笑聲。緊接著，繼續(xù)授課時可講：“剛才講的生活中女孩子主要受心理距離最近的人的影響，而我們的課程中，一個待分類的樣本，主要受誰的影響呢？主要受與他空間距離最近的訓練樣本的影響！相應的方法這就是我們的主要內(nèi)容——最近鄰分類方法……”。

“模式識別”課程教學中采用的另外一個形象幽默的比喻如下。若以錯誤率為標準，最小錯誤率貝葉斯分類器是理論上的最優(yōu)分類器。講解完此部分內(nèi)容后，為了對課程引入其他分類器的“必要性”進行介紹，在課堂中生動地講道：最小錯誤貝葉斯分類器是理論上錯誤率最低的最好的分類器，它堪稱分類器中的“女神”。但是，這有一個前提——每一類別的后驗概率的值準確無誤。然而，實際應用中，要準確地得出后驗概率是一個極具挑戰(zhàn)性的任務。理論上只有擁有無窮多的“訓練樣本”，才能無誤差地得出后驗概率，這在實際中幾乎是不可能的;其次，不少實際應用中，由于圖像數(shù)據(jù)等樣本具有很高的維數(shù)，即使擁有大量“訓練樣本”，也難以無誤差地得出后驗概率。因此，我們說，最小錯誤率貝葉斯分類器并非完美，可以說它是“可望而不可即”的“女神”！因此，明智的男生會放棄對“不可即”的“女神”的追求。這也是本課程還要介紹其他分類器的原因，其他分類器也在實際任務中大量使用。

課堂實踐中，幽默詼諧語言的運用也需把握好度。總的來說，在營造輕松愉悅的課堂教學環(huán)境的過程中，應同時保持課堂作為知識傳授場所必要的嚴肅性;在課堂用語中，要將幽默與戲謔加以區(qū)別，做到用語得當與“不逾矩”。

三、引導式的提問

調(diào)動學生的主動性思維是提高課堂教學效果的重要手段，引導式提問能在這方面起到好的作用，可讓學生從跟隨式學習切換到主動探究式學習，而且還有很好的課堂交互效果。相比于直接給學生講授課程內(nèi)容，設問和提問環(huán)節(jié)還可以適當放慢課堂節(jié)奏，適當放松學生處于緊張思維狀態(tài)的大腦。

應用此教學手段，需進行的課堂設計包括：適合提問的課程內(nèi)容分析與問題設計。適合安排引導式提問的環(huán)節(jié)包括：其一，兩個相關(guān)聯(lián)的課程內(nèi)容的銜接之處，將學生的思路引向接下來的課堂內(nèi)容;其二，一堂課快結(jié)束時，以達到讓學生頭腦中裝著問題進入下一次課的目的;其三，一堂課開始時，以達到快速將學生思路引向課程內(nèi)容的目的。提問后可根據(jù)需要，靈活地選擇請學生回答和不請學生回答。

在“模式識別”課堂教學中，筆者針對最近鄰分類到K近鄰分類的思維轉(zhuǎn)化、K近鄰分類方法的改進、緊接主分量分析之后的線性鑒別分析的引入、緊接Parzen窗估計方法之后的另一個非參數(shù)估計方法——Kn近鄰估計方法的引入等課堂內(nèi)容設計了一系列的引導式提問，并取得了很好的教學實效。

例如，為K近鄰分類改進方法的思路介紹設計了如下兩個層次的引導式提問：其一，K近鄰分類思路簡單、易于實現(xiàn)，得到了很多應用。另一方面，請同學們想一想，K近鄰分類的思路是否完美？其思路是否還有改進空間？其二，K近鄰分類采用了少數(shù)服從多數(shù)的原則，即測試樣本的K個近鄰中，哪個類別的訓練樣本最多，就將測試樣本分類到哪個類別。但是，K近鄰分類忽略了如下事實：K個近鄰與測試樣本的空間遠近關(guān)系明顯不同，根據(jù)“近朱者赤近墨者黑”的經(jīng)驗，是否可以認為距離測試樣本更近的近鄰樣本對測試樣本的分類應該有更大的影響呢？基于如上兩個層次的設問，學生對后續(xù)介紹的利用近鄰樣本與測試樣本的距離對K近鄰分類方法進行改進的思路會有很高的接受度。

此外，在課堂中結(jié)合人們普遍關(guān)注的社會熱點問題，設計與課程內(nèi)容緊密相關(guān)的提問，在引起學生注意后再引出教學內(nèi)容，也是一個很好的做法。

四、重要知識的“圖”“畫”式表達

“一圖勝千言”說明圖像化表達的重要作用。

圖像內(nèi)容的豐富性與有序性、直觀性與易理解性均遠遠超過文字。因此，筆者在“模式識別”課程的教學設計中比較注重重要知識的圖像化表達，對重要知識點進行“圖”（圖像）、“畫”（動畫或影像）

式的呈現(xiàn)或者“例證”，形成圖文并茂的知識闡釋風格。在文字、圖與畫構(gòu)成的兩層知識表達的基礎上，學生可在課堂教學中很好地實現(xiàn)知識轉(zhuǎn)化。

“圖”“畫”二者的取舍如下：對一般的重要知識點，以圖像式的呈現(xiàn)為主;對內(nèi)涵豐富的重要知識點，盡量采取動畫式呈現(xiàn)，以較全面地體現(xiàn)知識點的主要要素，便于學生相對全面地“觀察”。如圖6所示。具體課堂教學設計包括：不同類別的概率密度函數(shù)的非參數(shù)估計方法原理的動畫演示、K近鄰分類方法中K近鄰確定的圖示、基于單特征的類別可判別性的圖示、線性可分問題的圖示、過適應的圖示、貝葉斯決策錯誤率的圖示、訓練樣例數(shù)量對分類結(jié)果影響的圖示等。

五、結(jié)語

本文闡述了基于PPT輔助和對象比擬的暗喻、輕松幽默的語言和形象生動的比喻、引導式的提問、重要知識的“圖”“畫”式表達等趣味性教學手段，目標在于讓學生在輕松和趣味性的環(huán)境中進行高效學習，在本科“模式識別”課程的教學中取得了很好的效果。其中，基于PPT輔助和對象比擬的暗喻為筆者首次提出和采用的教學手段，其他教學手段則充分結(jié)合課程特色進行了內(nèi)涵設計。幾種教學手段在具有相同特性的本科課程的教學中均可使用，既可以根據(jù)需要使用其中一種教學手段，也可以將兩種甚至多種教學手段組合應用。

參考文獻

[1]王雪松，潘杰，程玉虎.知識遷移學習方法及應用[M].北京：科學出版社，2016.

[2]區(qū)華宇，田麗麗.趣味教育的基本原理與發(fā)展方式[J].中國校外教育（旬刊），2016（6）：85-86.

Design and Practice of Novel and Interesting Teaching Methods for Pattern Recognition Course

XU Yong

（School of Computer Science and Technology， Harbin Institute of Technology （Shenzhen）， Shenzhen， Guangdong 518055， China）

Abstract： There are some problems in the undergraduate course of Pattern Recognition， such as large teaching volume and fast teaching progress. Moreover， this course is a difficult engineering course with many basic mathematical and physical contents. Therefore， students are prone to drowsiness and low knowledge acceptance in class. In view of the above problems， the author used a variety of teaching methods in the course， including innovative electronic-based teaching methods and using metaphor， humorous language， heuristic questions， graphic expression of important knowledge， etc. These methods can fully mobilize students' thinking and attention， vision， hearing， and the potential of knowledge and experience transfer， and stimulate students' initiative and enthusiasm in classroom learning， which has achieved better teaching results.

Key words： Pattern Recognition; interesting teaching; knowledge and experience transfer; metaphor; undergraduate course design