基于科研能力培養的《模式識別原理與應用》教學改革

黃傳波，韓承雪

(1.西南科技大學國防科技學院，四川 綿陽 621010； 2.商丘職業技術學院，河南 商丘 476100)

0 引言

自20世紀60年代以來，模式識別得到了迅速發展，并取得了豐碩的理論成果.目前，模式識別已成為當代高新技術研究的主要領域之一，成為一門獨立的新學科.已經應用于系統控制、人工智能、遙感數據分析、機器人、目標識別、生物醫學工程等領域，幾乎滲透于各個學科，在國防建設、國民經濟發展等方面得到了廣泛應用.隨著模式識別技術的迅速發展，對模式識別技術專門人才的需求也在迅猛增加.然而，作為一種知識密集型多學科交叉的技術，不僅要求學生必須系統地掌握模式識別理論和方法、應用相關知識，而且要求學生應具備相應的技術研發能力.因而，人才的全面素質培養越來越受到重視.把握國際一流高校的教學改革思路，樹立培養研究應用型人才的教學思想，探索相應教學方法和教學模式，培養具備一定科研能力和較高科學素養的人才是當前模式識別課程的重要教學改革目標.模式識別課程主要討論分類和識別的基本原理、方法.要求學生掌握其識別原理、方法及一些基本概念，并能把握其發展動態，運用所學相關知識解決實際問題，為研究新的模式識別理論和方法打下基礎[1]76.文章從調整教學內容、改進教學模式、完善考核形式等方面進行了探索.

1 目前模式識別課程教學中存在的現實問題

“模式識別”課程在應用上，屬于機器學習、人工智能的范疇，而就學術方面而言，可歸于信息分析、數據處理的領域.該課程在縱向上，與高等數學、線性代數、數理統計、概率論、數值分析、數據挖掘等密切相關；在橫向上，與信號處理、數字圖像處理、信息檢索等專業課程有關聯[2]51.該課程比較抽象，數學公式推導多，著重于對實際問題數學建模的研究.在本課程講授完后，大部分學生對講授內容只是一知半解，不能將所學理論知識應用于相關實踐, 如：在畢業設計和創新大賽中, 很多學生經常不知從何處入手.

當前模式識別課程在教學模式和內容上存在一些弊端：1)教師在授課過程中，通常以教師講授為中心，缺少互動性，這種模式不利于調動學生的積極性和主動性，效果當然不理想；2)在實驗環節，一般安排以個體為單位的基礎性驗證性實驗為主，學生上機動手編程，根據相關課堂講授內容設計相對簡單的驗證性實驗.這種實驗教學方法，學生不能真正熟悉模式識別在工程項目中的應用，不利于提高其專業技能，不利于拓展學生的創新思考能力，也不利于培養學生的團隊協作能力及解決復雜問題能力.基于以上問題，必須通過優化教學內容和教學模式，合理配置多方教學資源，以改善當前教學現狀.

2 優化模式識別課程的教學內容和教學方法

作為模式識別與智能系統專業基礎課的模式識別課程，是一門與工程實踐緊密聯系的基礎理論課程，其原理、概念和方法一般都用數學符號與公式闡述，由于利用模式識別理論解決實際問題的數學建模比較抽象且邏輯性強，講授過程中往往會令學生感到枯燥、難懂，易使部分學生望而生畏.因此，就教學內容應當從以下幾方面進行一些改革.

2.1 培養學生善于應用數學知識分析和解決實際問題的能力

多方面滲透數學建模的思想，通過數學建模與模式識別理論的密切聯系，培養學生深層次理解模式識別基本方法的自覺性，提高基于模式識別理論運用數學知識解決實際問題的能力.在利用數學建模方法解決實際問題的過程中，使學生理解實際模式識別數學模型的來龍去脈.因而，將數學建模引入模式識別理論的課堂教學，培養學生運用模式識別基本理論、方法指導實踐的自覺性，由此從實際問題的解決過程中深化對相關知識的理解.有利于調動學生學習的主動性和積極性，同時也利于培養學生運用模式識別理論解決實際問題的能力.模式識別相關實際問題的數學建模需要多學科知識綜合運用，從而要求學生必須具有較廣的知識面和較強的綜合能力.如：抽象的邏輯思維能力、較強的發散思維能力、較強的創新意識和能力、熟練的計算機編程能力、相關資料的收集整理能力、較好的團隊協作能力等.這些也是現代科研人才必備的基本素養.

在教學過程中，培養學生對具體模式識別問題進行數學建模的意識.1)要使學生明白模式識別數學模型的構建是一種數學思維方法，是運用數學手段對實際識別問題的抽象簡化；2)注重培養學生通過數學建模將實際問題轉換成數學問題的能力，使學生在思維素養、創造性開發、科學研究能力等方面都得到提高；3)教師對比較難理解的模式識別模型應精心設計講授方法，把較為抽象的問題通過分解建模，除去非本質的因素構造最基本的數學模型，然后再通過給此模型追加約束等方法使其逐步完善，這樣不僅有利于學生理解相關知識，而且有利于激發學生的創新思維能力；4)形象化模式識別理論中的一些比較抽象的問題，調動學生自覺學習的積極性.有很多知識，如：貝葉斯決策理論、前饋神經網絡、自組織特征映射神經網絡、支持向量機等，對學生來講是比較抽象的，教師在講解這些模型時有必要把抽象轉變為形象建模；5)選擇經典的實際問題，以“精、小”為出發點，最好是模式識別理論在高科技或生活實踐中具體運用的熱點問題.對這些典型應用進行透徹分析，以啟發學生獨立思考、自主探究的能力.

2.2 精選和提煉教學內容，提高教學的針對性和時效性

為提高學生的科研素養和綜合運用知識的能力，在教學過程中應適當調整、篩選和提煉模式識別課程各章節的教學內容，并注重引入該課程的新理論和新方法，確保授課內容相對穩定而又不斷更新.1)將模式識別課程中抽象難懂而又重要的知識點提煉出來.如：貝葉斯決策理論中的最大后驗概率判決準則和最小風險貝葉斯判決準則、概率密度函數的非參數估計中的Parzen窗法、線性判別分析中的Fisher線性判決和分段線性距離分類器、特征提取與選擇中的主分量分析(PCA)和獨立分量分析(ICA)以及相應的基于核函數的方法、最大最小距離聚類算法、基于LBG算法的聚類分析、模糊聚類分析中的模糊K均值算法、前饋神經網絡中的徑向基函數網絡、自組織特征映射神經網絡中的自組織特征映射算法、支持向量機(SVM)中的線性可分與線性不可分兩種情況的區別與聯系等等.對這些內容要精講，借助Matlab較強的可視化功能，通過圖形、曲線、動畫等相應方式將其原理、結果形象地展示出來.并注重運用各種框圖將各個知識點串起來，讓學生對其形成整體概念；2)注重介紹模式識別的相關應用.在學習過程中讓學生自覺地理論聯系實際，了解所學習的模式識別理論是與周圍事物密切相關的，所學知識能運用于以后的工作中，將會大大激發起學生學習這門課程的興趣和動力[3]45.如：與日常生活密切相關的語音識別、車牌識別、視頻檢索、指紋識別、人臉識別等內容.本著理論與實際運用相結合的授課方法，有利于學生加深對理論方法的理解，有利于學生系統地掌握模式識別的理論精髓和相關技術，有利于啟發學生應用模式識別解決相關領域實際問題的能力；3)要根據模式識別領域最新的研究進展，及時引入最新科研成果，如：流行學習和稀疏表示等理論知識.

3 探索模式識別課程的研究型教學模式

模式識別是一門與實際應用結合非常緊密的專業課，為使學生具備一定的科研素質，培養有后勁、有創新勇氣和智慧的復合型人才，必須將研究型教學原則滲透到人才培養的各個教學環節之中.1)要建立一支從事模式識別相關專業方向研究的教學師資隊伍.在模式識別學科建設的基礎上，引導教師主動探索運用研究型教學方法，從教學水平、知識體系上提高教師的研究型教學能力.這也要求從事模式識別專業教學工作的教師都應該從事一定的相關科研工作或科技項目開發.顯然，研究能力較差、相關專業學術水平不高的教師，在培養具有研究創新能力的學生方面，會感到力不從心；2)教學與科研合作，鼓勵學生參與實際工程項目，改進模式識別課程教學方式，完善研究型教學方法.揚棄傳統的課程教學方法與手段，徹底摒棄以教師為主體的灌輸式教學方法，不斷改進和采用先進的教學手段.對當前的模式識別課程內容進行改進，加入相應的研究學習內容；改革當前的課程考核方法，給學生更多的發揮空間，建立思想活躍的學術性學習環境，激發學生的創新思維.

[1] 譚詠梅，王小捷，鐘義信. 模式識別課程的教學探索[J]. 計算機教育，2011(15).

[2] 袁 立，李曉理. 基于CDIO的“模式識別”課程教學改革研究探索[J]. 中國電力教育， 2013 (4).

[3] 謝利民，鄭百偉. 現代教學基礎理論[M]. 上海: 上海教育出版社，2003.