余 勤 梁 斌

（四川大學電氣工程學院 四川成都 610065）

一、概述

一直以來，如何培養(yǎng)理論和應用全面發(fā)展的人才，是一個具有長遠意義的問題。傳統(tǒng)的教學方式是施行“全課堂面授，統(tǒng)一考試、教師考評”三種方式結合。這種方式存在著許多缺點，如教師無法顧及每個人的基礎不同和興趣不同。模式識別是一門具有較多數(shù)理內(nèi)容、難度較高的工科課程。近年來，大數(shù)據(jù)、云計算、區(qū)塊鏈、人工智能等技術逐漸出現(xiàn)在人們視野之中并成為社會熱點，而模式識別對于推動AI和信息技術的發(fā)展起到了至關重要的作用。目前高校的模式識別課程存在教學手段單一，考核方式不符合新型人才培養(yǎng)需求的情況。針對以上問題，我們對當前模式識別課程的教學手段與考核方式進行了分析與思考，研究了如何通過有限的教學時間充分調(diào)動學生的積極性，培養(yǎng)其對知識的探索和運用能力。本文主要通過闡述課程內(nèi)容改革、教學方式和靈活的評價指標，評估模式識別教學改革所帶來的效果，取得了不錯的成效，對其他課程的教學改革也具有一定意義[1]～[2]。

二、課程特點與存在問題

所謂模式識別，就是指對表征各種現(xiàn)象和事物的各種形式信息進行處理分析，以對事物和現(xiàn)象進行描述、辨認、分類和解釋的過程。而如今的模式識別既包括傳統(tǒng)的統(tǒng)計模式識別技術，如貝葉斯決策規(guī)則，判別函數(shù)法，特征分析法，主成分分析法等，還包括作為近幾年熱點的神經(jīng)網(wǎng)絡，深度學習技術，其應用范圍不僅僅局限于語音信號處理，圖像視頻，文本分析，醫(yī)學信息等，其未來發(fā)展?jié)摿σ彩蔷薮蟮?。而這門課程涉及高等數(shù)學、線性代數(shù)、概率論、信息論、計算機科學、控制理論等多學科門類，這意味著這門課程的難度不小，面臨著算法復雜，理論枯燥，涉及面廣，數(shù)學公式較多，基礎知識要求高等多方面挑戰(zhàn)，同時要想在很有限的教學時間盡可能教授更多的知識點，需培養(yǎng)學生主動探索知識的能力，充分發(fā)揮其主觀能動性，僅靠課堂上的時間肯定是遠遠不夠。要想解決這些問題，必須從源頭出發(fā)，對傳統(tǒng)教學方式進行改革，以新思維新觀點對待模式識別課程教學。一直以來，傳統(tǒng)的模式識別課堂教學方式只關注數(shù)理基礎知識，涉及線性代數(shù)、概率論、數(shù)學分析、矩陣論等數(shù)學課程，本就需要大量的證明推到，而在平時教學時一味強調(diào)教師講授，學生參與度太低。這種方式存在著許多不足，因為課程難度較高，僅通過教師講授，學生難以理解，且在上課時容易出現(xiàn)聽不懂而走神、導致困乏的現(xiàn)象出現(xiàn)，學生停課沒有興趣、失去活力，導致教師的教學效果不理想，課堂互動性低。今后當學生遇到相關實際項目時卻束手無策，無法正確應用學習到的知識[3]～[4]。

三、制定課程目標

教學目標1：通過在課程中實施啟發(fā)式、引導式教學，讓學生能夠從實際應用的角度主動地從理論和實踐兩個方面接受知識。定點于一個個具體的識別問題進行探討式教學，為進行進一步的科學研究、實踐夯實基礎。教學目標2：培養(yǎng)學生針對各種識別方法的特點進行分析的能力；培養(yǎng)學生針對具體應用選擇合適的識別方法的能力。教學目標3：通過本課程的教學，培養(yǎng)和提高學生對所學知識進行整理、概括、消化吸收的能力，以及圍繞課堂教學內(nèi)容，閱讀參考書籍和資料，自我擴充知識領域的能力。教學目標4：通過本課程的課堂報告教學環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生清晰、整潔地表達自己解決問題的思路和步驟的能力。

四、教學過程改革

1.課程內(nèi)容改革

要想更好地實現(xiàn)模式識別課程的教學意義，首先應從根本出發(fā)，對課程內(nèi)容進行改革。由于本門課程教學是面向研究生，而課程內(nèi)容涉及大量數(shù)學公式，其都掌握一定的本科專業(yè)知識，因此不需要再對涉及的數(shù)學公式進行詳細推導。另一方面，大量的數(shù)學公式和推導過程會增加學生們對課程的厭倦程度，不利于培養(yǎng)學生們對該課程的興趣。故本門課程弱化理論推導過程，側重于介紹相關理論公式的物理意義和用途。傳統(tǒng)的模式識別課程內(nèi)容包括貝葉斯決策理論、Fisher判別準則以及一些其他的特征提取方法等等，這些常規(guī)理論和方法都很經(jīng)典，但很少涉及當代前沿術，很難勾起學生們的學習興趣，因此，適當?shù)匾肴缃衲Ｊ阶R別方向的前沿技術，比如神經(jīng)網(wǎng)絡、深度學習技術等等，擴展學生視野，讓學生們實實在在感受到模式識別的魅力，從而熱愛上這門課，引導學生們主動探索相關領域知識，培養(yǎng)其工程應用能力[5]～[6]。

2.課程教學方式改革

傳統(tǒng)的教學方式一般包括老師課堂授課，布置課后作業(yè)，然后通過期末考試以驗收學生學習成果。這種教學方式相對死板，造成很多學生只是為了應付期末考試的結果，而在整個學習過程很難有收獲。故嘗試一種新的教學方式，能讓學生們從頭到尾參與到課程之中，而不只是為了應付課程學習，做到全程參與。由于當今網(wǎng)絡技術的迅速發(fā)展，各類教學App也層出不窮。因此，本門課程教學也與時俱進，特別引入雨課堂教學軟件，實現(xiàn)手機簽到，學生只需要微信掃碼即可進入課堂并簽到，老師教學PPT也實時上傳至網(wǎng)絡課堂，同時還具有彈幕功能，同學們可以實時與老師互動，還可以將自己不懂的知識點做上標記，以便課后復習。老師還可以通過發(fā)布課堂小測驗，讓同學們直接在手機上答題，一方面，這有利于老師對學生知識的掌握程度的了解，另一方面，便于老師對課程教學內(nèi)容的調(diào)整，還能夠讓學生實時參與到課程之中，避免分神。課后作業(yè)也不再是書本課后題，而是將整個班級分為各個小組，以小組為單位，實現(xiàn)模式識別課程學習之中涉及的算法，以解決實際問題，整個任務又分為好幾個子任務，通過讓學生們分工合作，以培養(yǎng)其團隊合作能力。整個過程不僅考察了學生對模式識別相關算法的掌握程度，還培養(yǎng)了其獨立思考和解決問題的能力。課程期末階段還會組織讓各小組上臺進行PPT匯報，讓大家各抒己見，形成思想上的碰撞，起到教學相長的目的。在模式識別的教學過程中，部分學生理論基礎較好，實踐動手能力較強，而大部分學生理論基礎較為薄弱，計算機編程能力不足，另外還有少部分學生，幾乎沒有編程能力。因此，可以將模式識別試驗設計為層次化。例如，對于人臉識別的實驗教學，將實驗分成人臉圖像的讀取、PCA降維、支持向量機算法識別、決策樹分類識別、近鄰法識別等幾個部分。其中，人臉圖像的讀取、PCA降維給學生提供部分編程代碼，基礎比較薄弱的學生可以一邊抄寫一邊理解。對于基礎較好的學生可以綜合運用支持向量機算法識別、決策樹分類識別、近鄰法識別等，以提高最終的識別率。通過分級化實驗設計，可以鍛煉不同層次學生的實踐動手能力。

3.教學評價指標改革

現(xiàn)有的課程評價體系主要是平時作業(yè)成績與期末成績的加權平均，這種方式操作性強，但卻無法充分激活學生的自主學習動力。平時作業(yè)多以公式推導及數(shù)學計算為主，期末考試側重考查學生對基本概念、基本原理的記憶及計算能力。在這種評價體系下，學生掌握了教材的主要內(nèi)容，卻無法理解知識、運用知識。因此，結合學生的課堂表現(xiàn)和創(chuàng)新思考能力，考查學生解決實際問題的能力是提高教學效果的必要環(huán)節(jié)。為了更好更全面地反映學生們的學習效果，摒棄以往課程成績由平時作業(yè)成績和期末考試成績兩部分組成方式，特別制定更加靈活的多元化評價指標，從而全面評估學生學習情況。整個課程成績評價指標由課堂測驗及作業(yè)、課程演講報告、平時表現(xiàn)分和期末考試組成，如圖1所示。例如，課堂測驗及作業(yè)部分針對每次課安排20分鐘左右的課堂練習或討論，貫徹以學生為中心理念，內(nèi)容主要包括：使用雨課堂完成5個選擇題，以測試學生對上周知識的掌握程度及本周的預習情況；課程演講報告部分針對報告的內(nèi)容、書寫排版、條理性進行評分，給出成績。針對報告的算法設計及獨創(chuàng)性進行評分，給出成績。這種考核方式杜絕了以前學生只靠考前突襲便能蒙混過關的不良現(xiàn)象，保證了每位同學更加注重平時學習，全身心投入，促進其主動學習。

圖1 課程評價體系

課程結束后，統(tǒng)計學生各項得分情況，如圖2所示。再對各項評價指標進行相關系數(shù)分析，各評價指標相關系數(shù)如圖3所示。圖3中Classroom test代表課堂測驗及平時作業(yè)，Course report代表課程報告，Ordinary代表平時表現(xiàn)，F(xiàn)inal test代表期末考試。

圖2 學生各項成績示意圖

圖3 各項評價指標相關系數(shù)矩陣

從圖3中可以看出，學生的期末成績與平時的課堂測驗，課程報告，以及平時表現(xiàn)都存在一定關聯(lián)，其中影響關聯(lián)最大的就是課堂測驗及作業(yè)和平時表現(xiàn)，這也從側面反映出這種教學方式強調(diào)平時學習與期末考試相結合，杜絕了以往考前突襲的現(xiàn)象，對教學效果起到了積極的作用。

結語

模式識別課程對于自動化和計算機等專業(yè)研究生的重要性不言而喻，而傳統(tǒng)的教學方式對于學生的能力培養(yǎng)效果不明顯。本文結合當前模式識別課程特點和所存在問題，追根溯源，從源頭上提出解決辦法，分別從教學內(nèi)容，教學方式和課程評價體系三方面討論教學改革方向，細化教學任務和目標，讓學生充分參與到課程學習之中，通過調(diào)動其對課程的積極性，充分利用其提高了學生理論和工程應用兩方面能力，豐富了課程內(nèi)容，開闊了學生知識視野，對學生的研究生生涯具有導向作用，說明這種教學模式具有較大推廣價值。傳統(tǒng)教學以面授知識為主要手段，但往往互動式、探索式教學模式更能培養(yǎng)學生的 綜合能力。面向學科競賽的現(xiàn)實目標，學生有強烈的意愿和剛性的需求來積極學習、主動交流和不斷探索。今后，我們還將進一步探討更加科學合理的教學體系，例如案例驅動的教學模式，競賽課題的方案設計具有很好的啟發(fā)性和針對性，以小組為單位成立討論組有助于培養(yǎng)學生的團結協(xié)作能力，因此，學科競賽非常適合用于開展案例式教學，同時也可以作為考核體系的一部分。通過建立屬于課程的文獻庫、算法案例庫，以通過前沿、難度式中的文獻案例教學，結合實際的競賽項目，從而提升研究生的研究、探索及應用課程相關技術的能力。以課外競賽為推力，結合分層式作業(yè)的新考核評價體系，這種方式非常有利于學生數(shù)據(jù)建模連續(xù)思維的培養(yǎng)，也有利于教師進行線上作業(yè)檢查，全面評估學生的實操能力。