多學科交叉智能信息處理研究生課程教學模式新思考

李陽　羅美林

摘要：在分析智能信息處理課程以往教學內容和教學模式的基礎上，結合科研經歷及教學實踐經驗，對課程教學內容及教學模式進行探討并提出創新點，以培養和提高學生獨立思考能力、創新能力和實踐能力為目標，強調通過引入前沿新穎的教學案例以及多學科交叉和多形式化的教學方式，最大程度地提升課程教學效果。

關鍵詞：智能信息處理；多學科交叉；教學模式

0引言

智能信息處理是模擬人或者自然界其他生物處理信息的行為，建立處理復雜系統信息的理論、算法和系統的方法和技術，主要面對的是將不完全、不可靠、不精確、不一致和不確定的知識和信息逐步轉變為完全、可靠、精確、一致和確定的知識和信息的問題。智能信息處理是當前科學技術發展中的前沿學科，同時也是新思想、新觀念、新理論和新技術不斷出現并迅速發展的新興學科，涉及信息科學的多個領域，是現代信號處理、人工神經網絡、機器學習、人工智能等理論和方法的綜合應用，在復雜系統建模、機器學習、醫學影像處理、系統優化和設計等領域具有廣闊的應用前景。

目前，智能信息處理研究生課程相關的教材和課件大多以高雋老師的《智能信息處理方法導論》為基礎開展相關介紹。該書體系嚴謹，理論推導細致，但在多學科交叉應用尤其是面向認知神經科學、智能信息科學等領域的應用方面介紹不足，缺乏必要的多學科交叉案例及相對完整的設計過程，導致來自不同學科的研究生在對理論知識的理解、不同工程應用實踐經驗的積累等方面存在一定脫節的情況。針對智能信息處理課程教學的實際情況，我們從計算神經科學、信息學科與智能信息交叉的多學科角度出發，系統介紹智能信息處理的基礎理論及各種新興處理技術，主要介紹智能信息技術的基本概念、原理和分析方法以及智能系統的知識處理和模型的建立，提供人工智能技術、神經網絡技術在神經科學交叉等領域的應用算例，涉及目前國內外智能信息處理的最新研究成果以及學術研究前沿進展情況；同時，在教學實踐中，對課程的教學模式進行探索和思考，強調多學科交叉及學生主體的重要性，注重教學方式的多樣化及課內外教學相輔相成。該課程的教學實踐能夠使研究生對智能信息處理技術的發展及交叉學科應用有全面的了解，為神經科學、信息學科與智能信息交叉學科課程實施研究型教學開辟新的途徑，對提高課程教學效果，培養學生的主動探究能力具有非常重要的指導意義。

1主要解決的教學及管理問題

1.1多學科交叉的智能信息處理

智能信息處理是一門以應用為導向的綜合性學科，涉及腦與認知科學、智能科學、信息科學、現代科學方法等多學科的交叉與綜合。由于智能信息處理涵蓋內容廣泛，面向研究對象眾多，因此在較短學時的課程教學中，教師需要權衡把握好宏觀內容的介紹和相關內容的縱深講解，讓學生既能從整體上了解智能信息處理學科的基本概念、學術思想、知識體系和學術特色，又能在具體應用方面了解其基本問題、基本模型和科學研究方法。在教學實踐中，把握好多學科交叉的智能信息處理課程的整體與局部、廣度與深度問題，是教師應首要考慮的問題之一。

1.2積極引導學生參加多學科研討活動及課外實踐活動

實踐出真知，理論知識只有在實踐中才能更好地被理解和掌握，體現和發揮其價值，然而，傳統的課程教學模式側重于課堂上教師“口授筆書”的知識傳授，在引導學生研討和踐行方面存在很大不足，造成學生不能很好地理解和應用課上所學，不能有效培養和促進學生在實踐中發現問題和解決問題的能力。筆者結合多年留學經驗及國際教學實踐，對如何引導學生積極參加多學科研討活動及課外實踐活動，進行反思、探索和嘗試。

2教學實踐主要內容

2.1結合工程及應用背景的教學模式

智能信息處理作為一門以應用為導向的綜合性交叉學科，很多問題和模型既來源于又服務于實際應用，與實際問題緊密相關，然而，現有的課程教材鮮有既能系統全面介紹智能信息處理的基礎理論、基本概念和分析方法，又能結合實際應用及工程背景給出例證詳解的。分析教材縱深發展過程不難發現，理論與實際的結合不夠是主要原因，因此在實際教學實踐中，教師不能單純依據教材內容照本宣科，需要結合實際應用背景就地取材并靈活講解。

在智能信息處理教學實踐中，針對該學科多學科交叉的特點，可以采取點面結合的教學方式。在宏觀層面上，綜合介紹智能信息科學技術領域的相關內容，包括基本概念、學術思想、知識體系和學術特色，讓不同專業背景的學生能在較短時間內對智能信息處理學科從比較陌生的狀態過渡到對其基本模型和基本問題有初步、宏觀、科學和準確的認識；在微觀點處，以具體的經典工程應用范例及模式輔助宏觀介紹，達到宏觀而又不失具體、既有廣度又兼具深度的效果。這種精而不范的具體案例有利于短學時課程的安排，如介紹智能信息處理與信號處理的交叉時，筆者以參與的發動機故障診斷為例進行講解；介紹智能信息處理與系統辨識的關系時，筆者以曾研究的磁氣圈和太陽風預測為具象進行詳細說明。

2.2多學科交叉綜合的教學模式

一方面，智能信息處理涉及多學科交叉綜合，而傳統的教學模式往往側重于單獨介紹各學科的科學體系及應用，對于學科交叉綜合方面的探討則有限，如在機器學習方面，以往的教學傾向于各種算法的數學推導和理論證明，但在實際應用中，機器學習往往需要與其他學科如信號處理、模式識別等交叉互融，才能解決實際問題；另一方面，智能信息處理作為一門充滿活力的新學科，不斷有新技術和新方法隨著前沿問題的發現而被提出和應用。教師可以采取多學科交叉綜合的方式，嘗試將國際前沿的科研成果引入智能信息處理的教學實踐中，這樣既能以此引導學生了解多學科交叉融合的方法和思路，又能展現國內外智能信息處理的研究新成果和發展新動態，激發學生的學習興趣。

2.3增加互動環節的教學模式

傳統的教學模式往往側重于知識的灌輸，忽視方法的傳授。在教學實踐中，教師在“授之以魚”的同時，更要注重“授之以漁”，引入國外智能信息處理的前沿科研方法，培養學生良好的科學思維和科研素養。此外，智能信息處理的課堂教學不同于以往最基礎的授課，而是以教師講授為主，更多的是在課上由教師提出問題，引導學生討論互動，讓學生產生代人感轉而主動學習和理解。作為課內的外延和補充，我們還在課外不定時、不定期組織學生參加科研沙龍，進一步激發和培養學生的興趣，加強鞏固所學知識和方法。實踐證明，互動授課方式及多活動的課外擴展，對于提高學生的學習熱情、培養學習興趣、促進知識理解具有重要作用。

2.4多樣化的課程考核模式

一方面，傳統的單純以期末考試成績作為唯一考量標準的考核方式過于片面；另一方面，這種考核方式也容易束縛學生的思維，使學生產生學習只是為了最后一紙成績的誤解。綜合考慮智能信息處理的課程特點及研究生培養目標，我們建議可以采取更為靈活的考評方式如采用PPT報告總結的方式，一方面考評學生平時表現，包括課堂出勤、課堂表現等，另一方面以學生學期末PPT報告總結成績為主。每名學生依據自己的興趣愛好，選擇一個與智能信息處理相關的研究方向進行調研—參閱書籍—查找資料—深入探討，最后以PPT的形式向教師及全體學生總結匯報并互相交流。這種考評方式以書本為平臺，不僅能培養學生的系統掌握新知識及新技能的學習能力、實踐操作能力和表達能力，還可調動學生查閱資料和自主思考問題的積極性，擴展知識面。

3教學方法及路線

3.1多媒體利用最大化的教學方式

在教學手段和方式上，現在多媒體技術進入課堂已經非常普遍，但對豐富電子資源的利用程度并沒有實現最大化。當前的教學方式大多以講解PPT為主，缺乏多樣化的展現方式，容易使學生產生疲勞感。結合教學實踐，我們發現通過將PPT、視頻、動畫、錄像等多種形式的多媒體結合，以更加生動形象的方式展現教學內容，在吸引學生興趣和提高學習效率方面效果顯著；此外，還可以借助多媒體，通過軟件演示的方式讓學生親身感受實際工程應用的操作過程，建立智能信息處理科學技術的直觀形象和感性認識。

3.2開展科研教學沙龍活動，引導互動交流

智能科學技術處在創新發展時期，特別需要培養具有創新精神的人才。創新精神的產生伴隨著各種不同思想的匯聚、交流和碰撞，為了鼓勵和培養學生的創新思維，教師可以組織各種科研教學沙龍活動，基于學生興趣，將不同專業背景的學生組織在一起，從不同專業視角自由探討某一研究方向，碰撞出思想的火花；同時，可以引入國際前沿熱點問題的創新結果的介紹，剖析前沿創新點和創新過程，開闊學生視野，培養和提高學生的創新能力。

3.3利用互聯網，構建課外科研實踐互動平臺

正所謂“眾人拾柴火焰高”，課堂中，學生可以隨時向老師提出疑問，老師帶動學生一起討論；對于課外學習研究中出現的問題，教師可以通過QQ群、微信群、公郵等在線互動平臺與學生交流溝通。一方面，眾智眾力促進問題的解決；另一方面，平臺互動的方式能充分調動集體的學習研究熱情。

4教學模式的應用效果

4.1國際學術論文發表

正如“實踐是檢驗真理的唯一標準”，課內學習到的知識只有被運用在科學實踐中才能證明和體現其價值。在教學實踐中，我們著重培養學生將所學知識與其專業背景相結合、將所學轉化為科研成果的能力，取得了較滿意的教學效果，如部分學生將所學信號處理中的時頻分析方法應用到故障的檢測中并將此公開發表在國際學術期刊上，獲得了令人滿意的研究成果。

4.2選課情況逐年遞增

圖1（a）匯總了2013—2015年我們開設的智能信息處理課程各院系學生選課情況。從圖1（b）中可以看出，研究生選課人數逐年遞增，開始該門課程的研究生選課人數由最初的13人增加至54人，增加3.15倍；圖1（c）表明，課程的覆蓋院系由最初的3個院系（0系表示研究生院）增加到2015年的11個院系，覆蓋面增加2.66倍。此外，選課學生中既有碩士，又有不少博士，甚至有來自其他高校的老師和工程研究所的碩士、博士。從智能信息處理課程近3年的選課總體情況來看，課程已經引起不同專業學生和教師的廣泛關注和參與興趣。

4.3學生的綜合評價正面積極

在智能信息處理課程教學實踐中，我們發現不僅選課人數逐年增加，而且學生對課程的綜合評價也一直非常好。學生一致認為當前的授課方式豐富而有趣，結合工程實際背景的教學具體而形象，互動形式的課堂方式能很好地促進交流表達，課外的沙龍活動為他們解決科研和學習中遇到的問題提供很大的幫助。

5結語

總結智能信息處理課程的教學實踐，結合對課程教學內容、教學方式等的探索和思考，我們認為以下幾點可以為鑒：在教學內容上，圍繞多學科交叉，可以適當引入前沿科學研究成果，拓寬學生國際視野的同時激發和提升其學習興趣；在教學方式上，可以結合工程實際背景、具體范例分析、軟件及多媒體展示，化抽象為具體，增強學生對知識的理解和運用能力；在教學中，注重學生科學思維的培養和科研能力的提升，幫助學生將所學知識與科研項目相結合，將所學轉化為科研成果，提升學習熱情。此外，要注重課內與課外的相輔相成，以多種形式方法如科研沙龍、在線互動等鞏固和提高課程教學效果。

智能信息處理作為一門多學科交叉綜合的學科，涵蓋內容廣泛并且技術和方法不斷更新，因此課程教學模式也應與時俱進，只有不斷探討、摸索和總結，才能找到更合適、更有效的教學模式，培養出更具有獨立思考能力、創新能力和實踐能力的高級復合型人才。

（編輯：宋文婷）