“模式識別”課程虛擬教學平臺的研究與實現

張燦龍　唐艷平

摘 要： 針對目前研究生“模式識別”課程教學中所呈現的問題，并結合課程自身的特點，分析了構建“模式識別”虛擬教學平臺應解決的主要問題，借助計算機技術和網絡技術進行平臺的構建。此平臺主要由課程介紹、成員管理、在線學習、項目開發、在線測試和在線交流等功能模塊構成。該虛擬教學平臺極大地擴展了教學空間，豐富了教學方法，提高了教學效率，為師生提供了一個便捷、有效的網上教學環境。

關鍵詞： 模式識別； 虛擬教學平臺； 網絡技術； 計算機技術

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）07-59-03

Abstract： Aiming at the existing problems in the teaching of pattern recognition course， the key issues that should be addressed in designing the virtual teaching platform of pattern recognition course are analyzed with the characteristics of the course，. The platform is constructed by the computer technology and Internet technology. The following functions including the course description， membership management， online learning， project development， online testing and online discussion are provided. The virtual teaching platform greatly expands teaching space， enriches the teaching method and improves teaching efficiency. It provides the teachers and students with a convenient and effective online environment.

Key words： pattern recognition； virtual learning platform； internet technology； computer technology

0 引言

鑒于模式識別技術的重要性，許多高等院校都將模式識別作為自動化、計算機科學與技術、控制理論與工程等相關專業研究生的主修課程。該課程理論性強、實踐性突出，與學科內的多層面內容相融合，其前沿技術發展日新月異，是集理論性、實用性、創新性于一體的綜合性課程[1]。但由于模式識別課程內容太多[2-3]，無法在有限的課時內全面講授，而基于互聯網的開放式虛擬教學平臺為我們解決這一問題提供了有效的途徑。作為傳統教育教學的有益補充，虛擬教學平臺可為教師和學生提供一個具有交互性、共享性、實時性和綜合性的學習環境[4]。本文首先介紹構建“模式識別”虛擬教學平臺的必要性，然后給出該平臺的實現方法及各模塊的功能。該平臺整合了課程的教育教學資源，強化了教學過程中“教為主導，學為主體”的教學理念，有利于激發學生的學習興趣，幫助學生更好地理解和掌握教學內容，培養學生的創新能力，提高教學質量。

1 “模式識別”虛擬教學平臺建設的必要性

模式識別是指通過計算機用數學技術方法來研究模式的自動處理和判讀，是信息科學和人工智能的重要組成部分[1]。對于機器人、機器視覺、信息獲取、語音識別等研究有重要意義，已經在軍事、醫學、公安、交通管理、天氣預報等領域得到了廣泛應用。我們對廣西某高校模式識別課程的教學現狀作了一次調查，師生普遍反映模式識別課程內容繁雜、難講、難學。下面我們從課程本身、教師授課和學生學習三個方面來分析該課程教學存在的主要問題。

1.1 課程內容較多、理論性強

首先，模式識別課程內容較多，通常包括貝葉斯決策與估計、特征提取與選擇、分類器設計與評估、聚類分析、有監督、無監督以及半監督學習、神經網絡、支持向量機、模糊分類等，要在有限課時內向學生講授這些內容并使其掌握是很困難的一件事情；其次，模式識別課程涉及的數學知識較多，包括高等數學、線性代數、數理統計、矩陣論、隨機過程、工程優化方法、小樣本統計學習理論、模糊數學等，這對學生的數學功底是一個較大的挑戰，同時也使得教學面臨著尷尬局面：既不能花過多的時間講數學基礎知識，又要把以這些數學知識為基礎的內容講清楚；最后，模式識別還是一門實踐性要求較高的課程，要求學生能運用模式識別相關理論對實際問題進行分析和抽象建模，并編程實現問題的自動化求解，因此要求學生具有較強的知識儲備、自學和動手能力。

1.2 教學方法單一落后

受長期給本科生授課方式的影響，大部分導師對研究生上課仍然采取“滿堂灌”的形式。他們往往會根據自己對課程的理解來上課，缺少與學生的交流，無法站在學生現有知識水平的基礎上去體會課程的難度，這是其一。其二，有些導師由于缺乏與模式識別相關的課題研究經驗，因此無法結合自身體會將有些深奧的模式識別公式或理論形象化和實例化，而這往往是學生喜聞樂見的教學方式。其三，教學未能與時俱進，仍采用課堂講授為主的教學方式，學生動手實踐少，因此很難將抽象知識和實踐結合應用。

1.3 研究生基礎和學風整體呈下滑趨勢

首先，受擴招和重點大學競爭的影響，地方高校生源質量整體呈下滑趨勢，大部分研究生是通過調劑錄取的，其中還包括相當數量的跨專業的學生，因此這些學生的專業素養，特別是數學基礎普遍較差，這給模式識別課程的教學帶來了很大困難；其次，由于自身基礎較差，研究生對學好模式識別課程缺乏足夠的信心，在學習和科研上缺乏積極性、主動性和刻苦鉆研的動力；最后，研究生的學習能力存在差異性，單一的課堂教學模式難以真正做到因材施教。

因此，有必要對現有教學模式進行改革，通過利用計算機技術和網絡技術構建虛擬教學平臺，以此來突破傳統課堂教學的時空限制，并充分調動學生學習的積極性，最終達到在有限時間內高質量地完成課程教學之目的。

2 “模式識別”虛擬教學平臺的研究

通過上一節的分析不難看出，要構建一個切實高效的虛擬教學平臺，就必須從課程設計、教師教法和學生管理三個方面來進行分析和研究。下面是我們對構建“模式識別”虛擬教學平臺的幾點思考。

⑴ 教學平臺應對課程教學信息資源進行有效整合。由于模式識別內容較多，并涉及大量數學理論，因此課堂上只能對部分內容和理論進行精簡式講解。為了使學生能對課程信息進行全面了解，虛擬教學平臺必須提供更為詳實的教學資料。例如，以電子教案、多媒體課件、教學視頻及教學參考資料等形式對課程信息進行共享。學生可以通過該平臺自主地預習和復習，打破傳統教學模式的時空限制，實現課堂教學的課外延伸，使學習過程變得更加方便和靈活。

⑵ 教學平臺應提供在線項目開發和管理的功能。模式識別是一門理論與實踐緊密結合的課程，因此必須培養學生應用模式識別理論去解決實際問題的能力。同時，教學理論表明基于任務驅動的學習方法能有效地激發和維持學習者學習的興趣和動機，并有助于教學者對學習者進行有效管理[5]。為了達到以上目的，我們在構建虛擬教學平臺時提供了在線項目開發和管理的功能。學生可以通過平臺自主地完成教師給定的項目任務，教師也可以及時地掌握學生完成項目任務的進度，并給出必要的指導和幫助。

⑶ 教學平臺應提供交互式學習的功能。教學理論和實踐表明，基于自由討論和交流的學習方式能有效地提供學習效率。然而，受教學時間的限制，在課堂教學中組織充分的教學討論和交流存在一定的現實困難，因此我們以新生代學生更愿意接受的留言板、郵件系統等形式設計了交互式學習模塊。通過虛擬教學平臺，學生之間可就學習過程中遇到的各種問題展開討論并及時反饋，教師也可以通過該平臺將教學心得等信息傳播給學生，增強教師與學生之間的交流。

3 “模式識別”虛擬教學平臺的實現

本文以Dreamweaver作為教學平臺的開發環境，使用JSP技術，設計了基于B/S模式的“模式識別”虛擬教學平臺。該平臺主要由課程介紹、成員管理、在線學習、項目開發、在線測試和在線交流等模塊組成，其功能結構如圖1所示。

3.1 課程介紹模塊

課程介紹模塊主要由課程信息發布和教學模式簡介兩部分組成。其中第一部分提供了課程簡介、教學大綱、教學計劃、推薦教材等基本教學信息；第二部分介紹了該課程所倡導的教學理念、教師所采用的教學方法及對策、以及學生應該使用的學習方法等。

通過該模塊學生能對模式識別課程的基本情況和教師擬采用的教學方法有一個通盤了解，從而知道該如何去執行和操縱整個學習過程，才能獲得最好的教學效果。

3.2 成員管理模塊

系統的成員主要有教師和學生。教師信息管理模塊主要提供課程負責人和主講教師等基本信息的維護及查看功能，并展示教學團隊所有成員的教學及科研成果信息。學生信息管理模塊主要介紹每個學生的基本信息、所在班級以及所承擔的項目任務等情況。

通過成員管理模塊學生對教師的教學水平和科研能力有了充分了解，教師也可對學生的知識基礎有所了解，從而有助于制定合理的教學方案，最終實現師生之間的相互了解和溝通。

3.3 在線學習模塊

該模塊有教學資料管理和在線課程學習兩部分。其中教學資料管理模塊提供了與“模式識別”課程相關的教學資料的上傳、刪除等功能，如電子教案、多媒體課件、教學視頻及教學參考資料等；在線課程學習模塊提供了多媒體課件和教學視頻的在線播放功能。對多媒體課件的制作，主要使用了Powerpoint、Authorware、Flash等軟件。

該模塊支持學生在課堂以外進行自主學習，通過觀看相關課堂教學視頻和課件等方式，達到課前預習和課后復習的目的，有效避免了教學受到時間、地域約束的影響，使學習過程變得更加便捷和靈活。

3.4 項目開發模塊

項目開發模塊由項目任務管理和在線項目開發兩部分組成。其中第一部分主要負責項目任務的編制、介紹、分配以及測試數據的上傳和維護，教師用戶可以通過該模塊及時掌握學生執行項目任務的情況，并給出相應指導；第二部分則提供一個基于Matlab語言的“模式識別”課程項目開發系統，學生可通過該系統實現項目任務的在線開發、程序代碼的上傳和在線測試。常見的項目任務有手寫數字識別、人臉識別、指紋識別、虹膜識別、車牌識別等。

項目開發模塊是我們這個虛擬教學平臺的一大特色，它的作用是雙重的，既培養了學生應用模式識別理論解決實際問題的能力，又便于教師有效地監督和管理學生學習。

3.5 在線測試模塊

在線測試由測試題庫管理模塊和在線課程測試模塊組成，其中測試題庫管理提供測試題目的新增、修改、刪除等維護功能。在線測試功能分為章節測試和在線考試兩大類。章節測試是對某個章節的知識掌握情況進行在線測試，在線考試是對整個課程知識點的掌握情況進行綜合測試。考試題型由選擇題、判斷題和實例設計題所構成。學生點擊開始考試后，系統會根據測試題庫隨機生成一份考卷，測試完成后系統將測試結果及參考答案反饋給學生。

通過這種無紙化考試有助于學生進行自我檢查，掌握自己的學習情況，及時查缺補漏。也有助于教師及時了解教學效果，并做出相應的調整。

3.6 在線交流模塊

課程論壇為教師和學生提供討論交流的平臺，學生可以在這里發布學習過程中遇到的問題、學習心得及自己的學習資料等，實現一定的資源共享。學生可以通過在線答疑功能，將學習過程中遇到的問題和產生的疑問向老師提問，教師可以以留言的形式對問題進行解答。此外，教師還可以將一些具有普遍性的問題發布到論壇中，便于學生參考。

4 結束語

基于網絡的虛擬教學平臺是一種新型的教學模式，是對傳統教學模式的有益補充，在高校教育中已發揮越來越重要的作用。本文構建了“模式識別”課程的虛擬教學平臺，學生可以通過該平臺隨時隨地預習、上課、復習、討論和開發項目，這有效地促使學生進行主動學習，讓師生之間的溝通與交互更加方便和靈活。此外，這種教學模式對于開展個性化教學，真正實現因材施教，也起到了積極作用。

參考文獻：

[1] 史海成，王春艷，張媛媛.淺談模式識別[J].今日科苑，2007.22.

[2] 邊肇祺，張學工.模式識別[M].清華大學出版社，2002.

[3] Sergios Theodoridis. Pattern Recognition[M].San Diego： Academic Press，2006.

[4] 吳璟莉.數據庫虛擬教學平臺的構建與研究[J].無線互聯網科技，2012：203-205

[5] 鄭開濤.任務驅動教學模式的探索[J].當代教育論壇，2008.8：115-117