遷移學習在專業課程教學中的實踐研究

【摘要】針對跨專業研究生在專業課程學習中的困難，提出基于遷移學習的課程教學方法，利用在熟悉領域中學習到的知識來幫助完成專業課程的學習。實際應用中，將醫學領域的體檢、聽診器等概念，以及中醫“望、聞、問、切”四診法和多源融合診療等方法遷移到機械故障診斷課程的教學中，形成專業課程的遷移教學方法，提高了研究生的培養質量和科研能力。

【關鍵詞】遷移學習 專業課程 教學實踐 教學質量

【中圖分類號】G642.0 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）46-0055-02

工科院校選修某一門專業課程的研究生常來自不同專業，這種跨專業的課程學習使研究生感覺難度較大。例如，我校為研究生開設的專業課《機械故障診斷學》，選課學生就有來自機械工程、安全工程和油氣儲運工程的研究生。并且近幾年隨著安全學科的發展，安全工程專業研究生占到了60%以上。然而安全工程學生在本科階段對機械方面的課程學得很少，因此學習很吃力。對于跨專業研究生課程的教學改革具有重要的意義。遷移學習是近年來在機器學習領域中發展起來的一種新理論，在科研領域和教學領域都有了初步研究和應用。本文將遷移學習理論應用到跨專業研究生的專業課程教學中，旨在進一步提高教學效果。

1.遷移學習的原理

1.1 遷移學習的概念

遷移學習（ Transfer Learning）在機器學習理論中被定義為：通過尋找源域與目標域之間的映射關系，找出相同或相近的特征表示，并應用到目標領域，從而將源域知識準確有效地傳遞給目標域。該方法能夠有效地在相似的領域之間進行信息的共享和遷移，利用從一個領域中學習到的知識來幫助完成新領域中的學習任務，類似將騎自行車的經驗應用到騎摩托車上，從而有助于摩托車的駕駛學習。遷移學習已成功應用于文本處理、圖像分類、人臉識別、語音識別、信號處理等領域。例如，從Wikipedia文檔到Twitter文本的知識遷移，從互聯網的網頁到 Flick 圖像的知識遷移，從圖書等已知產品領域到未知產品領域的喜好、感受、觀點等在線評價的遷移學習等。

1.2 正遷移和負遷移

美國心理學家桑代克認為，舊學習之所以能對新學習有遷移效果，主要在于新舊學習之間存在共同要素。兩者相同要素越多，則遷移分量越大。某些概念和方法之間存在著驚人的類同性，在教學和科研中要善于對比相似的學習情境，挖掘它們的相同成分，以創設積極的遷移氛圍，從而引導學生產生學習的正遷移。然而，當新學習與與舊學習彼此不相關時，強制遷移是不足取或不成功的；當遷移時機欠佳，盲目遷移則會帶來干擾和抑制作用，甚至產生“負遷移”的嚴重后果。在教學和科研中，如何辨認各種問題的本質特征，是尋求克服負遷移教學策略的出發點。從本質上講，遷移學習就是對所學新舊知識的再整合再加工過程，運用正遷移學習更好地幫助學生提升自主學習和科研能力，構建知識網絡，對培養學生的創新意識和提高科研能力有十分重要的作用。

2.遷移學習教學方法的應用

機械設備故障診斷全過程包括信號檢測、征兆收集、狀態判別、故障定位和維修決策，與醫生給病人看病有諸多相似之處。待診斷的設備就相當于病人，設備診斷實施者就相當于醫生。可見，機械故障診斷跟人看病相同要素很多，而作為研究生在這方面已積累了很多“知識”，將這些知識遷移到機械故障診斷是完全可行的。

2.1 概念的遷移

體檢與狀態監測。人要經常進行體檢，如學生的入學體檢，教師的年度體檢。通過體檢能獲知身體的健康狀態。機械設備的“體檢”叫狀態監測，可以為定期監測，如每月一次，也可以為在線監測，將各種傳感器安裝在設備上，實時采集數據、分析設備狀況。

聽診器與振聲采集器。聽診器由拾音部分、傳導部分及聽音部分組成，用來診斷各種心肺等胸部疾病。振聲采集器由拾振（音）部分、傳導部分及存儲部分組成，用來采集設備運動部件產生的振動或聲音，從而診斷零部件的磨損、裂紋等故障。

疾病的早期診斷與機械故障的早期診斷。人體疾病的早期發現對于治療非常重要。例如，癌癥防治的唯一出路為“三早”，即：早發現、早診斷、早治療。機械設備的早期故障具有癥狀不明顯、特征信息微弱等特點，不易識別，需要研究有效的微弱故障特征增強方法，還需要建立故障演化過程與征兆間的映射關系，保證特征提取的準確性。

2.2 物理量的遷移

振動信號監測分析是機械故障診斷常用的方法，其中振動位移、振動速度和振動加速度是振動信號分析中最常用的三個物理量。機械設備上某一點的振動是由多個部件振動的合成，也即多個簡諧振動的合成。而簡諧振動就是高中物理中的簡詢運動。與簡詢運動研究運動的周期（頻率）和幅值一樣，通過研究振動的頻率和幅值來判斷故障的部件及其嚴重程度。

2.3 研究方法的遷移

信號檢測方法。在醫學上，扁鵲提出了“望、聞、問、切”四診法，至今依然普遍使用，是中醫辨證施治的重要依據。在機械設備診斷中，也有“望、聞、問、切”四種信號檢測方法。其中，望診是利用紅外熱像儀采集設備的紅外輻射能量，根據紅外圖像的不同顏色及其隨時間的變化來診斷“溫度相關”故障，如摩擦磨損故障。聞診是利用氣體傳感器檢測設備內部氣體、液體的泄漏情況，從而判斷設備密封部件的完好狀態。問診是詢問設備的病史及狀態，如歷史故障情況、設備維修情況、運行時間、負載工況等。切診是利用振聲傳感器采集設備關鍵部位的振動和噪聲，并進行時域、頻域分析。

多源融合診療方法。在醫學上，有經驗的醫生通過四診法對病情綜合分析；或者是多科室、多專業大夫聯合會診，最后給出綜合診療意見。在機械設備診斷中，通過對熱圖像、泄漏信號、振聲信號及歷史數據進行轉換和標準化處理，利用信息融合方法分析，給出設備的狀態、故障情況及維護對策。

2.4負遷移的克服endprint

在遷移學習中，要注意克服負遷移影響。如果盲目遷移，有時甚至帶來負面效果。如有人把騎自行車的方法遷移到騎三輪車，結果不會拐彎。因為前者靠傾斜身體的方法拐彎，后者靠轉動把手。認清二者的本質區別是克服負遷移的關鍵。在機械故障診斷的教研中，也要注意克服負遷移影響。例如對比評價方法的遷移。對病人診治常用對比評價方法，比如體檢中的血常規化驗，就是跟標準對比，看是指標否超標、從而判斷是否有相應的疾病。設備診斷也常用對比評價方法，如振動信號幅值對比。但是，對比評價方法是要有條件的，如抽血化驗要求空腹、禁水等。設備對比則要求工況相同，也就是設備轉速、負載相同。然而，很多設備運行是變速變載的，因此，要么把設備調整到相同工況再檢測，要么把變工況產生的影響剔除后進行對比，否則對比的結論就不可信。

3.結論

遷移學習能有效地在相似的任務之間進行信息的共享和遷移，利用從一個領域中學習到的知識來幫助完成新領域中的學習任務。在教學和科研中，辨清源域和目標域之間的本質區別是善用正遷移、克服負遷移的關鍵。在機械故障診斷中，可以將體檢與狀態監測、聽診器與振聲采集器、疾病的早期診斷與機械故障的早期診斷等概念進行遷移；將位移、速度和加速度等物理量進行遷移；將“望、聞、問、切”和多源融合診療方法進行遷移；同時，要克服負遷移的影響。本文提出的遷移學習教學方法，有助于提高課程教學效果，同時可以推廣到其它課程的教學中。

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作者簡介：

段禮祥（1969年10月-），男，四川瀘州人。主要從事設備安全監測與智能診斷的教學和科研工作。endprint