面向工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的“模式識(shí)別”課程教改研究

袁立

摘要：模式識(shí)別課程是模式識(shí)別與智能系統(tǒng)專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的一門核心基礎(chǔ)課程。本文針對(duì)自動(dòng)化專業(yè)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該課程的授課方法與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了深入探索和研究。同時(shí)，本文還從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)等三個(gè)方面進(jìn)行了課程教學(xué)改革的探索。

關(guān)鍵詞：模式識(shí)別；自動(dòng)化專業(yè)工程認(rèn)證；項(xiàng)目教學(xué)法；自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）45-0088-02

工程教育專業(yè)認(rèn)證是國際通行的工程教育質(zhì)量保證制度。我國于2013年成為國際本科工程教育學(xué)會(huì)互認(rèn)《華盛頓協(xié)議》的成員，意味著能夠?yàn)楣こ探逃悓W(xué)生提供具有國際互認(rèn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的“通行證”[1]。工程教育專業(yè)認(rèn)證以學(xué)生為首要服務(wù)對(duì)象，以學(xué)生學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，強(qiáng)調(diào)合格評(píng)價(jià)與質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)[2]。本校自動(dòng)化專業(yè)已于2015年通過了工程教育專業(yè)認(rèn)證。模式識(shí)別課程是模式識(shí)別與智能系統(tǒng)學(xué)科的基礎(chǔ)課，是一門基礎(chǔ)理論與工程實(shí)踐相結(jié)合的課程。本課程主要討論統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別的分類和識(shí)別基本原理、方法，同時(shí)要求學(xué)生掌握統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別的基本概念、基本識(shí)別原理和方法，了解其發(fā)展動(dòng)態(tài)，有效地運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和方法解決實(shí)際工程問題[3]。隨著現(xiàn)實(shí)生活中與機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用的逐漸增多以及對(duì)其智能程度的不斷提高，就導(dǎo)致對(duì)模式識(shí)別基礎(chǔ)知識(shí)的理解在廣度和深度上的要求不斷提高[4]。本文認(rèn)為，自動(dòng)化專業(yè)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本課程提出了一些學(xué)生學(xué)習(xí)后應(yīng)能達(dá)到的具體要求，如下所述：（1）能夠選擇恰當(dāng)?shù)哪Ｐ?，描述一個(gè)自動(dòng)化復(fù)雜系統(tǒng)或者過程，對(duì)模型的正確性進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评恚⒛苷_求解，以獲得有效結(jié)論。（2）能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法，針對(duì)自動(dòng)化專業(yè)領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與解釋。（3）能夠選擇與使用恰當(dāng)?shù)腗atlab等現(xiàn)代工程工具，進(jìn)行包括預(yù)測(cè)與模擬的自動(dòng)化專業(yè)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的分析、開發(fā)與研究工作，并能夠理解其局限性。

一、當(dāng)前教學(xué)模式的問題分析

模式識(shí)別課程屬于機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域，課程的內(nèi)容涉及到概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字圖像處理、信號(hào)處理等相關(guān)課程。在學(xué)習(xí)模式識(shí)別原理和方法時(shí)會(huì)牽扯比較繁雜枯燥的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可能會(huì)導(dǎo)致這部分的教學(xué)時(shí)長(zhǎng)多于對(duì)模式識(shí)別核心內(nèi)容的講授時(shí)長(zhǎng)，從而使得學(xué)習(xí)重點(diǎn)偏移到數(shù)學(xué)分析上。這種本末倒置的情況需要進(jìn)行轉(zhuǎn)變，使學(xué)生真正理解模式識(shí)別系統(tǒng)中的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，并進(jìn)一步掌握其理論和方法。從實(shí)際應(yīng)用方面講，基于圖像的模式識(shí)別問題是實(shí)際工程項(xiàng)目的應(yīng)用熱點(diǎn)，也是當(dāng)前許多科研機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)，例如鋼鐵流程工業(yè)中鋼板的表面質(zhì)量檢測(cè)、鋼板的長(zhǎng)度和寬度檢測(cè)、智能交通中的車輛行人檢測(cè)問題、視頻監(jiān)控中的人臉識(shí)別問題等。對(duì)于基于圖像的模式識(shí)別問題，能夠熟練掌握其處理方法和技術(shù)可以為學(xué)生未來從事相關(guān)工程活動(dòng)打下良好的基礎(chǔ)。但目前的模式識(shí)別課程的重點(diǎn)內(nèi)容仍集中在一些比較基本的知識(shí)點(diǎn)上，如貝葉斯理論、線性判別、近鄰法等，對(duì)近年來從實(shí)際工程應(yīng)用各種衍生出來的一些新穎實(shí)用的識(shí)別原理和方法介紹甚少，如壓縮傳感與稀疏表示理論、深度學(xué)習(xí)等。

二、面向?qū)I(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的模式識(shí)別課程教學(xué)改革探索

針對(duì)自動(dòng)化工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，本文從與時(shí)俱進(jìn)的教學(xué)內(nèi)容、結(jié)合工程項(xiàng)目的教學(xué)方式、自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)等三個(gè)方面進(jìn)行課程教學(xué)改革的探索，以適應(yīng)專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)下的培養(yǎng)目標(biāo)。

1.教學(xué)內(nèi)容改革。在教學(xué)內(nèi)容的安排上，精選教學(xué)內(nèi)容，確保教學(xué)內(nèi)容的相對(duì)穩(wěn)定與先進(jìn)性。（1）優(yōu)化傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容，提煉精品內(nèi)容進(jìn)行重點(diǎn)講授，如模式識(shí)別中的決策面和決策方程、有監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)等；引入最新的模式識(shí)別理論與方法，如統(tǒng)計(jì)理論與支持向量機(jī)、流行學(xué)習(xí)理論、壓縮傳感與稀疏編碼理論、深度學(xué)習(xí)等前言知識(shí)。（2）在重要知識(shí)點(diǎn)（如特征提取、分類器設(shè)計(jì)）的講解過程中，盡量簡(jiǎn)化煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，提煉主要步驟并闡述數(shù)學(xué)結(jié)果所蘊(yùn)含的物理意義。（3）增加實(shí)際工程應(yīng)用的介紹，尤其是基于圖像的模式識(shí)別應(yīng)用案例，如生物特征識(shí)別、視頻監(jiān)控目標(biāo)跟蹤與識(shí)別、工業(yè)無損檢測(cè)等，以提高學(xué)生對(duì)模式識(shí)別技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)也能夠增強(qiáng)學(xué)生對(duì)相關(guān)橫向課程（如數(shù)字圖像處理、矩陣?yán)碚摗⒏怕收摚┲械闹R(shí)點(diǎn)有著更深層次的理解。針對(duì)自動(dòng)化專業(yè)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)提出的三點(diǎn)要求，與本課程內(nèi)容的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：針對(duì)要求1：主要體現(xiàn)在能夠靈活運(yùn)用課程涉及的特征提取與選擇、分類器的設(shè)計(jì)方法等知識(shí)點(diǎn)構(gòu)建模式識(shí)別系統(tǒng)。能夠針對(duì)實(shí)際模式識(shí)別系統(tǒng)的需求，選擇合適的特征提取與分類器方法，并對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行合理評(píng)價(jià)和分析。針對(duì)要求2：主要體現(xiàn)在了解模式識(shí)別技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展方向，同時(shí)通過分類器的設(shè)計(jì)和模式識(shí)別案例分析，了解模式識(shí)別方法在自動(dòng)化專業(yè)有關(guān)數(shù)據(jù)分類和識(shí)別領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，并通過分類器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和解釋。針對(duì)要求3：主要體現(xiàn)在用Matlab語言完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)；針對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的要求，能運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)工具查閱資料，收集相關(guān)實(shí)驗(yàn)方案，并根據(jù)分類器的設(shè)計(jì)原理完成分類器的程序編制，能夠根據(jù)識(shí)別結(jié)果對(duì)算法的特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。

2.教學(xué)方式改革。在教學(xué)方式上，設(shè)計(jì)以實(shí)際工程問題為導(dǎo)向的研究型教學(xué)法。通過實(shí)踐學(xué)習(xí)來激發(fā)學(xué)生更大的積極性與主動(dòng)性，并使他們認(rèn)識(shí)到所學(xué)的知識(shí)是有用的，使學(xué)生覺得有能力勝任未來工程師的角色。（1）改變常規(guī)的授課方式，即先介紹關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的理論基礎(chǔ)和流程，然后給出計(jì)算類型的例題，或者通過課后練習(xí)和作業(yè)的形式讓學(xué)生掌握課堂介紹的理論和方法。通過實(shí)例先導(dǎo)引出重要的模式識(shí)別原理與方法，即通過實(shí)際工程問題為例子引出要學(xué)習(xí)的內(nèi)容，如通過根據(jù)長(zhǎng)度和光澤度等數(shù)值特征識(shí)別鮭魚和鱸魚的例子引出貝葉斯決策理論，通過膚色分割引出無監(jiān)督學(xué)習(xí)，通過人臉識(shí)別引出特征提取，通過鳶尾花的分類引出特征選擇問題等。學(xué)生通過實(shí)例能夠理解并記住某一原理和方法的適用范圍。（2）重要知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)完畢后，學(xué)生以團(tuán)隊(duì)形式完成相應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目，利用MATLAB語言編程實(shí)現(xiàn)，并在課堂上進(jìn)行口頭報(bào)告。通過項(xiàng)目實(shí)踐幫助學(xué)生回顧所學(xué)知識(shí)，提高其分析和解決實(shí)際問題的能力，另外通過團(tuán)隊(duì)方式也能夠訓(xùn)練其團(tuán)隊(duì)合作和理性表述等工程師所必備的能力。

3.自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)。在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)上，設(shè)計(jì)模式識(shí)別自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。以往的模式識(shí)別實(shí)驗(yàn)內(nèi)容只是利用貝葉斯決策理論和Fisher線性鑒別法進(jìn)行簡(jiǎn)單的兩分類問題，對(duì)于學(xué)生理解和掌握實(shí)用的模式分類問題的解決方法發(fā)揮的作用比較有限。模式識(shí)別自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括：（1）典型模式識(shí)別系統(tǒng)演示模塊：包括人臉識(shí)別、圖像分割等經(jīng)典應(yīng)用，每個(gè)子模塊設(shè)有原理介紹和仿真演示等功能。（2）自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模塊：學(xué)生可以在典型演示模塊的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)際工程應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，如車牌識(shí)別、文字識(shí)別、步態(tài)識(shí)別、行人識(shí)別等，通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選擇訓(xùn)練圖像構(gòu)造訓(xùn)練集，然后對(duì)訓(xùn)練集利用不同特征提取算法（如主元分析法、Fisher線性鑒別法）進(jìn)行訓(xùn)練，再設(shè)計(jì)不同的分類器（如最近鄰分類器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器、支持向量機(jī)分類器等）對(duì)測(cè)試圖像進(jìn)行識(shí)別，從而完成整個(gè)模式識(shí)別過程的完整仿真。學(xué)生可以以團(tuán)隊(duì)工作的方式完成自主實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)施。

三、結(jié)語

本文在工程教育自動(dòng)化專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)下，探討了如何對(duì)傳統(tǒng)模式識(shí)別課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、工程實(shí)踐等方面進(jìn)行改革。在后續(xù)的教學(xué)過程中，還要以學(xué)生為本，跟蹤每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)、實(shí)踐環(huán)節(jié)等過程進(jìn)行監(jiān)控和質(zhì)量評(píng)價(jià)，同時(shí)建立學(xué)生后續(xù)跟蹤反饋機(jī)制，如統(tǒng)計(jì)學(xué)生參與SRTP創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的參與度、學(xué)生發(fā)表學(xué)術(shù)論文的情況等，用以對(duì)課程培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成度進(jìn)行定期評(píng)價(jià)，并將所有評(píng)價(jià)的結(jié)果用于課程的持續(xù)改進(jìn)中。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)秘書處：工程教育認(rèn)證工作指南（2016版）

[2]林健.工程教育認(rèn)證與工程教育改革和發(fā)展[J].高等工程教育研究，2015，（2）：10-19.

[3]Richhard O.Duda.模式分類[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[4]蔡宣平，余莉，劉雨，羅鵬飛.模式識(shí)別課程的研究型教學(xué)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36（5）：82-84.