張寅 閆鈞華 呂向陽

摘要：提出了基于深度學(xué)習(xí)的研究生科研實踐創(chuàng)新培養(yǎng)模式，將深度學(xué)習(xí)的訓(xùn)練—反饋—學(xué)習(xí)的迭代優(yōu)化思想應(yīng)用于研究生培養(yǎng)。通過創(chuàng)新能力訓(xùn)練小閉環(huán)與獨立項目實踐大閉環(huán)的雙閉環(huán)反饋培養(yǎng)訓(xùn)練機制，有效解決研究生科研實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)與定量評價問題。

Abstract： An innovative training model for postgraduate research practice based on deep learning is proposed， and the iterative optimization idea of deep learning training-feedback-learning is applied to postgraduate training. Through the double closed-loop feedback training mechanism of innovation ability training small closed-loop and independent project practice large closed-loop， the problem of training and quantitative evaluation of graduate scientific research practice innovation ability is effectively solved.

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí);科研實踐創(chuàng)新能力;雙閉環(huán)機制;研究生培養(yǎng)

Key words： deep learning;scientific research， practice and innovation ability;double closed-loop mechanism;postgraduate training

中圖分類號：G643? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）21-0165-04

0? 引言

研究生教育位于高等教育的頂端，肩負著培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才與發(fā)展創(chuàng)新科學(xué)技術(shù)的重要使命，在高等教育中具有重要的地位，是建設(shè)高等教育強國的重要組成部分，也是引領(lǐng)“雙一流”建設(shè)向縱深發(fā)展的關(guān)鍵因素[1]。因此，在“雙一流”高校建設(shè)的大環(huán)境下，研究生培養(yǎng)模式的建構(gòu)和完善刻不容緩。

建構(gòu)研究生培養(yǎng)模式所要重點解決的關(guān)鍵問題是：研究生應(yīng)具備什么樣的能力？如何培養(yǎng)研究生具備這樣的能力[2]？2015年10月，國務(wù)院印發(fā)了《統(tǒng)籌推進世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)總體方案》，方案中提出：“以國家重大需求為導(dǎo)向，提升高水平科學(xué)研究能力，為社會發(fā)展和國家戰(zhàn)略實施作出重要貢獻。” “深化產(chǎn)教融合，將一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)與推動經(jīng)濟社會發(fā)展緊密結(jié)合，著力提高高校對產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的貢獻率，努力成為催化產(chǎn)業(yè)技術(shù)變革、加速創(chuàng)新驅(qū)動的策源地”。為了達到這樣的要求，必須重視科研實踐，培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新能力[3]。

大量的國內(nèi)外文獻資料表明，在研究培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力的過程中，大部分學(xué)者都得出了科研實踐有利于培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力的結(jié)論，但有關(guān)科研實踐通過何種途徑來影響研究生創(chuàng)新能力的研究卻很少[4-8]。目前國內(nèi)外眾多的高校都在大力開展培養(yǎng)訓(xùn)練研究生科研實踐創(chuàng)新力的研究和實踐，但是還沒有研究者將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用到這一領(lǐng)域。基于此，本論文提出構(gòu)建深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，利用深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練—反饋—學(xué)習(xí)—訓(xùn)練……這一閉環(huán)反饋培養(yǎng)訓(xùn)練機制的優(yōu)勢，通過在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成科研項目，培養(yǎng)訓(xùn)練研究生科研實踐創(chuàng)新能力。

1? 基于深度學(xué)習(xí)的科研實踐創(chuàng)新培養(yǎng)模式

深度學(xué)習(xí)的概念源于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究，是機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域中一個新的研究方向，它被引入機器學(xué)習(xí)使其更接近于最初的目標——人工智能，深度學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律和表示層次。深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)一般包含卷積層、池化層和激活層，將樣本數(shù)據(jù)輸入到深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，然后再結(jié)合反向傳播的機制進行反饋調(diào)節(jié)，這樣就完成了一次的訓(xùn)練—反饋—學(xué)習(xí)，是一種自主反饋調(diào)節(jié)的工作模式。

本文提出的創(chuàng)新培養(yǎng)模式引入深度學(xué)習(xí)中的閉環(huán)反饋訓(xùn)練機制，通過構(gòu)建科研項目數(shù)據(jù)庫，讓學(xué)生在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成具有針對性的科研項目;通過構(gòu)建創(chuàng)新能力訓(xùn)練小閉環(huán)與獨立項目實踐大閉環(huán)的雙閉環(huán)反饋訓(xùn)練機制，提高研究生科研實踐創(chuàng)新力，使其具備獨立開展科學(xué)研究的能力。本模式整體框圖如圖1所示，首先根據(jù)以人為本、因材施教的原則，從科研項目數(shù)據(jù)庫中為每個研究生確定用以訓(xùn)練科研實踐創(chuàng)新力的n個科研項目，這些項目的難易程度不同。研究生在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成這n個科研項目，將項目的完成情況輸出到深度學(xué)習(xí)CNN（Convolutional Neural Network）網(wǎng)絡(luò)中進行反饋訓(xùn)練。然后通過深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)對研究生的創(chuàng)新能力進行評分，若總分不滿足閾值要求，則更新科研項目，在導(dǎo)師的指導(dǎo)下再次進行創(chuàng)新能力訓(xùn)練，直到其科研實踐創(chuàng)新力總評分滿足要求為止。通過這一創(chuàng)新能力訓(xùn)練小閉環(huán)，研究生的創(chuàng)新力能夠得到有效提升。接著讓研究生獨立完成一個新的科研項目，通過網(wǎng)絡(luò)對其創(chuàng)新力進行評分，若未達到要求，則返回創(chuàng)新能力訓(xùn)練小閉環(huán)中重新訓(xùn)練，直到其創(chuàng)新力總評分滿足要求為止，這樣就構(gòu)成了一個訓(xùn)練—反饋—學(xué)習(xí)大閉環(huán)。通過獨立項目實踐大閉環(huán)，研究生能夠具備獨自開展科學(xué)研究的能力，從而完成對該研究生的培養(yǎng)。

2? 科研實踐創(chuàng)新培養(yǎng)模式的關(guān)鍵步驟

本模式中的關(guān)鍵步驟如下所述：

2.1 構(gòu)建深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)培養(yǎng)訓(xùn)練研究生科研實踐創(chuàng)新力

構(gòu)建深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)培養(yǎng)訓(xùn)練研究生科研實踐創(chuàng)新力框圖如圖2所示。深度學(xué)習(xí)CNN網(wǎng)絡(luò)包含卷積層、池化層、激活層，通過CNN網(wǎng)絡(luò)培養(yǎng)訓(xùn)練研究生科研實踐創(chuàng)新力，包括：調(diào)研能力、質(zhì)疑能力、邏輯思維能力、自由想象能力、自主判斷能力、試錯能力、糾錯能力。

①卷積層。在卷積層有4個卷積模塊，分別是文獻資料檢索閱讀、發(fā)現(xiàn)問題、研究方法、研究失敗。通過這4個卷積模塊，培養(yǎng)訓(xùn)練研究生科研實踐創(chuàng)新力。對于某一個在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的科研項目i（i=1，2…n），將其輸入到CNN網(wǎng)絡(luò)的卷積層，通過文獻資料檢索閱讀卷積模塊，可以獲得對被訓(xùn)練研究生的調(diào)研能力評價;通過發(fā)現(xiàn)問題卷積模塊，可以獲得對被訓(xùn)練研究生的質(zhì)疑能力評價;通過研究方法卷積模塊，可以獲得對被訓(xùn)練研究生的邏輯思維能力評價、自由想象能力評價、自主判斷能力評價;通過研究失敗卷積模塊，可以獲得對被訓(xùn)練研究生的試錯能力評價、糾錯能力評價。

在文獻資料檢索閱讀卷積模塊，首先讓被訓(xùn)練研究生針對科研項目i進行文獻資料檢索閱讀，撰寫國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。然后將科研項目數(shù)據(jù)庫中科研項目i的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀這一先驗知識與該研究生撰寫的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行對比分析，據(jù)此得到對該研究生的調(diào)研能力評價。

在發(fā)現(xiàn)問題卷積模塊，首先讓被訓(xùn)練研究生針對科研項目i確定需要解決的科學(xué)問題，從中確定關(guān)鍵科學(xué)問題。然后將科研項目數(shù)據(jù)庫中科研項目i的需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題這一先驗知識與該研究生確定的關(guān)鍵科學(xué)問題進行對比分析，據(jù)此得到對該研究生的質(zhì)疑能力評價。

在研究方法卷積模塊，首先讓被訓(xùn)練研究生針對科研項目i提出自己的研究方法。然后將科研項目數(shù)據(jù)庫中科研項目i的研究方法這一先驗知識與該研究生確定的研究方法進行對比分析，據(jù)此得到對該研究生的邏輯思維能力評價、自由想象能力評價、自主判斷能力評價。

在研究失敗卷積模塊，當被訓(xùn)練研究生針對科研項目i提出的自己的研究方法經(jīng)驗證不成功、不能解決科研項目i的關(guān)鍵科學(xué)問題時，依據(jù)該研究生在這種情況下的行為表現(xiàn)得到對該研究生的試錯能力評價、糾錯能力評價。

②池化層。在池化層，對被訓(xùn)練研究生的調(diào)研能力評價、質(zhì)疑能力評價、邏輯思維能力評價、自由想象能力評價、自主判斷能力評價、試錯能力評價、糾錯能力評價這些評價進行歸一化，得到能夠相比較的、具有統(tǒng)一表示準則的、不受各卷積模塊衡量標準不同影響的評分。

③激活層。在激活層，將被訓(xùn)練研究生的調(diào)研能力評分、質(zhì)疑能力評分、邏輯思維能力評分、自由想象能力評分、自主判斷能力評分、試錯能力評分、糾錯能力評分這些評分分別與各自的閾值進行對比。如果某項能力評分小于閾值，則導(dǎo)師給予該研究生意見和建議，然后返回到該卷積模塊重新進行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，一直到該項能力評分大于閾值為止。當每一項能力評分都大于各自的閾值時，得到該研究生的各項能力評分。

2.2 研究生科研實踐創(chuàng)新力評價

研究生科研實踐創(chuàng)新力評價包括2個步驟，具體如下所述。

①第1步，對于科研項目i，將通過深度學(xué)習(xí)CNN網(wǎng)絡(luò)得到的被訓(xùn)練研究生的各項能力評分輸入到科研實踐創(chuàng)新力評分器，如圖3所示。

由于調(diào)研能力、質(zhì)疑能力、邏輯思維能力、自由想象能力、自主判斷能力、試錯能力、糾錯能力這些要素在科研實踐創(chuàng)新力中所占有的地位并不相同，所以在科研實踐創(chuàng)新力評分器中給各項能力賦予不同的權(quán)重。由此得到該研究生對于科研項目i的科研實踐創(chuàng)新力評分，如公式（1）所示。

②第2步，被訓(xùn)練研究生在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成了n個科研項目，得到了n個科研實踐創(chuàng)新力評分。由于這n個科研項目難易程度不同，所以將這n個評分進行加權(quán)求和得到該研究生的科研實踐創(chuàng)新力總評分P，如公式（2）所示。

2.3 獨立項目實踐大閉環(huán)設(shè)計

獨立項目實踐大閉環(huán)既是研究生創(chuàng)新能力最終檢測環(huán)節(jié)，又是創(chuàng)新能力訓(xùn)練小閉環(huán)的反饋環(huán)節(jié)，有著至關(guān)重要的作用。研究生通過小閉環(huán)訓(xùn)練，具備一定創(chuàng)新能力后，獨立開展科研項目。將項目的實際完成情況再次輸入深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)進行測試評分，若評分達到測試要求，則表明該研究生具備了獨立研究的能力;若評分未達標，則作為創(chuàng)新能力訓(xùn)練小閉環(huán)的反饋調(diào)節(jié)，指導(dǎo)學(xué)生重新進入小閉環(huán)進行創(chuàng)新能力訓(xùn)練。

2.4 構(gòu)建科研項目數(shù)據(jù)庫

為了給每個研究生提供科研實踐創(chuàng)新的機會，需要構(gòu)建科研項目數(shù)據(jù)庫，從數(shù)據(jù)庫中為每個研究生確定用以訓(xùn)練科研實踐創(chuàng)新力的難易程度不同的n個科研項目。能夠進入科研項目數(shù)據(jù)庫中的項目都必須是來自工程實際的研發(fā)項目，由導(dǎo)師完成結(jié)題驗收的科研項目中遴選而來。這些項目包括來自科研院所的研發(fā)項目、國家各部委資助的科學(xué)研究項目、企業(yè)公司的研發(fā)項目等。每個科研項目都必須包括完備的數(shù)據(jù)資料，如：項目的立項依據(jù)、項目的研究意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)、項目的研究目標、項目的研究內(nèi)容、項目要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題、項目的研究方案、項目提出的解決關(guān)鍵科學(xué)問題的方法、項目開發(fā)的硬件和軟件、項目的實驗報告和測試報告、項目的技術(shù)報告、項目的研究工作總結(jié)報告、項目研究過程中遇到的問題的總結(jié)、項目的結(jié)題驗收報告等。

3? 創(chuàng)新培養(yǎng)模式下的實踐成果

本文所述基于深度學(xué)習(xí)的研究生科研實踐創(chuàng)新培養(yǎng)模式已成功應(yīng)用于本文作者所在的“空間光電探測與感知”工信部重點實驗室。首先由多位資深導(dǎo)師從已結(jié)題驗收的項目中確定了十五個項目，其中項目一至項目五難度較小，權(quán)重設(shè)為0.3;項目六至項目十難度中等，權(quán)重設(shè)為0.6;項目十一至項目十五難度較大，權(quán)重設(shè)為0.9。這十五個項目都包括完備的數(shù)據(jù)資料，作為研一學(xué)生訓(xùn)練反饋小閉環(huán)的數(shù)據(jù)庫。研一學(xué)生每個人要完成三種難度的項目各一個，根據(jù)能力評分總和，才能確定能否開展后續(xù)獨立項目研究。根據(jù)調(diào)研能力、質(zhì)疑能力、邏輯思維能力、自由想象能力、自主判斷能力、試錯能力、糾錯能力在科研實踐創(chuàng)新力的重要程度，設(shè)置各項權(quán)重如表1所示。設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中激活層的各項能力分數(shù)閾值為6，科研實踐創(chuàng)新力總評分閾值為6，獨立項目實踐的分數(shù)閾值為34。

下面以兩位研究生為例，具體說明本文培養(yǎng)模式如何運作。學(xué)生A在研一期間選擇了項目三、六、十三進行訓(xùn)練，根據(jù)這三個項目的完備數(shù)據(jù)資料和學(xué)生A的項目實際完成情況，得出其各項創(chuàng)新能力分數(shù)如表2所示。他的各項能力分數(shù)均滿足閾值要求，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評分器得出其項目三為39.6，項目六為34.3，項目十三為34.9。再結(jié)合各項目的權(quán)重，學(xué)生A的科研實踐創(chuàng)新力總評分為63.87，達到閾值要求，可以開展獨立研究。學(xué)生A在研二期間獨立完成了一項科研項目，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)再次評分結(jié)果如表3所示，總分為35.5。學(xué)生A通過了最終的創(chuàng)新能力檢測，已具備良好的創(chuàng)新實踐能力，滿足撰寫畢業(yè)論文及答辯的要求。

學(xué)生B在研一期間選擇了項目一、八、十一進行訓(xùn)練，根據(jù)學(xué)生B的項目完成情況和項目的先驗知識，得出其各項創(chuàng)新能力分數(shù)如表四所示。學(xué)生B的調(diào)研能力和邏輯思維能力沒有達到閾值要求，需要導(dǎo)師給予指導(dǎo)和建議，在導(dǎo)師的反饋幫助下，其項目十一的調(diào)研能力和邏輯思維能力通過網(wǎng)絡(luò)再次評分均達到6分。通過網(wǎng)絡(luò)得出學(xué)生B的科研實踐創(chuàng)新力總評分為59.88，沒有達到獨立開展科學(xué)研究的閾值要求，需要選擇新的項目再次訓(xùn)練。根據(jù)能力水平，學(xué)生B選擇了項目九進行創(chuàng)新能力再訓(xùn)練，項目完成后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評分為38.1，他的創(chuàng)新力總評分為82.74，可以開展獨立研究。學(xué)生B通過四個項目的訓(xùn)練，在研二期間也獨立完成了一項科學(xué)研究。將其研究情況輸入到深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)進行預(yù)測評分，結(jié)果如表6所示。最終評分為37，表明學(xué)生B已具備較高的科研實踐創(chuàng)新力，具有獨立開展科學(xué)研究的能力。

4? 結(jié)束語

在研究生培養(yǎng)過程中，對于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)極為重要，創(chuàng)新能力是在技術(shù)和各種實踐活動領(lǐng)域中不斷提供具有經(jīng)濟價值、社會價值、生態(tài)價值的新思想、新理論、新方法和新發(fā)明的能力。本文提出的研究生科研實踐創(chuàng)新培養(yǎng)模式融入了深度學(xué)習(xí)的思想，研究生通過創(chuàng)新能力訓(xùn)練小閉環(huán)與獨立項目實踐大閉環(huán)的雙閉環(huán)培養(yǎng)訓(xùn)練，提高科研能力，能夠獨立完成日后的科學(xué)研究與創(chuàng)新實踐。此種培養(yǎng)模式相較于傳統(tǒng)培養(yǎng)模式，具有自主反饋調(diào)節(jié)的重大優(yōu)勢，當研究生能力不足時，只需通過特定的訓(xùn)練—反饋—學(xué)習(xí)，就能有效提高創(chuàng)新實踐能力。同時，該培養(yǎng)方法也實現(xiàn)了對研究生科研實踐創(chuàng)新力的定量評價。

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