電子信息專業模式識別教學改革淺談

馬勇

摘 要：模式識別是智能信息處理的重要組成。針對目前模式識別教學中的偏重理論講解，缺少實例分析，動手能力培養不夠，和考核機制單一等問題，結合電子信息專業特點，利用互聯網的豐富資源，對模式識別教學和教法提出了一些改革的意見，讓學生在模式識別課程的學習過程中，能夠增強數學建模能力，開拓思維分析方法和提升就業核心競爭力。

關鍵詞：模式識別 電子信息專業 教學改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（c）-0112-02

模式識別誕生于20世紀的二三十年代，它是通過分析數據對事物或現象進行辨認、分類和解釋的過程，是智能信息處理研究的重要內容[1]。到了20世紀50年代，隨著計算機硬件的發展和人工智能熱潮的出現，模式識別進入發展階段，國外一些著名大學陸續開設了模式識別課程。國內以清華大學等為代表的高校和研究單位從20世紀80年代末開始在研究生中進行模式識別教學。進入21世紀，隨著信息時代對海量數據自動處理的迫切需求，國內外市場對復合型模式識別人才的需求逐漸增多。在這種背景下，模式識別課程的學習從研究生階段下移到本科生階段，開設的專業也從計算機、自動化控制和人工智能等，向電子信息、生物醫學工程和經濟管理等拓展。與此同時，國內模式識別教育工作者也開始對模式識別的教材和教法改革進行一系列探討[2-3]。

該文根據多年的教學經驗和體會，結合電子信息專業學科特點，分析模式識別教學和教法中存在的一些問題，并提出一些改革的建議。通過新的理念打造模式識別的教學過程，激發學生學習興趣的同時鍛煉學生思考問題和動手實踐的能力，最終培養出符合時代需求的復合型電子專業人才。

1 重新定位模式識別的教學

模式識別是一門融合多學科知識的綜合性課程，它不僅需要高等數學、線性代數、概率論和優化理論等數學基礎[4]，還需要數據結構、算法設計和程序語言等計算機知識。對于電子信息專業的本科生來說，傳統的模式識別教學側重算法介紹和公式推導，學習起來有一定難度且枯燥乏味，而且對以后的就業意義不大，所以學生學習的積極性不高。為此我們對電子專業的模式識別教學教法進行一系列的改革，讓學生明確模式識別學習目的意義，重視培養學生的分析問題和數學建模的能力，弱化純理論的推導，突出公式的物理意義，把模式識別和其他電子專業課程融合在一起進行教學。

1.1 基于事例導入課程學習

興趣是最好的老師，通過身邊事例的介紹，引起學生對模式識別的好奇心，從而產生探究事物真相的動力。模式識別課程開始之前，我經常會以提問方式導入課程，如蘋果手機的SIRI系統如何識別人類的語音，指紋考勤機怎樣識別人的身份，鋼鐵俠通過意念控制盔甲的技術真的可以實現嗎等等，然后介紹以上實例都要用到共同的技術——模式識別，模式識別的主要任務是把某一樣本歸屬于某一類型的判決過程。在講解貝葉斯信息判決時，我通常以SARS病毒傳播為例，為了避免病毒的擴散，醫生要及時對疑似病人進行判別治療，如果把SARS病毒攜帶者漏判了，那么其危害性要遠大于把正常人錯判為病人的情況，所以此時要采取最小風險的貝葉斯決策準則。

1.2 突出公式背后的物理意義

模式識別與電子專業其他課程相比數學公式和推導較多，學生在學習時很容易產生畏難的情緒，所以教學時要從公式背后的物理意義著手。如講解主成分分析知識點時，首先介紹主成分分析的一般步驟，接著讓大家思考為什么要選取協方差矩陣前幾個最大特征根對應特征向量構成變換矩陣。從物理意義著手解釋，數據協方差矩陣的特征根對應維數的分散程度，特征根越大表示數據在對應維數越分散，區分性越好，主成分分析的本質思想是在低維空間保留數據集的最大區別特性，所以要把數據投影到方差較大的空間。學生從物理意義出發才能更好的掌握公式的概念和推導過程。

1.3 建立與電子專業其他課程聯系

模式識別一門綜合性較強的課程，它和電子專業的許多課程關系緊密。在模式識別系統中，信號與系統、數字信號處理等課程可以提供前端處理和特征提取等技術，數字圖像處理和語音信號處理等是具體領域，電子設計等課程可以實現系統的硬件產品。從另一方面來說，模式識別的原理和方法還可以指導電子線路和通信系統等設計。通過這種融合式的教學模式，讓學生認識到模式識別是電子信息專業一門不可或缺的課程。

2 加強動手能力培養

對于本科生來說，在學習模式識別課程時，不僅要能理解主要算法的基本原理和思想，更重要的是要能用程序語言實現這些算法，并進行一些仿真實驗。學生針對具體的算法編寫代碼，不但鍛煉編程能力，而且也加深了對算法的認識，通過一些仿真實驗還可以提高學生學習興趣和積極性。模式識別課程常用的編程語言主要有MATLAB語言和C語言。下面介紹教學中培養學生動手能力一些措施。

2.1 布置課后編程作業

針對電子信息專業本科生來說，學習模式識別首要目的是為了應用，所以課后布置的作業應以算法實現為主。一些簡單的算法，如Parzen窗概率密度估計和Fisher線性判別等，由學生獨立編程完成；而對于稍復雜的算法，如BP神經網絡，一般由老師提供部分代碼，讓學生去完成剩余的部分；還有一些比較困難的，如支持向量機，可以讓學生下載網絡上開源工具包進行數值實驗。有時針對一些公開數據集，讓學生用自己編寫的代碼進行仿真實驗，并把實驗的結果與一些參考文獻中的結果對比，分析算法實現的優劣，在完成作業的同時，還能培養學生一定的科研基礎。

2.2 分組完成課程設計

課程設計是模式識別課程必不可少的實驗環節，學生以小組為單位選擇題目，比如說話人識別、人臉識別、指紋識別和生物信號識別等，然后設計實現的算法，利用網絡上開放的數據庫進行實驗，最后完成課程設計報告。通過課程設計，學生可以把所學的零散知識融匯貫穿，從而對模式識別系統有一個整體的認識，同時學生還可以培養團隊協作的能力。當然學生還可以選擇一些基于硬件的課程設計，比如聲控小車實驗，這樣更能夠培養學生對本專業知識的綜合運用能力。endprint

3 采取靈活的考核機制

模式識別課程的最終成績一般采用平時成績和考試成績結合的形式，平時成績主要是學生的課后作業和出勤情況等，而考試成績則是期末的卷面考查。為了體現對電子信息專業的學生綜合能力培養的需求，我們對模式識別的考核機制進行一些改革。

3.1 重視學生的課堂表現

模式識別的許多新想法和創新觀點經常在教與學的過程中產生，課堂上教師應當鼓勵學生從本專業特點出發，積極思考模式識別的實際應用，如利用模式識別解決電子測量中故障的自動檢測問題等。教學中的啟發式問題，不但提高了學生理論聯系實際的能力，同時還可以促進學生創新能力的培養，所以有必要把學生課堂表現作為考核內容。

3.2 增加實踐能力的考察

模式識別中實踐能力的考察主要針對課后的實驗作業和課程設計等內容，這部分考察分數占總成績的20%比例。實際的操作中，教師根據學生完成算法代碼的運行效率、時間復雜度和實驗結果等指標，給出一定的分數。對于課程設計，則根據不同小組對模式識別綜合系統設計和實現，以及不同學生在小組中分工和表現等給出判分，有時還可以組織不同小組之間進行設計比賽，提高學生參與意識。

3.3 開放式的試卷考核

期末考試成績占模式識別總成績的比例一般比較大，通常在60%左右，教師可以采用開卷的形式考核。一方面，學生不需要死記硬背一些公式去考試，而是通過理解去掌握模式識別的一些基本概念和算法，減輕了學習的負擔，另一方面教師可以出一些沒有固定答案的試題讓學生通過查閱資料解決，鍛煉學生分析和解決新問題的能力。

總之考核的目的是為了促進學生對模式識別的一些基本理論掌握，鍛煉動手操作能力，培養獨立思考問題的方法，改革之后的考核方法更適合培養具有綜合應用能力的學生。

4 結語

模式識別是一門不斷發展的新興學科，在信息化和大數據飛速發展的今天，模式識別作為學生就業和科研不可缺少的專業知識，正發揮這越來越重要的作用。本文針對電子專業本科生的專業特色，結合模式識別課程的特點，提出了模式識別課程教學改革方法，更好地提高學生的學習興趣和提升就業內涵。隨著電子信息專業課程體系和結構進一步深入改革，模式識別的教學和教法將獲得更大的發展。

參考文獻

[1] 邊肇祺，張學工.模式識別[M].3版.北京：清華大學出版社，2002.

[2] 劉瓊，張奇志，李鄧化，等，模式識別課程的教學實踐與改革思考[J].計算機教育 2013（19）：97-99.

[3] 胡靜，曹治國.“模式識別”課程的國際化教學設計[J].電氣電子教學學報 2013，35（4）：32.

[4] 戚玉濤，劉芳，焦李成，等.模式識別教學實踐與課程改革[J].計算機教育，2010（19）：24-26.endprint