“模式識別”課程的工程教育能力點設計

摘 要 文章通過對工程認證教育內涵的解讀和模式識別教學內容的詳細解析，著重探討了該課程在高等工程教育中的關鍵地位，指出該課程通過教學內容的深度和廣度以及強調實際應用能力的培養，幫助學生建立起對工程領域的全面理解。通過工程教育能力點的設計和對模式識別教學案例的詳細解析，展示了該課程如何幫助學生在未來工程領域中靈活運用技術解決實際問題，為工程教育領域的進一步探討和實踐提供有益的借鑒。

關鍵詞 模式識別；工程教育；教學改革

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.17.033

Engineering Education Competency Point Design for Pattern Recognition Courses

LIU Renfeng1， SHENG Zhongyin1， GUO Haisong2

（1. School of Mathematics and Computer Science， Wuhan Polytechnic University， Wuhan， Hubei 430048;

2. Changchong Junior High School of Yingshan County， Huanggang， Hubei 438799）

Abstract This paper， through an interpretation of the essence of engineering certification education and a detailed analysis of pattern recognition teaching content， focuses on the crucial role of this course in higher engineering education. It emphasizes that the course helps students establish a comprehensive understanding of the engineering field by delving into the depth and breadth of teaching content and emphasizing the cultivation of practical application abilities. By designing engineering education competency points and analysing pattern recognition teaching cases， this paper demonstrates how the course assists students in flexibly applying technology and solving real-world problems in future engineering fields. It provides valuable insights for further discussions and practices in the field of engineering education.

Keywords pattern recognition; engineering education; teaching reform

在第四次產業革命浪潮中，美、德、法、日等世界強國紛紛向智能制造、人工智能、物聯網等領域投入大量資金。為適應這一趨勢，各國開始進行高等工程教育的改革，以解決高級工程技術人才短缺的問題，工程認證教育應運而生。工程認證教育是一種通過專業組織或權威機構認可的教育體系，旨在確保學生在特定領域具備必要的知識、技能和素養，達到一定的標準并獲得認證資格。工程認證教育不僅是一種教學模式，還是一種全面提升工程學科教育質量的途徑。通過認證體系，高校能更好地滿足社會對工程人才的需求，為學生提供更加實用、全面的工程教育[1]。

在工程認證教育中，注重學科知識的深度和廣度，強調實際應用能力的培養。通過認證體系，學生將在工程領域接受系統化的培訓，建立起對于該領域的全面理解[2]。這不僅包括專業課程的學習，還包括實踐性項目的參與，以及行業實習的機會，使學生能夠在真實場景中運用所學知識，增強解決實際問題的能力。此外，工程認證教育注重培養學生的創新思維和實踐能力。通過項目驅動的教學方式，學生將在實際項目中面臨各種挑戰，激發解決問題的創新靈感。同時，團隊協作也是工程認證教育的重要組成部分，可以培養學生在團隊中的溝通協調能力和集體協作精神。

“模式識別”課程在高等工程教育中具有重要地位。“模式識別”作為一門交叉學科，涉及統計學、機器學習、人工智能等多領域的知識，對培養學生的綜合應用技能和解決實際問題的能力起到關鍵作用。首先，模式識別課程強調理論基礎，通過學習概率統計、機器學習算法等基礎知識，學生能夠建立扎實的理論基礎。其次，該課程的知識體系與實際項目聯系緊密，學生能夠將所學知識應用于解決實際問題，培養他們在工程領域中靈活運用模式識別技術的能力。此外，“模式識別”課程關注最新的深度學習、人工智能等前沿技術，有助于培養學生對未來工程領域的創新思維和應對技術挑戰的能力。目前，結合工程認證的模式識別課程教學系統研究仍舊較少，袁立從教學內容、教學方式和實驗平臺設計等三個方面進行了模式識別課程教學改革探索[3]，翟婷婷等從模式識別課程內容體系、實驗訓練環節等方面介紹了課程教學改革的方法[4]。

綜上所述，“模式識別”課程在高等工程教育中的重要性體現在其全面性、實踐性和前瞻性。通過該課程，學生不僅能夠深入理解模式識別的理論，還能夠在實際應用中運用所學知識，為他們未來在工程領域的發展提供堅實的基礎。

1 模式識別教學內容解析

“模式識別”課程主要針對高等院校信息類、智能類、數據科學類專業的研究生或高年級本科生，一般教材涵蓋了概率密度函數估計、貝葉斯決策理論、線性判別函數、支持向量機、統計學習理論、決策樹、監督學習與非監督學習等各種經典方法與理論，近年來還拓展到卷積神經網絡、循環神經網絡、深度信念網絡、生成對抗網絡等代表性的深度學習方法。“模式識別”課程的教學內容設計旨在為學生提供系統而實用的知識，使其在理論和應用層面都能夠熟練運用模式識別技術，具體的教學內容可分為基礎理論知識、經典模式識別方法、高級模式識別技術和實踐性項目四個模塊。

基礎理論知識模塊主要講述模式識別的基礎理論，包括定義、發展歷程、應用領域等，讓學生對模式識別的整體認知有一個清晰的框架。其教學目標為加強模式識別中的數學基礎，如概率論、統計學、線性代數等，為學生理解算法和模型提供必要的數學支持。

經典模式識別方法模塊主要學習經典統計模式識別方法，包括最大似然估計、貝葉斯分類器、監督學習、無監督學習、支持向量機、決策樹、聚類算法等。其教學目標是讓學生能夠理解和應用基于統計方法的模式識別技術，使學生能夠選擇和應用適當的算法解決實際問題。

高級模式識別技術模塊學習深度學習相關技術，引入卷積神經網絡（CNN）、循環神經網絡（RNN）等深度學習模型，培養學生對于復雜數據的特征學習和抽象能力。教學目標是通過學習模式識別在圖像和語音處理中的具體應用案例，讓學生了解模式識別在計算機視覺和語音處理領域的具體應用。

實踐性項目模塊與工程教育緊密結合，學生將參與實際項目，設計和實現模式識別算法，從數據采集到結果分析全方位掌握項目流程。通過對真實世界中模式識別問題的案例分析，讓學生能夠在實踐過程中逐步掌握解決問題的方法。

通過以上教學內容的設計，“模式識別”課程教學可為學生提供全面、系統的知識結構，使他們能夠在未來工程領域中靈活運用模式識別技術解決實際問題。同時，注重實踐和團隊協作能力的培養，為學生未來的職業發展奠定堅實的基礎。

2 工程教育能力點設計

根據2022年中國工程教育專業認證協會發布的最新工程認證標準，工程教育應涵蓋工程知識、問題分析、設計/開發解決方案等共12條核心畢業能力要求[5]。其中，與“模式識別”課程關系最緊密的包括第2條問題分析能力和第4條研究能力，這也是本文的研究重點。本文根據這兩條能力設計的工程教育能力點細化如下。

對應問題分析能力的畢業要求為：能夠應用數學、自然科學和工程科學的基本原理，識別、表達并通過文獻研究分析復雜工程問題，以獲得有效結論。針對本課程的目標能力點可設計成四個方面：①運用數學、自然科學和工程科學基本原理，結合模式識別理論，對復雜工程問題進行全面識別和表達；②通過文獻研究，深入分析復雜工程問題，運用模式識別方法獲取并理解相關信息，形成系統性結論；③能夠靈活應用模式識別技術，識別工程問題中的關鍵模式，通過問題分析得出準確結論；④在模式識別的框架下，對工程問題進行分層和分類，從而更好地理解問題的復雜性和相互關系。

對應研究能力的畢業要求為：能夠基于科學原理并采用科學方法研究復雜工程問題，包括設計實驗、分析與解釋數據，并通過信息綜合得到合理有效的結論。針對本課程的目標能力點可設計成四個方面：①基于科學原理，運用模式識別技術設計實驗，收集并整理實驗數據； ②通過模式識別方法對實驗數據進行深度分析，提取關鍵信息，為問題研究提供有力支持；③具備解釋實驗數據的能力，能夠運用模式識別理論解釋數據背后的規律和趨勢；④運用信息綜合方法，將模式識別結果與其他信息相結合，形成對復雜工程問題的研究結論。

通過上述課程目標能力點的設計，學生能在模式識別領域獲得理論知識和實踐技能，而且能夠運用所學知識分析和解決真實的工程問題。這不僅有助于提高學生的工程實踐能力，同時也突出了課程內容對問題分析和復雜工程問題研究的關鍵性支持。

3 模式識別教學案例設計

工程教育畢業要求中，問題分析能力點要求學生結合實際工程問題，運用所學的模式識別理論和方法，分析復雜工程問題并提出有效結論。因此，本文針對能力點要求設計了一系列教學案例，培養學生綜合運用理論參與實踐的能力，使其能夠在真實的復雜工程場景中熟練運用模式識別技術進行問題分析，下面針對前述問題分析能力和研究能力給出兩個具體教學案例如下。

針對問題分析的第三個目標能力點，可設計主題為“采用深度信念網絡進行推薦系統”的教學案例，案例主要內容為DBN算法設計、特征學習和抽取，以及個性化的推薦結果生成。該案例演示了如何利用深度信念網絡實現推薦系統，展示特征學習和抽取的過程，以及如何利用模型生成個性化的推薦結果。通過實際用戶數據進行推薦，并評估模型的準確性和推薦效果。該案例通過識別推薦系統工程問題中的關鍵特征模式，掌握特征學習和抽取方法，最終獲得精確的個性化推薦結果。

針對問題研究能力的第四個目標能力點，可設計主題為“使用生成對抗網絡進行圖像生成”的教學案例，通過學習GAN算法設計，設計生成器網絡和判別器網絡構成，實現逼真人臉圖像生成。該案例演示了如何使用生成對抗網絡生成虛假的人臉圖像，展示生成器網絡和判別器網絡的結構和訓練過程，再通過模型生成一些逼真的人臉圖像，并與真實圖像進行對比，評估生成圖像的質量和相似度。該案例運用了信息綜合方法，將AI生成的人臉圖像與真實圖像進行對比，可使學生深刻理解如何應對復雜工程問題的各類綜合信息，并使用較為復雜的對抗生成網絡解決問題。

通過上述案例，學生可以學到如何對模式識別領域的工程問題進行分層和分類，從而更好地理解問題的復雜性和相互關系。同時，學生還可以學習支持各類統計學習理論、機器學習算法和人工智能算法在模式識別中的應用，提高分析實際復雜工程問題的能力和進行深入研究的能力。

4 結語

本論文旨在探討模式識別課程在工程教育中的關鍵作用，并通過設計工程教育能力點，結合模式識別課程的具體教學內容，以期培養學生更全面、實用的工程實踐能力。

工程認證教育作為一種已通過認可的教育體系，為高校提供了明確的培養目標，為學生提供了更具競爭力的發展機會，同時也為社會培養了更優秀的工程人才。本文詳細探討了模式識別課程的教學內容設計。從基礎理論知識到高級模式識別技術，再到實踐性項目和案例設計，確保學生在理論和實踐中都能夠全面掌握模式識別領域的知識。在工程教育能力點設計中，本文將模式識別課程的教學內容與工程教育的核心能力點相結合。通過問題分析與解決、團隊協作與溝通、創新與實踐、終身學習與信息獲取、跨學科思維與工程實踐能力等方面的培養，使學生在模式識別領域不僅具備扎實的專業知識，還具備全面的工程實踐能力。

綜上所述，本文通過對工程認證教育的概述、模式識別教學內容的詳細解析，以及工程教育能力點的設計，為高校提供了一種全面推動工程領域教育質量提升的思路。通過這一系統的培養模式，我們期望學生能夠在未來的工程實踐中充分發揮所學知識和能力，為社會發展作出積極貢獻。希望這一研究能夠為工程教育領域的進一步發展提供有益的借鑒。

基金項目：武漢輕工大學校級教學研究項目“工程教育認證背景下計算機類專業實踐教學體系與評價研究”（XM2024011）。

參考文獻

[1] 徐飛.辦一流工程教育 育卓越工科人才[J].高等工程教育研究，2016（6）：1-6，36.

[2] 楊毅剛，宋慶，唐浩.工程教育專業認證與CDIO模式異同分析與相互借鑒[J].高等工程教育研究，2018（5）：45-51.

[3] 袁立.面向工程教育認證標準的“模式識別”課程教改研究[J].教育教學論壇，2017（45）：88-89.

[4] 翟婷婷，劉維.工程教育背景下的模式識別課程教學改革[J].計算機教育，2022（8）：89-92.

[5] T/CEEAA001-2022.工程教育認證標準[S].北京：中國標準出版社，2022.