大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目指導(dǎo)的探索與實(shí)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(jì)算機(jī)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(jì)劃項(xiàng)目，是教育部實(shí)施的國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃。教育部決定通過實(shí)施國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃，促進(jìn)高等學(xué)校轉(zhuǎn)變教育思想觀念，改革人才培養(yǎng)模式，強(qiáng)化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力訓(xùn)練，增強(qiáng)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(guó)家建設(shè)需要的高水平創(chuàng)新人才。為此，全國(guó)各地院校每年積極響應(yīng)教育部號(hào)召，認(rèn)真落實(shí)，紛紛啟動(dòng)省級(jí)、國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃。從二級(jí)學(xué)院到學(xué)校層面、再到省、國(guó)家層面進(jìn)行層層選拔和培育，其目的就是為了進(jìn)一步培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)、提高創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、推進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐的有效開展，鼓勵(lì)和支持學(xué)生積極參與科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)和社會(huì)實(shí)踐等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)，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(jìn)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(shí)踐訓(xùn)練活動(dòng)，讓學(xué)生參與到項(xiàng)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(xiàn)。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(shí)，需要分析不同觀點(diǎn)，包括介紹自己的科研工作、科研進(jìn)展和體會(huì)貢獻(xiàn)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(shí)、觀點(diǎn)、理論方法佐證的完美案例；能把自己的貢獻(xiàn)納入課程內(nèi)容，讓自己的教學(xué)實(shí)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(shí)、評(píng)估知識(shí)、創(chuàng)新知識(shí)等。

本文作者指導(dǎo)了計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐訓(xùn)練項(xiàng)目，在訓(xùn)練學(xué)生創(chuàng)新思維的同時(shí)，教師自身的教學(xué)能力也得到了提升。本文是對(duì)指導(dǎo)創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目工作的探索和實(shí)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(gè)好課題，做到事半功倍，是創(chuàng)新項(xiàng)目能否順利開展及完成的關(guān)鍵。在創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目的選題上，我們有以下幾點(diǎn)做法。

1.1 緊跟熱點(diǎn)，尋找有社會(huì)需求的課題

對(duì)于初次接觸創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃的學(xué)生而言，選題也并不是一項(xiàng)輕松的任務(wù)。如果選擇的題目過大或者過難，往往會(huì)大大地打擊到學(xué)生的積極性，導(dǎo)致項(xiàng)目的失敗；反之，選題過于簡(jiǎn)單，又不能有效地鍛煉學(xué)生的科研創(chuàng)新能力，達(dá)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(gè)難易適度的題目，既要保證項(xiàng)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(xiàng)目的選題上，我們認(rèn)為可以從社會(huì)需求出發(fā)，聚焦熱點(diǎn)、關(guān)注一些國(guó)計(jì)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(shí)代轉(zhuǎn)型[1]。在此背景下，大數(shù)據(jù)處理和機(jī)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(shí)，智能手機(jī)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(duì)自動(dòng)駕駛安全問題的高度關(guān)注。對(duì)于這一復(fù)雜場(chǎng)景，如何從車輛視頻中的海量特征中進(jìn)行全面的信息挖掘是一個(gè)重要挑戰(zhàn)[2]。由此，結(jié)合大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展和自動(dòng)駕駛的安全問題，我們就確定了一個(gè)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(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，沒有經(jīng)驗(yàn)、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(duì)于順利完成項(xiàng)目至關(guān)重要[3]。作為該項(xiàng)目的指導(dǎo)教師，本人主要研究方向?yàn)闄C(jī)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(diǎn)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(cāng)庫(kù)等課程的主講教師，對(duì)該領(lǐng)域比較熟悉，指導(dǎo)起來得心應(yīng)手。與此同時(shí)，課題組還有一批具有豐富教學(xué)、科研經(jīng)驗(yàn)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(xiàng)目訓(xùn)練目標(biāo)和研究?jī)?nèi)容

綜上，經(jīng)過多次研討，本項(xiàng)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(diǎn)，具有實(shí)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(duì)學(xué)生的鍛煉效果。確定完選題后，項(xiàng)目組一起制定了項(xiàng)目的訓(xùn)練目標(biāo)和研究?jī)?nèi)容如圖1。

項(xiàng)目對(duì)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(jī)器學(xué)習(xí)的方法對(duì)其進(jìn)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并利用一些數(shù)據(jù)源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與測(cè)試，達(dá)到訓(xùn)練目標(biāo)。通過試驗(yàn)，選擇適合高維流式數(shù)據(jù)集的降維算法，對(duì)提取到的高維數(shù)據(jù)進(jìn)行降維。利用聚類算法將訓(xùn)練數(shù)據(jù)集分為若干個(gè)聚類中心、引入最近鄰距離權(quán)重來對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)。通過將特征提取、降維算法、聚類算法和改進(jìn)的多標(biāo)記近鄰算法進(jìn)行結(jié)合，達(dá)到算法時(shí)間復(fù)雜度降低和算法性能提升的雙重目的。

2 團(tuán)隊(duì)協(xié)作、成功保障

大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目的開展，對(duì)于培養(yǎng)大學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，是重要的途徑和方式[4]。項(xiàng)目立項(xiàng)后，指導(dǎo)老師組建了由南京師范大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)一名碩士研究生與三名本科生構(gòu)成的團(tuán)隊(duì)。該四名成員勤奮好學(xué)、具有強(qiáng)烈的求知欲。在學(xué)習(xí)的過程中，即使遇到困難，也不會(huì)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(shí)，研究生的加入，也給這個(gè)團(tuán)隊(duì)帶來不一樣的感受。研究生相較于本科生而言，知識(shí)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(shí)可以鼓勵(lì)大家重新振作起來；學(xué)習(xí)能力更強(qiáng)，在項(xiàng)目遇到瓶頸時(shí)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(shí)的溝通交流會(huì)更加輕松。該團(tuán)隊(duì)在研究生的帶領(lǐng)下，定期與指導(dǎo)教師組織討論班，匯報(bào)進(jìn)展，及時(shí)總結(jié)歸納，逐步培養(yǎng)完成創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的能力。

2.1 成員各有所長(zhǎng)

本團(tuán)隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)曾多次獲得獎(jiǎng)學(xué)金，成績(jī)優(yōu)異，動(dòng)手能力強(qiáng)，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(fù)責(zé)、踏實(shí)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(tuán)隊(duì)的凝聚力。其余三名成員也都成績(jī)優(yōu)秀，均獲得過學(xué)院獎(jiǎng)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(zhǎng)，有人程序設(shè)計(jì)能力出眾，有人論文撰寫有條理，大家都可以很好地服從隊(duì)長(zhǎng)的安排，做到為團(tuán)隊(duì)無私奉獻(xiàn)。

在計(jì)算機(jī)學(xué)院近兩年的時(shí)間里，團(tuán)隊(duì)成員學(xué)習(xí)了C 語(yǔ)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(jì)的能力，在本次的創(chuàng)新項(xiàng)目中，他們利用所學(xué)的知識(shí)，在老師的指導(dǎo)下，完成創(chuàng)新訓(xùn)練任務(wù)。

2.2 團(tuán)隊(duì)融合協(xié)作

團(tuán)隊(duì)各成員除了具有扎實(shí)的專業(yè)功底，在平時(shí)的學(xué)習(xí)過程中善于通過團(tuán)隊(duì)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(duì)學(xué)習(xí)的內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，不斷地提升自我和團(tuán)隊(duì)合作經(jīng)驗(yàn)。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(xiàng)目的知識(shí)儲(chǔ)備。同時(shí)，根據(jù)每位成員各自的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行配合協(xié)作、思想碰撞，因而具有強(qiáng)烈的創(chuàng)新激情和創(chuàng)新意識(shí)。團(tuán)隊(duì)成員除了學(xué)習(xí)專業(yè)的知識(shí)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(zhǎng)遠(yuǎn)

本次創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)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(xiàng)目與指導(dǎo)教師研究的領(lǐng)域一致，做出這個(gè)項(xiàng)目，對(duì)教師不是難事，但這就失去了大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目的意義了。是授之以魚，還是授之以漁，這也是項(xiàng)目訓(xùn)練的目的所在。教師在項(xiàng)目指導(dǎo)過程中，堅(jiān)持要求學(xué)生自己做，當(dāng)學(xué)生遇到困難時(shí)，給予更多的指導(dǎo)，及時(shí)解決問題。具體做法有：

3.1 持之以恒、毫不松懈

項(xiàng)目組堅(jiān)持每周一次召開討論例會(huì)，匯報(bào)項(xiàng)目進(jìn)展情況，討論重點(diǎn)難點(diǎn)。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(shí)踐能力，激發(fā)創(chuàng)新思維和創(chuàng)新潛能，培養(yǎng)他們的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神[5]。大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目是主要的手段和載體。訓(xùn)練中，活動(dòng)的主體是學(xué)生，老師起到輔助指導(dǎo)作用。在創(chuàng)新項(xiàng)目進(jìn)行過程中，教師可以分以下階段進(jìn)行指導(dǎo)：

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

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(duì)學(xué)生說明英文資料的重要性，堅(jiān)持要求學(xué)生閱讀英文資料。項(xiàng)目開始前期，要求每周每人閱讀一篇，討論會(huì)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(jì)：這一階段是項(xiàng)目的重點(diǎn)和難點(diǎn)，此時(shí)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(lì)學(xué)生多動(dòng)手嘗試，努力提高學(xué)生動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)技能。

4 合理安排時(shí)間、學(xué)習(xí)科研兩不誤

大三計(jì)算機(jī)軟件工程專業(yè)的學(xué)生，正是專業(yè)課較多的時(shí)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(shí)踐創(chuàng)新活動(dòng)制定出項(xiàng)目進(jìn)度表和人員分工表，做項(xiàng)目的大部分時(shí)間是利用課外、周末和假期，討論例會(huì)則放在每周四晚上。指導(dǎo)教師住在校內(nèi)，隨時(shí)可以和學(xué)生見面指導(dǎo)。隨著項(xiàng)目的深入進(jìn)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(jì)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(jī)，使得學(xué)習(xí)和項(xiàng)目?jī)刹徽`。

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

1)對(duì)車載視頻進(jìn)行預(yù)處理，并對(duì)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(duì)特征數(shù)據(jù)集進(jìn)行降維，盡可能降低冗余；

3)采用聚類算法對(duì)訓(xùn)練集數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，把訓(xùn)練集分成若干類，每個(gè)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(duì)流式數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，對(duì)A Lazy Learning Approach to Multi-Label Learning(ML-KNN)[6]算法進(jìn)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(yùn)行結(jié)果分析道路前方情況以及周圍環(huán)境。

目前，項(xiàng)目已經(jīng)順利結(jié)題，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，充分達(dá)到了訓(xùn)練目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)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(shí)踐證明是卓有成效的[7]。同時(shí)，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(jìn)彼此共同成長(zhǎng)，同時(shí)也拉近了師生之間的距離，取得教學(xué)相長(zhǎng)、師生“共贏”的效果。