基于華為“智能基座”的模式識(shí)別課程案例庫(kù)建設(shè)與實(shí)踐

唐 廠，蔣良孝，陳云亮

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引言

目前，人工智能和大數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)提高到國(guó)家戰(zhàn)略地位［1-2］，各大高校也非常重視相關(guān)學(xué)科的發(fā)展和人才培養(yǎng)。作為智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門重要核心專業(yè)課，模式識(shí)別課程包含的數(shù)理基礎(chǔ)知識(shí)內(nèi)容多，且難度較高，需要學(xué)生在一個(gè)學(xué)期內(nèi)完成課程學(xué)習(xí)，從而為后續(xù)的進(jìn)階課程打好基礎(chǔ)。該課程在智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)中的地位如圖1所示（彩圖掃OSID碼可見，下同）。

Fig.1 Status of pattern recognition course in intelligent science and technology major圖1 模式識(shí)別課程在智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)中的地位

然而，由于課程數(shù)學(xué)理論較多，學(xué)生通過單一的課堂理論授課方式很難深入理解課程中的核心內(nèi)容［3］，因此構(gòu)建與該課程配套的實(shí)踐案例庫(kù)非常重要［4-5］。學(xué)生在理論教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識(shí)后，通過相應(yīng)的實(shí)踐案例可對(duì)理論知識(shí)的內(nèi)涵與應(yīng)用場(chǎng)景有更加深入的理解，且能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)該領(lǐng)域問題的深層次思考，為后續(xù)研究生階段或在工作崗位中解決新的實(shí)際問題打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。為此，國(guó)內(nèi)外許多高校相繼采取了相應(yīng)措施來加強(qiáng)模式識(shí)別課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。例如，南京大學(xué)吳建鑫［6］團(tuán)隊(duì)在推出模式識(shí)別教程的同時(shí)，附帶有簡(jiǎn)單的實(shí)踐案例；西安電子科技大學(xué)編寫了相應(yīng)的實(shí)踐案例文檔［7］；美國(guó)麻省理工學(xué)院也提供相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源［8-10］。此外，為加強(qiáng)我國(guó)人工智能相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化，華為技術(shù)有限公司與教育部合作，圍繞“以產(chǎn)業(yè)集聚人才，以人才引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)”的思想，與國(guó)內(nèi)多所高校共同設(shè)立了“智能基座”產(chǎn)教融合協(xié)同育人基地，通過產(chǎn)學(xué)研協(xié)同為人工智能產(chǎn)業(yè)推廣及高質(zhì)量發(fā)展奠定人才基礎(chǔ)［11］。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）也于2020年與華為技術(shù)有限公司合作共建了“智能基座”產(chǎn)教融合協(xié)同育人基地，通過該教學(xué)基地深化人工智能和信息技術(shù)領(lǐng)域人才培養(yǎng)模式改革與協(xié)同創(chuàng)新，著力構(gòu)建以信息技術(shù)和關(guān)鍵新技術(shù)為基礎(chǔ)的產(chǎn)業(yè)與人才生態(tài)，提高解決關(guān)鍵核心技術(shù)的能力，為培養(yǎng)一批適應(yīng)和引領(lǐng)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的卓越工程人才奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)［12-13］。為加強(qiáng)模式識(shí)別課程的實(shí)踐教學(xué)，“智能基座”項(xiàng)目中也開發(fā)了相應(yīng)的實(shí)踐案例庫(kù)。其中，基于ModelArts的模式識(shí)別課程實(shí)踐內(nèi)容逐漸被高校采用［14］，美國(guó)麻省理工學(xué)院在模式識(shí)別課程中也提供了少數(shù)配套的實(shí)踐項(xiàng)目供學(xué)生練習(xí)。雖然國(guó)內(nèi)外高校或企業(yè)推出了相應(yīng)的模式識(shí)別課程實(shí)踐案例，但是目前依然存在以下3個(gè)明顯問題：

（1）現(xiàn)有實(shí)踐案例庫(kù)缺乏統(tǒng)一體系，實(shí)踐內(nèi)容比較零散，不利于學(xué)生對(duì)該課程知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)。

（2）現(xiàn)有實(shí)踐案例缺乏統(tǒng)一的實(shí)踐平臺(tái)，不同案例往往相對(duì)獨(dú)立且對(duì)應(yīng)的案例程序代碼編程語(yǔ)言不一致，影響學(xué)生的連續(xù)學(xué)習(xí)過程。

（3）現(xiàn)有實(shí)踐案例內(nèi)容不完整。雖然很多高校和企業(yè)提供了配套的案例庫(kù)，但是缺乏能夠充分囊括模式識(shí)別課程內(nèi)容的案例庫(kù)。

針對(duì)上述3個(gè)問題，本文提出基于華為“智能基座”的模式識(shí)別課程案例庫(kù)建設(shè)與實(shí)踐方案，在華為“智能基座”模式識(shí)別課程案例庫(kù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建一套完善、統(tǒng)一且方便學(xué)生使用的實(shí)踐案例庫(kù)，以強(qiáng)調(diào)該課程的基礎(chǔ)性、趣味性和實(shí)踐性。此外，將本文設(shè)計(jì)的實(shí)踐案例庫(kù)與華為教學(xué)體系進(jìn)行整合，與華為一起打造完整的模式識(shí)別課程實(shí)踐案例庫(kù)，促進(jìn)校企雙方在本科教學(xué)方面的共同發(fā)展，最終提升智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生培養(yǎng)質(zhì)量。

1 模式識(shí)別課程內(nèi)容分析

完整的模式識(shí)別系統(tǒng)主要涵蓋特征提取、模型和決策三大部分。其中，特征提取的目的在于從原始輸入數(shù)據(jù)中提取更有效的信息，模型用于對(duì)已有特征和知識(shí)進(jìn)行有效表達(dá)，決策是指通過對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行有效學(xué)習(xí)之后的系統(tǒng)輸出。模式識(shí)別系統(tǒng)在人工智能領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，如人臉識(shí)別、字符識(shí)別、動(dòng)作識(shí)別、目標(biāo)提取、無(wú)人駕駛等。

目前，模式識(shí)別課程的主要教學(xué)內(nèi)容分為四大塊：模式識(shí)別概念簡(jiǎn)介及數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、領(lǐng)域無(wú)關(guān)的特征提取、分類方法、多樣性數(shù)據(jù)獲取及相應(yīng)模式識(shí)別方法。具體課程內(nèi)容如圖2所示。

Fig.2 Main content of pattern recognition course圖2 模式識(shí)別課程主要內(nèi)容

模式識(shí)別屬于人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)的范疇，是智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的必修基礎(chǔ)課程，學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)，能夠緊跟信息與計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的最新技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，掌握信息科學(xué)與計(jì)算科學(xué)的基本理論和方法，并通過設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，為高年級(jí)的相關(guān)專業(yè)課程學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。

然而，由高中階段過渡到本科階段以后，本科學(xué)生面臨教學(xué)內(nèi)容多樣化、難度增加、課程量增多、授課進(jìn)度快等一系列變化。特別是模式識(shí)別課程內(nèi)容涉及很多數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)知識(shí)，使得部分學(xué)生出現(xiàn)學(xué)習(xí)困難，甚至產(chǎn)生受挫情緒等問題。因此，針對(duì)模式識(shí)別課程的教學(xué)，單純的課堂教學(xué)很難讓學(xué)生深刻理解其物理含義與實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，也很難提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2 模式識(shí)別課程實(shí)踐案例庫(kù)建設(shè)

2.1 案例庫(kù)建設(shè)目的

模式識(shí)別課程案例庫(kù)建設(shè)主要目的如下：

（1）完善智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程體系。通過構(gòu)建系統(tǒng)的模式識(shí)別課程實(shí)踐案例庫(kù)，可以豐富教學(xué)內(nèi)容，完善現(xiàn)有的課程教學(xué)體系。

（2）提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。通過構(gòu)建課程實(shí)踐案例庫(kù)，可以很大程度上提升學(xué)生對(duì)模式識(shí)別課程的學(xué)習(xí)積極性。另外，通過豐富的實(shí)踐案例庫(kù)，可激發(fā)學(xué)生在相關(guān)領(lǐng)域的深層次思考，為后續(xù)科研和解決實(shí)際應(yīng)用問題打下基礎(chǔ)，從而有效提升教學(xué)質(zhì)量。

（3）通過結(jié)合中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）與華為共建的“智能基座”產(chǎn)教融合協(xié)同育人基地，可方便、有效地將華為在大數(shù)據(jù)與人工智能領(lǐng)域的教學(xué)資源整合進(jìn)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)中。一方面可豐富我校在大數(shù)據(jù)與人工智能方面的教學(xué)資源，另一方面可積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，促進(jìn)和加速國(guó)產(chǎn)平臺(tái)在高校的推廣與應(yīng)用。

（4）提升中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）在人工智能相關(guān)領(lǐng)域的知名度和競(jìng)爭(zhēng)力。目前國(guó)內(nèi)還沒有體系完整的模式識(shí)別課程實(shí)踐案例庫(kù)，而模式識(shí)別是所有高校人工智能相關(guān)專業(yè)的必修核心課，通過該課程實(shí)踐案例庫(kù)的建設(shè)可迅速提升我校在該領(lǐng)域的知名度。而且國(guó)內(nèi)也有不少高校與華為合作建立了“智能基座”產(chǎn)教融合協(xié)同育人基地，通過整合華為的相關(guān)教學(xué)案例資源之后，再以華為“智能基座”為平臺(tái)進(jìn)行推廣，也可提升中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）在人工智能教育領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。

（5）為智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的工程認(rèn)證提供有力支撐。工程認(rèn)證的核心任務(wù)就是服務(wù)學(xué)生，提高學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量。通過本文提出的案例庫(kù)建設(shè)方案，可以有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和解決實(shí)際問題的能力。

2.2 案例庫(kù)建設(shè)方案

根據(jù)本文提出的案例庫(kù)建設(shè)目標(biāo)，案例庫(kù)建設(shè)方案需遵循理論與實(shí)踐相結(jié)合，緊抓學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和興趣，緊跟國(guó)內(nèi)外最新動(dòng)向，緊密圍繞模式識(shí)別課程教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生培養(yǎng)目的，通過問題發(fā)現(xiàn)和調(diào)研、案例庫(kù)設(shè)計(jì)、案例庫(kù)實(shí)施、學(xué)生反饋、案例庫(kù)修訂和案例庫(kù)推廣6個(gè)步驟進(jìn)行案例庫(kù)設(shè)計(jì)。另外，在案例庫(kù)設(shè)計(jì)和學(xué)生反饋環(huán)節(jié)形成閉環(huán)，使得案例庫(kù)設(shè)計(jì)可滿足學(xué)生培養(yǎng)的需求。案例庫(kù)具體建設(shè)方案如圖3所示。

Fig.3 Pattern Recognition course case library construction plan圖3 模式識(shí)別課程實(shí)踐案例庫(kù)建設(shè)方案

2.3 案例庫(kù)建設(shè)內(nèi)容

針對(duì)模式識(shí)別課程的教學(xué)內(nèi)容，本文圍繞課程內(nèi)容的基礎(chǔ)性、趣味性和實(shí)踐性三大特色進(jìn)行案例庫(kù)建設(shè)。

（1）基礎(chǔ)性。從主流算法和核心問題出發(fā)設(shè)計(jì)案例，使學(xué)生了解模式識(shí)別領(lǐng)域的全貌，并在理解其基本原理的基礎(chǔ)上為后續(xù)深入學(xué)習(xí)某個(gè)具體方向作好準(zhǔn)備。

（2）趣味性。面向智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的本科生，本文設(shè)計(jì)的案例庫(kù)將采用更靈活的結(jié)構(gòu)、更豐富的材料以及更有趣的問題，避免過于枯燥和難以理解的數(shù)學(xué)理論成為學(xué)生深入理解模式識(shí)別基本思想的障礙，使實(shí)踐案例對(duì)學(xué)生有足夠的吸引力。

（3）實(shí)踐性。本文設(shè)計(jì)的案例庫(kù)使學(xué)生能夠通過課程學(xué)習(xí)，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析解決具體問題。案例庫(kù)將逐步介紹該模式識(shí)別系統(tǒng)涉及到的各種基本概念和基本算法，并輔以針對(duì)性的算法編程練習(xí)，幫助學(xué)生達(dá)成實(shí)踐性的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

基于以上三大特色，本文提出基于華為AI開發(fā)平臺(tái)ModelArts構(gòu)建模式識(shí)別課程實(shí)踐案例庫(kù)，具體內(nèi)容及其與課程內(nèi)容的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

Table 1 Details of pattern recognition course practice case and the corresponding relationship with course content表1 模式識(shí)別課程實(shí)踐案例庫(kù)具體內(nèi)容及其與課程內(nèi)容對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.4 案例庫(kù)建設(shè)創(chuàng)新點(diǎn)

本文所提出的案例庫(kù)建設(shè)方案具有以下三大創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）相比于以往的模式識(shí)別課程實(shí)踐案例庫(kù)，本項(xiàng)目擬建設(shè)的案例庫(kù)更加完善、系統(tǒng)，可以基本覆蓋所有課程基礎(chǔ)知識(shí)。

（2）結(jié)合華為“智能基座”產(chǎn)教融合協(xié)同育人基地教學(xué)資源進(jìn)行建設(shè)，加強(qiáng)校企聯(lián)合，最大化利用雙方各自的優(yōu)勢(shì)。

（3）充分利用華為的高校教育資源池進(jìn)行本案例庫(kù)推廣，加強(qiáng)各大高校與企業(yè)之間的交流與溝通，共同打造更好的案例庫(kù)資源池，為將來的專業(yè)工程認(rèn)證打下基礎(chǔ)。

2.5 方案實(shí)施效果

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)方案的有效性，針對(duì)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的66名2019級(jí)本科三年級(jí)學(xué)生展開問卷調(diào)查，以驗(yàn)證該方案對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程是否有明顯幫助。主要向?qū)W生詢問以下6個(gè)問題：

（1）該課程實(shí)踐方案對(duì)理解模式識(shí)別課程理論內(nèi)容是否有幫助？

（2）該課程實(shí)踐方案是否能降低模式識(shí)別課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)難度？

（3）該課程實(shí)踐方案是否能激發(fā)同學(xué)們對(duì)模式識(shí)別課程的學(xué)習(xí)熱情？

（4）該課程實(shí)踐方案是否能激發(fā)同學(xué)們對(duì)模式識(shí)別課程的自學(xué)積極性？

（5）該課程實(shí)踐方案是否能提高同學(xué)們學(xué)習(xí)模式識(shí)別課程的舒適度？

（6）你覺得該課程方案可以作為傳統(tǒng)教學(xué)過程的有效補(bǔ)充嗎？

調(diào)查結(jié)果如表2所示，表中數(shù)據(jù)證實(shí)了學(xué)生對(duì)本文所設(shè)計(jì)的案例庫(kù)和實(shí)踐教學(xué)方案有很高的滿意度和認(rèn)可度。通過本方案的實(shí)施，可以有效降低學(xué)生學(xué)習(xí)模式識(shí)別課程的難度，減少學(xué)生學(xué)習(xí)中的消極情緒，提升其學(xué)習(xí)熱情和積極性，還可激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和思考的能動(dòng)性。

Table 2 Implementation effect of pattern recognition course practice case library表2 模式識(shí)別課程實(shí)踐案例庫(kù)實(shí)施效果 %

此外，通過本方案的實(shí)施，有50%的學(xué)生積極參與了學(xué)院與模式識(shí)別相關(guān)的本科生科研立項(xiàng)項(xiàng)目，有30%的學(xué)生參加了各類課外學(xué)術(shù)競(jìng)賽，對(duì)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)熱情得到了有效提升。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套基于華為“智能基座”的模式識(shí)別課程案例庫(kù)建設(shè)與實(shí)踐方案，可有效解決現(xiàn)有模式識(shí)別課程實(shí)踐案例庫(kù)不系統(tǒng)、不完善等問題。通過將本文提出的案例庫(kù)建設(shè)內(nèi)容整合進(jìn)華為“智能基座”產(chǎn)教融合協(xié)同育人基地教學(xué)資源池，受益范圍可擴(kuò)大到所有利用華為教學(xué)資源的高校相關(guān)專業(yè)學(xué)生。實(shí)際的學(xué)生調(diào)查反饋數(shù)據(jù)表明，該案例庫(kù)在實(shí)踐教學(xué)過程中對(duì)提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和思考具有明顯作用。另外，考慮到模式識(shí)別課程內(nèi)容與機(jī)器學(xué)習(xí)以及計(jì)算機(jī)視覺等研究方向的緊密聯(lián)系，未來可進(jìn)一步將相關(guān)前沿研究?jī)?nèi)容融入到模式識(shí)別課程的實(shí)踐案例庫(kù)中，以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)前沿研究方向的了解。