工程教育背景下“模式識別”課程教學(xué)研究

付榮榮， 時(shí)培明， 潘 釗， 王 娜

(燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 河北 秦皇島 066004)

0 引言

在工程教育國際化背景下，以工程教育認(rèn)證為牽引，各大高等學(xué)校都在積極實(shí)施人才培養(yǎng)模式綜合改革[1]。在全面培養(yǎng)學(xué)生工程能力的同時(shí)擴(kuò)大學(xué)生的國際視野，重視學(xué)生跨文化交流能力的提高。

“模式識別”課程中新的算法及有關(guān)的文獻(xiàn)基本上都是用英文撰寫，這就對教學(xué)、學(xué)生自學(xué)和科研提出了較高的英語要求。在課程的教學(xué)中有意識、有針對性地學(xué)習(xí)和借鑒世界著名大學(xué)先進(jìn)的教學(xué)理念和方法，培養(yǎng)高素質(zhì)、具有國際競爭能力的創(chuàng)新型工程技術(shù)人才。因此，開展教學(xué)改革實(shí)踐，探索既與國際先進(jìn)水平接軌又切合實(shí)際的課程教學(xué)模式與方法勢在必行。

1 教材選擇

當(dāng)前，“模式識別”課程的教材種類多樣，在諸多教材中引進(jìn)先進(jìn)原版教材十分重要。

有效的利用原版教材能充分體現(xiàn)國外先進(jìn)的教育理念和教學(xué)方法，著力培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、工程素養(yǎng)，即應(yīng)用所學(xué)的理論和方法，解決所面臨的實(shí)際工程問題。同時(shí)還要培養(yǎng)學(xué)生在未來工作中使用英語的能力。

隨著模式識別領(lǐng)域的研究的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)編著了大量優(yōu)秀的教材[2]。部分具有代表性的教材列出如表1所示。

表1 部分優(yōu)秀模式識別教材

依據(jù)內(nèi)容新、使用面寬和難度合理三個原則，通過檢索和比較，我們擬使用由Richard O. Duda等人編著的《Pattern Classification》作為我院雙語課程的教材[3]。該教材是美國電氣工程專業(yè)本科生的經(jīng)典教材，如圖1所示。

(a) 原版教材封面 (b) 豐富的示例 (c) 直觀的圖形
圖1 模式識別教材

這本教材具有以下特點(diǎn)：①包含大量實(shí)例；②圖形解釋直觀；③具有檢索區(qū)和筆記區(qū)。

結(jié)合著教材實(shí)例可以將抽象的內(nèi)容具象化，引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；圖形解釋，在概念教學(xué)中幫助學(xué)生分析、理解、認(rèn)識數(shù)學(xué)概念，通過形象化的記憶，內(nèi)化所學(xué)新知識；通過頁邊檢索區(qū)標(biāo)注和筆記的內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)出重要的概念，有助于學(xué)生復(fù)習(xí)，重點(diǎn)突出可讀性強(qiáng)。

2 教學(xué)組織方式

當(dāng)前我院“模式識別”課程教學(xué)組織方式主要存在以下四點(diǎn)問題：

(1) 對英語的重視度不夠。

(2) 灌輸式的教學(xué)方法仍占主導(dǎo)地位，學(xué)生不能靈活地將公理、概念、公式與工程實(shí)際聯(lián)系起來。

(3) 課程具有理論性強(qiáng)、概念多、公式多、內(nèi)容抽象且難以理解的教學(xué)特點(diǎn)，學(xué)生學(xué)習(xí)吃力，普遍存有懼怕心態(tài)。學(xué)生不知道所學(xué)知識能解決什么問題，缺乏在工程實(shí)際中解決問題的能力。

(4) 考核方式單一。很多基本理論知識和基本技能不能全方位地呈現(xiàn)，對學(xué)生的工程能力評價(jià)不全面。

以上四點(diǎn)所提及的主客觀方面問題導(dǎo)致教學(xué)難以取得應(yīng)有的教學(xué)效果。針對上述問題，我們在課程教學(xué)中進(jìn)行下面的改革，改革方案如圖2所示。

圖2 課程教學(xué)改革方案

課程教學(xué)改革主要體現(xiàn)在教學(xué)方式和考核方式兩個方面。

1) 改革課程的教學(xué)方式

(1) 啟發(fā)式教學(xué)代替灌輸式

在教學(xué)中引入項(xiàng)目實(shí)例學(xué)習(xí)：帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)模式識別算法的應(yīng)用及效果。例如，在貝葉斯決策部分的教學(xué)中強(qiáng)調(diào)基本原理講解的同時(shí)，為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以人臉皮膚的提取為應(yīng)用實(shí)例，結(jié)合程序編寫帶領(lǐng)學(xué)生分步學(xué)習(xí)和理解貝葉斯決策中包含的先驗(yàn)概率、類條件概率等概念，并且比較基于最小錯誤率的貝葉斯決策和基于最小風(fēng)險(xiǎn)的貝葉斯決策。關(guān)于先驗(yàn)概率的計(jì)算，可以借助圖3讓學(xué)生直觀地理解。

圖3 人臉圖像二值化

通過二值化處理后的圖像可以計(jì)算皮膚和非皮膚的先驗(yàn)概率，計(jì)算如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

分別利用基于貝葉斯最小錯誤率準(zhǔn)則和最小風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則進(jìn)行逐點(diǎn)判斷是否為皮膚，結(jié)果如圖4所示。

(a) 基于貝葉斯最小錯誤率準(zhǔn)則(b) 基于貝葉斯最小風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則圖4 應(yīng)用貝葉斯準(zhǔn)則皮膚提取結(jié)果圖

經(jīng)過上面的實(shí)例學(xué)習(xí)，各種概念一目了然，學(xué)生對貝葉斯準(zhǔn)則中涉及的概念會有更加深刻的理解。因此，針對每一個具體的知識點(diǎn)提供相應(yīng)的實(shí)例，結(jié)合程序?qū)崿F(xiàn)，以供學(xué)生實(shí)踐練習(xí)，這是激發(fā)學(xué)生積極思考的有效手段。

(2) 橫/縱向知識梳理的教學(xué)方式

縱向知識學(xué)習(xí)是指理論教學(xué)以課堂講授為主，突出對原理的分析、對方法的總結(jié)以及理論體系的完整建立，實(shí)踐過程則強(qiáng)調(diào)各種模式識別算法的應(yīng)用，每一種識別算法的應(yīng)用都利用啟發(fā)式教學(xué)模式，引入實(shí)例結(jié)合程序進(jìn)行實(shí)踐。

橫向知識學(xué)習(xí)：進(jìn)行系統(tǒng)專題總結(jié)，使學(xué)生在過程中學(xué)會思考與總結(jié)，強(qiáng)化知識的學(xué)習(xí)；例如基于“度量相似度的各種距離對鐵軌道岔故障診斷”這一工程問題進(jìn)行專題教學(xué)?？偨Y(jié)了模式識別中涉及到的各種距離準(zhǔn)則，包括歐式距離、標(biāo)準(zhǔn)化歐式距離、馬氏距離、Cityblock距離、切比雪夫距離、Minkowski距離、余弦距離、互相關(guān)距離、Spearman距離、漢明距離和jaccard距離。利用上述11種距離準(zhǔn)則可對鐵軌道岔數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理，其中，以漢明距離和余弦距離公式為例，計(jì)算兩者曲線的距離形成二維圖如圖5所示。

(a) 漢明距離 (b) 余弦距離圖5 基于距離的鐵軌道岔故障診斷結(jié)果

從圖5給出的結(jié)果中學(xué)生直觀地看到第30條、第46-48條道岔曲線與其他曲線的距離較大，存在著較大的差異，判定為故障曲線。

結(jié)合道岔故障診斷這一工程實(shí)例，學(xué)生便可系統(tǒng)地學(xué)習(xí)“模式識別”中涉及到的所有距離準(zhǔn)則。這樣的學(xué)習(xí)過程思路清晰，在學(xué)生的腦中會形成完整系統(tǒng)的知識體系。

2)改革考核方式

注重平時(shí)學(xué)習(xí)過程的引導(dǎo)和督促，注重平時(shí)作業(yè)環(huán)節(jié)的指導(dǎo)與考核，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用課程知識分析和解決實(shí)際問題的能力。作業(yè)全部要求用中-英文完成，部分作業(yè)要求用 Matlab 完成，這部分成績占課程總成績的30%；結(jié)課考試全部試題為英文，因?yàn)橹乜疾閷W(xué)生對于模式識別知識的理解和應(yīng)用能力，所以以開卷形式考試，鼓勵學(xué)生用英文答卷，但用中文答卷者不扣分，該部分占課程總成績的70%。過程考核與結(jié)課考核結(jié)合以確?？己朔绞降目尚行耘c考核指標(biāo)的全面性與合理性。

3 教學(xué)反思

(1) 采用中英文雙語教學(xué)方式，結(jié)合英文原版教材以及英文課件，遵循工程教育國際化的人才培養(yǎng)模式，對于學(xué)生的跨文化溝通、交流能力及工程素養(yǎng)的提高是很有必要的。

(2) 針對“模式識別”課程理論性強(qiáng)、概念多、公式多、章與章、節(jié)與節(jié)之間聯(lián)系緊密、內(nèi)容抽象且難以理解等問題，通過在教學(xué)中正確運(yùn)用橫向-縱向知識學(xué)習(xí)結(jié)合對比法，不但可以使概念公式便于記憶，加深理解，而且能使所學(xué)知識更系統(tǒng)化、條理化，有利于認(rèn)識共性和個性，使概念公式等不易混淆，達(dá)到事半功倍的學(xué)習(xí)效果。

(3) 本課程采用實(shí)例學(xué)習(xí)的教學(xué)方式，學(xué)生通過接觸工程實(shí)例，全面理解和領(lǐng)會課程的理論知識，同時(shí)掌握這些理論知識在工程實(shí)踐中的運(yùn)用。從而漸漸培養(yǎng)學(xué)生從工程的角度去分析問題的習(xí)慣和意識，循序漸進(jìn)地提升學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力。

(4) 針對模式識別任務(wù)的實(shí)現(xiàn)，在“模式識別”課程的學(xué)習(xí)中引入Matlab，利用其強(qiáng)大的計(jì)算和繪圖能力，達(dá)到簡化計(jì)算、快速繪圖、提高學(xué)習(xí)效率的目的。這樣做可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為課程改革和創(chuàng)新性人才培養(yǎng)提供新的途徑。

4 結(jié)語

本文介紹了“模式識別” 課程在工程教育國際化背景下及專業(yè)認(rèn)證理念的指導(dǎo)下所進(jìn)行的課改嘗試與探討。堅(jiān)持以學(xué)生為中心，為學(xué)生創(chuàng)造開放的學(xué)習(xí)氣氛，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生深入理解和掌握模式識別技術(shù)，并找到學(xué)習(xí)知識的意義和樂趣。培養(yǎng)學(xué)生在問題分析及溝通等方面能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和國際競爭力，滿足工程教育認(rèn)證的需求。