多學(xué)科交叉智能信息處理研究生課程教學(xué)模式新思考

李陽(yáng)　羅美林

摘要：在分析智能信息處理課程以往教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合科研經(jīng)歷及教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)模式進(jìn)行探討并提出創(chuàng)新點(diǎn)，以培養(yǎng)和提高學(xué)生獨(dú)立思考能力、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力為目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)通過引入前沿新穎的教學(xué)案例以及多學(xué)科交叉和多形式化的教學(xué)方式，最大程度地提升課程教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：智能信息處理；多學(xué)科交叉；教學(xué)模式

0引言

智能信息處理是模擬人或者自然界其他生物處理信息的行為，建立處理復(fù)雜系統(tǒng)信息的理論、算法和系統(tǒng)的方法和技術(shù)，主要面對(duì)的是將不完全、不可靠、不精確、不一致和不確定的知識(shí)和信息逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆?、可靠、精確、一致和確定的知識(shí)和信息的問題。智能信息處理是當(dāng)前科學(xué)技術(shù)發(fā)展中的前沿學(xué)科，同時(shí)也是新思想、新觀念、新理論和新技術(shù)不斷出現(xiàn)并迅速發(fā)展的新興學(xué)科，涉及信息科學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域，是現(xiàn)代信號(hào)處理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等理論和方法的綜合應(yīng)用，在復(fù)雜系統(tǒng)建模、機(jī)器學(xué)習(xí)、醫(yī)學(xué)影像處理、系統(tǒng)優(yōu)化和設(shè)計(jì)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，智能信息處理研究生課程相關(guān)的教材和課件大多以高雋老師的《智能信息處理方法導(dǎo)論》為基礎(chǔ)開展相關(guān)介紹。該書體系嚴(yán)謹(jǐn)，理論推導(dǎo)細(xì)致，但在多學(xué)科交叉應(yīng)用尤其是面向認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、智能信息科學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用方面介紹不足，缺乏必要的多學(xué)科交叉案例及相對(duì)完整的設(shè)計(jì)過程，導(dǎo)致來(lái)自不同學(xué)科的研究生在對(duì)理論知識(shí)的理解、不同工程應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累等方面存在一定脫節(jié)的情況。針對(duì)智能信息處理課程教學(xué)的實(shí)際情況，我們從計(jì)算神經(jīng)科學(xué)、信息學(xué)科與智能信息交叉的多學(xué)科角度出發(fā)，系統(tǒng)介紹智能信息處理的基礎(chǔ)理論及各種新興處理技術(shù)，主要介紹智能信息技術(shù)的基本概念、原理和分析方法以及智能系統(tǒng)的知識(shí)處理和模型的建立，提供人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在神經(jīng)科學(xué)交叉等領(lǐng)域的應(yīng)用算例，涉及目前國(guó)內(nèi)外智能信息處理的最新研究成果以及學(xué)術(shù)研究前沿進(jìn)展情況；同時(shí)，在教學(xué)實(shí)踐中，對(duì)課程的教學(xué)模式進(jìn)行探索和思考，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科交叉及學(xué)生主體的重要性，注重教學(xué)方式的多樣化及課內(nèi)外教學(xué)相輔相成。該課程的教學(xué)實(shí)踐能夠使研究生對(duì)智能信息處理技術(shù)的發(fā)展及交叉學(xué)科應(yīng)用有全面的了解，為神經(jīng)科學(xué)、信息學(xué)科與智能信息交叉學(xué)科課程實(shí)施研究型教學(xué)開辟新的途徑，對(duì)提高課程教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)探究能力具有非常重要的指導(dǎo)意義。

1主要解決的教學(xué)及管理問題

1.1多學(xué)科交叉的智能信息處理

智能信息處理是一門以應(yīng)用為導(dǎo)向的綜合性學(xué)科，涉及腦與認(rèn)知科學(xué)、智能科學(xué)、信息科學(xué)、現(xiàn)代科學(xué)方法等多學(xué)科的交叉與綜合。由于智能信息處理涵蓋內(nèi)容廣泛，面向研究對(duì)象眾多，因此在較短學(xué)時(shí)的課程教學(xué)中，教師需要權(quán)衡把握好宏觀內(nèi)容的介紹和相關(guān)內(nèi)容的縱深講解，讓學(xué)生既能從整體上了解智能信息處理學(xué)科的基本概念、學(xué)術(shù)思想、知識(shí)體系和學(xué)術(shù)特色，又能在具體應(yīng)用方面了解其基本問題、基本模型和科學(xué)研究方法。在教學(xué)實(shí)踐中，把握好多學(xué)科交叉的智能信息處理課程的整體與局部、廣度與深度問題，是教師應(yīng)首要考慮的問題之一。

1.2積極引導(dǎo)學(xué)生參加多學(xué)科研討活動(dòng)及課外實(shí)踐活動(dòng)

實(shí)踐出真知，理論知識(shí)只有在實(shí)踐中才能更好地被理解和掌握，體現(xiàn)和發(fā)揮其價(jià)值，然而，傳統(tǒng)的課程教學(xué)模式側(cè)重于課堂上教師“口授筆書”的知識(shí)傳授，在引導(dǎo)學(xué)生研討和踐行方面存在很大不足，造成學(xué)生不能很好地理解和應(yīng)用課上所學(xué)，不能有效培養(yǎng)和促進(jìn)學(xué)生在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。筆者結(jié)合多年留學(xué)經(jīng)驗(yàn)及國(guó)際教學(xué)實(shí)踐，對(duì)如何引導(dǎo)學(xué)生積極參加多學(xué)科研討活動(dòng)及課外實(shí)踐活動(dòng)，進(jìn)行反思、探索和嘗試。

2教學(xué)實(shí)踐主要內(nèi)容

2.1結(jié)合工程及應(yīng)用背景的教學(xué)模式

智能信息處理作為一門以應(yīng)用為導(dǎo)向的綜合性交叉學(xué)科，很多問題和模型既來(lái)源于又服務(wù)于實(shí)際應(yīng)用，與實(shí)際問題緊密相關(guān)，然而，現(xiàn)有的課程教材鮮有既能系統(tǒng)全面介紹智能信息處理的基礎(chǔ)理論、基本概念和分析方法，又能結(jié)合實(shí)際應(yīng)用及工程背景給出例證詳解的。分析教材縱深發(fā)展過程不難發(fā)現(xiàn)，理論與實(shí)際的結(jié)合不夠是主要原因，因此在實(shí)際教學(xué)實(shí)踐中，教師不能單純依據(jù)教材內(nèi)容照本宣科，需要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用背景就地取材并靈活講解。

在智能信息處理教學(xué)實(shí)踐中，針對(duì)該學(xué)科多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，可以采取點(diǎn)面結(jié)合的教學(xué)方式。在宏觀層面上，綜合介紹智能信息科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)內(nèi)容，包括基本概念、學(xué)術(shù)思想、知識(shí)體系和學(xué)術(shù)特色，讓不同專業(yè)背景的學(xué)生能在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)智能信息處理學(xué)科從比較陌生的狀態(tài)過渡到對(duì)其基本模型和基本問題有初步、宏觀、科學(xué)和準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)；在微觀點(diǎn)處，以具體的經(jīng)典工程應(yīng)用范例及模式輔助宏觀介紹，達(dá)到宏觀而又不失具體、既有廣度又兼具深度的效果。這種精而不范的具體案例有利于短學(xué)時(shí)課程的安排，如介紹智能信息處理與信號(hào)處理的交叉時(shí)，筆者以參與的發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷為例進(jìn)行講解；介紹智能信息處理與系統(tǒng)辨識(shí)的關(guān)系時(shí)，筆者以曾研究的磁氣圈和太陽(yáng)風(fēng)預(yù)測(cè)為具象進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

2.2多學(xué)科交叉綜合的教學(xué)模式

一方面，智能信息處理涉及多學(xué)科交叉綜合，而傳統(tǒng)的教學(xué)模式往往側(cè)重于單獨(dú)介紹各學(xué)科的科學(xué)體系及應(yīng)用，對(duì)于學(xué)科交叉綜合方面的探討則有限，如在機(jī)器學(xué)習(xí)方面，以往的教學(xué)傾向于各種算法的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和理論證明，但在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)器學(xué)習(xí)往往需要與其他學(xué)科如信號(hào)處理、模式識(shí)別等交叉互融，才能解決實(shí)際問題；另一方面，智能信息處理作為一門充滿活力的新學(xué)科，不斷有新技術(shù)和新方法隨著前沿問題的發(fā)現(xiàn)而被提出和應(yīng)用。教師可以采取多學(xué)科交叉綜合的方式，嘗試將國(guó)際前沿的科研成果引入智能信息處理的教學(xué)實(shí)踐中，這樣既能以此引導(dǎo)學(xué)生了解多學(xué)科交叉融合的方法和思路，又能展現(xiàn)國(guó)內(nèi)外智能信息處理的研究新成果和發(fā)展新動(dòng)態(tài)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.3增加互動(dòng)環(huán)節(jié)的教學(xué)模式

傳統(tǒng)的教學(xué)模式往往側(cè)重于知識(shí)的灌輸，忽視方法的傳授。在教學(xué)實(shí)踐中，教師在“授之以魚”的同時(shí)，更要注重“授之以漁”，引入國(guó)外智能信息處理的前沿科研方法，培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)思維和科研素養(yǎng)。此外，智能信息處理的課堂教學(xué)不同于以往最基礎(chǔ)的授課，而是以教師講授為主，更多的是在課上由教師提出問題，引導(dǎo)學(xué)生討論互動(dòng)，讓學(xué)生產(chǎn)生代人感轉(zhuǎn)而主動(dòng)學(xué)習(xí)和理解。作為課內(nèi)的外延和補(bǔ)充，我們還在課外不定時(shí)、不定期組織學(xué)生參加科研沙龍，進(jìn)一步激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的興趣，加強(qiáng)鞏固所學(xué)知識(shí)和方法。實(shí)踐證明，互動(dòng)授課方式及多活動(dòng)的課外擴(kuò)展，對(duì)于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣、促進(jìn)知識(shí)理解具有重要作用。

2.4多樣化的課程考核模式

一方面，傳統(tǒng)的單純以期末考試成績(jī)作為唯一考量標(biāo)準(zhǔn)的考核方式過于片面；另一方面，這種考核方式也容易束縛學(xué)生的思維，使學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)只是為了最后一紙成績(jī)的誤解。綜合考慮智能信息處理的課程特點(diǎn)及研究生培養(yǎng)目標(biāo)，我們建議可以采取更為靈活的考評(píng)方式如采用PPT報(bào)告總結(jié)的方式，一方面考評(píng)學(xué)生平時(shí)表現(xiàn)，包括課堂出勤、課堂表現(xiàn)等，另一方面以學(xué)生學(xué)期末PPT報(bào)告總結(jié)成績(jī)?yōu)橹?。每名學(xué)生依據(jù)自己的興趣愛好，選擇一個(gè)與智能信息處理相關(guān)的研究方向進(jìn)行調(diào)研—參閱書籍—查找資料—深入探討，最后以PPT的形式向教師及全體學(xué)生總結(jié)匯報(bào)并互相交流。這種考評(píng)方式以書本為平臺(tái)，不僅能培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)掌握新知識(shí)及新技能的學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐操作能力和表達(dá)能力，還可調(diào)動(dòng)學(xué)生查閱資料和自主思考問題的積極性，擴(kuò)展知識(shí)面。

3教學(xué)方法及路線

3.1多媒體利用最大化的教學(xué)方式

在教學(xué)手段和方式上，現(xiàn)在多媒體技術(shù)進(jìn)入課堂已經(jīng)非常普遍，但對(duì)豐富電子資源的利用程度并沒有實(shí)現(xiàn)最大化。當(dāng)前的教學(xué)方式大多以講解PPT為主，缺乏多樣化的展現(xiàn)方式，容易使學(xué)生產(chǎn)生疲勞感。結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)通過將PPT、視頻、動(dòng)畫、錄像等多種形式的多媒體結(jié)合，以更加生動(dòng)形象的方式展現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，在吸引學(xué)生興趣和提高學(xué)習(xí)效率方面效果顯著；此外，還可以借助多媒體，通過軟件演示的方式讓學(xué)生親身感受實(shí)際工程應(yīng)用的操作過程，建立智能信息處理科學(xué)技術(shù)的直觀形象和感性認(rèn)識(shí)。

3.2開展科研教學(xué)沙龍活動(dòng)，引導(dǎo)互動(dòng)交流

智能科學(xué)技術(shù)處在創(chuàng)新發(fā)展時(shí)期，特別需要培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的人才。創(chuàng)新精神的產(chǎn)生伴隨著各種不同思想的匯聚、交流和碰撞，為了鼓勵(lì)和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，教師可以組織各種科研教學(xué)沙龍活動(dòng)，基于學(xué)生興趣，將不同專業(yè)背景的學(xué)生組織在一起，從不同專業(yè)視角自由探討某一研究方向，碰撞出思想的火花；同時(shí)，可以引入國(guó)際前沿?zé)狳c(diǎn)問題的創(chuàng)新結(jié)果的介紹，剖析前沿創(chuàng)新點(diǎn)和創(chuàng)新過程，開闊學(xué)生視野，培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3.3利用互聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建課外科研實(shí)踐互動(dòng)平臺(tái)

正所謂“眾人拾柴火焰高”，課堂中，學(xué)生可以隨時(shí)向老師提出疑問，老師帶動(dòng)學(xué)生一起討論；對(duì)于課外學(xué)習(xí)研究中出現(xiàn)的問題，教師可以通過QQ群、微信群、公郵等在線互動(dòng)平臺(tái)與學(xué)生交流溝通。一方面，眾智眾力促進(jìn)問題的解決；另一方面，平臺(tái)互動(dòng)的方式能充分調(diào)動(dòng)集體的學(xué)習(xí)研究熱情。

4教學(xué)模式的應(yīng)用效果

4.1國(guó)際學(xué)術(shù)論文發(fā)表

正如“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”，課內(nèi)學(xué)習(xí)到的知識(shí)只有被運(yùn)用在科學(xué)實(shí)踐中才能證明和體現(xiàn)其價(jià)值。在教學(xué)實(shí)踐中，我們著重培養(yǎng)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)與其專業(yè)背景相結(jié)合、將所學(xué)轉(zhuǎn)化為科研成果的能力，取得了較滿意的教學(xué)效果，如部分學(xué)生將所學(xué)信號(hào)處理中的時(shí)頻分析方法應(yīng)用到故障的檢測(cè)中并將此公開發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊上，獲得了令人滿意的研究成果。

4.2選課情況逐年遞增

圖1（a）匯總了2013—2015年我們開設(shè)的智能信息處理課程各院系學(xué)生選課情況。從圖1（b）中可以看出，研究生選課人數(shù)逐年遞增，開始該門課程的研究生選課人數(shù)由最初的13人增加至54人，增加3.15倍；圖1（c）表明，課程的覆蓋院系由最初的3個(gè)院系（0系表示研究生院）增加到2015年的11個(gè)院系，覆蓋面增加2.66倍。此外，選課學(xué)生中既有碩士，又有不少博士，甚至有來(lái)自其他高校的老師和工程研究所的碩士、博士。從智能信息處理課程近3年的選課總體情況來(lái)看，課程已經(jīng)引起不同專業(yè)學(xué)生和教師的廣泛關(guān)注和參與興趣。

4.3學(xué)生的綜合評(píng)價(jià)正面積極

在智能信息處理課程教學(xué)實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)不僅選課人數(shù)逐年增加，而且學(xué)生對(duì)課程的綜合評(píng)價(jià)也一直非常好。學(xué)生一致認(rèn)為當(dāng)前的授課方式豐富而有趣，結(jié)合工程實(shí)際背景的教學(xué)具體而形象，互動(dòng)形式的課堂方式能很好地促進(jìn)交流表達(dá)，課外的沙龍活動(dòng)為他們解決科研和學(xué)習(xí)中遇到的問題提供很大的幫助。

5結(jié)語(yǔ)

總結(jié)智能信息處理課程的教學(xué)實(shí)踐，結(jié)合對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式等的探索和思考，我們認(rèn)為以下幾點(diǎn)可以為鑒：在教學(xué)內(nèi)容上，圍繞多學(xué)科交叉，可以適當(dāng)引入前沿科學(xué)研究成果，拓寬學(xué)生國(guó)際視野的同時(shí)激發(fā)和提升其學(xué)習(xí)興趣；在教學(xué)方式上，可以結(jié)合工程實(shí)際背景、具體范例分析、軟件及多媒體展示，化抽象為具體，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和運(yùn)用能力；在教學(xué)中，注重學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)和科研能力的提升，幫助學(xué)生將所學(xué)知識(shí)與科研項(xiàng)目相結(jié)合，將所學(xué)轉(zhuǎn)化為科研成果，提升學(xué)習(xí)熱情。此外，要注重課內(nèi)與課外的相輔相成，以多種形式方法如科研沙龍、在線互動(dòng)等鞏固和提高課程教學(xué)效果。

智能信息處理作為一門多學(xué)科交叉綜合的學(xué)科，涵蓋內(nèi)容廣泛并且技術(shù)和方法不斷更新，因此課程教學(xué)模式也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，只有不斷探討、摸索和總結(jié)，才能找到更合適、更有效的教學(xué)模式，培養(yǎng)出更具有獨(dú)立思考能力、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的高級(jí)復(fù)合型人才。

（編輯：宋文婷）