研究生模式分析与视觉处理课程群改革与实现

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摘 要 通过分析研究生模式分析与视觉处理课程群的教学现状，以提升学生国际化视野、理论联系实际、工程实践和创新能力为目标，优化师资队伍结构，梳理课程群知识体系，优化课程授课模式，完善课程群实践体系，改革实践考核模式。

关键词 模式分析 计算机视觉 教学改革

中图分类号：G643.2 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdkz.2016.03.015

Research and Practice on Course Group of Pattern Analysis and

Visual Processing for Graduated Students

SUN Han， CHEN Songcan， LIU Ningzhong， HUANG Yuanyuan， ZHU Qi

（College of Computer Science and Technology， Nanjing University of

Aeronautics and Astronautics， Nanjing， Jiangsu 210016）

Abstract By analyzing the teaching status of pattern analysis and visual processing course group， this paper puts forward the new teaching goal， which includes improving students' international vision， the ability of linking theory with practice， and promoting the engineering practice ability and innovative consciousness. Then this paper discusses the whole process of course group reform. Firstly the structure of teachers' group is optimized. And then the knowledge system of course group is sorted and the teaching mode is improved. Finally the practice system of course group is optimized and the assessment system is reformed.

Key words pattern analysis； computer vision； teaching reform

1 背景

我校模式分析与智能计算研究所师资团队是江苏省“青蓝工程”创新团队，主要研究领域包括智能数据分析、图像处理和机器视觉等方向，承担研究生和本科生的模式识别、机器学习、数据挖掘、智能信息检索、数字图像处理、计算机视觉等课程的教学任务。以往的教学过程中虽然积累了丰富的教学经验，但当前新知识不断涌现、新技术发展迅猛，对模式分析与视觉处理课程群的知识体系、实践体系改进提出了新的挑战。

近年来，国内外高校在该类课程教学上，已涌现出众多新理念、新方法。Coursera联合创始人Andrew Ng推出的机器学习课程，开启了教育领域的MOOC时代，引领了教育教学方法的新革命。①深圳大学、②江苏科技大学③分别进行了基于CDIO工程教育理念的计算机视觉课程教学改革实践，实现多层次项目设计的教学模式改革，讲座式、讨论式、实践式教学方法的探索。国防科技大学④在计算机视觉课程中引入研讨式教学模式，通过案例教学、小组研讨的方式来替代传统的教学方式。华中科技大学⑤从教学内容国际化、教学方式国际化、教学成果国际化三个方面开展了计算机视觉课程的国际化建设。另外，也有高校进行了图像工程课程群建设，⑥基于图像分析与计算机视觉应用课程结合的项目协同创新能力培养实践。⑦

在分析上述国内外高校该类课程改革的基础上，我们重点以模式分析与视觉处理课程群的实践教学体系改革为切入点，优化师资队伍结构，梳理课程群知识体系，优化课程授课模式，完善课程群实践体系，改革实践考核模式，实现学生国际化视野、理论联系实际、工程实践和创新能力全面提升的目标。

2 模式分析与视觉处理课程群特点

模式分析与视觉处理课程群涵盖了模式识别、机器学习、数据挖掘、数字图像处理、计算机视觉等多门课程。该类课程存在以下特点。

（1）该类课程属于多学科交叉，涉及的知识面既广又深。由于该方向涉及计算机科学与技术、应用数学、自动化、电子科学与技术、信息工程等多学科内容，而学生在大学本科阶段很难学习和了解如此多的知识模块，这对研究生阶段学习来说，具有相当大的挑战。同时，对于每个知识模块，所要求的数学基础较高，理论具有相当的深度，理解和掌握不容易。

（2）该类课程既重视扎实的基础理论，也强调良好的工程实践能力。该类课程的基础理论教学一直受到各高校的重视。随着近年来产业界的迅猛发展，计算机视觉应用层出不穷，对学生的工程实践也提出了更高要求，需要能够在系统层次上有整体认知，同时要能对各功能模块进行优化，提升系统的整体性能。

（3）该类课程所面向的选修学生面广。该类课程既是多学科交叉，也面向计算机应用、电子科学与技术、自动化、应用数学等不同研究方向、不同水平层次的研究生开设。这对课堂教学和实验实践也带来更大挑战。

3 模式分析与视觉处理课程群改革举措

针对上述分析的课程群特点，我们重点以实践体系改革为突破口，通过优化师资队伍结构，梳理课程群知识体系，优化课程授课模式，完善课程群实践体系，改革实践考核模式等举措，实现学生国际化视野、理论联系实际、工程实践和创新能力全面提升的目标。

3.1 师资队伍结构优化

为了学生能够适应模式分析与视觉处理产业的快速发展，在课程群建设过程中更强调学生的工程实践和创新能力培养。这首先对师资队伍结构提出了新的要求。

近年来，课程教学团队引进海内外具有深厚理论功底和较强工程能力的高水平师资4名，大大充实了机器学习、数据挖掘、图像处理等课程的教学力量。对于现有教师队伍，鼓励教师跟产业一线企业广泛合作，目前已与华为、中兴等企业在视频检索、智能交通视觉处理等方面开展了实质合作。这些来源于产业界的高质量课题对科研和教学起到了良好的促进作用。

与此同时，通过研究生工作站、企业短期实习等渠道，鼓励企业高级研发人员参与到学生实践能力培养环节中，将实际项目进行适当切分或提炼，实现该类课程实践环节的模块化、专题化训练。

综上，通过引培并举，优化校内师资队伍结构；通过校企合作，积极吸引企业师资参与。良好的师资队伍为该类课程的实践体系改革提供了有力支撑。

3.2 课程群知识体系梳理与授课模式改革

模式识别、机器学习、数据挖掘、智能信息检索、数字图像处理、计算机视觉等课程既有一定的逻辑关系，也存在相互交叉的混杂关系。一般认为，模式识别、机器学习是模式分析与视觉处理领域的基础理论课程，数据挖掘是建立在模式识别、机器学习和数据库基础上的应用类课程，智能信息检索则是数据挖掘基础上更为具体的应用实现。数字图像处理为计算机视觉课程提供了基础支撑，计算机视觉则是在综合利用模式识别、机器学习、数字图像处理、数据挖掘等知识模块基础上面向应用的系统实现。但是，这些课程也存在着知识点的交叉或重复。例如，模式识别和机器学习中都有贝叶斯参数估计、支持向量机模型等知识点，但视角和侧重点有所不同；图像处理、计算机视觉中都有颜色模型、成像模型等知识点，也同时存在与模式识别、机器学习交叉的知识点。

我们针对来自不同研究领域的学生群体，对该课程群的知识点进行系统梳理，既避免知识点的重复讲授，也防止重要知识点的缺漏。课程教师集体讨论，形成每门课程的核心知识集，和针对不同研究领域的选讲知识集。学生在学习课程时，在掌握核心知识集的基础上，结合自己的研究方向选择相关的选讲知识集学习。

在课程教材和参考书的选择上，注重挑选国际上有影响力的教材。例如，模式识别的参考书为Richard O. Duda等人编著的Pattern Classification；机器学习的参考书为Tom M. Mitchell编著的Machine Learning和Christopher M. Bishop编著的Pattern Recognition and Machine Learning；数据挖掘的参考书为Jiawei Han等人编著的Data Mining：Concepts and Techniques；数字图像处理的参考书为K. R. Castleman编著的Digital Image Processing；计算机视觉的参考书为D. A. Foryth编著的Computer Vision： A Modern Approach和Richard Szeliski编著的Computer Vision： Alogrithms and Applications。这些教材已被国内外著名大学普遍采用。同时，每门课程都提供相关的国内外顶级会议和期刊的列表，供学生课后追踪研究领域的热点问题。

在课堂授课环节上，注意采用灵活多样的授课方式。对于核心基础知识模块，以教师讲授为主，同时提供国内外该类课程的热门MOOC网址给学生参考。对于选讲知识模块，鼓励学生事先结合各自研究方向有目的自学，在学生报告的基础上进行课堂讨论方式进行。充分发挥学生学习的主体作用，也便于教师了解学生的水平和学习状况。

除此以外，不定期邀请国内外著名学者来校做学术报告，让学生充分了解该研究领域的最新前沿动态，并就热点问题进行专题讨论。

3.3 课程群实践体系完善与考核方式改革

工程实践和创新能力的培养是该课程群改革的重要目标。我们在上述师资队伍结构优化、课程群知识体系梳理与授课模式改革的基础上，着力进行课程群实践体系的改革与完善。我们通过多层次菜单式的实验项目选择、项目牵引的创新能力训练、学生综合研究能力的全面考查等方面来实现。

首先，整合和优化课程群实践内容，实现多层次菜单式灵活选择。根据各研究领域的要求进行灵活搭配，根据学生个体的能力与水平选择适当规模和难度的实践内容，通过课程内的基础实验、课程间的综合实验、课程群的创新实验来选择和组合，如图1所示。

图1 多层次菜单式实验内容示意图

基础型实验内容主要是各课程核心知识点的实验验证，主要包括模式识别，机器学习，数据挖掘，图像处理与分析，计算机视觉等课程的实验。要求选课学生对这些基础实验必做，打下良好的研究基础。

综合探索型实验在基础型实验基础上，既有单门课程内总的综合实验，也有课程间知识的综合应用。主要分为两大块，包括模式分析与机器学习方向的综合实验，以及图像处理与机器视觉方向的综合实验。实验目的主要是针对这两大块方向重点知识的综合分析和比较，能够熟练掌握和灵活应用。例如模式分析、机器学习、数据挖掘等方向都用到的线性判别分析、支持向量机、均值聚类等内容；图像处理与机器视觉中的图像特征抽取、视觉系统选型、目标检测、特定平台的算法优化等内容。学生可根据各自研究方向有目的的选择两块综合实验的大部分内容。

在综合型实验基础上，该课程群通过若干创新型实验来检验学生理论知识掌握程度和实践方法应用能力，为后续的研究课题开展打下良好的科研素养。主要内容包括人脸识别、二维条码识别、车辆属性识别、智能视觉监控、以及企业来源的关键技术等。这些项目实践既涉及用到图像处理与机器视觉的内容，也涉及模式分析与机器学习方向的知识。并且需要学生在综合运用相关知识的基础上有创新能力。

其次，重视各类项目牵引的创新能力训练。一方面，鼓励教师从国家自然科学基金、企业合作项目等研究中提炼出问题规模和难度适中的训练项目，作为课程群的综合能力训练项目。另一方面，鼓励学生参加挑战杯、全国研究生智慧城市技术与创意设计大赛等各类具有挑战性的竞赛项目，以赛代练，提升学生的工程实践和创新能力。同时，也鼓励学生利用百度、微软等相关研究领域的企业实习机会，参与产品一线的工程实践能力训练。

再次，注重考核环节，实现科研素养和实践能力的全面考查。只有严格、公平、公正的考核，才能保证实验实践的质量和水平，才能提升学生的科研素养和实践能力。我们主要在手段、方式方法上进行了改进。在题目选择上，根据学生个体水平和研究领域要求的差异，在选题上有适当的难易区分度，让每位学生都有锻炼和提升的机会；在考核方式上，采用结题书面报告来检验学术论文的写作能力，采用程序演示检验系统的设计与实现水平，采用上台汇报的方式检验学生的表达能力，多管齐下全面检查学生的综合科研素养；在考核成绩评定上，采用现场教师和学生共同评分的方式，公平合理；最后，通过网站展示、发表学术小论文、专利、软件著作权等方式展示和公开优秀成果，激发学生的学习热情，并由此形成积累，有利于学生实验实践氛围的传承。

4 结语

本文在分析国内外高校模式分析与视觉处理类课程群改革现状的基础上，以学生国际化视野、理论联系实际、工程实践和创新能力全面提升为目标，重点开展了师资队伍结构优化、课程群知识体系梳理、课程授课模式改革、课程群实践体系完善和实践考核模式改革等工作，取得了良好的效果，并为校内其他课程群的教学改革作为示范推广。

注释

① https：///learn/machine-learning/

② 郭小勤，曹广忠.计算机视觉课程的CDIO教学改革实践.理工高教研究，2010.29（5）：98-100，148.

③ 史金龙，白素琴，庞林斌，钱强.研究生机器视觉课程的CDIO教学改革实践.计算机教育，2013.9：40-43.

④ 陈芳林，刘亚东，沈辉.在《计算机视觉》课程中引入研讨式教学模式.当代教育理论与实践，2013.5（7）：112-114.

⑤ 王岳环，桑农，高常鑫.计算机视觉课程的国际化教学模式.计算机教育，2014.19：101-103.

⑥ 范迪，孙农亮，曹茂永，程学珍.我校图像工程课程群建设的思路和措施.中国科教创新导刊，2009.26：189-191.

⑦ 余义斌，甘俊英，应自炉.基于“图像分析与计算机视觉应用”课程项目的协同创新能力培养与实践.工业和信息化教育，2014.5：63-67.