畢業(yè)設(shè)計(jì)中培育學(xué)生機(jī)器學(xué)習(xí)知識(shí)和創(chuàng)新能力

孫林慧　李平安

摘 要 為應(yīng)對(duì)“雙一流”背景下培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才的需求，積極落實(shí)《江蘇教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》，以南京郵電大學(xué)電子信息類專業(yè)學(xué)生為例，依據(jù)筆者實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)首先總結(jié)了目前畢業(yè)設(shè)計(jì)存在的問題，然后探索了依托畢業(yè)設(shè)計(jì)培育大學(xué)生機(jī)器學(xué)習(xí)知識(shí)和創(chuàng)新能力新模式。本文主要從提倡以學(xué)習(xí)者為中心，開發(fā)多視角解決問題的課題，進(jìn)行差異性選題，加強(qiáng)線上指導(dǎo)和團(tuán)隊(duì)建設(shè)，適當(dāng)考核學(xué)生創(chuàng)新能力等方面進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞 雙一流 畢業(yè)設(shè)計(jì) 機(jī)器學(xué)習(xí) 創(chuàng)新能力

中圖分類號(hào)：G642.477? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2021.01.083

Abstract To meet the needs of cultivating top-notch innovative talents under the double-first-class background， and actively implement the "Jiangsu Education Informatization 2.0 Action Plan"， taking the students majoring in electronic information in Nanjing University of Posts and Telecommunications as an example， based on the author's practical experience， this paper first summarizes the problems existing in the graduation design， and then explores a new mode of cultivating college students' machine learning knowledge and innovation ability in the graduation design. The paper mainly focuses on advocating learner-centered graduation design， developing multi perspective problem-solving graduation topics， carrying out differentiated topics selection， strengthening online guidance and team building， and appropriately evaluating students' innovation ability.

Keywords double-first-class; graduation design; machine learning; innovation ability

1 本科畢設(shè)過程中存在的問題

1.1畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的新穎性有待進(jìn)一步提高

受學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備、經(jīng)費(fèi)和管理評(píng)價(jià)機(jī)制及指導(dǎo)教師隊(duì)伍規(guī)模等多方面因素的影響，學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)題目往往過于陳舊，重復(fù)率較高，嚴(yán)重影響到學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的鍛煉與提升。如果指導(dǎo)教師能夠借鑒科研項(xiàng)目和一些新興技術(shù)設(shè)計(jì)新穎實(shí)用的畢設(shè)課題，則便于提升學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，為后續(xù)的繼續(xù)求學(xué)和工作提供良好的基礎(chǔ)。

1.2學(xué)生積極性有待于進(jìn)一步提升

學(xué)生對(duì)于本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的重要性沒有明確的認(rèn)識(shí)，致使一部分學(xué)生對(duì)課題資料分析不夠仔細(xì)深入，對(duì)畢設(shè)實(shí)踐的完成流于形式。有些課題由于沒有應(yīng)用背景，學(xué)生理解困難，積極性不高。在畢設(shè)指導(dǎo)過程中，大多是教師在講，學(xué)生往往被動(dòng)地聽，學(xué)生之間也沒有互動(dòng)。這種方式不利于學(xué)生思考和觀點(diǎn)碰撞。為了通過畢業(yè)設(shè)計(jì)提升學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維，其積極主動(dòng)性有待進(jìn)一步提高。

1.3學(xué)生創(chuàng)新方面的考核有待于進(jìn)一步體現(xiàn)

在畢業(yè)設(shè)計(jì)考核過程中，一般集中在論文書寫格式、內(nèi)容是否符合要求，圖表公式等是否清晰，材料是否齊全，答辯時(shí)回答問題是否正確;工程性的課題與理論研究課題一視同仁，對(duì)于研究的創(chuàng)新性和學(xué)生的創(chuàng)新能力考查不足，評(píng)分上對(duì)創(chuàng)新性沒有足夠的優(yōu)勢。

2 依托畢業(yè)設(shè)計(jì)培育大學(xué)生機(jī)器學(xué)習(xí)知識(shí)和創(chuàng)新能力的探索

2.1以學(xué)習(xí)者為中心的“雙一流”背景下電子信息類創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式探索

“雙一流”建設(shè)的目的是提高我國高等教育的國際競爭力和話語權(quán)。培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是提高我國綜合國力和國際競爭力的重要環(huán)節(jié)?！半p一流”背景下電子信息類專業(yè)需要培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才，這就需要突出人才培養(yǎng)的核心地位，著力培養(yǎng)既有創(chuàng)新精神又有實(shí)踐能力的各類創(chuàng)新型優(yōu)秀人才。學(xué)校需要完善質(zhì)量保障體系，加強(qiáng)創(chuàng)新教育，大力推進(jìn)以學(xué)習(xí)者為中心的個(gè)性化培養(yǎng)，全面提升學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。另外，需要建立導(dǎo)向正確和科學(xué)有效的評(píng)價(jià)體系，激勵(lì)學(xué)生刻苦學(xué)習(xí)，著力將學(xué)生培養(yǎng)成才。因此“雙一流”背景下需要不斷提升高等教育的水平，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力為基本原則，為社會(huì)輸送各專業(yè)的創(chuàng)新人才。

大學(xué)本科期間是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的關(guān)鍵時(shí)期，而科研訓(xùn)練是培養(yǎng)本科生創(chuàng)新能力的重要途徑之一。學(xué)生完成大學(xué)本科的課程學(xué)習(xí)后，進(jìn)行本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)，在此階段可以充分發(fā)揮學(xué)校師資力量和科研條件的作用， 指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科研訓(xùn)練。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)由指導(dǎo)老師下達(dá)課題任務(wù)書，學(xué)生在老師指導(dǎo)下完成開題報(bào)告、翻譯、仿真實(shí)現(xiàn)和畢設(shè)論文等，通過這一系列的科研訓(xùn)練培養(yǎng)學(xué)生利用專業(yè)知識(shí)解決問題能力和創(chuàng)新能力。為了依托畢業(yè)設(shè)計(jì)培育創(chuàng)新人才，在畢業(yè)設(shè)計(jì)開始前指導(dǎo)老師需要積極探索、開發(fā)、設(shè)計(jì)、制作和使用融入新知識(shí)的綜合性、多視角解決問題的畢設(shè)課題;通過學(xué)生自主選擇畢設(shè)課題，滿足學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展需求;在畢設(shè)過程中需要以學(xué)習(xí)者為中心，促進(jìn)學(xué)生積極主動(dòng)地思考，逐步培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)和創(chuàng)新意識(shí)。筆者團(tuán)隊(duì)近幾年主要從創(chuàng)新課題設(shè)計(jì)、差異選題調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性、加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)建設(shè)和創(chuàng)新考核等方面積極探索以學(xué)習(xí)者為中心的雙一流背景下的電子信息類創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。

2.2關(guān)注學(xué)習(xí)強(qiáng)國，了解科技動(dòng)態(tài)和應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)融入機(jī)器學(xué)習(xí)知識(shí)的畢設(shè)課題

在本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中，指導(dǎo)教師設(shè)計(jì)課題，下達(dá)任務(wù)書。學(xué)生根據(jù)課題要求進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，在教師指導(dǎo)下確定實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)方案，并撰寫開題報(bào)告和畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。由此可見，課題設(shè)計(jì)是提升學(xué)生創(chuàng)新能力，保證畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量的首要環(huán)節(jié)。筆者團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)老師關(guān)注學(xué)習(xí)強(qiáng)國，以科技動(dòng)態(tài)、應(yīng)用需求和教師的科研課題為依托，結(jié)合新興的機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等技術(shù)設(shè)計(jì)新穎實(shí)用的畢設(shè)課題，使得本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究內(nèi)容更接近科學(xué)研究前沿和實(shí)際應(yīng)用，從而保證課題和論文在創(chuàng)新性、科學(xué)價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用等方面具有鮮明的特色。同時(shí)，目前我校的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)需要對(duì)論文進(jìn)行查重以杜絕過度引用或抄襲。從科技動(dòng)態(tài)、應(yīng)用需求和科研項(xiàng)目中設(shè)計(jì)的畢設(shè)課題具有良好的創(chuàng)新性，極大地降低了論文的重復(fù)率。

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)是理工科高等院校非常重視的教學(xué)內(nèi)容。筆者所在的科研團(tuán)隊(duì)致力于機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用研究，通過指導(dǎo)學(xué)生開展相關(guān)課題研究，培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的更新，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)作為人工智能研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，在科研領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。人工智能旨在讓機(jī)器變得“聰明”，并且具備類似于人腦的智能。機(jī)器學(xué)習(xí)側(cè)重讓機(jī)器學(xué)會(huì)思考并自己學(xué)習(xí)。目前，機(jī)器學(xué)習(xí)算法與大數(shù)據(jù)挖掘、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)相結(jié)合，正在推動(dòng)人工智能快速向前發(fā)展。機(jī)器學(xué)習(xí)算法有聚類、決策樹和貝葉斯分類等等。機(jī)器學(xué)習(xí)就是機(jī)器基于這些算法對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析推理，從而對(duì)事物進(jìn)行檢測、分析和判別。機(jī)器學(xué)習(xí)知識(shí)廣泛應(yīng)用于實(shí)際生活中的人臉識(shí)別，行人檢測，車牌識(shí)別，目標(biāo)跟蹤，目標(biāo)匹配、重建、分割等等。機(jī)器學(xué)習(xí)給我們的生活帶來了便捷。谷歌自動(dòng)駕駛項(xiàng)目是最典型的機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)例，通過計(jì)算機(jī)駕駛汽車，實(shí)現(xiàn)無人駕駛。我們網(wǎng)上購物時(shí)，商家提供的推薦信息就是根據(jù)我們過去的購物和瀏覽記錄，利用決策模型為用戶提供的購買建議，便于用戶快速有效購物。特別是新冠肺炎疫情期間，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用又增加了很多。例如利用AI助力抗疫，采用自然語言處理技術(shù)對(duì)患者病例、社交媒體、健康衛(wèi)生數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，助力研究人員采取有效措施;采用虹膜技術(shù)在戴口罩時(shí)進(jìn)行人臉識(shí)別、測體溫等;機(jī)器人對(duì)新冠肺炎患者做超聲檢查、測體溫、送餐、收垃圾等等;基于機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)小學(xué)生進(jìn)行口語測評(píng)，及時(shí)評(píng)價(jià)學(xué)生的英語發(fā)音和語調(diào)問題，為英語學(xué)習(xí)提供渠道。

這些都是生活中應(yīng)用的實(shí)際例子，基于這些實(shí)例設(shè)計(jì)畢設(shè)課題，例如基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的文本分類的實(shí)現(xiàn)、人臉識(shí)別、語音語調(diào)識(shí)別等等。學(xué)生非常感興趣，主動(dòng)積極探索，自然也就調(diào)動(dòng)了其積極性，同時(shí)也通過畢設(shè)培育了大學(xué)生機(jī)器學(xué)習(xí)知識(shí)。當(dāng)然根據(jù)科研課題和實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)課題時(shí)要注意工作量和難易程度要適當(dāng)。一定要考慮本科生的知識(shí)積累情況和接受能力。選題太難，可能會(huì)打擊甚至挫傷學(xué)生的科研積極性。選題太簡單，學(xué)生科研能力得不到很好的鍛煉。另外需要綜合考慮創(chuàng)新與學(xué)生的完成能力，確保學(xué)生通過自學(xué)和適當(dāng)?shù)刂笇?dǎo)能夠獨(dú)立完成。在過去五年的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中，筆者科研團(tuán)隊(duì)以指導(dǎo)教師科研課題為載體，積極探索、開發(fā)、設(shè)計(jì)、制作和使用融入機(jī)器學(xué)習(xí)知識(shí)的綜合性、多視角解決問題的畢設(shè)課題，加強(qiáng)培育電子信息類專業(yè)本科生機(jī)器學(xué)習(xí)知識(shí)和創(chuàng)新能力，取得了較好的效果。

2.3進(jìn)行差異性畢設(shè)選題

筆者主持在研的國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目是基于機(jī)器學(xué)習(xí)理論的語音圖像視頻等信號(hào)的應(yīng)用，近年來團(tuán)隊(duì)成員緊密結(jié)合科研新動(dòng)向和生產(chǎn)實(shí)際，把機(jī)器學(xué)習(xí)理論和應(yīng)用引入到畢業(yè)設(shè)計(jì)中，保證了課題的新穎性，學(xué)生對(duì)該類課題興趣極高。根據(jù)學(xué)生就業(yè)方向和考研需求，結(jié)合興趣綜合考慮來進(jìn)行差異性畢設(shè)選題。就業(yè)的同學(xué)選擇機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用研究的課題，考研的同學(xué)選擇機(jī)器學(xué)習(xí)算法和理論分析的課題。近5年，我們以指導(dǎo)教師科研課題為載體，對(duì)30名本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，根據(jù)學(xué)生就業(yè)還是考研，結(jié)合興趣，本科生每人選擇1題，且與往年課題不重復(fù);多人可形成團(tuán)隊(duì)共同選做同一個(gè)比較大的課題，每個(gè)學(xué)生各自獨(dú)立完成一個(gè)子任務(wù)的工作。因?yàn)槊棵究粕漠厴I(yè)設(shè)計(jì)研究內(nèi)容都在指導(dǎo)教師的科研課題范圍內(nèi)，指導(dǎo)教師在選題是否具有創(chuàng)新性、題目是否恰當(dāng)、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)方案是否可行，以及開題報(bào)告的撰寫是否系統(tǒng)、合理等方面能更好地發(fā)揮指導(dǎo)作用，且學(xué)生根據(jù)自己的興趣進(jìn)行選題，科研積極性很高。

需要注意的是，除了部分同學(xué)參加過大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目和電子設(shè)計(jì)大賽外，很多本科生的科研訓(xùn)練尚處于起步階段。學(xué)生參加畢業(yè)設(shè)計(jì)從拿到任務(wù)書到做仿真寫論文一共只有四到五個(gè)月的時(shí)間，指導(dǎo)教師還需要在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中培養(yǎng)學(xué)生克服畏難心理，堅(jiān)持不懈的品質(zhì)。使得學(xué)生既做到設(shè)計(jì)方案有獨(dú)到的見解、有創(chuàng)意，又完美的實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)方案。在本科畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，此30名學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)選題恰當(dāng)，符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，順利通過學(xué)校的選題審核。同時(shí)，這些選題通過基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法解決實(shí)際問題，有助于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際復(fù)雜工程問題的能力，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

2.4加強(qiáng)畢設(shè)線上指導(dǎo)和團(tuán)隊(duì)建設(shè)

受疫情影響，今年本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)環(huán)節(jié)不能以面對(duì)面形式進(jìn)行。因此，要求指導(dǎo)教師要盡快適應(yīng)新的教學(xué)模式，提高認(rèn)識(shí)，以高度負(fù)責(zé)的態(tài)度，全面落實(shí)學(xué)校“停課不停教，停課不停學(xué)，質(zhì)量不降低，督導(dǎo)不缺位”的要求，切實(shí)履行立德樹人根本任務(wù)和以學(xué)生為中心的教育理念，將疫情防控期間的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)工作落到實(shí)處，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)、在線交流等方式，指導(dǎo)學(xué)生做好資料收集、文獻(xiàn)查閱等相關(guān)開題準(zhǔn)備和論文撰寫工作。我們團(tuán)隊(duì)老師借助ZOOM、騰訊課堂、騰訊會(huì)議、釘釘、QQ、微信等平臺(tái)指導(dǎo)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)。采用直播、錄播、討論多種形式，進(jìn)行在線小組指導(dǎo)和一對(duì)一指導(dǎo);同學(xué)們采用在線小組討論與小組互助等形式集團(tuán)隊(duì)之力完成畢設(shè)。線上畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)中，指導(dǎo)教師可以組織一些專題討論。例如針對(duì)論文書寫方面開展線上專題討論，論文寫作上不要出現(xiàn)排版格式、錯(cuò)別字、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)等基礎(chǔ)性低級(jí)問題。其次，強(qiáng)調(diào)在論文整體框架上要下功夫，思路清晰、重點(diǎn)突出，重點(diǎn)章節(jié)既要具體又要有深度。還強(qiáng)調(diào)，內(nèi)容中出現(xiàn)的圖片、表格等，一定要注意分辨率，保證畫面的清晰程度等等。

建立畢業(yè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，有助于培養(yǎng)本科生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。我們團(tuán)隊(duì)基于Matlab和Python仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在確保一人一題的前提下，對(duì)2020屆12名本科畢業(yè)生分組，并引入研究生協(xié)助指導(dǎo)，建立團(tuán)隊(duì)。根據(jù)采用的仿真工具相同，研究問題不同;仿真工具不同，研究問題相同等等交叉分組。采用視頻會(huì)議，本科畢業(yè)設(shè)計(jì)以組會(huì)的形式進(jìn)行。讓每個(gè)學(xué)生屏幕共享介紹自己做的東西，這樣每個(gè)學(xué)生都可以充分地展示自己的研究，學(xué)生之間還可以更多地相互學(xué)習(xí)。由于團(tuán)隊(duì)內(nèi)要進(jìn)行匯報(bào)，學(xué)生準(zhǔn)備得更加認(rèn)真，個(gè)人能力得到很大提升。

2.5考核畢設(shè)學(xué)生創(chuàng)新能力模式探索

本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力有很大的意義。從學(xué)校政策上積極鼓勵(lì)指導(dǎo)教師設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性的課題，甚至可以通過獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制加以引導(dǎo)。指導(dǎo)老師可以每個(gè)月對(duì)團(tuán)隊(duì)內(nèi)學(xué)生的階段性成果進(jìn)行考核，督促同學(xué)間互相學(xué)習(xí)，加強(qiáng)創(chuàng)新比拼，從而促進(jìn)學(xué)生加快畢設(shè)創(chuàng)新的步伐。學(xué)院組織專家對(duì)畢設(shè)題目嚴(yán)格把關(guān)，加強(qiáng)對(duì)課題創(chuàng)新性的考核;中期檢查不能流于形式，加強(qiáng)考核畢設(shè)前期為創(chuàng)新所做的準(zhǔn)備工作是否達(dá)到要求;答辯時(shí)不僅要求學(xué)生能夠準(zhǔn)確回答問題，還需適當(dāng)增加對(duì)學(xué)生畢設(shè)創(chuàng)新能力的考核，對(duì)于有一定創(chuàng)新性并且完成得好的課題，評(píng)分上適當(dāng)傾斜。

3 結(jié)束語

本文以畢業(yè)設(shè)計(jì)中培育大學(xué)生機(jī)器學(xué)習(xí)知識(shí)和創(chuàng)新能力為例，探索了雙一流背景下依托畢業(yè)設(shè)計(jì)培育電子信息類專業(yè)創(chuàng)新人才模式。在雙一流背景下，畢業(yè)設(shè)計(jì)需要以學(xué)習(xí)者為中心，培養(yǎng)創(chuàng)新人才;指導(dǎo)老師需積極探索、開發(fā)、設(shè)計(jì)、制作和使用融入新知識(shí)的綜合性、多視角解決問題的畢設(shè)課題;根據(jù)學(xué)生就業(yè)方向和考研需求，結(jié)合興趣綜合考慮來進(jìn)行差異性畢設(shè)選題;加強(qiáng)畢設(shè)線上指導(dǎo)和團(tuán)隊(duì)建設(shè)，培養(yǎng)本科生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神;適當(dāng)考核畢設(shè)學(xué)生創(chuàng)新能力。這幾方面聯(lián)合建設(shè)，促進(jìn)信息教育和本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的融合創(chuàng)新發(fā)展，從而為“雙一流”建設(shè)提供有力支撐。

*通訊作者：孫林慧

基金項(xiàng)目：南京郵電大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目資助（JG00219JX72，JG06219JX08）

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