計(jì)算機(jī)類研究生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系建設(shè)

張永梅 葉青 馬禮

摘 要 如何培養(yǎng)計(jì)算機(jī)類學(xué)科研究生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，是當(dāng)前亟待解決的重要問(wèn)題。分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀，完善培養(yǎng)方案，改革課程教學(xué)方法和課程內(nèi)容，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)研究生實(shí)踐創(chuàng)新能力的作用，提出基于改進(jìn)深度學(xué)習(xí)的智能化研究生實(shí)踐創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)算法。實(shí)踐表明，該項(xiàng)教學(xué)改革能夠有效地提高計(jì)算機(jī)類研究生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，為國(guó)家培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才。

關(guān)鍵詞 實(shí)踐能力;創(chuàng)新能力;深度學(xué)習(xí);計(jì)算機(jī)類學(xué)科研究生

中圖分類號(hào)：G643 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）08-0124-03

Training System Construction of Practical and Innovative Ability

for Computer Graduate Students//ZHANG Yongmei， YE Qing， MA Li

Abstract How to cultivate the practical and creative ability for com-

puter graduate students is an important problem urgently to be solved.

The paper analyzes the current research situation at home and

abroad， improves the training program， reforms the teaching methods

and course contents， gives full play to the role of the laboratories in cultivating the practice and innovation ability of graduate students， and presents an intelligent evaluation algorithm for the practice and innovation ability of graduate students based on improved deep lear-

ning. The practice shows the teaching reform can effectively enhance

the practical and innovative ability of computer graduate students and cultivate high-quality and innovative talents for our country.

Key words practical ability; innovation ability; deep learning; com-puter graduate students

1 引言

黨的十九大報(bào)告明確提出“加快建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家”。為了滿足國(guó)家對(duì)信息技術(shù)類應(yīng)用型和實(shí)用型人才的巨大需求，近年來(lái)，我國(guó)計(jì)算機(jī)類學(xué)科研究生教育規(guī)模不斷擴(kuò)大。然而，計(jì)算機(jī)類學(xué)科是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的工程學(xué)科，如何培養(yǎng)計(jì)算機(jī)類學(xué)科研究生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，是當(dāng)前亟待解決的重要問(wèn)題[1-2]。

本文通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)類學(xué)科碩士研究生實(shí)踐創(chuàng)新能力的構(gòu)成要素、影響因素、培養(yǎng)方法及學(xué)科特點(diǎn)等因素進(jìn)行研究，給出符合北方工業(yè)大學(xué)發(fā)展目標(biāo)的培養(yǎng)體系，針對(duì)學(xué)術(shù)研究生、專業(yè)研究生的不同培養(yǎng)目標(biāo)和特點(diǎn)，給出實(shí)踐創(chuàng)新能力的客觀評(píng)價(jià)方法，提高計(jì)算機(jī)類學(xué)科碩士研究生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，為我國(guó)企事業(yè)單位培養(yǎng)更多更優(yōu)秀的應(yīng)用型、復(fù)合型和高層次的實(shí)踐創(chuàng)新人才。

2 培養(yǎng)體系建設(shè)

深入研究和分析國(guó)內(nèi)外提高計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程學(xué)科學(xué)術(shù)型研究生，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件工程專業(yè)碩士研究生的實(shí)踐創(chuàng)新能力的先進(jìn)技術(shù)和方法，結(jié)合北方工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)類學(xué)科以及碩士研究生特點(diǎn)，給出符合北方工業(yè)大學(xué)發(fā)展目標(biāo)的培養(yǎng)體系，并具體體現(xiàn)在研究生培養(yǎng)方案和課程教學(xué)大綱中。

完善培養(yǎng)方案 學(xué)位點(diǎn)的培養(yǎng)方案每年修訂、完善一次，特別是融入了最新的研究成果和飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域前沿技術(shù)（人工智能、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及移動(dòng)互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等）;課程內(nèi)容新穎，緊扣學(xué)科發(fā)展前沿、教學(xué)改革成果和人才培養(yǎng)需要;課堂教學(xué)與實(shí)踐性教學(xué)相結(jié)合，提高了學(xué)生的綜合分析能力、解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)造能力;教學(xué)與科研緊密結(jié)合，本學(xué)科教師的科研成果不僅應(yīng)用于工程實(shí)際，而且用于更新課程內(nèi)容，有利于激發(fā)學(xué)生的責(zé)任感和事業(yè)心。

在確保課程體系穩(wěn)定性的同時(shí)，每年對(duì)專業(yè)必修課和選修課的內(nèi)容進(jìn)行更新，融入更多新技術(shù)和信息，每?jī)赡赀M(jìn)行一些選修課程的調(diào)整，同時(shí)通過(guò)每學(xué)期定期邀請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜遗e辦知識(shí)講座，介紹與新技術(shù)有關(guān)的實(shí)際工程項(xiàng)目，作為對(duì)課程與工程實(shí)踐的知識(shí)補(bǔ)充。

在研究生培養(yǎng)過(guò)程中，嚴(yán)格按照培養(yǎng)方案執(zhí)行計(jì)劃。通過(guò)開(kāi)設(shè)相應(yīng)的課程，并與工程實(shí)踐相結(jié)合，為學(xué)生傳授專業(yè)基本技能，引導(dǎo)學(xué)生將理論與實(shí)際相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力和實(shí)際工程管理的能力。通過(guò)開(kāi)題報(bào)告、文獻(xiàn)綜述撰寫，進(jìn)而進(jìn)行開(kāi)題答辯環(huán)節(jié)，使得學(xué)生在研究開(kāi)始前做好充分的準(zhǔn)備和知識(shí)積累，為順利開(kāi)展課題研究打好基礎(chǔ);在經(jīng)過(guò)大約一年的研究工作后，進(jìn)行中期答辯，進(jìn)一步考核課題進(jìn)展情況，并促使學(xué)生能夠深入研究;在論文最后環(huán)節(jié)，通過(guò)論文重復(fù)率檢測(cè)、交叉驗(yàn)機(jī)、背對(duì)背畢業(yè)答辯等環(huán)節(jié)，把好學(xué)生培養(yǎng)的最后階段關(guān)，保證畢業(yè)學(xué)生是合格研究生。

通過(guò)參加科技活動(dòng)、名家講堂、學(xué)術(shù)論壇、產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合培養(yǎng)基地項(xiàng)目、企業(yè)導(dǎo)師所在企業(yè)實(shí)際工程等方式，確保研究生能夠接受各有側(cè)重的學(xué)術(shù)與工程實(shí)踐訓(xùn)練。安排“科技論文的寫作”“編程架構(gòu)綜述”等常規(guī)講座，不定期引入國(guó)內(nèi)外知名企業(yè)來(lái)校交流，為研究生提供科研實(shí)踐機(jī)會(huì)。北方工業(yè)大學(xué)與北京市石景山區(qū)科委合作，開(kāi)展“科園杯”大學(xué)生科技活動(dòng)，建立企業(yè)與高校需求對(duì)接機(jī)制，提高學(xué)生參加科技創(chuàng)新實(shí)踐的積極性，使研究生獲得學(xué)術(shù)與工程實(shí)踐的機(jī)會(huì)。

計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件工程專業(yè)學(xué)位點(diǎn)緊密結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題，確定了穩(wěn)定的校外導(dǎo)師隊(duì)伍，注重課程體系建設(shè)，建設(shè)了五門方向核心課程，強(qiáng)化校內(nèi)外產(chǎn)學(xué)研合作，探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，強(qiáng)化實(shí)踐能力，著重培養(yǎng)研究生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，形成大量以實(shí)際應(yīng)用為背景的學(xué)術(shù)成果，為高質(zhì)量人才培養(yǎng)提供了良好保證。

改革課程教學(xué)方法和課程內(nèi)容 在教學(xué)實(shí)踐中，從實(shí)際問(wèn)題入手，培養(yǎng)研究生在團(tuán)隊(duì)模式下解決問(wèn)題。改進(jìn)課程教學(xué)方法，充分利用MOOC、翻轉(zhuǎn)課堂等新型教學(xué)方式，并結(jié)合大學(xué)生科學(xué)研究與創(chuàng)業(yè)行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目，參加校內(nèi)教師項(xiàng)目以及學(xué)生競(jìng)賽，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造力。改革課程實(shí)驗(yàn)環(huán)境及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，要求整體的系統(tǒng)層面綜合設(shè)計(jì)，通過(guò)軟硬件協(xié)同實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)方案的最優(yōu)化。

每年不定期地進(jìn)行核心課程的研討，結(jié)合計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，調(diào)整課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)與專業(yè)實(shí)踐的安排，跟上時(shí)代的步伐。在課程教學(xué)及教學(xué)大綱中設(shè)計(jì)與時(shí)俱進(jìn)的先進(jìn)學(xué)科應(yīng)用案例。如在“人工智能技術(shù)”課程中，設(shè)計(jì)了包括機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、機(jī)器人等相關(guān)的先進(jìn)學(xué)科應(yīng)用案例，提出改進(jìn)的全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多光譜圖像建筑物識(shí)別方法[3]以及目標(biāo)跟蹤方法，體現(xiàn)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的最新發(fā)展，建設(shè)集教育、研發(fā)于一體的實(shí)踐平臺(tái)，進(jìn)一步提高研究生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室對(duì)培養(yǎng)研究生實(shí)踐創(chuàng)新能力的作用 北方工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院依據(jù)研究積累形成“大規(guī)模流數(shù)據(jù)集成與分析技術(shù)”北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、“CNONIX國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用與推廣”國(guó)家新聞出版廣電總局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室兩個(gè)省部級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，并實(shí)行24小時(shí)對(duì)研究生免費(fèi)開(kāi)放。

擁有數(shù)字媒體藝術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心北京市實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、知識(shí)工程研究所、智能信息系統(tǒng)研究所，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)研究室、圖像處理技術(shù)研究室、多媒體技術(shù)研究室、知識(shí)工程研究室、云計(jì)算研究室、軟件工程研究室、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)研究室、軟件體系結(jié)構(gòu)研究室、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究室等研究室，為教師和學(xué)生開(kāi)展科研提供了良好的研究環(huán)境。

北方工業(yè)大學(xué)、北京數(shù)字領(lǐng)地公司聯(lián)合共建“北京市數(shù)字媒體校外人才培養(yǎng)基地”，該基地是北京市教委授予的校外企業(yè)基地，每年可接納研究生120人參與數(shù)字媒體制作和互動(dòng)新媒體技術(shù)研發(fā)工作。該基地拓展了研究生的視野，激發(fā)了研究生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，有利于完善計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件工程專業(yè)學(xué)位研究生的實(shí)踐教學(xué)體系。

每個(gè)研究生均參與導(dǎo)師或團(tuán)隊(duì)的實(shí)際科研項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)合作能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力以及解決問(wèn)題的能力。40%的研究生發(fā)表了高水平學(xué)術(shù)論文，每年有10名以上研究生參加國(guó)際或全國(guó)性學(xué)術(shù)會(huì)議，并作研究論文交流主題發(fā)言。90%以上的畢業(yè)生從事與專業(yè)密切相關(guān)的行業(yè)工作。通過(guò)對(duì)近幾年畢業(yè)的研究生的跟蹤調(diào)查，計(jì)算機(jī)類學(xué)科的畢業(yè)生在后續(xù)發(fā)展過(guò)程中呈現(xiàn)出兩個(gè)特點(diǎn)：70%以上的畢業(yè)生在就業(yè)第一個(gè)單位工作超過(guò)五年;近30%的畢業(yè)生在五年內(nèi)升職到項(xiàng)目經(jīng)理級(jí)別。

3 提出基于改進(jìn)深度學(xué)習(xí)的智能化研究生實(shí)踐創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)算法

結(jié)合國(guó)家、北京市、石景山區(qū)、北方工業(yè)大學(xué)“十三五”發(fā)展規(guī)劃，提出基于改進(jìn)深度學(xué)習(xí)的智能化研究生實(shí)踐創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)算法。數(shù)據(jù)量巨大時(shí)，深度學(xué)習(xí)能發(fā)揮優(yōu)勢(shì);而在數(shù)據(jù)量較少時(shí)，深度學(xué)習(xí)方法具有局限性。遷移學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)的一個(gè)新方向，遷移學(xué)習(xí)需要的數(shù)據(jù)量少，具有良好的自適應(yīng)能力[4]。本文采用先進(jìn)的人工智能技術(shù)，提取影響研究生實(shí)踐創(chuàng)新能力的關(guān)鍵因素，將深度學(xué)習(xí)與遷移學(xué)習(xí)有機(jī)結(jié)合，改進(jìn)深度學(xué)習(xí)算法，完成學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的客觀評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)小樣本學(xué)習(xí)的技術(shù)突破。

本文選取評(píng)價(jià)學(xué)術(shù)型研究生、專業(yè)學(xué)位研究生和本科生實(shí)踐創(chuàng)新能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)基于深度置信網(wǎng)絡(luò)的學(xué)術(shù)型研究生實(shí)踐創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)算法。將研究生的實(shí)踐創(chuàng)新能力分成六個(gè)一級(jí)指標(biāo)，分別是學(xué)位類別、學(xué)校、獲得的獎(jiǎng)學(xué)金、參加的項(xiàng)目、競(jìng)賽、發(fā)表的論文，并通過(guò)部分高校的官網(wǎng)、各類競(jìng)賽官網(wǎng)以及中國(guó)知網(wǎng)查找對(duì)應(yīng)指標(biāo)的數(shù)據(jù)。深度置信網(wǎng)絡(luò)（Deep Belief Network，DBN）是一種深層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，主要由無(wú)監(jiān)督的預(yù)訓(xùn)練階段和有監(jiān)督的反向傳播階段組成。本文采用四層受限玻爾茲曼機(jī)和一層有監(jiān)督的反向傳播網(wǎng)絡(luò)（Back propagation，BP網(wǎng)絡(luò)）的深度置信網(wǎng)絡(luò)。在無(wú)監(jiān)督的預(yù)訓(xùn)練階段，DBN被預(yù)訓(xùn)練作為初始權(quán)重;在有監(jiān)督的反向傳播階段，調(diào)整整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的誤

差，保證網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化效果。

本文提出基于學(xué)術(shù)型研究生實(shí)踐創(chuàng)新能力模型的改進(jìn)算法，改進(jìn)評(píng)價(jià)算法主要是將訓(xùn)練好的基于深度置信網(wǎng)絡(luò)的學(xué)術(shù)型研究生實(shí)踐創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)算法遷移到其他評(píng)價(jià)上。由于專業(yè)學(xué)位研究生、本科生的評(píng)價(jià)指標(biāo)和數(shù)據(jù)分布與學(xué)術(shù)型研究生極其相似，改進(jìn)算法采用遷移學(xué)習(xí)方法對(duì)專業(yè)學(xué)位研究生和本科生的實(shí)踐創(chuàng)新能力進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，專業(yè)學(xué)位研究生、本科生與學(xué)術(shù)型研究生相同特征的權(quán)重直接乘差異因子作為專業(yè)學(xué)位研究生、本科生微調(diào)的初始權(quán)重，對(duì)于專業(yè)學(xué)位研究生、本科生與學(xué)術(shù)型研究生不同特征的權(quán)重需要重新訓(xùn)練，即預(yù)訓(xùn)練和微調(diào)，其中差異因子一般是源領(lǐng)域特征期望值和模型特征期望值的比值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后算法適用范圍更廣，準(zhǔn)確率高。改進(jìn)算法還可以用于中小學(xué)生綜合素質(zhì)評(píng)價(jià)，以及高校教師科研成果等評(píng)價(jià)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)各項(xiàng)體制的逐年完善，在推動(dòng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步過(guò)程中，人才資源起著重要的引領(lǐng)作用。高等院校作為高素質(zhì)人才的培養(yǎng)機(jī)構(gòu)，每年為國(guó)家輸出大量人才。碩士研究生作為國(guó)家高科技人才中的領(lǐng)軍力量，其質(zhì)量的高低直接影響著國(guó)家的總體競(jìng)爭(zhēng)力。本文給出北方工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)類研究生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系建設(shè)，通過(guò)改革，有效提升了研究生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

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基金項(xiàng)目：本文受北方工業(yè)大學(xué)2018年教育教學(xué)改革和課程建設(shè)研究項(xiàng)目“計(jì)算機(jī)專業(yè)研究生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系建設(shè)”（項(xiàng)目編號(hào)：18XN009-002），北方工業(yè)大學(xué)2018年教育教學(xué)改革和課程建設(shè)研究項(xiàng)目“工程教育認(rèn)證下的電子技術(shù)類課程體系建設(shè)”（項(xiàng)目編號(hào)：NCUT2018JGZ04），教育部高等教育司產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“人工智能技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革”（項(xiàng)目編號(hào)：201801121002），全國(guó)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)教育研究會(huì)2019年度課題“‘人工智能+課程體系及評(píng)價(jià)方法研究與實(shí)踐”（課題編號(hào)：CERACU2019R05），2019年度北京市教委基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目“圖像大數(shù)據(jù)智能分析和識(shí)別方法”資助。

作者：張永梅，北方工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，教授，博士，研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚?、圖像處理;葉青，北方工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，副教授，博士，研究方向?yàn)閳D像處理和模式識(shí)別、智能視頻監(jiān)控;馬禮，北方工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，教授，博士，研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、高性能計(jì)算（100144）。