模式識(shí)別課程混合式教學(xué)設(shè)計(jì)

鄭彩俠，張 潔，孔 俊，郭羽婷

（東北師范大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春 130117）

0 引言

模式識(shí)別是一種能夠自動(dòng)識(shí)別數(shù)據(jù)模式和規(guī)律的技術(shù)，是人工智能的一個(gè)重要分支。近年來，模式識(shí)別技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于圖像與視頻分析、信息檢索、生物信息學(xué)、機(jī)器人、無人駕駛、智慧醫(yī)療等領(lǐng)域，成為推動(dòng)該領(lǐng)域進(jìn)步和發(fā)展的關(guān)鍵動(dòng)力之一。尤其，隨著人工智能2.0 時(shí)代的到來，社會(huì)各領(lǐng)域?qū)δＪ阶R(shí)別專業(yè)人才的需求大幅增加［1］，為適應(yīng)時(shí)代發(fā)展和社會(huì)需求，各高校先后為高年級(jí)本科生及研究生開設(shè)了模式識(shí)別課程［2］。

模式識(shí)別是從事計(jì)算機(jī)、人工智能、自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域所不可或缺的一門核心課程。該課程具有較強(qiáng)的理論性、交叉性和應(yīng)用性，若僅采用線下課堂教學(xué)形式，難免會(huì)導(dǎo)致學(xué)生課堂滿意度不高、學(xué)習(xí)興趣較低，難以深入掌握所學(xué)知識(shí)，更無法靈活運(yùn)用模式識(shí)別技術(shù)解決實(shí)際問題。因此，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、促進(jìn)學(xué)生對(duì)模式識(shí)別知識(shí)的深度理解和整合、培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力是目前教學(xué)工作中亟需解決的問題。

近年來，為提升模式識(shí)別課程的教學(xué)質(zhì)量，國內(nèi)外教育工作者已提出了許多切實(shí)有效的教學(xué)改革與實(shí)踐方法。本文在2022 年1 月的中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中，以“模式識(shí)別”和“課程教學(xué)”為主題詞檢索2008-2021 年間發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)，共檢索出約91篇文獻(xiàn)，發(fā)文量趨勢(shì)如圖1所示。

Fig.1 Number of publications related to pattern recognition course teaching圖1 模式識(shí)別課程教學(xué)相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)文量

從圖1 可見，發(fā)文量總體成逐年遞增趨勢(shì)，表明提高模式識(shí)別的教學(xué)質(zhì)量已逐漸引起了教育工作者的關(guān)注，但總數(shù)發(fā)文量仍然較少。因此，有必要進(jìn)一步深入研究和實(shí)踐。

通過對(duì)現(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，目前教學(xué)質(zhì)量和效果提升策略主要分為對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革［3-4］、設(shè)計(jì)教學(xué)案例［5-6］、注重課程實(shí)踐［7-9］、改革教學(xué)評(píng)價(jià)方式［10］、建設(shè)科學(xué)的教學(xué)團(tuán)隊(duì)［11］、開發(fā)教學(xué)平臺(tái)［12］等，但少有文獻(xiàn)深入研究如何基于混合式教學(xué)策略設(shè)計(jì)模式識(shí)別教學(xué)模式。例如，在圖2 所示的現(xiàn)有文獻(xiàn)的主題分布圖中，并未包含“混合式教學(xué)”。此外，目前本科模式識(shí)別教學(xué)中存在的問題［3，5，9］主要包括：①在教學(xué)理念上，未充分突出學(xué)生的主體地位，無法有效培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、積極思考和創(chuàng)新思維能力；②在教學(xué)內(nèi)容上，僅包含模式識(shí)別的基礎(chǔ)理論，很少涉及前沿技術(shù)，導(dǎo)致學(xué)生無法了解模式識(shí)別的發(fā)展脈絡(luò)及最新技術(shù)；③在教學(xué)方式和手段上，主要采用線下課堂講授課程的基礎(chǔ)理論，教學(xué)方法較為滯后，忽視了實(shí)踐教學(xué)的重要性，未有效利用科研引導(dǎo)和促進(jìn)教學(xué)；④在課程考核上，主要采用期末筆試進(jìn)行理論考核，考核方式相對(duì)單一，無法全面考察學(xué)生的創(chuàng)新思維及解決問題的能力。

Fig.2 Theme distribution of literatures related to pattern recognition course teaching圖2 模式識(shí)別課程教學(xué)相關(guān)文獻(xiàn)的主題分布

目前，《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》指出要建立新型信息化教學(xué)觀念，創(chuàng)新在線和傳統(tǒng)線下合理混合的新型教學(xué)模式［13-14］。因此，為解決模式識(shí)別教學(xué)過程中存在的問題，本文基于對(duì)前人的相關(guān)研究及東北師范大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教學(xué)團(tuán)隊(duì)在模式識(shí)別教學(xué)過程中積累的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種混合式教學(xué)模式，旨在突破傳統(tǒng)課程教學(xué)難點(diǎn)、提高學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣、使學(xué)生能夠通過實(shí)踐更好地掌握模式識(shí)別的相關(guān)知識(shí)，全面提高學(xué)生的實(shí)踐能力、知識(shí)深度整合能力及創(chuàng)新思維。

1 混合式模式識(shí)別課程教學(xué)設(shè)計(jì)

在智慧教育背景下，具有交互性、自主化和個(gè)性化特征的線上與線下相結(jié)合的混合式教學(xué)模式已成為現(xiàn)代教學(xué)方式的發(fā)展趨勢(shì)［15-16］，并已逐漸成為提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段［17］。混合式教學(xué)可充分發(fā)揮傳統(tǒng)課堂教學(xué)與線上學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和解決問題能力。

從內(nèi)涵上而言，混合式教學(xué)與何克抗等［18-19］倡導(dǎo)的“主導(dǎo)—主體相結(jié)合”的教育思想內(nèi)涵基本相同，不僅是一種新的教學(xué)模式，更是一種新的教學(xué)理念，反映了國際教育界關(guān)于教育思想、教學(xué)觀念的提高和改變。

從教學(xué)觀念而言，混合式教學(xué)要同時(shí)兼顧“傳授—接收”和“自主—探究”兩個(gè)方面［18］。其中，“傳遞—接收”要實(shí)現(xiàn)“有意義的傳遞”，即要將新知識(shí)、新概念和學(xué)生原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)建立起實(shí)質(zhì)性聯(lián)系；“自主—探究”要實(shí)現(xiàn)“主導(dǎo)下的探究”，即教師要成為課堂教學(xué)過程中的組織者和主導(dǎo)者，對(duì)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行必要的引導(dǎo)、啟發(fā)、分析等，同時(shí)也要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼n堂講授，使學(xué)生能夠高效、高質(zhì)量的完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

基于混合式教學(xué)的內(nèi)涵和觀念，構(gòu)建了一種線上、線下相結(jié)合的混合式教學(xué)模式，該模式的主要特色和創(chuàng)新在于有效結(jié)合了計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的實(shí)際科研項(xiàng)目，以設(shè)計(jì)恰當(dāng)、有趣的實(shí)踐任務(wù)，而非僅讓學(xué)生對(duì)課本上的例題進(jìn)行計(jì)算或編程模擬驗(yàn)證。

本文以東北師范大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教學(xué)團(tuán)隊(duì)中與圖像或視頻分析方向相關(guān)的科研項(xiàng)目中存在的問題為切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于圖像或視頻的場(chǎng)景識(shí)別、人臉表情識(shí)別等實(shí)踐任務(wù)，從而深度融合模式識(shí)別各方面的知識(shí)點(diǎn)。例如，讓學(xué)生將“特征提取”和“分類決策”知識(shí)相互整合完成一個(gè)實(shí)際場(chǎng)景的識(shí)別任務(wù)。

基于科研項(xiàng)目設(shè)計(jì)課程實(shí)踐任務(wù)，不僅使得學(xué)生對(duì)知識(shí)進(jìn)行深度整合和遷移，還能讓學(xué)生切身體會(huì)一個(gè)項(xiàng)目實(shí)施的具體過程，進(jìn)而充調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高其運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決新產(chǎn)業(yè)、新技術(shù)等實(shí)際問題的能力。

1.1 教學(xué)目標(biāo)與難點(diǎn)分析

模式識(shí)別課程的目標(biāo)是使學(xué)生能夠理解、掌握模式識(shí)別的基本概念、基本理論和典型方法，能夠運(yùn)用模式識(shí)別方法分析、歸納、解決人工智能領(lǐng)域中的相關(guān)實(shí)際問題，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維。該課程不僅理論性、交叉性強(qiáng)，還是一門注重實(shí)踐的的課程。因此，教學(xué)改革具有較大的難度和挑戰(zhàn)性［20］。

傳統(tǒng)基于線下課堂的模式識(shí)別教學(xué)主要面臨以下難點(diǎn)［9，21］：①教學(xué)內(nèi)容相對(duì)較陳舊，且包含大量繁雜的理論公式推導(dǎo)；②重理論輕實(shí)踐，理論與應(yīng)用實(shí)踐存在一定的脫節(jié)；③教學(xué)內(nèi)容多但教學(xué)課時(shí)少。

為了解決上述問題，本文首先對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新篩選和優(yōu)化，使教學(xué)內(nèi)容能夠與時(shí)俱進(jìn)、詳略得當(dāng)、適應(yīng)人工智能時(shí)代對(duì)人才培養(yǎng)的新要求。然后，構(gòu)建一種線上、線下混合的教學(xué)模式提升教學(xué)的質(zhì)量和活力。

1.2 教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

基于強(qiáng)化創(chuàng)新、注重實(shí)踐的教學(xué)設(shè)計(jì)理念，結(jié)合模式識(shí)別技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)與圖像或視頻分析與理解相關(guān)的科研項(xiàng)目，對(duì)模式識(shí)別教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新梳理和優(yōu)化。優(yōu)化后的教學(xué)內(nèi)容（見表1）打破了原有章節(jié)限制，引入了模式識(shí)別的最新技術(shù)，使該課程能夠更加適合混合式教學(xué)，并且也更加注重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的整合能力和實(shí)踐動(dòng)手能力。

1.3 混合式教學(xué)模式設(shè)計(jì)

通過結(jié)合線上信息化教學(xué)與傳統(tǒng)線下課堂教學(xué)手段，引導(dǎo)學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)模式識(shí)別課程的基礎(chǔ)知識(shí)，教師則主要在線下承擔(dān)啟發(fā)、引導(dǎo)、解惑和強(qiáng)調(diào)課程重點(diǎn)內(nèi)容的作用。通過線上、線下混合式教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)知識(shí)“有意義的傳遞”及“主導(dǎo)下的探究”，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維，使學(xué)生的學(xué)習(xí)方式從知識(shí)接受型轉(zhuǎn)變?yōu)橹R(shí)自我建構(gòu)、能力充分發(fā)展的深度學(xué)習(xí)型。本文構(gòu)建的混合式教學(xué)模式如圖3 所示，主要分為課前、課中和課后三個(gè)階段。

1.3.1 課前階段

課前階段采用線上教學(xué)方式，引導(dǎo)學(xué)生基于線上課程資源對(duì)各知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。課程教學(xué)資源來源于MOOC 平臺(tái)，并通過該平臺(tái)按課程時(shí)間發(fā)布課程視頻，讓學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成線上學(xué)習(xí)任務(wù)。此外，通過MOOC平臺(tái)上的線上問答、作業(yè)和討論等方式可在一定程度上深化學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解，便于學(xué)生將未理解的內(nèi)容及時(shí)反饋給任課教師。然后，教師可根據(jù)反饋信息及平臺(tái)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有針對(duì)性的備課，以便于及時(shí)調(diào)整線下教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)節(jié)奏。

Table 1 Optimized teaching content system of pattern recognition表1 優(yōu)化后的模式識(shí)別課程教學(xué)內(nèi)容體系

1.3.2 課中階段

課中階段采用線下課堂教學(xué)方式。此時(shí)，教師將不再單一地進(jìn)行授課，而是與學(xué)生之間進(jìn)行相互交流和討論。因此，線下課堂教學(xué)主要包括知識(shí)點(diǎn)總結(jié)和答疑、重難點(diǎn)強(qiáng)化解析、實(shí)踐成果展示及分析三個(gè)部分。

（1）知識(shí)點(diǎn)總結(jié)及答疑。教師首先對(duì)線上學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行概括和總結(jié)，幫助學(xué)生深入了解所學(xué)知識(shí)點(diǎn)，形成完整的知識(shí)體系。同時(shí)，集中解答學(xué)生課前提出的問題，并根據(jù)線上平臺(tái)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)及學(xué)生的反饋對(duì)線上學(xué)習(xí)情況進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，指出學(xué)生現(xiàn)階段存在的問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行更有效的線上自主學(xué)習(xí)。

Fig.3 Online and offline hybrid teaching mode of pattern recognition course圖3 模式識(shí)別課程線上線下混合式教學(xué)模式

（2）重難點(diǎn)強(qiáng)化解析。由于模式識(shí)別課程理論性強(qiáng)，且內(nèi)容包含大量公式，以致于即使學(xué)生先前進(jìn)行了自主學(xué)習(xí)，也存在無法完全理解和掌握的部分內(nèi)容。因此，教師需要在線下課堂中對(duì)重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容再次進(jìn)行深入講解，但不再采用按照教材進(jìn)行講解，而基于具體實(shí)例對(duì)算法原理和過程進(jìn)行演示和講解，引導(dǎo)學(xué)生深入思考，讓學(xué)生充分理解和掌握算法的原理、應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)進(jìn)行深度整合，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及動(dòng)手能力。在設(shè)計(jì)具體實(shí)例時(shí)，教師將主要基于圖像或視頻分析與理解任務(wù)相關(guān)的科研項(xiàng)目。例如，門禁系統(tǒng)的刷臉解鎖項(xiàng)目可讓學(xué)生體會(huì)如何利用特征提取與選擇算法進(jìn)行人臉識(shí)別。

（3）實(shí)踐成果展示及討論。組織學(xué)生對(duì)實(shí)踐成果進(jìn)行分組展示、互點(diǎn)互評(píng)及交流討論，以訓(xùn)練學(xué)生的高階思維。在展示實(shí)踐成果時(shí)，需要重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生分享自身所遇到的問題及解決方法，并對(duì)任務(wù)完成情況進(jìn)行自我評(píng)價(jià)，鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力、邏輯思維能力及對(duì)問題的分析和歸納能力。在學(xué)生交流討論的過程中，教師不僅需要進(jìn)行及時(shí)引導(dǎo)及點(diǎn)評(píng)，還需要密切觀察每一位學(xué)生的表現(xiàn)狀態(tài)來掌握其真實(shí)學(xué)習(xí)情況，以便于進(jìn)一步因材施教、實(shí)施個(gè)性化教學(xué)。

1.3.3 課后階段

教師將知識(shí)點(diǎn)總結(jié)材料發(fā)布至課程群，便于學(xué)生課后查看、及時(shí)鞏固知識(shí)點(diǎn)，并在群內(nèi)布置具體實(shí)踐任務(wù)。通過實(shí)踐任務(wù)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、知識(shí)整合能力、實(shí)踐能力及與人協(xié)作的能力。同時(shí)，適當(dāng)在課程群內(nèi)推送模式識(shí)別的最新技術(shù)，拓展學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，教師還需根據(jù)學(xué)生的線上學(xué)習(xí)情況及線下課堂表現(xiàn)，進(jìn)行自我總結(jié)和反思，以便于后期為學(xué)生提供有效的個(gè)性化指導(dǎo)。

2 多元化的課程考核與評(píng)價(jià)方式

對(duì)課程進(jìn)行科學(xué)、客觀、全面的考核和評(píng)價(jià)，對(duì)于及時(shí)改進(jìn)教師教學(xué)手段、激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、調(diào)控學(xué)生學(xué)習(xí)過程及診斷學(xué)生學(xué)習(xí)效果，均具有十分重要的作用［22］。

由于模式識(shí)別是一門應(yīng)用性極強(qiáng)的課程，課程考核與評(píng)價(jià)方式應(yīng)側(cè)重于過程性和應(yīng)用能力評(píng)價(jià)，使其符合人工智能時(shí)代的人才培養(yǎng)目標(biāo)。因此，本文構(gòu)建了一種多元化、過程性、面向混合式教學(xué)的課程評(píng)價(jià)方式。該評(píng)價(jià)方式如圖4 所示，主要包括“過程性考核與評(píng)價(jià)”和“結(jié)果性考核與評(píng)價(jià)”兩部分。其中，“過程性考核與評(píng)價(jià)”貫穿課前、課中和課后三個(gè)階段；結(jié)果性評(píng)價(jià)則主要通過期末試卷進(jìn)行考核。

由圖4 可見，課前階段主要通過MOOC 平臺(tái)線上的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)（觀看視頻時(shí)長、線上作業(yè)、線上問答和線上討論等）進(jìn)行考核打分；課中階段主要通過課堂出勤、課堂表現(xiàn)、實(shí)踐任務(wù)展示與討論情況進(jìn)行考核打分；課后階段主要通過實(shí)踐任務(wù)和作業(yè)完成情況進(jìn)行打分；期末成績主要通過試卷進(jìn)行打分。

Fig.4 Diversified course assessment and evaluation methods圖4 多元化的課程考核與評(píng)價(jià)方式

通過這種考核方式，不僅可較為準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握情況和運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，還能在一定程度上反映學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)興趣。因此，教師可根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果適當(dāng)調(diào)整課程的教學(xué)內(nèi)容或手段。

3 實(shí)踐效果

通過東北師范大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教學(xué)團(tuán)隊(duì)的實(shí)際教學(xué)，已對(duì)所設(shè)計(jì)的混合式教學(xué)模式進(jìn)行了初步驗(yàn)證。通過“過程性考核與評(píng)價(jià)”發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)教學(xué)方法，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性顯著提升，課前線上學(xué)習(xí)完成度達(dá)到了85%以上，課中討論十分積極，課后學(xué)生與教師之間的交流和互動(dòng)顯著增加。并且，學(xué)生對(duì)所設(shè)計(jì)的科研實(shí)踐項(xiàng)目都表現(xiàn)出了極大的興趣，通過主動(dòng)思考和實(shí)際操作，有效提高了學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。通過“結(jié)果性考核與評(píng)價(jià)”發(fā)現(xiàn)，學(xué)生試卷的簡答題和算法題的平均得分顯著提高，證明學(xué)生靈活運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力得到了有效提升。

4 結(jié)語

混合式教學(xué)模式可在最大程度上融合線上、線下教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，有利于拓展教學(xué)的深度和廣度，并促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行有意義的、高階的學(xué)習(xí)活動(dòng)［23］。此外，本文基于對(duì)前人的研究及東北師范大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教學(xué)團(tuán)隊(duì)在模式識(shí)別課程教學(xué)過程中積累的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種基于混合式教學(xué)的模式識(shí)別課程教學(xué)模式，并且依次從教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化、混合式教學(xué)模式設(shè)計(jì)、多元化的課程考核與評(píng)價(jià)方式等方面對(duì)該教學(xué)模式進(jìn)行了闡述。在下一步工作中，將重點(diǎn)研究實(shí)踐驗(yàn)證結(jié)果對(duì)混合式教學(xué)模式的影響，以進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整和完善教學(xué)模式。