大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目指導(dǎo)的探索與實踐
——以《基于車載視頻的多標(biāo)記分類方法研究及應(yīng)用》為例

談超

（南京師范大學(xué)計算機與電子信息學(xué)院/人工智能學(xué)院，江蘇南京 210023)

0 引言

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，是教育部實施的國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃。教育部決定通過實施國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃，促進高等學(xué)校轉(zhuǎn)變教育思想觀念，改革人才培養(yǎng)模式，強化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力訓(xùn)練，增強高校學(xué)生的創(chuàng)新能力和在創(chuàng)新基礎(chǔ)上的創(chuàng)業(yè)能力，培養(yǎng)適應(yīng)創(chuàng)新型國家建設(shè)需要的高水平創(chuàng)新人才。為此，全國各地院校每年積極響應(yīng)教育部號召，認(rèn)真落實，紛紛啟動省級、國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃。從二級學(xué)院到學(xué)校層面、再到省、國家層面進行層層選拔和培育，其目的就是為了進一步培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識、提高創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、推進創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐的有效開展，鼓勵和支持學(xué)生積極參與科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)和社會實踐等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動，將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入人才培養(yǎng)全過程。

近年來，為促進人才培養(yǎng)模式的改革，南京師范大學(xué)通過大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐訓(xùn)練活動，讓學(xué)生參與到項目研發(fā)、技術(shù)創(chuàng)新和思維創(chuàng)新中。大學(xué)教師在所承擔(dān)的課程教學(xué)上必須有自己的思考和貢獻。與中小學(xué)教師的課程教學(xué)不同的是，大學(xué)教師不僅要把課程內(nèi)容講清楚，讓學(xué)生在課堂上理解、熟記、觸類旁通，還需要講授該門課程的前沿知識，需要分析不同觀點，包括介紹自己的科研工作、科研進展和體會貢獻等。因此，大學(xué)教師要帶領(lǐng)學(xué)生去研究最新科技，讓學(xué)生了解前沿、跟上前沿、鉆研前沿。優(yōu)秀的大學(xué)教師，能把自己研究的最新理論、最新技術(shù)、最新方法，新的應(yīng)用領(lǐng)域帶給學(xué)生；能結(jié)合自己所做的研究工作，鮮活地呈現(xiàn)給學(xué)生，成為教科書上的知識、觀點、理論方法佐證的完美案例；能把自己的貢獻納入課程內(nèi)容，讓自己的教學(xué)實現(xiàn)現(xiàn)身說法，這樣就方便把學(xué)生的學(xué)習(xí)帶高到更高層次的學(xué)習(xí)行為上，例如：分析知識、評估知識、創(chuàng)新知識等。

本文作者指導(dǎo)了計算機專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐訓(xùn)練項目，在訓(xùn)練學(xué)生創(chuàng)新思維的同時，教師自身的教學(xué)能力也得到了提升。本文是對指導(dǎo)創(chuàng)新訓(xùn)練項目工作的探索和實踐，更是提高大學(xué)課堂教學(xué)的有力支持。

1 精心選題、事半功倍

好的開頭是成功的一半，如何能選取一個好課題，做到事半功倍，是創(chuàng)新項目能否順利開展及完成的關(guān)鍵。在創(chuàng)新訓(xùn)練項目的選題上，我們有以下幾點做法。

1.1 緊跟熱點，尋找有社會需求的課題

對于初次接觸創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃的學(xué)生而言，選題也并不是一項輕松的任務(wù)。如果選擇的題目過大或者過難，往往會大大地打擊到學(xué)生的積極性，導(dǎo)致項目的失?。环粗x題過于簡單，又不能有效地鍛煉學(xué)生的科研創(chuàng)新能力，達不到創(chuàng)新的主要目的。因此，教師要與學(xué)生一起確定一個難易適度的題目，既要保證項目的順利完成，又要起到培養(yǎng)學(xué)生的效果。

為此，在大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目的選題上，我們認(rèn)為可以從社會需求出發(fā)，聚焦熱點、關(guān)注一些國計民生的話題作為選題的要素。大數(shù)據(jù)帶來的信息風(fēng)暴正在變革我們的生活、工作和思維，大數(shù)據(jù)開啟了一次重大的時代轉(zhuǎn)型[1]。在此背景下，大數(shù)據(jù)處理和機器學(xué)習(xí)技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展和應(yīng)用。而與此同時，智能手機的普及使用和駕駛員的嗜睡被認(rèn)為是導(dǎo)致眾多交通事故的原因之一，這引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對自動駕駛安全問題的高度關(guān)注。對于這一復(fù)雜場景，如何從車輛視頻中的海量特征中進行全面的信息挖掘是一個重要挑戰(zhàn)[2]。由此，結(jié)合大數(shù)據(jù)和機器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展和自動駕駛的安全問題，我們就確定了一個比較有意義的課題《基于車載視頻的多標(biāo)記分類方法研究及應(yīng)用》。

1.2 群策群力，選擇指導(dǎo)教師熟悉的領(lǐng)域

大二學(xué)生第一次參加實踐創(chuàng)新訓(xùn)練項目，沒有經(jīng)驗、無所適從。沒有老師的指導(dǎo)是無法完成的。從指導(dǎo)教師的角度考慮而言，選擇老師熟悉的理論和應(yīng)用領(lǐng)域，對于順利完成項目至關(guān)重要[3]。作為該項目的指導(dǎo)教師，本人主要研究方向為機器學(xué)習(xí)，一直從事流形學(xué)習(xí)、非線性降維、半監(jiān)督學(xué)習(xí)等方面的研究。在相關(guān)問題，如增量降維、樣本外點學(xué)習(xí)、子空間學(xué)習(xí)、噪聲流形學(xué)習(xí)、基于角度保持的增量學(xué)習(xí)等方面已取得一定的研究成果；在教學(xué)崗位上，擔(dān)任過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)倉庫等課程的主講教師，對該領(lǐng)域比較熟悉，指導(dǎo)起來得心應(yīng)手。與此同時，課題組還有一批具有豐富教學(xué)、科研經(jīng)驗的老師，可以群策群力，共同提供有意義的指導(dǎo)和幫助。

1.3 確定課題，制定項目訓(xùn)練目標(biāo)和研究內(nèi)容

綜上，經(jīng)過多次研討，本項目組選擇“基于車載視頻的多標(biāo)記分類方法研究及應(yīng)用”作為課題。此選題既緊跟當(dāng)前熱點，具有實際意義；又是指導(dǎo)老師熟悉的領(lǐng)域，具有一定難度，起到對學(xué)生的鍛煉效果。確定完選題后，項目組一起制定了項目的訓(xùn)練目標(biāo)和研究內(nèi)容如圖1。

項目對汽車上通過視覺傳感器獲得的高維流式數(shù)據(jù)，即車載視頻，采用大數(shù)據(jù)和機器學(xué)習(xí)的方法對其進行分析，得到周圍環(huán)境信息。通過數(shù)據(jù)采集、圖像預(yù)處理技術(shù)、降維算法、聚類算法、多標(biāo)記分類算法對數(shù)據(jù)進行處理，并利用一些數(shù)據(jù)源進行實驗與測試，達到訓(xùn)練目標(biāo)。通過試驗，選擇適合高維流式數(shù)據(jù)集的降維算法，對提取到的高維數(shù)據(jù)進行降維。利用聚類算法將訓(xùn)練數(shù)據(jù)集分為若干個聚類中心、引入最近鄰距離權(quán)重來對算法進行改進。通過將特征提取、降維算法、聚類算法和改進的多標(biāo)記近鄰算法進行結(jié)合，達到算法時間復(fù)雜度降低和算法性能提升的雙重目的。

2 團隊協(xié)作、成功保障

大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練項目的開展，對于培養(yǎng)大學(xué)生的團隊協(xié)作精神，是重要的途徑和方式[4]。項目立項后，指導(dǎo)老師組建了由南京師范大學(xué)計算機專業(yè)一名碩士研究生與三名本科生構(gòu)成的團隊。該四名成員勤奮好學(xué)、具有強烈的求知欲。在學(xué)習(xí)的過程中，即使遇到困難，也不會輕易放棄，而是用心鉆研、刻苦研究，相信自己可以克服一切困難。與此同時，研究生的加入，也給這個團隊帶來不一樣的感受。研究生相較于本科生而言，知識更加豐富，可以在技術(shù)層面給予本科生指導(dǎo)；心智更加成熟，在遇到挫折想要放棄時可以鼓勵大家重新振作起來；學(xué)習(xí)能力更強，在項目遇到瓶頸時可以更快地找到解決問題的方法。除此之外，與教師相比，研究生與本科生之間的距離感更近，平時的溝通交流會更加輕松。該團隊在研究生的帶領(lǐng)下，定期與指導(dǎo)教師組織討論班，匯報進展，及時總結(jié)歸納，逐步培養(yǎng)完成創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的能力。

2.1 成員各有所長

本團隊隊長曾多次獲得獎學(xué)金，成績優(yōu)異，動手能力強，具有一定的數(shù)據(jù)分析、處理和編程的能力。在日常工作中認(rèn)真負責(zé)、踏實能干，具有良好的領(lǐng)導(dǎo)能力、管理能力、協(xié)調(diào)能力和溝通能力，很好地保證了該團隊的凝聚力。其余三名成員也都成績優(yōu)秀，均獲得過學(xué)院獎學(xué)金，有較好的自主學(xué)習(xí)能力與較高的求知欲。大家各有所長，有人程序設(shè)計能力出眾，有人論文撰寫有條理，大家都可以很好地服從隊長的安排，做到為團隊無私奉獻。

在計算機學(xué)院近兩年的時間里，團隊成員學(xué)習(xí)了C 語言、Java、C#、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)挖掘等課程，具有一定的數(shù)據(jù)分析與處理能力以及程序設(shè)計的能力，在本次的創(chuàng)新項目中，他們利用所學(xué)的知識，在老師的指導(dǎo)下，完成創(chuàng)新訓(xùn)練任務(wù)。

2.2 團隊融合協(xié)作

團隊各成員除了具有扎實的專業(yè)功底，在平時的學(xué)習(xí)過程中善于通過團隊協(xié)作發(fā)現(xiàn)問題、探討問題、尋找解決問題的方法，并且定期對學(xué)習(xí)的內(nèi)容進行總結(jié)，不斷地提升自我和團隊合作經(jīng)驗。經(jīng)過近兩年的專業(yè)學(xué)習(xí)和合作，具備了完成創(chuàng)新項目的知識儲備。同時，根據(jù)每位成員各自的優(yōu)勢，進行配合協(xié)作、思想碰撞，因而具有強烈的創(chuàng)新激情和創(chuàng)新意識。團隊成員除了學(xué)習(xí)專業(yè)的知識外，還通過期刊、網(wǎng)絡(luò)了解新的技術(shù)和思想，并且有自己的思考，在不斷的積累中具備了自我創(chuàng)新的能力。

3 授之以漁、收益長遠

本次創(chuàng)新訓(xùn)練項目有一定的難度，學(xué)生們開始有畏難情緒，希望老師做。該項目與指導(dǎo)教師研究的領(lǐng)域一致，做出這個項目，對教師不是難事，但這就失去了大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練項目的意義了。是授之以魚，還是授之以漁，這也是項目訓(xùn)練的目的所在。教師在項目指導(dǎo)過程中，堅持要求學(xué)生自己做，當(dāng)學(xué)生遇到困難時，給予更多的指導(dǎo)，及時解決問題。具體做法有：

3.1 持之以恒、毫不松懈

項目組堅持每周一次召開討論例會，匯報項目進展情況，討論重點難點。遇到困難，教師幫助解決。

3.2 學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)

要提高大學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新實踐能力，激發(fā)創(chuàng)新思維和創(chuàng)新潛能，培養(yǎng)他們的團隊協(xié)作精神[5]。大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練項目是主要的手段和載體。訓(xùn)練中，活動的主體是學(xué)生，老師起到輔助指導(dǎo)作用。在創(chuàng)新項目進行過程中，教師可以分以下階段進行指導(dǎo)：

1)頭腦風(fēng)暴：項目開展前期是探求項目創(chuàng)新點，采用討論會頭腦風(fēng)暴的方式，每個人發(fā)言，相互啟發(fā)，找到創(chuàng)新點。

2)調(diào)研學(xué)習(xí)：剛開始，學(xué)生的英文閱讀水平不高，有畏難情緒，希望只閱讀中文參考資料。這種情況下，教師對學(xué)生說明英文資料的重要性，堅持要求學(xué)生閱讀英文資料。項目開始前期，要求每周每人閱讀一篇，討論會上相互交流。很快學(xué)生嘗到了甜頭，英文閱讀水平也大大提高。

3)建模設(shè)計：這一階段是項目的重點和難點，此時教師的指導(dǎo)尤為重要了。教師結(jié)合自己的科研課題給學(xué)生列舉案例，引導(dǎo)學(xué)生思考，自主想出解決辦法。

4)代碼編寫：這一階段鼓勵學(xué)生多動手嘗試，努力提高學(xué)生動手能力和實驗技能。

4 合理安排時間、學(xué)習(xí)科研兩不誤

大三計算機軟件工程專業(yè)的學(xué)生，正是專業(yè)課較多的時期，課業(yè)較重，學(xué)生每周要上大量課程。為了不耽誤學(xué)生的學(xué)業(yè)，實踐創(chuàng)新活動制定出項目進度表和人員分工表，做項目的大部分時間是利用課外、周末和假期，討論例會則放在每周四晚上。指導(dǎo)教師住在校內(nèi)，隨時可以和學(xué)生見面指導(dǎo)。隨著項目的深入進行，大大提高了學(xué)生的自學(xué)能力，鍛煉了其查找和閱讀英文資料的能力、數(shù)學(xué)建模和算法設(shè)計的能力，以及編寫調(diào)試程序的能力，這些能力也極大地幫助了他們課業(yè)的學(xué)習(xí)，提高了成績，使得學(xué)習(xí)和項目兩不誤。

經(jīng)過一年時間師生的共同努力，該項目歷經(jīng)立項、文獻閱讀、調(diào)查研究到數(shù)學(xué)建模、算法設(shè)計、程序編制及測試等一系列環(huán)節(jié)，完成了中期檢查以及項目結(jié)題報告。項目取得如下的成果：

1)對車載視頻進行預(yù)處理，并對圖像狀態(tài)設(shè)置標(biāo)簽，得到特征數(shù)據(jù)集；

2)在保持原始數(shù)據(jù)有效信息不丟失的前提下，對特征數(shù)據(jù)集進行降維，盡可能降低冗余；

3)采用聚類算法對訓(xùn)練集數(shù)據(jù)進行聚類，把訓(xùn)練集分成若干類，每個類的數(shù)據(jù)最大程度地相似；

4)在前期研究成果的基礎(chǔ)上，針對流式數(shù)據(jù)的特點，對A Lazy Learning Approach to Multi-Label Learning(ML-KNN)[6]算法進行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化改造，以提高算法效率并應(yīng)用于我們前面生成的數(shù)據(jù)集；

5)根據(jù)數(shù)據(jù)集運行結(jié)果分析道路前方情況以及周圍環(huán)境。

目前，項目已經(jīng)順利結(jié)題，實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，充分達到了訓(xùn)練目的。

5 結(jié)束語

通過大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練項目訓(xùn)練，大大提高大學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、科研能力、協(xié)作能力和組織能力，實踐證明是卓有成效的[7]。同時，指導(dǎo)工作也提升了教師的教學(xué)理念和教學(xué)能力，教師不再是上課講課、下課走人，教師在與學(xué)生的交流、研討中促進彼此共同成長，同時也拉近了師生之間的距離，取得教學(xué)相長、師生“共贏”的效果。