淺談本科階段模式識(shí)別基礎(chǔ)課程教學(xué)方法改革

劉燁

摘 要：近年來(lái)，大數(shù)據(jù)與人工智能已經(jīng)成為當(dāng)前信息技術(shù)發(fā)展的方向。作為大數(shù)據(jù)分析和人工智能的基礎(chǔ)課程，模式識(shí)別基礎(chǔ)課程起著重要的入門作用。但是，由于本科階段的學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不夠，編程經(jīng)驗(yàn)不夠豐富。因此，教師要想取得良好的教學(xué)效果，需要對(duì)課程理論、實(shí)踐內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜∩幔?duì)教學(xué)方法進(jìn)行適當(dāng)?shù)母母?，以使學(xué)生更好地學(xué)習(xí)知識(shí)。

關(guān)鍵詞：本科教學(xué)；模式識(shí)別基礎(chǔ)；改革

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9132（2018）31-0006-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2018.31.002

大數(shù)據(jù)與人工智能是當(dāng)前的熱門話題，在這種背景下，在本科階段開(kāi)設(shè)相關(guān)課程具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。模式識(shí)別是通過(guò)計(jì)算機(jī)用數(shù)學(xué)的方法來(lái)對(duì)特定對(duì)象如聲音、圖像等進(jìn)行自動(dòng)的處理、分類和解釋，它是人工智能的重要組成部分。目前，模式識(shí)別在許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用[1]，如指紋門禁系統(tǒng)、安防中人臉識(shí)別系統(tǒng)、手機(jī)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)等。學(xué)生在本科階段掌握模式識(shí)別的基礎(chǔ)知識(shí)，能為其今后從事相關(guān)行業(yè)或是繼續(xù)深造打下知識(shí)基礎(chǔ)。

由于模式識(shí)別課程內(nèi)容較多所涉及的知識(shí)較為復(fù)雜[2]，因此需要教師對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜∩帷６?，由于模式識(shí)別涉及的數(shù)學(xué)知識(shí)較多，需要采用新的教學(xué)方法，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生理解所學(xué)知識(shí)[3]。另外，為了鍛煉學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，需要合理設(shè)置實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，并選擇難度合適的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。具體來(lái)說(shuō)，教師可從以下幾方面入手。

一、教學(xué)內(nèi)容改革

模式識(shí)別基礎(chǔ)主要包括線性判別函數(shù)，近鄰法，特征提取與特征選擇，貝葉斯決策理論，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。而其中的每項(xiàng)內(nèi)容都有幾種甚至幾十種的方法，如線性判別函數(shù)有Fisher準(zhǔn)則、感知器、最小錯(cuò)分樣本數(shù)準(zhǔn)則、最小平方誤差準(zhǔn)則等。這些方法如果全部講授，學(xué)生可能存在理解困難，并容易混淆。因此，有必要對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜∩幔x取其中有代表性的方法，讓學(xué)生熟練掌握，并能夠運(yùn)用解決實(shí)際問(wèn)題。而一些不常用的方法只要求學(xué)生能夠了解其原理及其適用范圍。

此外，模式識(shí)別需要一些知識(shí)作為基礎(chǔ)，如圖像處理、矩陣論、最優(yōu)化方法等。這些基礎(chǔ)知識(shí)都是本科階段的學(xué)生所欠缺的。因此，需要在介紹模式識(shí)別理論之前，簡(jiǎn)要介紹這些基礎(chǔ)知識(shí)。另外，一些編程技術(shù)如MATLAB、OPENCV等也需要介紹，為學(xué)生課程實(shí)踐打下基礎(chǔ)。

模式識(shí)別學(xué)科本身就是來(lái)源于實(shí)際，因此模式識(shí)別的方法在眾多領(lǐng)域都有應(yīng)用。因此，在介紹理論知識(shí)的同時(shí)，可適當(dāng)增加與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的內(nèi)容，如在介紹主成分分析時(shí)，可結(jié)合其在人臉識(shí)別的應(yīng)用“特征臉”來(lái)進(jìn)行，讓學(xué)生能夠?qū)碚撆c實(shí)際應(yīng)用有更為感性的認(rèn)識(shí)。

二、教學(xué)方法改革

1.強(qiáng)化演示教學(xué)法的作用。模式識(shí)別課程理論性較強(qiáng)，一個(gè)方法往往包含大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。而學(xué)生往往對(duì)數(shù)學(xué)符號(hào)的意義感到較為陌生。采用演示教學(xué)法能使這種情況得到改善。模式識(shí)別課程中的演示教學(xué)法主要針對(duì)數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多的算法，以MATLAB程序和程序生成的圖表為主，現(xiàn)場(chǎng)演示算法的執(zhí)行過(guò)程和執(zhí)行結(jié)果。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)修改程序，讓學(xué)生體會(huì)到數(shù)學(xué)公式中變量在實(shí)際分類效果中的意義。

模式識(shí)別基礎(chǔ)課程中案例教學(xué)法有兩個(gè)注意事項(xiàng)：首先，在選擇演示程序?qū)嵗龝r(shí)，盡量選擇數(shù)據(jù)能夠被直接可視化的例子，如通過(guò)身高、體重兩個(gè)維度的數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)性別進(jìn)行分類。這樣數(shù)據(jù)可以直接顯示在二維平面，學(xué)生可以直觀觀察到分類結(jié)果。其次，程序不宜過(guò)長(zhǎng)，程序結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)化，演示前可對(duì)照數(shù)學(xué)公式將程序講解一遍。

2.采用啟發(fā)式教學(xué)法。啟發(fā)式教學(xué)法有兩個(gè)目的：一是將教師的知識(shí)引導(dǎo)轉(zhuǎn)化為學(xué)生的知識(shí)；二是將學(xué)生的知識(shí)引導(dǎo)轉(zhuǎn)化為解決實(shí)際問(wèn)題的能力。對(duì)于這兩點(diǎn)，采取增加學(xué)生學(xué)習(xí)積極主動(dòng)性的策略。即從第一節(jié)課開(kāi)始，就向?qū)W生說(shuō)明模式識(shí)別課程是用來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題的，引導(dǎo)學(xué)生思考市場(chǎng)上的模式識(shí)別產(chǎn)品如指紋識(shí)別等的工作原理，并進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考如果自己來(lái)開(kāi)發(fā)類似的系統(tǒng)，應(yīng)該具備哪些知識(shí)，采用哪些技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，在課堂上多采用發(fā)問(wèn)的方式來(lái)引發(fā)學(xué)生的思考，如果時(shí)間不允許，可以不請(qǐng)學(xué)生回答，在提出問(wèn)題后待學(xué)生短暫思考后再逐步引導(dǎo)學(xué)生探索問(wèn)題的正確答案。

三、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)改革

實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)于鍛煉學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力起著重要的作用[4]。對(duì)于本科階段的模式識(shí)別課程來(lái)說(shuō)，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)面臨兩個(gè)問(wèn)題：第一是時(shí)間短。模式識(shí)別課程在本科階段一般作為選修課，課時(shí)不會(huì)太多，在有限的課時(shí)中分出時(shí)間來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)課可能造成講課課時(shí)不足。第二是實(shí)踐教學(xué)面臨選題難。模式識(shí)別系統(tǒng)的復(fù)雜程度較高，編程量較大，選擇適合本科階段學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)題目是需要解決的問(wèn)題。

為了解決時(shí)間短的問(wèn)題，不采取實(shí)驗(yàn)課的方式，而采取課后大作業(yè)的方法，讓學(xué)生利用課余時(shí)間來(lái)完成。選題方面，選擇實(shí)現(xiàn)一些經(jīng)典問(wèn)題，比如人臉識(shí)別作為課題。其中，包含的圖像處理基礎(chǔ)以及MATLAB編程基礎(chǔ)需要在講課時(shí)講授。將人臉識(shí)別系統(tǒng)分解為：特征提取，分類器訓(xùn)練，分類識(shí)別幾大模塊，每一個(gè)模塊如何實(shí)現(xiàn)在課堂上都講解清楚。必要時(shí)，可以給出一個(gè)最基本的人臉識(shí)別程序如用像素作為特征以及最近鄰分類器，讓學(xué)生在此基礎(chǔ)上擴(kuò)充、改進(jìn)。然后，加入PCA降維、LBP特征提取，K-近鄰分類器，線性鑒別分析等。在保證學(xué)生積極性的前提下，鍛煉學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，同時(shí)也能夠讓學(xué)生體會(huì)到這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

四、結(jié)語(yǔ)

針對(duì)本科階段學(xué)生在知識(shí)基礎(chǔ)、編程經(jīng)驗(yàn)方面的不足，教師在授課過(guò)程中需要對(duì)內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的取舍；在教學(xué)方法上，也需要更多的引導(dǎo)，避免一味灌輸，以使學(xué)生保持學(xué)習(xí)興趣；在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，應(yīng)考慮到學(xué)生和課程的實(shí)際情況，循序漸進(jìn)，鍛煉學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張學(xué)工.模式識(shí)別[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[2] 張芳，肖志濤，韓曉軍，吳駿，劉麗杰.模式識(shí)別課程教學(xué)改革思考[J].計(jì)算機(jī)教育，2012（4）：45.

[3] 戚玉濤，劉芳，焦李成.模式識(shí)別教學(xué)實(shí)踐與課程改革[J].計(jì)算機(jī)教育，2010（19）：24.

[4] 劉雨，孫即祥，余莉.“模式識(shí)別”課程開(kāi)放式案例教學(xué)設(shè)計(jì)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011（3）：103.