畢業設計中培育學生機器學習知識和創新能力

孫林慧　李平安

摘 要 為應對“雙一流”背景下培養拔尖創新人才的需求，積極落實《江蘇教育信息化2.0行動計劃》，以南京郵電大學電子信息類專業學生為例，依據筆者實踐經驗首先總結了目前畢業設計存在的問題，然后探索了依托畢業設計培育大學生機器學習知識和創新能力新模式。本文主要從提倡以學習者為中心，開發多視角解決問題的課題，進行差異性選題，加強線上指導和團隊建設，適當考核學生創新能力等方面進行了探討。

關鍵詞 雙一流 畢業設計 機器學習 創新能力

中圖分類號：G642.477? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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 本科畢設過程中存在的問題

1.1畢業設計課題的新穎性有待進一步提高

受學校實驗設備、經費和管理評價機制及指導教師隊伍規模等多方面因素的影響，學生畢業設計題目往往過于陳舊，重復率較高，嚴重影響到學生創新實踐能力的鍛煉與提升。如果指導教師能夠借鑒科研項目和一些新興技術設計新穎實用的畢設課題，則便于提升學生解決實際問題的能力，為后續的繼續求學和工作提供良好的基礎。

1.2學生積極性有待于進一步提升

學生對于本科畢業設計的重要性沒有明確的認識，致使一部分學生對課題資料分析不夠仔細深入，對畢設實踐的完成流于形式。有些課題由于沒有應用背景，學生理解困難，積極性不高。在畢設指導過程中，大多是教師在講，學生往往被動地聽，學生之間也沒有互動。這種方式不利于學生思考和觀點碰撞。為了通過畢業設計提升學生的實踐能力、創新意識和創新思維，其積極主動性有待進一步提高。

1.3學生創新方面的考核有待于進一步體現

在畢業設計考核過程中，一般集中在論文書寫格式、內容是否符合要求，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，對于研究的創新性和學生的創新能力考查不足，評分上對創新性沒有足夠的優勢。

2 依托畢業設計培育大學生機器學習知識和創新能力的探索

2.1以學習者為中心的“雙一流”背景下電子信息類創新人才培養模式探索

“雙一流”建設的目的是提高我國高等教育的國際競爭力和話語權。培養創新型人才是提高我國綜合國力和國際競爭力的重要環節?！半p一流”背景下電子信息類專業需要培養拔尖創新人才，這就需要突出人才培養的核心地位，著力培養既有創新精神又有實踐能力的各類創新型優秀人才。學校需要完善質量保障體系，加強創新教育，大力推進以學習者為中心的個性化培養，全面提升學生的綜合素質和創新能力。另外，需要建立導向正確和科學有效的評價體系，激勵學生刻苦學習，著力將學生培養成才。因此“雙一流”背景下需要不斷提升高等教育的水平，以培養學生的創新能力為基本原則，為社會輸送各專業的創新人才。

大學本科期間是培養學生創新能力的關鍵時期，而科研訓練是培養本科生創新能力的重要途徑之一。學生完成大學本科的課程學習后，進行本科生畢業設計，在此階段可以充分發揮學校師資力量和科研條件的作用， 指導學生進行科研訓練。本科畢業設計由指導老師下達課題任務書，學生在老師指導下完成開題報告、翻譯、仿真實現和畢設論文等，通過這一系列的科研訓練培養學生利用專業知識解決問題能力和創新能力。為了依托畢業設計培育創新人才，在畢業設計開始前指導老師需要積極探索、開發、設計、制作和使用融入新知識的綜合性、多視角解決問題的畢設課題;通過學生自主選擇畢設課題，滿足學生的個性化發展需求;在畢設過程中需要以學習者為中心，促進學生積極主動地思考，逐步培養學生的科研素養和創新意識。筆者團隊近幾年主要從創新課題設計、差異選題調動學生積極性、加強團隊建設和創新考核等方面積極探索以學習者為中心的雙一流背景下的電子信息類創新人才培養模式。

2.2關注學習強國，了解科技動態和應用需求，設計融入機器學習知識的畢設課題

在本科畢業設計中，指導教師設計課題，下達任務書。學生根據課題要求進行文獻檢索，在教師指導下確定實驗方法和實驗方案，并撰寫開題報告和畢業設計論文。由此可見，課題設計是提升學生創新能力，保證畢業設計質量的首要環節。筆者團隊指導老師關注學習強國，以科技動態、應用需求和教師的科研課題為依托，結合新興的機器學習、人工智能等技術設計新穎實用的畢設課題，使得本科生的畢業設計的研究內容更接近科學研究前沿和實際應用，從而保證課題和論文在創新性、科學價值或實際應用等方面具有鮮明的特色。同時，目前我校的本科畢業設計需要對論文進行查重以杜絕過度引用或抄襲。從科技動態、應用需求和科研項目中設計的畢設課題具有良好的創新性，極大地降低了論文的重復率。

本科畢業設計是理工科高等院校非常重視的教學內容。筆者所在的科研團隊致力于機器學習應用研究，通過指導學生開展相關課題研究，培養學生的科研素養。隨著計算機軟硬件的發展和數據處理技術的更新，機器學習技術作為人工智能研究領域的一個重要分支，在科研領域已經得到了廣泛的應用。人工智能旨在讓機器變得“聰明”，并且具備類似于人腦的智能。機器學習側重讓機器學會思考并自己學習。目前，機器學習算法與大數據挖掘、深度神經網絡等技術相結合，正在推動人工智能快速向前發展。機器學習算法有聚類、決策樹和貝葉斯分類等等。機器學習就是機器基于這些算法對數據信息進行分析推理，從而對事物進行檢測、分析和判別。機器學習知識廣泛應用于實際生活中的人臉識別，行人檢測，車牌識別，目標跟蹤，目標匹配、重建、分割等等。機器學習給我們的生活帶來了便捷。谷歌自動駕駛項目是最典型的機器學習實例，通過計算機駕駛汽車，實現無人駕駛。我們網上購物時，商家提供的推薦信息就是根據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，基于機器學習的應用又增加了很多。例如利用AI助力抗疫，采用自然語言處理技術對患者病例、社交媒體、健康衛生數據進行分析，助力研究人員采取有效措施;采用虹膜技術在戴口罩時進行人臉識別、測體溫等;機器人對新冠肺炎患者做超聲檢查、測體溫、送餐、收垃圾等等;基于機器學習訓練神經網絡對小學生進行口語測評，及時評價學生的英語發音和語調問題，為英語學習提供渠道。

這些都是生活中應用的實際例子，基于這些實例設計畢設課題，例如基于深度神經網絡的文本分類的實現、人臉識別、語音語調識別等等。學生非常感興趣，主動積極探索，自然也就調動了其積極性，同時也通過畢設培育了大學生機器學習知識。當然根據科研課題和實際應用設計課題時要注意工作量和難易程度要適當。一定要考慮本科生的知識積累情況和接受能力。選題太難，可能會打擊甚至挫傷學生的科研積極性。選題太簡單，學生科研能力得不到很好的鍛煉。另外需要綜合考慮創新與學生的完成能力，確保學生通過自學和適當地指導能夠獨立完成。在過去五年的本科畢業設計中，筆者科研團隊以指導教師科研課題為載體，積極探索、開發、設計、制作和使用融入機器學習知識的綜合性、多視角解決問題的畢設課題，加強培育電子信息類專業本科生機器學習知識和創新能力，取得了較好的效果。

2.3進行差異性畢設選題

筆者主持在研的國家自然科學基金項目是基于機器學習理論的語音圖像視頻等信號的應用，近年來團隊成員緊密結合科研新動向和生產實際，把機器學習理論和應用引入到畢業設計中，保證了課題的新穎性，學生對該類課題興趣極高。根據學生就業方向和考研需求，結合興趣綜合考慮來進行差異性畢設選題。就業的同學選擇機器學習應用研究的課題，考研的同學選擇機器學習算法和理論分析的課題。近5年，我們以指導教師科研課題為載體，對30名本科生的畢業設計，根據學生就業還是考研，結合興趣，本科生每人選擇1題，且與往年課題不重復;多人可形成團隊共同選做同一個比較大的課題，每個學生各自獨立完成一個子任務的工作。因為每名本科生的畢業設計研究內容都在指導教師的科研課題范圍內，指導教師在選題是否具有創新性、題目是否恰當、實驗方法和實驗方案是否可行，以及開題報告的撰寫是否系統、合理等方面能更好地發揮指導作用，且學生根據自己的興趣進行選題，科研積極性很高。

需要注意的是，除了部分同學參加過大學生創新項目和電子設計大賽外，很多本科生的科研訓練尚處于起步階段。學生參加畢業設計從拿到任務書到做仿真寫論文一共只有四到五個月的時間，指導教師還需要在畢業設計過程中培養學生克服畏難心理，堅持不懈的品質。使得學生既做到設計方案有獨到的見解、有創意，又完美的實現了設計方案。在本科畢業設計期間，此30名學生的畢業設計選題恰當，符合專業培養目標，順利通過學校的選題審核。同時，這些選題通過基于機器學習方法解決實際問題，有助于培養學生解決實際復雜工程問題的能力，進而培養學生的創新意識和創新能力。

2.4加強畢設線上指導和團隊建設

受疫情影響，今年本科生的畢業設計指導環節不能以面對面形式進行。因此，要求指導教師要盡快適應新的教學模式，提高認識，以高度負責的態度，全面落實學?！巴Ｕn不停教，停課不停學，質量不降低，督導不缺位”的要求，切實履行立德樹人根本任務和以學生為中心的教育理念，將疫情防控期間的畢業設計指導工作落到實處，通過畢業設計管理系統、在線交流等方式，指導學生做好資料收集、文獻查閱等相關開題準備和論文撰寫工作。我們團隊老師借助ZOOM、騰訊課堂、騰訊會議、釘釘、QQ、微信等平臺指導本科畢業設計。采用直播、錄播、討論多種形式，進行在線小組指導和一對一指導;同學們采用在線小組討論與小組互助等形式集團隊之力完成畢設。線上畢業設計指導中，指導教師可以組織一些專題討論。例如針對論文書寫方面開展線上專題討論，論文寫作上不要出現排版格式、錯別字、標點符號等基礎性低級問題。其次，強調在論文整體框架上要下功夫，思路清晰、重點突出，重點章節既要具體又要有深度。還強調，內容中出現的圖片、表格等，一定要注意分辨率，保證畫面的清晰程度等等。

建立畢業設計團隊，有助于培養本科生的團隊協作精神。我們團隊基于Matlab和Python仿真實驗平臺，在確保一人一題的前提下，對2020屆12名本科畢業生分組，并引入研究生協助指導，建立團隊。根據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。采用視頻會議，本科畢業設計以組會的形式進行。讓每個學生屏幕共享介紹自己做的東西，這樣每個學生都可以充分地展示自己的研究，學生之間還可以更多地相互學習。由于團隊內要進行匯報，學生準備得更加認真，個人能力得到很大提升。

2.5考核畢設學生創新能力模式探索

本科生畢業設計對培養學生的自主學習和創新能力有很大的意義。從學校政策上積極鼓勵指導教師設計具有創新性的課題，甚至可以通過獎勵機制加以引導。指導老師可以每個月對團隊內學生的階段性成果進行考核，督促同學間互相學習，加強創新比拼，從而促進學生加快畢設創新的步伐。學院組織專家對畢設題目嚴格把關，加強對課題創新性的考核;中期檢查不能流于形式，加強考核畢設前期為創新所做的準備工作是否達到要求;答辯時不僅要求學生能夠準確回答問題，還需適當增加對學生畢設創新能力的考核，對于有一定創新性并且完成得好的課題，評分上適當傾斜。

3 結束語

本文以畢業設計中培育大學生機器學習知識和創新能力為例，探索了雙一流背景下依托畢業設計培育電子信息類專業創新人才模式。在雙一流背景下，畢業設計需要以學習者為中心，培養創新人才;指導老師需積極探索、開發、設計、制作和使用融入新知識的綜合性、多視角解決問題的畢設課題;根據學生就業方向和考研需求，結合興趣綜合考慮來進行差異性畢設選題;加強畢設線上指導和團隊建設，培養本科生的團隊協作精神;適當考核畢設學生創新能力。這幾方面聯合建設，促進信息教育和本科畢業設計的融合創新發展，從而為“雙一流”建設提供有力支撐。

*通訊作者：孫林慧

基金項目：南京郵電大學教學改革研究項目資助（JG00219JX72，JG06219JX08）

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