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(shí)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(dú)立項(xiàng)目實(shí)踐大閉環(huán)的雙閉環(huán)反饋培養(yǎng)訓(xùn)練機(jī)制，有效解決研究生科研實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)與定量評(píng)價(jià)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(shí)踐創(chuàng)新能力;雙閉環(huán)機(jī)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(hào)：G643? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(fù)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(qiáng)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(diǎn)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(jìn)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(huì)發(fā)展和國家戰(zhàn)略實(shí)施作出重要貢獻(xiàn)。” “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(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展緊密結(jié)合，著力提高高校對產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的貢獻(xiàn)率，努力成為催化產(chǎn)業(yè)技術(shù)變革、加速創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的策源地”。為了達(dá)到這樣的要求，必須重視科研實(shí)踐，培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新能力[3]。

大量的國內(nèi)外文獻(xiàn)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(shí)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(shí)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(shí)踐創(chuàng)新力的研究和實(shí)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?；诖?，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(jī)制的優(yōu)勢，通過在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成科研項(xiàng)目，培養(yǎng)訓(xùn)練研究生科研實(shí)踐創(chuàng)新能力。

1? 基于深度學(xué)習(xí)的科研實(shí)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(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域中一個(gè)新的研究方向，它被引入機(jī)器學(xué)習(xí)使其更接近于最初的目標(biāo)——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(jìn)行訓(xùn)練，然后再結(jié)合反向傳播的機(jī)制進(jìn)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(jī)制，通過構(gòu)建科研項(xiàng)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(xiàng)目;通過構(gòu)建創(chuàng)新能力訓(xùn)練小閉環(huán)與獨(dú)立項(xiàng)目實(shí)踐大閉環(huán)的雙閉環(huán)反饋訓(xùn)練機(jī)制，提高研究生科研實(shí)踐創(chuàng)新力，使其具備獨(dú)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(xiàng)目數(shù)據(jù)庫中為每個(gè)研究生確定用以訓(xùn)練科研實(shí)踐創(chuàng)新力的n個(gè)科研項(xiàng)目，這些項(xiàng)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(gè)科研項(xiàng)目，將項(xiàng)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(jìn)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(jìn)行評(píng)分，若總分不滿足閾值要求，則更新科研項(xiàng)目，在導(dǎo)師的指導(dǎo)下再次進(jìn)行創(chuàng)新能力訓(xùn)練，直到其科研實(shí)踐創(chuàng)新力總評(píng)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(dú)立完成一個(gè)新的科研項(xiàng)目，通過網(wǎng)絡(luò)對其創(chuàng)新力進(jìn)行評(píng)分，若未達(dá)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(píng)分滿足要求為止，這樣就構(gòu)成了一個(gè)訓(xùn)練—反饋—學(xué)習(xí)大閉環(huán)。通過獨(dú)立項(xiàng)目實(shí)踐大閉環(huán)，研究生能夠具備獨(dú)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(cuò)能力、糾錯(cuò)能力。

①卷積層。在卷積層有4個(gè)卷積模塊，分別是文獻(xiàn)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(gè)卷積模塊，培養(yǎng)訓(xùn)練研究生科研實(shí)踐創(chuàng)新力。對于某一個(gè)在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的科研項(xiàng)目i（i=1，2…n），將其輸入到CNN網(wǎng)絡(luò)的卷積層，通過文獻(xiàn)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(píng)價(jià);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(píng)價(jià);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(píng)價(jià)、自由想象能力評(píng)價(jià)、自主判斷能力評(píng)價(jià);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(cuò)能力評(píng)價(jià)、糾錯(cuò)能力評(píng)價(jià)。

在文獻(xiàn)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(xiàng)目i進(jìn)行文獻(xiàn)資料檢索閱讀，撰寫國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。然后將科研項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫中科研項(xiàng)目i的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀這一先驗(yàn)知識(shí)與該研究生撰寫的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行對比分析，據(jù)此得到對該研究生的調(diào)研能力評(píng)價(jià)。

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(xiàng)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(xiàng)目數(shù)據(jù)庫中科研項(xiàng)目i的需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題這一先驗(yàn)知識(shí)與該研究生確定的關(guān)鍵科學(xué)問題進(jìn)行對比分析，據(jù)此得到對該研究生的質(zhì)疑能力評(píng)價(jià)。

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

在研究失敗卷積模塊，當(dāng)被訓(xùn)練研究生針對科研項(xiàng)目i提出的自己的研究方法經(jīng)驗(yàn)證不成功、不能解決科研項(xiàng)目i的關(guān)鍵科學(xué)問題時(shí)，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(cuò)能力評(píng)價(jià)、糾錯(cuò)能力評(píng)價(jià)。

②池化層。在池化層，對被訓(xùn)練研究生的調(diào)研能力評(píng)價(jià)、質(zhì)疑能力評(píng)價(jià)、邏輯思維能力評(píng)價(jià)、自由想象能力評(píng)價(jià)、自主判斷能力評(píng)價(jià)、試錯(cuò)能力評(píng)價(jià)、糾錯(cuò)能力評(píng)價(jià)這些評(píng)價(jià)進(jìn)行歸一化，得到能夠相比較的、具有統(tǒng)一表示準(zhǔn)則的、不受各卷積模塊衡量標(biāo)準(zhǔn)不同影響的評(píng)分。

③激活層。在激活層，將被訓(xùn)練研究生的調(diào)研能力評(píng)分、質(zhì)疑能力評(píng)分、邏輯思維能力評(píng)分、自由想象能力評(píng)分、自主判斷能力評(píng)分、試錯(cuò)能力評(píng)分、糾錯(cuò)能力評(píng)分這些評(píng)分分別與各自的閾值進(jìn)行對比。如果某項(xiàng)能力評(píng)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(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，一直到該項(xiàng)能力評(píng)分大于閾值為止。當(dāng)每一項(xiàng)能力評(píng)分都大于各自的閾值時(shí)，得到該研究生的各項(xiàng)能力評(píng)分。

2.2 研究生科研實(shí)踐創(chuàng)新力評(píng)價(jià)

研究生科研實(shí)踐創(chuàng)新力評(píng)價(jià)包括2個(gè)步驟，具體如下所述。

①第1步，對于科研項(xiàng)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(xiàng)能力評(píng)分輸入到科研實(shí)踐創(chuàng)新力評(píng)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(cuò)能力、糾錯(cuò)能力這些要素在科研實(shí)踐創(chuàng)新力中所占有的地位并不相同，所以在科研實(shí)踐創(chuàng)新力評(píng)分器中給各項(xiàng)能力賦予不同的權(quán)重。由此得到該研究生對于科研項(xiàng)目i的科研實(shí)踐創(chuàng)新力評(píng)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(gè)科研項(xiàng)目，得到了n個(gè)科研實(shí)踐創(chuàng)新力評(píng)分。由于這n個(gè)科研項(xiàng)目難易程度不同，所以將這n個(gè)評(píng)分進(jìn)行加權(quán)求和得到該研究生的科研實(shí)踐創(chuàng)新力總評(píng)分P，如公式（2）所示。

2.3 獨(dú)立項(xiàng)目實(shí)踐大閉環(huán)設(shè)計(jì)

獨(dú)立項(xiàng)目實(shí)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(dú)立開展科研項(xiàng)目。將項(xiàng)目的實(shí)際完成情況再次輸入深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試評(píng)分，若評(píng)分達(dá)到測試要求，則表明該研究生具備了獨(dú)立研究的能力;若評(píng)分未達(dá)標(biāo)，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(jìn)入小閉環(huán)進(jìn)行創(chuàng)新能力訓(xùn)練。

2.4 構(gòu)建科研項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫

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

3? 創(chuàng)新培養(yǎng)模式下的實(shí)踐成果

本文所述基于深度學(xué)習(xí)的研究生科研實(shí)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。首先由多位資深導(dǎo)師從已結(jié)題驗(yàn)收的項(xiàng)目中確定了十五個(gè)項(xiàng)目，其中項(xiàng)目一至項(xiàng)目五難度較小，權(quán)重設(shè)為0.3;項(xiàng)目六至項(xiàng)目十難度中等，權(quán)重設(shè)為0.6;項(xiàng)目十一至項(xiàng)目十五難度較大，權(quán)重設(shè)為0.9。這十五個(gè)項(xiàng)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(gè)人要完成三種難度的項(xiàng)目各一個(gè)，根據(jù)能力評(píng)分總和，才能確定能否開展后續(xù)獨(dú)立項(xiàng)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(cuò)能力、糾錯(cuò)能力在科研實(shí)踐創(chuàng)新力的重要程度，設(shè)置各項(xiàng)權(quán)重如表1所示。設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中激活層的各項(xiàng)能力分?jǐn)?shù)閾值為6，科研實(shí)踐創(chuàng)新力總評(píng)分閾值為6，獨(dú)立項(xiàng)目實(shí)踐的分?jǐn)?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(yùn)作。學(xué)生A在研一期間選擇了項(xiàng)目三、六、十三進(jìn)行訓(xùn)練，根據(jù)這三個(gè)項(xiàng)目的完備數(shù)據(jù)資料和學(xué)生A的項(xiàng)目實(shí)際完成情況，得出其各項(xiàng)創(chuàng)新能力分?jǐn)?shù)如表2所示。他的各項(xiàng)能力分?jǐn)?shù)均滿足閾值要求，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)分器得出其項(xiàng)目三為39.6，項(xiàng)目六為34.3，項(xiàng)目十三為34.9。再結(jié)合各項(xiàng)目的權(quán)重，學(xué)生A的科研實(shí)踐創(chuàng)新力總評(píng)分為63.87，達(dá)到閾值要求，可以開展獨(dú)立研究。學(xué)生A在研二期間獨(dú)立完成了一項(xiàng)科研項(xiàng)目，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)再次評(píng)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(shí)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(xiàng)目一、八、十一進(jìn)行訓(xùn)練，根據(jù)學(xué)生B的項(xiàng)目完成情況和項(xiàng)目的先驗(yàn)知識(shí)，得出其各項(xiàng)創(chuàng)新能力分?jǐn)?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(dá)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(xiàng)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(píng)分均達(dá)到6分。通過網(wǎng)絡(luò)得出學(xué)生B的科研實(shí)踐創(chuàng)新力總評(píng)分為59.88，沒有達(dá)到獨(dú)立開展科學(xué)研究的閾值要求，需要選擇新的項(xiàng)目再次訓(xùn)練。根據(jù)能力水平，學(xué)生B選擇了項(xiàng)目九進(jìn)行創(chuàng)新能力再訓(xùn)練，項(xiàng)目完成后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)分為38.1，他的創(chuàng)新力總評(píng)分為82.74，可以開展獨(dú)立研究。學(xué)生B通過四個(gè)項(xiàng)目的訓(xùn)練，在研二期間也獨(dú)立完成了一項(xiàng)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(jìn)行預(yù)測評(píng)分，結(jié)果如表6所示。最終評(píng)分為37，表明學(xué)生B已具備較高的科研實(shí)踐創(chuàng)新力，具有獨(dú)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(shí)踐活動(dòng)領(lǐng)域中不斷提供具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值、社會(huì)價(jià)值、生態(tài)價(jià)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(shí)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(dú)立項(xiàng)目實(shí)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(dú)立完成日后的科學(xué)研究與創(chuàng)新實(shí)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(dāng)研究生能力不足時(shí)，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(shí)踐能力。同時(shí)，該培養(yǎng)方法也實(shí)現(xiàn)了對研究生科研實(shí)踐創(chuàng)新力的定量評(píng)價(jià)。

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