模式识别课程的教学实践与改革思考
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摘要：针对模式识别课程教学中普遍存在的“学生难学、教师难教”现状，分析其问题症结，并以对课程进行全方位优化建设作为指导思想，分别从教学内容和教学方法上，立足模式识别课程的课堂教学与实践教学两个方面提出相应的教学改革观点。
关键词：模式识别；教学改革；课堂教学；实践教学
0 引言
模式识别（PaRem Recognition，PR）是指对表征事物或现象各种时间或空间形式的信息进行处理和分析，对事物或现象进行描述、辨认、分类和解释的过程，是信息科学和人工智能科学的重要组成部分，在信息化社会的发展中，扮演着越来越重要的角色。
模式识别课程是智能科学与技术专业本科生的专业必修课，是体现智能科学与技术思想的重要课程。与其他智能专业课程相比，它是一门理论性非常强、数学推理与计算能力要求非常高的课程，在学生培养计划中具有举足轻重的地位。模式识别课程在理论学习层面，既有机地结合了学生前期所学的概率论与数理统计、线性代数、高等数学等基础理论知识，同时又为后续机器视觉、智能机器人等课程的学习奠定良好的基础。在实践应用层面上，模式识别课程是一门实践与理论并重的技术科学。理论知识的消化和实践应用，能为学生今后从事智能识别与监控管理、工业无损探伤、生物医学诊断等工作打下坚实的知识基础。因此，在工科类本科生中，如何讲好模式识别这门课程，并且让学生真正地体会与应用模式识别理论，对任课教师来讲既是挑战，也是提升自己专业知识与教学能力的机会。
通过统计分析来自人人网的320篇针对模式识别课程的讨论交流帖我们发现，76%的学生都发出“模式识别难学、枯燥”的感慨，从中可见，“学生难学、教师难教”是目前模式识别课程教学面对的难点。与此同时，现有的模式识别教学模式与教学内容需要在顺应信息时展的大背景下做出合适的调整与改革，尤其是针对本科生的模式识别教学，在课堂教学与实践教学两方面对课程进行全方位的优化建设与实践具有重要意义。
1 课堂教学改革
1.1 问题探讨式课堂教学方法改革
分类（Classification）是模式识别要实现的目标，分类器的设计就理所当然地成为模式识别课程的核心，而在设计过程中，如何确保结构风险最小就成了分类器设计过程中要满足的准则和要求。据此，在课堂教学过程中，引导并启发学生始终围绕一个目标，抓住一个核心，确保一个准则，有目的地以问题探讨的方式揭开每章内容的神秘面纱，使学生学会分析并运用所学内容解决模式识别中的相关问题，是课堂教学方法改革的着力点，具体措施可以体现在以下两个方面。
1.1.1 深入浅出的内容讲解
纵观国内的模式识别教材，其内容组织方式大部分都是从基于概率分析的统计决策分类方法循序渐进到基于样本的线性分类方法，再深入到基于样本的非线性分类方法，再延伸到其他的非监督分类方法。这样的内容组织方式既符合逻辑推理，也给教学带来了更多可扩展的空间。在讲授过程中，我们可以顺其主线，步步进阶。以硬币分类为所要解决的问题为例，其对应的前提条件和解决方法可以在教材Ⅲ中按内容顺序列表（见表1）。
从表1中可以看出，以对硬币进行分类为主线，随着已知条件的改变，分类器设计的解决方法也随之变化。在课堂讲解时，以问题的提出为开端，通过对问题的解决，将每堂课的知识点融会贯通，带领学生深入浅出地理解核心内容，具有积极的意义。
1.1.2 丰富灵活的教学手段
模式识别是一门对数学功底要求较高的学科，尤其是概率论与数理统计、线性代数等理论知识。因此，对于基础较为薄弱的学生，若在课堂上一味地重视数学公式的推导与讲解，难免使其觉得繁杂枯燥，且效果不佳。因此，运用丰富灵活的课堂教学手段，激发学生的学习兴趣，提高其学习主动性，具有重要的意义。可以从以下两方面展开。
1）增加老师与学生之间的互动。
如果将大学生课堂教学看成是照本宣科的模式是大错特错的，随之而来的课堂效果就犹如一堂死水，毫无生气。教师作为课堂的主导者，既需要把握知识的讲解进度与深度，也需要灵活地调动课堂气氛。例如，教师可以通过提问学生的方式帮助学生回顾知识，提出问题；积极诱导学生通过向老师提问的方式，解决难点问题，带动整个课堂思考；通过事实举例教学，引导学生积极讨论，并在讨论中提出问题引发思考。
国际数学教育委员会前主席、数学家Freudenthal有一句名言：“没有一种数学思想，以它被发现时的那个样子发表出来。一个问题被解决以后，相应地发展成一种形式化的技巧，结果使火热的思考变成了冰冷的美丽。”而老师与学生之间的互动，就是带其一起去探索冰冷的美丽后面所激发的火热的思考。这样的教学方式也在众多的理论课程教学中得到推广。
2）充分利用多媒体的教学演示功能。
随着信息时代技术的快速发展，课堂上采用的多媒体教学手段也越来越丰富，如PPT、视频等，都可作为老师传递知识的媒介。多媒体教学相比老师的语言陈述，更加吸引学生的注意。以模式识别的第一章概述为例，什么是模式识别？往往是初次接触模式识别的学生感到非常疑惑的问题。如果仅通过教师举例智能交通的车牌识别、安检系统的人脸识别等模式识别应用实例，学生只会有大概的印象，而难以深入思考。反之，通过播放一段讲授车牌识别或人脸识别原理与应用效果的视频，将会使学生兴致盎然，对获取知识的渴求度也得到极大的提升。
1.2 以应用为主导的课堂教学内容改革
课堂教学，不仅要满足成绩较好的学生对知识的渴求，也要考虑其他学生能否吸收新的知识。与此同时，任何一个科学理论要是脱离了工程实际，对工科学生来说毫无意义。剑招可以生疏，剑法不能忘记。因此，在本科生模式识别课堂教学中，重视学习方法与学习能力的培养，以掌握工程应用为目的，采取科普型的课堂教学内容改革会收获更好的教学效果。
以“支持向量机”内容为例，顾名思义就是通过支持向量来构建分类的机器，而支持向量就是那些决定分类面的少量样本，至于如何求得支持向量构造分类机器，本科学生只需要知其原理即可，重要的是学会应用相关的工具包解决分类问题，如libsvm、svmlight等软件工具包。
2 实践教学改革
2.1 “步步进阶”的实验内容改革
“步步进阶”的实验内容改革，是指在实验内容上采取难度逐级递增，学生自我发挥空间逐级扩大的方式进行部署。基础实验环节主要由老师带领学生熟悉、认识目前已有的各种各样的模式识别软件，并通过学生亲自操作来感受各个软件的特点和优缺点，发表自己的看法和改进的想法。提高实验环节，教师可以让学生根据其已学的知识，从设计贝叶斯分类器开始，到采用svm分类器对数据进行分类实验，并对各种方法的分类效果进行对比分析。开放实验环节，要求学生模仿身边的模式识别应用实例，从数据采集到最后分类器的设计，完成整个模式识别系统的构造。通过这样的实验内容设置，学生会更有目的地寻找解决问题的方法，而在寻求解决方法的过程中，既巩固了理论知识，又培养了工程实践能力。
2.2 “开放自由”的实验模式改革
“开放自由”的实验模式是指在实践过程中，允许学生组成团队、自由选择命题，如以人脸识别、车牌识别、表情识别、目标检测等作为实验主题，通过自己设置的实验环境，搭建实验系统，积极探索解决问题的途径。实验完成过程中，并不要求学生在规定的时间和地点内完成实验项目。
从目前的实践过程中发现，“开放自由”的实验模式能够给学生带来更多自由发挥的空间，能够激发学生更多的创新灵感，对培养学生的团队合作精神和领导能力也大有益处。
3 结语
模式识别是一门理论与实践并重的技术科学。理论为实践打好基础，反过来，实践又为理论的巩固提供途径。作为模式识别课程的授课教师，从思想上认识到在教学过程中理论与实践的重要性，并在这两个方面不断优化课程体系，促使课程改革与时俱进，将为学生学习模式识别知识提供广阔的视野与平台，同时也为自身不断练就教学本领和提升专业技能提供有效途径。