徐勇

[摘要] 本科“模式识别”属于数理基础内容多、难度较高的工科课程，具有授课量多、授课进度较快等特点。因此，学生在课堂上容易出现困乏、知识接受程度低等问题。针对这些问题，在该课程中借助多种教学手段，包括首次提出和采用的具有创新性的基于电子化教学手段和对象比拟的暗喻，以及幽默的语言与比喻、引导式提问、重要知识的“图”“画”式表达等，可调动学生的思维与注意力、视觉、听觉以及知识与经验迁移的潜力，激发学生课堂学习的主动性与积极性，取得了较好的教学效果。

[关键词] 模式识别;趣味性教学;知识与经验迁移;暗喻;本科课程设计

[基金项目] 2018—2021年度国家自然科学基金委项目“图像目标检测的深度特征提取方案设计与实验”（61876051）

[作者简介] 徐 勇（1972—），男，四川简阳人，工学博士，哈尔滨工业大学（深圳）计算机科学与技术学院教授，博士生导师（通信作者），主要从事计算机视觉与模式识别研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）16-0097-04    [收稿日期] 2021-01-13

由高中阶段过渡到本科阶段后，面临教学内容难度增加、课程数和授课量增多、授课进度快等变化，部分学生出现学习困难、甚至产生了受挫情绪等问题。因此，对本科生的课堂授课质量提出了较高要求。笔者认为，趣味教学的引入是解决该问题的有效手段之一。

在本科“模式识别”课程的教学中，为了调动学生的注意力、提升知识的传递效率和增强学习效果，采取具有创新性的基于PPT辅助和对象比拟的暗喻、轻松幽默的语言和形象生动的比喻、引导式的提问、重要知识的“图”“画”式表达等趣味性教学手段，使学生在轻松的环境中进行学习，取得了较好的学习效果。上述几种教学手段各有特色、互为补充，课堂中可根据具体授课内容选用。

本文教学设计的思路为充分开启学生感官，调动学生的视觉、听觉以及大脑思维，同步利用学习主体在文字、声音、图像与影像方面的感知与认知能力，达成“模式识别”课程知识的高效传递、转移与迁移[1]。笔者基于此教学设计取得了很好的教学实效，如图1所示。

一、基于PPT辅助的暗喻和对象比拟

多媒体教室的使用，为课堂教学提供了以电子讲义为主要载体的多种电子化技术手段。借助于承载主要知识点的PPT，可以适时为课堂提供暗喻，通过将知识对象与暗喻事例中的对象进行比拟，提高知识的“可达率”和理解效率。暗喻的最大优势在于通过“漫画式”的图像或者画面感很强的语言，将看似高深的理论巧妙地转化为十分容易理解的道理，知识的接受者可以十分轻松地完成从日常道理或常识到知识的迁移，甚至在哈哈大笑中完成知识的接受和驻留。暗喻一般呈现为图像或动画的形式，少数呈现为生动活泼的文字形式。

借助暗喻进行课程内容讲授可以实现知识和学生认知经验的迁移。心理学认为，知识迁移是人类学习的重要而有效的方法之一。人们在学习新知识和遇到新现象时，常将其与已有知识或经验进行关联，倘若能够找出二者之间的一致或类似之处，则对新知识和新现象将有更快更好地理解。“举一反三”等认知方法实则为古代人们朴素的知识迁移思想的体现。

在本科“模式识别”课程的教学中暗喻分两种：一是只陈列不讲述的暗喻，二是陈列且简单讲述的暗喻。对于简单且形象直观的暗喻，可以采取第一种方式;而对于内涵豐富的暗喻，一般采取第二种方式。两种方式都有很高的课堂效率，其中需要讲述的暗喻也只需要很少的课堂时间，如图2所示。

“模式识别”课堂教学中使用的一个讲述型的典型暗喻如下：在讲解隐马尔科夫模型时，隐状态与可见状态二者之间的对应是一个难点。为此，可给学生举例如下：如果将隐马尔科夫模型应用于将语音翻译为文字，其中可以直接感知的语音就是可见状态，而相应的文字就是隐状态。为了说明一个可见状态可能对应多个隐状态，以暗喻的方式将张学良学英文“nine”的故事以文字截图的方式放到了PPT中相应内容的下面，如图3所示。笔者在课堂教学中花一两分钟时间对此暗喻故事进行讲解，并提及一个可见状态可能对应多个隐状态的难题会对翻译任务的准确度造成很大的影响。这样的讲授方式引来的会意的笑声表明，学生对一个可见状态（语音）可对应多个隐状态（文字）的知识点已经留下了十分深刻的印象。

图4为辅助最小风险贝叶斯决策讲解的暗喻图片，其直观地实现了如下对象比拟：最小错误率贝叶斯决策将分类错误率为唯一目标，这好比只追求可能的最大化收益的激进投资策略，其中的隐患在于忽略了投资策略可能带来较大损失的风险，而这样的风险一旦真实发生，投资者将面临难以承受的损失。而最小风险贝叶斯决策则将可能的收益与损失共同考虑，设计既追求收益又能较好规避风险的投资策略。此暗喻可给学生留下深刻的印象，让他们很好地理解和记住最小错误率贝叶斯决策与最小风险贝叶斯决策的区别。

二、形象幽默的语言与比喻

工科课程的教学内容相对枯燥，且课程内容较多，学生容易出现注意力下降和疲乏。因此，课堂中适当采用形象幽默的语言与比喻，不仅有利于调动学生的注意力，而且十分利于学生对知识的理解。

梁启超提出了著名的“趣味教育”，其重要意义在于可以很好地调动学生的感官，在轻松与愉悦的氛围中达成学习目标[2]。实践表明，“趣味教育”在不同层次人群的教学活动中都是有效的手段。从心理学的角度分析，大脑感受到“有趣”的信号时，处于十分兴奋和活跃的状态，相应的知识传递过程十分高效。笔者认为，高等教育的课堂教学中，基于语言的趣味化教学是最直接、最高效和最便捷地令大脑感受到“有趣”信号的“趣味教育”手段。幽默、诙谐、睿智的语言不仅可以让学生高效率地接受知识的传授，而且可以在会心一笑甚至哈哈大笑中留下知识的烙印，并形成长时的记忆。

为此，需要进行如下教学设计：梳理知识点，进行形象幽默的比喻設计与语言准备，在课堂中结合比喻等进行知识讲解。如图5所示。根据实际情况，比喻的给出可在知识点讲解之前或之后。经验表明，时长超过十五分钟的纯课程知识教授之后，幽默风趣的语言运用可很好地提高学生注意力和提升课堂教学效果。

“模式识别”课程教学中，一个形象幽默的比喻实例可设计如下：在讲授最近邻分类时，为了提高学生的注意力，设计如下提问：“在座谈过恋爱的男同学请举手。你们知道谈恋爱时女孩子主要受谁的意见影响吗？”稍做停顿后，给出答案：“请男同学们注意，谈恋爱时女孩子主要会受母亲意见的影响，因为母亲是她最亲、心理距离最近的人。因此，有一句话，叫作搞定丈母娘。所以，有追求目标的男同学们，加油啊！”。这一段语言不仅会把学生的注意力调动起来，而且经常会带来笑声。紧接着，继续授课时可讲：“刚才讲的生活中女孩子主要受心理距离最近的人的影响，而我们的课程中，一个待分类的样本，主要受谁的影响呢？主要受与他空间距离最近的训练样本的影响！相应的方法这就是我们的主要内容——最近邻分类方法……”。

“模式识别”课程教学中采用的另外一个形象幽默的比喻如下。若以错误率为标准，最小错误率贝叶斯分类器是理论上的最优分类器。讲解完此部分内容后，为了对课程引入其他分类器的“必要性”进行介绍，在课堂中生动地讲道：最小错误贝叶斯分类器是理论上错误率最低的最好的分类器，它堪称分类器中的“女神”。但是，这有一个前提——每一类别的后验概率的值准确无误。然而，实际应用中，要准确地得出后验概率是一个极具挑战性的任务。理论上只有拥有无穷多的“训练样本”，才能无误差地得出后验概率，这在实际中几乎是不可能的;其次，不少实际应用中，由于图像数据等样本具有很高的维数，即使拥有大量“训练样本”，也难以无误差地得出后验概率。因此，我们说，最小错误率贝叶斯分类器并非完美，可以说它是“可望而不可即”的“女神”！因此，明智的男生会放弃对“不可即”的“女神”的追求。这也是本课程还要介绍其他分类器的原因，其他分类器也在实际任务中大量使用。

课堂实践中，幽默诙谐语言的运用也需把握好度。总的来说，在营造轻松愉悦的课堂教学环境的过程中，应同时保持课堂作为知识传授场所必要的严肃性;在课堂用语中，要将幽默与戏谑加以区别，做到用语得当与“不逾矩”。

三、引导式的提问

调动学生的主动性思维是提高课堂教学效果的重要手段，引导式提问能在这方面起到好的作用，可让学生从跟随式学习切换到主动探究式学习，而且还有很好的课堂交互效果。相比于直接给学生讲授课程内容，设问和提问环节还可以适当放慢课堂节奏，适当放松学生处于紧张思维状态的大脑。

应用此教学手段，需进行的课堂设计包括：适合提问的课程内容分析与问题设计。适合安排引导式提问的环节包括：其一，两个相关联的课程内容的衔接之处，将学生的思路引向接下来的课堂内容;其二，一堂课快结束时，以达到让学生头脑中装着问题进入下一次课的目的;其三，一堂课开始时，以达到快速将学生思路引向课程内容的目的。提问后可根据需要，灵活地选择请学生回答和不请学生回答。

在“模式识别”课堂教学中，笔者针对最近邻分类到K近邻分类的思维转化、K近邻分类方法的改进、紧接主分量分析之后的线性鉴别分析的引入、紧接Parzen窗估计方法之后的另一个非参数估计方法——Kn近邻估计方法的引入等课堂内容设计了一系列的引导式提问，并取得了很好的教学实效。

例如，为K近邻分类改进方法的思路介绍设计了如下两个层次的引导式提问：其一，K近邻分类思路简单、易于实现，得到了很多应用。另一方面，请同学们想一想，K近邻分类的思路是否完美？其思路是否还有改进空间？其二，K近邻分类采用了少数服从多数的原则，即测试样本的K个近邻中，哪个类别的训练样本最多，就将测试样本分类到哪个类别。但是，K近邻分类忽略了如下事实：K个近邻与测试样本的空间远近关系明显不同，根据“近朱者赤近墨者黑”的经验，是否可以认为距离测试样本更近的近邻样本对测试样本的分类应该有更大的影响呢？基于如上两个层次的设问，学生对后续介绍的利用近邻样本与测试样本的距离对K近邻分类方法进行改进的思路会有很高的接受度。

此外，在课堂中结合人们普遍关注的社会热点问题，设计与课程内容紧密相关的提问，在引起学生注意后再引出教学内容，也是一个很好的做法。

四、重要知识的“图”“画”式表达

“一图胜千言”说明图像化表达的重要作用。

图像内容的丰富性与有序性、直观性与易理解性均远远超过文字。因此，笔者在“模式识别”课程的教学设计中比较注重重要知识的图像化表达，对重要知识点进行“图”（图像）、“画”（动画或影像）

式的呈现或者“例证”，形成图文并茂的知识阐释风格。在文字、图与画构成的两层知识表达的基础上，学生可在课堂教学中很好地实现知识转化。

“图”“画”二者的取舍如下：对一般的重要知识点，以图像式的呈现为主;对内涵丰富的重要知识点，尽量采取动画式呈现，以较全面地体现知识点的主要要素，便于学生相对全面地“观察”。如图6所示。具体课堂教学设计包括：不同类别的概率密度函数的非参数估计方法原理的动画演示、K近邻分类方法中K近邻确定的图示、基于单特征的类别可判别性的图示、线性可分问题的图示、过适应的图示、贝叶斯决策错误率的图示、训练样例数量对分类结果影响的图示等。

五、结语

本文阐述了基于PPT辅助和对象比拟的暗喻、轻松幽默的语言和形象生动的比喻、引导式的提问、重要知识的“图”“画”式表达等趣味性教学手段，目标在于让学生在轻松和趣味性的环境中进行高效学习，在本科“模式识别”课程的教学中取得了很好的效果。其中，基于PPT辅助和对象比拟的暗喻为笔者首次提出和采用的教学手段，其他教学手段则充分结合课程特色进行了内涵设计。几种教学手段在具有相同特性的本科课程的教学中均可使用，既可以根据需要使用其中一种教学手段，也可以将两种甚至多种教学手段组合应用。

參考文献

[1]王雪松，潘杰，程玉虎.知识迁移学习方法及应用[M].北京：科学出版社，2016.

[2]区华宇，田丽丽.趣味教育的基本原理与发展方式[J].中国校外教育（旬刊），2016（6）：85-86.

Design and Practice of Novel and Interesting Teaching Methods for Pattern Recognition Course

XU Yong

（School of Computer Science and Technology， Harbin Institute of Technology （Shenzhen）， Shenzhen， Guangdong 518055， China）

Abstract： There are some problems in the undergraduate course of Pattern Recognition， such as large teaching volume and fast teaching progress. Moreover， this course is a difficult engineering course with many basic mathematical and physical contents. Therefore， students are prone to drowsiness and low knowledge acceptance in class. In view of the above problems， the author used a variety of teaching methods in the course， including innovative electronic-based teaching methods and using metaphor， humorous language， heuristic questions， graphic expression of important knowledge， etc. These methods can fully mobilize students' thinking and attention， vision， hearing， and the potential of knowledge and experience transfer， and stimulate students' initiative and enthusiasm in classroom learning， which has achieved better teaching results.

Key words： Pattern Recognition; interesting teaching; knowledge and experience transfer; metaphor; undergraduate course design