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点击数:    |    加入时间:2019-06-10

基本科研素养训练之路

——记研究生《模式识别》课程的教学设计与实践

记者 刘毅然

编者按:本文系“研究性”示范研究生课程系列报道的第三篇。“研究性”示范研究生课程是根据我校研究生院建设高质量研究生课程要求,在校教学指导委员会领导下,由校研究生教学督导专家深入教学一线、三年全程跟踪40余门次研究生课程,经层层筛选,慎重推出的5门课程。本文将对计算机学院王蕴红老师开设的《模式识别》这门课程进行报道,希望使更多教师从中得到启发、借鉴和激励,互相学习,取长补短,共同提高,肩负“立德树人、教书育人”的核心使命,以潜心育英才为崇高追求,不断推进北航研究生人才培养质量的提升。

你可能很难想象,一位电子信息学院的博士生、一位数学系的硕士生,再外加一位计算机学院的同学,他们齐聚一堂就同一个问题从各自学科的角度出发,各抒己见、思维碰撞会产生怎样的火花?你可能会好奇是什么样的讨论会吸引如此多不同学科背景的同学竞相赴会?

你对这些问题的疑惑,都可以在计算机学院王蕴红开设的《模式识别》研究生课程中找到答案。《模式识别》是计算机学院的一门核心课程,选课也向对模式识别这一领域感兴趣的相关学院的研究生开放,近三年来年均听课人数约100名,在同类课程中名列前茅。该课程从计算机应用的角度介绍模式识别及基本概念和代表性方法,课程内容涉及概率论、统计学、算法、复杂度理论等多领域交叉应用学科,充分借鉴参考国内外一流大学同类课程的内容。课程旨在使学生在学习掌握模式识别的相关理论和应用的同时,学会提出问题,掌握解决问题的能力,熟悉做研究的方法,全面综合地培养学生的研究素质和探究能力。

王蕴红开设的《模式识别》经过多年的积累,在课程实践中创造性地总结出了“数学理论→物理意义→计算模型→程序实现→结果分析→展示研讨→深入分析”的研究性教学方式。这种融“教学—实践—展示”三位一体的教学模式为更好地实现研究生能力培养,提供了可借鉴的经验。

教学设计:能力培养是核心

“我从2005年秋季开始上《模式识别》研究生课程,至今已经十多年了。在我的课堂上,我希望培养学生独立从事研究工作的能力。具体来讲,在学术研究上能够找到可能的创新点、可以深入做研究的点,具有提出问题的能力,然后,具有解决问题的能力。”这是王蕴红从开课之初就一以贯之的理念。课程开设之初,王蕴红采用讲授的方式,感觉到学生的代入感不强。有的学生反映“课堂上讲的公式都能看懂,也都会推导,但不会用,一遇到实际问题就不知道能用什么算法,怎么用。”王蕴红认真分析了这一现象后找到了原因,学生对于相关概念的理解还仅停留于书本上。学生在学习的时候没有建立起从数学公式到物理意义到算法层面的研究思路;在解决问题时没有建立起从实际问题到物理意义到数学模型到算法的工程思路。“《模式识别》这门课程理论推导多,联系实际较少,研讨更少。”谈到课程建设之初的情况时,王蕴红讲到。

在分析清楚问题的症结所在后,王蕴红很快转变了教学方式,在课程讲授时广泛的将理论联系应用。她利用自己多年从事模式识别领域前沿技术研究的优势,将众多做过的如:虹膜识别、人脸识别、步态识别、行为识别、视觉监控等系统的研究和应用融入到了课程讲授过程中。从分析数学公式的物理意义,再拓展到应用举例,学生们很容易就能理解相关的理论。此举获得了学生们良好的反馈,2017级博士研究生李天一在接受采访时说:“王老师授课认真和蔼、深入浅出、循循善诱,善于通过实例有力地说明和简化一些复杂问题。比如,在讲贝叶斯决策时,只根据最小错误概率准则,有可能将一个疑似病例判断成无病。然而,在实际生活中,将患病错判成无病的损失往往比较严重,需要承受更大风险。因此,若按照最小风险准则,则倾向于判断成患病。”

王蕴红并没有满足这样的成绩,她深知学生能听懂,只是学生能力培养的第一步,这距离课程建设的初心还有很远的路要走。为更好地让学生学会提出问题,掌握解决问题的能力,熟悉做研究的方法,全面综合地培养学生的研究素质和探究能力,王蕴红密切结合课程基本理论,紧跟国际研究应用热点,设计了课程大作业和研讨课。

实践创新:让理论落地生花

陆游有诗曾言:“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。”能力的提升不仅要有科学的方法做指导,更离不开学生自身的能动性。在采访中,王蕴红介绍到,模式识别科学是一门应用基础科学,与普通物理、高等数学不同,仅仅通过课堂集中教学的方式往往无法达到模式识别课程的教学目标。普通的基于经典算法的课后作业往往仅仅只能锻炼学生的动手能力,而忽略了学生创新能力、交流能力和应变能力的培养。王蕴红在多样化教学方式上进行了大胆尝试,采用了“教学—实践—展示”三位一体的教学模式,通过课堂集中教学、课堂提问、课下文献阅读、大作业实践、课堂展示等多措并举的方式来达到模式识别课程的教学目标。在教授学生模式识别的经典理论与方法的同时,使得学生能够掌握做科研的方法,培养创新能力、交流能力和应变能力。

每次开课,王蕴红会布置2~3次课程实践大作业。这些大作业密切结合课程基本理论,紧跟国际研究应用热点,既夯实了学生的基础,又给学生留出了创新的空间。学生组成4人1组的团队,通过课下阅读文献、动手实现算法、对比分析结果等对于大作业中的具体问题深入研究,为研讨课上的展示做好准备。

在2016级博士研究生张帅的课程总结里,他这样写道:“感谢王老师的实践教学。您在整个学期之中,设立了两次大作业和课程展示,形式常见但意义非凡!这样的大作业对我们来说,是难能可贵的。在学生看来,您用心良苦:第一次大作业是在培养我们的科研理论能力,限定Parzen窗和K近邻两种方法模型,先在自己生成的模拟数据上做不同参数的实验,在大量经验总结之后发现每种模型的优势及劣势,然后根据发现的规律,寻求适当的数据集来做真实世界数据集上的应用;第二次大作业是在培养我们的科研应用能力,限定数据集的情况下,诸多模型之中,任意选取,相互比较,对我们来说宛如经历了一场模式识别界的班内竞赛,同学们拿着自己训练好的引以为傲的模型上台演讲、展示,寻求的只是那0.1%准确率的提升与方法、思维上的碰撞。这两次大作业使我产生了很多对研究方法学的理解,这将在我的科研生涯中起到至关重要的作用。”

翻转课堂:研讨让实践升华

研讨课,师生身份互换,教师就坐台下,学生走上讲台,化被动的灌输为主动的讲授,与他人分享,教会他人,这一切让知识变得更生动、更具体。学生们通过课下阅读文献、动手实现算法、对比分析结果等对于大作业中的具体问题进行了深入研究,正是在此基础上,高质量的研讨课才得以开展。王蕴红的研讨课联通了课堂内外,任务驱动式的教学给予了学生们自主创新的空间,课上课下学生们不仅收获了知识,也培养了能力。

上了王蕴红的课后,2015级硕士研究生陈昊坚定了继续从事科学研究的信念,成为了2016级的一名博士研究生。他在回忆研讨课时写道:“王老师课上让我们每个组都做了展示,而在台下的我们也对台上的展示有着自己的看法,而王老师和助教到位的评论与问题,告诉我们应该从什么角度去看待别人的展示,以及王老师让我们提问也是在变相锻炼我们提出问题的能力。只有经过这样的训练,我们才能在博士生涯中有好的文章,工作生涯中有好的发展。”

校研究生教学督导组在课程推荐意见里这样写道:“研讨课上形成了‘团队展示→教师提问→研究生质疑→团队回答→教师点评’这一较为完整的课堂研讨方式。研讨中教师重点引导研究生对于实验结果的理论分析和创新点的挖掘,展示分析和解决问题的过程,启发研究生思考如何进行创新性研究。”

“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行,只有经历了算法的磨练,遭遇了无法克服的困难,解决了具体的问题,大家在一起讨论时才有共鸣,有启发,才能看到一个具体的问题能够做到多么深入,可以从什么点切入做深入的学术研究,应用会拓展到什么范围,逐步形成了研究工作怎么做的思想。”谈及研讨课时,王蕴红自己如是说到,“我明显感到学生对于课程的参与热情提高了,学生在研讨课中既收获了成就感,又培养了科学研究的素养。更重要的是,他们体会到了互相启发、逐步走向深入的研究乐趣。希望他们养成同行学术交流的习惯,善于表达自己的观点并且吸收别人的优点,希望这种乐趣能够在他们今后的学习和工作中伴随他们成长。在课堂上,我能够感到同学们的进步,教师看到学生进步这种巨大的成就感和喜悦是无法用语言表达的。”

反哺教学:持续优化是常态

从2005年开课至今,王蕴红一步一个脚印朝着她的课程初心不断迈进。

一路走来,不论人工智能是火是冷,她始终坚守着自己的初心,希望全面培养学生的能力。采访中王蕴红不止一次的向记者总结到,“在这门课中,学生应该能够将想法用数学语言表达、能够分析出物理意义、能够用程序语言实现、能够用中文或英文书面语言写作、能够通过流畅的口头表达向别人传递想法。完成了这样一整套的科研训练,研究生才具有了初步的研究素质。”她的课程初心就是利用课程这个载体,将上述能力培养贯穿课程始终,培养学生的研究素质。研讨课就是深化上述能力培养的一种有效的手段。

一路走来,她用科研工作反哺教学。上过她课的学生都会对她课堂上的提问印象深刻。这些提问或是让学生前后联系温故知新;或是高屋建瓴地为学生指明学习的脉络;抑或是一针见血、切中要害,直指问题的症结所在……“这些是源于我多年做模式识别研究的经验,结合同学的具体问题和表现给出的观点。”王蕴红这样答到。她丰富的科研经历、工程经验成为了学生们无比珍视的宝贵财富。

一路走来,她用生活点滴反哺教学。课堂上,王蕴红常会举一些生活中你我都未曾留意的小例子。比如,元宵节去超市买盒装的汤圆,回家拆开包装发现有一个格子里是空的,如何解决,以此来启发学生思考科研问题与工程问题解决方式的不同;去医院看望生病的同事,回来后,课堂上就有了人工智能辅助医生看片的例子,这让学生看到自己的科研成果可能会挽救许多人的生命,为此而自豪……陶行知先生有言“学高为师,身正为范”,王蕴红身体力行,将思政融入课程,用这样润物无声的方式,潜移默化地影响着她的学生们。

一路走来,她用课程实践反哺教学。她每年都会认真收集学生们的课程反馈,希望以此来不断完善这门课,使同学们更高效率地利用课程学习积累研究能力,让这种能力在他们以后的研究工作中生根发芽,伴学生们成长、成才。在未来的课堂上,她希望不同层次的同学都有发挥能力的空间,部分同学能够参与研讨问题的设计。在王蕴红的意识里,课程的优化只有进行时,没有完成时。她始终尝试着从不同的方面反哺课程建设,把课程优化做成了常态。

后记:

王蕴红老师,是一位值得我们尊敬的科技工作者、好教师,她一直秉持“教育是使学生获得终身发展的能力,研究生课程教学是通过教师和学生的互动实现教学理念的传达,将相关能力培养落实到具体的培养环节,使学生成为一个掌握专业技能和研究能力的高素质人才”的教育理念。在向她提问,请她给年轻教师提几点建议时,她十分谦逊的说到:“我们很多年轻教师很有教学热情,教学水平很高。我也向他们学习。我自己的感悟有两条:第一、做好教师,首先要爱教学,真正能够体会到面对学生教学的快乐;第二、授人以鱼不如授人以渔,知识是能力的载体,培养能力非常重要。”问及其多年的教学心得时,她动情地说到:“这门课我的最大感受是:三尺讲台传道授业,教书育人乐在其中!”

【点评】

校研究生教学督导组专家、计算机学院金惠华教授

人们大多认为培养学生的科学研究能力是导师的事,是在论文工作中完成的事。可王蕴红老师却把它作为一门课程的教学目标。她坚信只有通过学生自己由简到难地反复研究实践,才能真正学懂一门课程的理论知识,发现该领域面临的问题,磨练创新意识。

多年来,为实现这个教学目标,她努力探索“教学—实践—展示”三位一体的教学模式,就是把学生放在教学活动的中心、教师组织指导教学的过程。在这种模式下,教师要更加深思熟虑地考虑讲什么?怎么讲?引导学生善于质疑,勇于探索,敢于发现问题的热情和兴趣。在这种模式下,教师必须仔细设计实践教学环节和理论教学环节的内容和关联,使学生适应自主学习的压力,养成研究问题的习惯。教师必须紧跟本领域科学研究的前沿和热点,把自己科研工作中的经验和教训融入到教学中,使学生体验到理论如何应用于鲜活的实践,实践又怎么凝练升华为新的理论知识。这种教学模式不可能一蹴而就,要克服转型给师生带来的各种困惑,评估每一轮的教学效果,坚持不懈地改进。

这种教学模式,王老师已经坚持了十来年,从学生反馈看教学效果越来越好。在授课中可以看到师生间的讨论,在研讨时能够发现同学间不同观点的争论,在展示中常见值得关注作品的涌现。

这种教学模式是普遍可行的。在计算机学院、在全校还有很多教师在这样做着,他们或许正在路上,他们或许已经做得很好,只是没有被我们发现。如果该模式能在学科多数核心课程中实施,则就构成了通往研究生基本科研素质养成的坦途,从而为研究生从事高质量论文研究打下坚实的基础。

编辑:贾爱平

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