毕业设计中培育学生机器学习知识和创新能力

孙林慧　李平安

摘 要 为应对“双一流”背景下培养拔尖创新人才的需求，积极落实《江苏教育信息化2.0行动计划》，以南京邮电大学电子信息类专业学生为例，依据笔者实践经验首先总结了目前毕业设计存在的问题，然后探索了依托毕业设计培育大学生机器学习知识和创新能力新模式。本文主要从提倡以学习者为中心，开发多视角解决问题的课题，进行差异性选题，加强线上指导和团队建设，适当考核学生创新能力等方面进行了探讨。

关键词 双一流 毕业设计 机器学习 创新能力

中图分类号：G642.477                                    文献标识码：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 本科毕设过程中存在的问题

1.1毕业设计课题的新颖性有待进一步提高

受学校实验设备、经费和管理评价机制及指导教师队伍规模等多方面因素的影响，学生毕业设计题目往往过于陈旧，重复率较高，严重影响到学生创新实践能力的锻炼与提升。如果指导教师能够借鉴科研项目和一些新兴技术设计新颖实用的毕设课题，则便于提升学生解决实际问题的能力，为后续的继续求学和工作提供良好的基础。

1.2学生积极性有待于进一步提升

学生对于本科毕业设计的重要性没有明确的认识，致使一部分学生对课题资料分析不够仔细深入，对毕设实践的完成流于形式。有些课题由于没有应用背景，学生理解困难，积极性不高。在毕设指导过程中，大多是教师在讲，学生往往被动地听，学生之间也没有互动。这种方式不利于学生思考和观点碰撞。为了通过毕业设计提升学生的实践能力、创新意識和创新思维，其积极主动性有待进一步提高。

1.3学生创新方面的考核有待于进一步体现

在毕业设计考核过程中，一般集中在论文书写格式、内容是否符合要求，图表公式等是否清晰，材料是否齐全，答辩时回答问题是否正确;工程性的课题与理论研究课题一视同仁，对于研究的创新性和学生的创新能力考查不足，评分上对创新性没有足够的优势。

2 依托毕业设计培育大学生机器学习知识和创新能力的探索

2.1以学习者为中心的“双一流”背景下电子信息类创新人才培养模式探索

“双一流”建设的目的是提高我国高等教育的国际竞争力和话语权。培养创新型人才是提高我国综合国力和国际竞争力的重要环节。“双一流”背景下电子信息类专业需要培养拔尖创新人才，这就需要突出人才培养的核心地位，着力培养既有创新精神又有实践能力的各类创新型优秀人才。学校需要完善质量保障体系，加强创新教育，大力推进以学习者为中心的个性化培养，全面提升学生的综合素质和创新能力。另外，需要建立导向正确和科学有效的评价体系，激励学生刻苦学习，着力将学生培养成才。因此“双一流”背景下需要不断提升高等教育的水平，以培养学生的创新能力为基本原则，为社会输送各专业的创新人才。

大学本科期间是培养学生创新能力的关键时期，而科研训练是培养本科生创新能力的重要途径之一。学生完成大学本科的课程学习后，进行本科生毕业设计，在此阶段可以充分发挥学校师资力量和科研条件的作用， 指导学生进行科研训练。本科毕业设计由指导老师下达课题任务书，学生在老师指导下完成开题报告、翻译、仿真实现和毕设论文等，通过这一系列的科研训练培养学生利用专业知识解决问题能力和创新能力。为了依托毕业设计培育创新人才，在毕业设计开始前指导老师需要积极探索、开发、设计、制作和使用融入新知识的综合性、多视角解决问题的毕设课题;通过学生自主选择毕设课题，满足学生的个性化发展需求;在毕设过程中需要以学习者为中心，促进学生积极主动地思考，逐步培养学生的科研素养和创新意识。笔者团队近几年主要从创新课题设计、差异选题调动学生积极性、加强团队建设和创新考核等方面积极探索以学习者为中心的双一流背景下的电子信息类创新人才培养模式。

2.2关注学习强国，了解科技动态和应用需求，设计融入机器学习知识的毕设课题

在本科毕业设计中，指导教师设计课题，下达任务书。学生根据课题要求进行文献检索，在教师指导下确定实验方法和实验方案，并撰写开题报告和毕业设计论文。由此可见，课题设计是提升学生创新能力，保证毕业设计质量的首要环节。笔者团队指导老师关注学习强国，以科技动态、应用需求和教师的科研课题为依托，结合新兴的机器学习、人工智能等技术设计新颖实用的毕设课题，使得本科生的毕业设计的研究内容更接近科学研究前沿和实际应用，从而保证课题和论文在创新性、科学价值或实际应用等方面具有鲜明的特色。同时，目前我校的本科毕业设计需要对论文进行查重以杜绝过度引用或抄袭。从科技动态、应用需求和科研项目中设计的毕设课题具有良好的创新性，极大地降低了论文的重复率。

本科毕业设计是理工科高等院校非常重视的教学内容。笔者所在的科研团队致力于机器学习应用研究，通过指导学生开展相关课题研究，培养学生的科研素养。随着计算机软硬件的发展和数据处理技术的更新，机器学习技术作为人工智能研究领域的一个重要分支，在科研领域已经得到了广泛的应用。人工智能旨在让机器变得“聪明”，并且具备类似于人脑的智能。机器学习侧重让机器学会思考并自己学习。目前，机器学习算法与大数据挖掘、深度神经网络等技术相结合，正在推动人工智能快速向前发展。机器学习算法有聚类、决策树和贝叶斯分类等等。机器学习就是机器基于这些算法对数据信息进行分析推理，从而对事物进行检测、分析和判别。机器学习知识广泛应用于实际生活中的人脸识别，行人检测，车牌识别，目标跟踪，目标匹配、重建、分割等等。机器学习给我们的生活带来了便捷。谷歌自动驾驶项目是最典型的机器学习实例，通过计算机驾驶汽车，实现无人驾驶。我们网上购物时，商家提供的推荐信息就是根据我们过去的购物和浏览记录，利用决策模型为用户提供的购买建议，便于用户快速有效购物。特别是新冠肺炎疫情期间，基于机器学习的应用又增加了很多。例如利用AI助力抗疫，采用自然语言处理技术对患者病例、社交媒体、健康卫生数据进行分析，助力研究人员采取有效措施;采用虹膜技术在戴口罩时进行人脸识别、测体温等;机器人对新冠肺炎患者做超声检查、测体温、送餐、收垃圾等等;基于机器学习训练神经网络对小学生进行口语测评，及时评价学生的英语发音和语调问题，为英语学习提供渠道。

这些都是生活中应用的实际例子，基于这些实例设计毕设课题，例如基于深度神经网络的文本分类的实现、人脸识别、语音语调识别等等。学生非常感兴趣，主动积极探索，自然也就调动了其积极性，同时也通过毕设培育了大学生机器学习知识。当然根据科研课题和实际应用设计课题时要注意工作量和难易程度要适当。一定要考虑本科生的知识积累情况和接受能力。选题太难，可能会打击甚至挫伤学生的科研积极性。选题太简单，学生科研能力得不到很好的锻炼。另外需要综合考虑创新与学生的完成能力，确保学生通过自学和适当地指导能够独立完成。在过去五年的本科毕业设计中，笔者科研团队以指导教师科研课题为载体，积极探索、开发、设计、制作和使用融入机器学习知识的综合性、多视角解决问题的毕设课题，加强培育电子信息类专业本科生机器学习知识和创新能力，取得了较好的效果。

2.3进行差异性毕设选题

笔者主持在研的国家自然科学基金项目是基于机器学习理论的语音图像视频等信号的应用，近年来团队成员紧密结合科研新动向和生产实际，把机器学习理论和应用引入到毕业设计中，保证了课题的新颖性，学生对该类课题兴趣极高。根据学生就业方向和考研需求，结合兴趣综合考虑来进行差异性毕设选题。就业的同学选择机器学习应用研究的课题，考研的同学选择机器学习算法和理论分析的课题。近5年，我们以指导教师科研课题为载体，对30名本科生的毕业设计，根据学生就业还是考研，结合兴趣，本科生每人选择1题，且与往年课题不重复;多人可形成团队共同选做同一个比较大的课题，每个学生各自独立完成一个子任务的工作。因为每名本科生的毕业设计研究内容都在指导教师的科研课题范围内，指导教师在选题是否具有创新性、题目是否恰当、实验方法和实验方案是否可行，以及开题报告的撰写是否系统、合理等方面能更好地发挥指导作用，且学生根据自己的兴趣进行选题，科研积极性很高。

需要注意的是，除了部分同学参加过大学生创新项目和电子设计大赛外，很多本科生的科研训练尚处于起步阶段。学生参加毕业设计从拿到任务书到做仿真写论文一共只有四到五个月的时间，指导教师还需要在毕业设计过程中培养学生克服畏难心理，坚持不懈的品质。使得学生既做到设计方案有独到的见解、有创意，又完美的实现了设计方案。在本科毕业设计期间，此30名学生的毕业设计选题恰当，符合专业培养目标，顺利通过学校的选题审核。同时，这些选题通过基于机器学习方法解决实际问题，有助于培养学生解决实际复杂工程问题的能力，进而培养学生的创新意识和创新能力。

2.4加强毕设线上指導和团队建设

受疫情影响，今年本科生的毕业设计指导环节不能以面对面形式进行。因此，要求指导教师要尽快适应新的教学模式，提高认识，以高度负责的态度，全面落实学校“停课不停教，停课不停学，质量不降低，督导不缺位”的要求，切实履行立德树人根本任务和以学生为中心的教育理念，将疫情防控期间的毕业设计指导工作落到实处，通过毕业设计管理系统、在线交流等方式，指导学生做好资料收集、文献查阅等相关开题准备和论文撰写工作。我们团队老师借助ZOOM、腾讯课堂、腾讯会议、钉钉、QQ、微信等平台指导本科毕业设计。采用直播、录播、讨论多种形式，进行在线小组指导和一对一指导;同学们采用在线小组讨论与小组互助等形式集团队之力完成毕设。线上毕业设计指导中，指导教师可以组织一些专题讨论。例如针对论文书写方面开展线上专题讨论，论文写作上不要出现排版格式、错别字、标点符号等基础性低级问题。其次，强调在论文整体框架上要下功夫，思路清晰、重点突出，重点章节既要具体又要有深度。还强调，内容中出现的图片、表格等，一定要注意分辨率，保证画面的清晰程度等等。

建立毕业设计团队，有助于培养本科生的团队协作精神。我们团队基于Matlab和Python仿真实验平台，在确保一人一题的前提下，对2020届12名本科毕业生分组，并引入研究生协助指导，建立团队。根据采用的仿真工具相同，研究问题不同;仿真工具不同，研究问题相同等等交叉分组。采用视频会议，本科毕业设计以组会的形式进行。让每个学生屏幕共享介绍自己做的东西，这样每个学生都可以充分地展示自己的研究，学生之间还可以更多地相互学习。由于团队内要进行汇报，学生准备得更加认真，个人能力得到很大提升。

2.5考核毕设学生创新能力模式探索

本科生毕业设计对培养学生的自主学习和创新能力有很大的意义。从学校政策上积极鼓励指导教师设计具有创新性的课题，甚至可以通过奖励机制加以引导。指导老师可以每个月对团队内学生的阶段性成果进行考核，督促同学间互相学习，加强创新比拼，从而促进学生加快毕设创新的步伐。学院组织专家对毕设题目严格把关，加强对课题创新性的考核;中期检查不能流于形式，加强考核毕设前期为创新所做的准备工作是否达到要求;答辩时不仅要求学生能够准确回答问题，还需适当增加对学生毕设创新能力的考核，对于有一定创新性并且完成得好的课题，评分上适当倾斜。

3 结束语

本文以毕业设计中培育大学生机器学习知识和创新能力为例，探索了双一流背景下依托毕业设计培育电子信息类专业创新人才模式。在双一流背景下，毕业设计需要以学习者为中心，培养创新人才;指导老师需积极探索、开发、设计、制作和使用融入新知识的综合性、多视角解决问题的毕设课题;根据学生就业方向和考研需求，结合兴趣综合考虑来进行差异性毕设选题;加强毕设线上指导和团队建设，培养本科生的团队协作精神;适当考核毕设学生创新能力。这几方面联合建设，促进信息教育和本科毕业设计的融合创新发展，从而为“双一流”建设提供有力支撑。

*通讯作者：孙林慧

基金项目：南京邮电大学教学改革研究项目资助（JG00219JX72，JG06219JX08）

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