以知識應用為導向的工科專業案例教學模式研究

摘 "要 "常規教學模式中理論和實踐教學相分離，理論教學內容枯燥且與應用脫節。針對此問題，構建以應用為導向的案例教學模式，以案例為主線、教師為主導、學生為主體，不斷優化教學內容和考核方式，培養學生創新思維，獨立發現問題、解決問題以及應變的能力，調動學生的積極性和參與熱情，進而實現課程的教學目標。

關鍵詞 "案例教學法；工科專業；模式識別與機器學習

中圖分類號：G642.4 " "文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）13-0070-04

0 "引言

國際著名教育改革理論專家哈維洛克（R. G."Havelock）教授曾對“教育改革”作過定義：“教育改革就是教育現狀所發生的任何有意義的轉變。”[1]

伴隨著我國綜合國力的提升，為適應區域經濟、社會的發展，教育部、河南省教育廳提出教育發展戰略改革路線及目標，河南省高校等相關單位根據自身發展路線和方向，提出相應的教育發展計劃以及要求。

河南省高校圍繞高等教育“雙一流建設”“一流本科建設”和“創新創業教育建設”，以“教改促實踐、實踐出成果、成果提質量”為目標，堅持問題導向，注重教學實效，突出創新性、前瞻性、可操作性。在教育改革思想的指導下，中原工學院緊緊圍繞省教育廳的相關政策要求，鼓勵和支持教師創新教學、實踐模式，開展課堂改革，把優秀的教學案例升華為優秀的教改成果[2]。

工科案例方法是理論聯系實際的一種教學模式，結合當前區域經濟發展的需求與教育的關系，案例教學法已逐漸成為當前專業技術課程教學的研究與實踐熱點之一[3-4]。早期，研究者將案例教學應用于醫學、法學等領域；之后，案例教學逐漸進入工科領域，并得到教育學者的廣泛關注。近幾年隨著科技的發展，工科實踐的教學理念得到深化。

案例教學模式適應時代的需求，將培養學生思維、實踐能力作為重要目標，已逐步成為工科專業課程的一種實用性教學方法。在這里，主要圍繞模式識別與機器學習課程展開研究，通過對課程的研究和教學實施，達到以下目的：

首先，掌握當前專業課程的案例教學運行狀態，如學生接受程度及教學實踐效果；

其次，分析案例教學模式的要素及機理，逐步完善；

最后，發掘案例教學模式實施中存在的主要問題并改進。

1 "案例教學法的現狀及特點

1.1 "教育教學現狀

近年來，為促進區域經濟、社會服務發展，在教育戰略的指導下，高校、科研機構已進行多次較大力度的教學和實踐改革，教育界涌現出多種多樣的教學理念、教學模式以及實踐方法，如“三三六”模式、對分課堂和循環大課堂等。林永波等人[5]分析課程設置、教學方法、學習年限等問題，借鑒國外培養方式，總結教學中存在的一些問題，提出進一步深化教學改革的措施。2014年，余清臣等人[6]從反思的角度提出教學模式改革的內涵，認為課堂教學模式應該定位于教育教學理念轉換、教學環節和運行程序的改革。

《國家教育事業發展“十三五”規劃》指出：“人才供給和高校創新能力明顯提升，創新型、復合型、應用型和技術技能型人才培養比例顯著提高，人才培養結構更趨合理。”2018年，王秀鳳等人[7]進行以應用為導向的膠體與界面化學互動式教學改革與實踐，探索各種形式的互動教學和實踐方法。

隨著“輕論文、重實踐”教育導向逐漸占據上風，高等教育開始重拾案例教學法，尤其體現在工科的教學與研究中。2021年，羅黎等人[8]進行了基于工程案例的液壓與氣動技術課程教學改革，從知識點、綜合應用角度研究工學課程的教學與實踐。段金龍[9]研究了案例教學法在空間分析與信息應用實踐課程教學中的應用，探索和討論案例教學法在專業教學中的應用前景、組織架構和注意事項并簡要分析，以期為案例教學法在空間信息與數字技術專業中的發展提供理論導向。

當前，我國高等教育的教學和實踐，尤其是河南省高等教育改革和實踐，仍然是任重而道遠。河南省整體特點是人口多，教育資源貧瘠，存在如下問題：

1）教學理念不受重視，先進的教學理念處于弱勢；

2）教學內容的創新性、綜合性和前沿性不足；

3）培養計劃以及課程設置缺乏科學合理性；

4）學生的創新思維能力培養不夠；

5）考核方式單一，標準不完善。

1.2 "特點與優勢

案例教學法是理論知識與實際案例相結合的一種教學實踐方法。通過搜集、組織案例，分析案例，歸納知識點，達到理論與實踐相結合，實現理論知識掌握和實踐能力提升齊頭并進。在案例教學過程中把學生作為課堂教學的主體，采用探討式、互動式的教學方法，引導學生積極思考、參與討論，主動進入教學情境，跟隨教學與實踐的每個環節。鼓勵差異性回答，訓練學生發散性思維，重視總結和反思，強化舉一反三的思維模式。通過對典型案例的探討與講解，讓學生掌握相關知識點，構建知識點圖譜，以問題導向的方式實現理論實踐掌握，同時掌握工程實踐流程及其解決方法。

案例教學法彌補了工科專業課程課堂教學枯燥、單調、乏味等不足。在案例教學前，學生需要在課前對案例相關的概念、理論開展查找、搜集資料，分析、集體討論等活動；在課堂上，學生思維進入案例教學過程。案例教學做到精講多練，在精講教學內容的同時，更重要的是注重實踐與經驗的傳授以及激發學生互動、發散性思維。根據知識點和案例工程的需要，突出相關知識點的實用性以及新穎性，從內容上貼近前沿工程技術。

2 "以應用為導向的案例教學法設計與實施

高等教育教學應以課題理論研究和實踐應用為導向，以理論學習與研究指導實踐應用，通過應用促進理論理解和掌握，即做到“以學促用，以用檢學”。案例教學法以真實案例為教學內容，包括課堂內容組織，案例關聯的知識點圖譜、案例素材搜集，引入案例，分析和討論案例，總結案例。在案例教學中，理論與實踐的關系如圖1所示。首先，根據課堂內容安排挑選、組織素材，建立素材與知識點的關聯性，讓學生提前閱讀、思考案例；其次，討論案例解決的問題以及采用的方法、實施環節以及注意事項；最后，總結、反思學習過程。

目前，中原工學院電子信息學院開設的課程主要有基礎課程、專業課程以及選修課程，如科研方法論、神經網絡、電路原理、數字電路、模擬電路、人工智能、矩陣分析、隨機過程、模式識別與機器學習、計算機視覺等。根據專業課程的教育教學和實踐以及學生的實際情況，分別對課堂教學與實踐、課后輔導進行設計，研究知識應用為導向的案例教學和實踐模式以及評價指標。

2.1 "學情分析

以筆者所在學校專業課程為例，學生整體水平處于中等偏上，部分學生的學習能力較強，素質具有明顯的優勢。近年來，AI應用技術得到快速發展，受大環境發展趨勢的影響，相關專業學生的學習熱情高漲。對于模式識別與機器學習課程來說，理論課程的學習需要一定的基礎知識（如高等數學、概率論、矩陣分析等），因此，基礎知識薄弱的學生容易喪失學習的積極性和熱情。

模式識別與機器學習課程總計13章內容，教學時間為一個學期，共56個學時。針對教學對象接受能力參差不齊的現象，將課程分為兩部大部分，即基礎教育和提升教育。在學習基礎理論知識的基礎上，通過第二階段的提升學習，實現差異化教學，達到課程教學的目的。

2.2 "教學內容

根據課程教學目標、大綱以及課時要求，并結合區域經濟發展，對教學內容、教案等材料作出規劃。模式識別與機器學習課程包括13章內容：第一章，緒論；第二章，統計判別；第三章，判別函數；第四章，特征選擇和提取；第五章，句法模式識別；第六章，統計學習理論基礎；第七章，有監督學習基礎算法；第八章，支持向量機；第九章，無監督學習與半監督學習；第十章，圖模型基礎；第十一章，集成學習；第十二章，神經網絡與深度學習；第十三章，典型應用案例。

根據章節安排以及知識點之間的關聯性，并結合案例教學法的特點，重新梳理知識點，分簇、模塊化、層次化，如圖2所示。第一、二、三、四、五、六、七章是該課程的基本理論部分；第八、九、十、十一、十二、十三章是知識點組織、提升到框架模型層面，為課程的提升部分。

2.3 "教學過程

滿足企業、社會的需求是工科學生學習專業課的根本目的。根據教學大綱的安排，結合科技產品的功能模塊，梳理知識點，做到實踐與專業知識有機結合，理論學習有的放矢。以科技產品引領知識學習，以理論知識學習創新應用，推動教學內容充實、新穎，做到模式識別與機器學習課程的教學、實踐與時俱進。根據教學內容安排，案例教學主要體現在三個環節：1）案例設計與分析；2）案例討論；3）案例歸納與知識點提升。案例教學法的思路與流程如圖3所示。在整個案例教學過程中，需要注意以下關鍵點。

2.3.1 "案例與知識點關聯 "在理論與實踐教學過程中，通過案例，分析其工作原理，凝練和模式識別與機器學習課程相關的知識點。如央視頻道人工智能大講堂的案例或XBOT服務機器人，即機器人對聲音或事物的識別、交互，機器人按照人的意愿完成某種行為（語音交互、身份識別）等。通過實際應用案例，講解機器人在識別過程中需要經過的處理環節：提取特征及事件表達、訓練模型、分類識別。對于提取特征及表達模塊，重點介紹提取特征的方法（如在圖像方面，采用SIFT、Harris

以及深度學習方法等）、k-means聚類算法或GMM建立特征碼本及k-means或GMM碼本學習過程的實現等。對于訓練模型，講解如何設計模型和初始化參數，并優化模型參數的算法等。對于每一塊涉及模式識別與機器學習的重要知識點，作出理論講解及其軟件實現方法介紹。

同樣，在模式識別與機器學習的神經網絡部分，為增強學習知識的交叉性，引入深度學習課程的基礎知識，講解神經網絡的種類、工作原理及其優化訓練算法，講解不同網絡之間的差異性等。引入實例，如兒童在成長過程中如何認識事物，講解為什么深度學習需要大量數據才能訓練出較好模型，以及從深度學習的角度講解諺語“姜還是老的辣”的道理。

2.3.2 "知識點與需求關系構建知識圖譜 "傳統的教學方法大都采用知識序貫灌輸的方式，對知識點的關聯以及知識點的組合應用缺乏系統性。為了更好地激發學生對專業課程的學習興趣，培養學生的動手能力，課程采用應用導向型案例教學模式，依據知識點，拓展、概括知識點的應用領域，搭建課程知識點圖譜結構，促使知識點與知識點、知識點與實際應用關聯，如掃地機器人、智能物流、XBOT多功能服務機器人、高德語音導航、語音在線翻譯、京東客服機器人、雙目視覺定位等案例。

2.4 "考核方式

工科專業以應用為導向的案例教學法，在考核方式上應結合教學目標設計相應的考核方式。常規的考核方式輕過程、重理論，導致學生學習缺乏積極性，臨近期末采用突擊方式學習理論知識。在新的教學實踐評價模式下，實踐教學內容的比重增加，在案例探討與實踐課上增加考核比例，即傾向于非正式考試或單元測驗。學生的最終成績由形成性評估（formative evaluation）成績和期末理論考試成績共同決定，可合理地反映學生的付出和學習成效。形成性評估和期末理論考試成績比例如表1所示。

3 "結束語

經過兩年的實踐，已將電子信息專業課程模式識別與機器學習建設成綜合性較強的課程，構建了理論與實踐銜接恰當的案例教學模式，完成了教學內容的整合與更新，課程內容在保留原有重要理論知識點的基礎上，增加了前沿性的科技信息，授課內容更加系統、完善。以知識應用為導向的案例教學模式讓學生從被動學習變為主動學習，提高了學生的學習興趣，同時通過改革綜合實踐環節的教學內容，全面提升學生的個人動手能力、工程系統能力和團隊協作能力。

參考文獻

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