新工科背景下融合学科竞赛的毕业设计实践教学模式

在新工科对人才质量提出全新要求的时代背景下，人才培养要以适应产业发展新要求的综合能力素质为目标，工程学科与基础学科结合、工科思维和人文精神交融，“融合”和“创新”已经成为新工科人才新能力的高频关键词^[1]。计算机与其他学科交叉融合，形成“互联网 +”的新专业，未来各行各业的发展也会越来越多地融合人工智能、大数据等新技术^[2]，如土木及建筑工程里越来越多地用到了人工智能技术（如基于桥梁震动频率数据预测桥梁健康程度、基于天气等数据预测楼宇能耗等）。这些变化对未来新工科工程师的培养提出了新要求，也必然引发计算机专业教育的优化与变革。同时，计算机科学与技术专业具有的技术快速演化和系统形态多极等特性，也要求使计算机专业教育必须适应智能时代特征，才能更好地培养新时代计算机创新人才。

在我国工程教育专业认证的背景下，新工科教育聚焦培养未来多元化、创新型卓越工程人才的终极目标，确定了以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径的建设内涵^[3-4]。工程教育专业认证标准对毕业设计（论文）提出了选题要结合专业工程实际问题、注重培养学生的实践和创新能力、制定检查保障机制等明确要求^[5]。以北京工业大学信息学部计算机学院（以下简称“本院”）毕业设计为例，传统是由教师立题、学生选择，后续通过一般指导来完成毕业设计的方式；毕业设计总时长约 26 周，包括秋季学期后 8 周以及春季学期 18 周，期间跨越寒假，实施结点和流程如图 1 所示。

本院每年都有上百名学生进行毕业设计，毕业设计要求题目不能重复，必须一人一题。随着近年来人工智能和大数据处理技术的热潮，学院面向大数据和人工智能的毕业设计课题也越来越多，如软件与理论系 2022 年共指导 74 名本科生毕业设计，经过统计和粗略分类，课题涉及内容的分布情况如图 2 所示。

从图 2 可以看出，毕业设计课题中人工智能方向占据绝大部分，但分析具体题目和结合最终答辩的情况来看，还存在诸多需要进一步改进的问题。①经过多年的毕业设计工作，再加上教师科研课题不足以覆盖毕业设计的全部选题，造成选题很难有突破：有些题目是学生或教师设想出来的，缺乏实际应用价值，与实际应用脱节，目标不明确、缺少创新；有些课题知识陈旧，实际中存在与往年课题简单重复的现象。②对于大部分深度学习相关课题而言，虽然这些课题的应用方向有所不同，但论文总体上同质化严重，绝大部分论文都是选取该领域最新（鉴于教师和学生文献阅读范围有限，该处“最新”限于教师和学生认知范围内）的深度学习算法，通过将该算法进行应用和实验，并与一些较为陈旧的算法进行对比来证明该算法的有效性和实用性。这些把基础研究发现的新理论、新方法应用于特定目标的研究课题，有一定的实际意义和应用价值，但总体还是跟踪模仿式的套路。

此外，在毕业设计过程中，还存在一些普遍性的问题。①比如在热门的机器学习 / 大数据方向，首先，这些工作一个很大的问题是没有海量的真实数据，很多时候获取数据的成本极高（基于一些公开的数据集所做出的实验通常也不能满足实际应用的需求）；其次，这些研究需要极高的算力资源，对于学院毕业设计指导教师和实验室而言，有限的算力资源优先满足研究生的需求，难以保障本科毕业设计的需求。②很多学生按照课题要求通过看视频、看书和在线课程等方式学习机器学习 / 数据科学相关的知识，诚然这是一种不可或缺的学习方式，这种典型的输入型学习模式有利于在毕业设计初期快速掌握必要的知识，但由于缺乏对这些知识的应用和深入理解，且没有实际数据以及良好的算力资源，无法验证所设计的模型，毕业设计局限于模仿式的套路，工作缺乏成就感，还会让人产生疲惫感和厌倦感，无法长期保持高效的学习状态。

可见这些问题很大程度上影响了毕业设计的质量，没有达到提高学生创新能力和锻炼综合应用能力的预期。

随着高校办学思维的开放，逐渐出现了各式各样的学科创新竞赛，这些竞赛活动的出现极大弥补高校实践教育的短板，有效地锻炼和培养学生理论联系实际的能力、团队合作能力、自学能力和创新能力^[6-8]。学科竞赛在内容、设计与完成方面的优势，可以弥补传统毕业设计模式的不足,成为突破现行实践教学体系和人才培养方式、培养创新型高素质人才的有效途径。新工科建设的“北京指南”详细描述了人才培养的具体实施措施，将“完善多主体协同育人机制”“深入推进产学融合、校企合作”作为模式创新的重要途径。由于部分学科竞赛是由企业结合自身需求命题，一方面，参加该类型的学科竞赛，并将该过程和毕业设计工作相结合，是一种新的符合新工科建设的产学融合、校企合作方式；另一方面，通过竞赛，企业能够间接参与到毕业设计实践教学过程中，也衍生出一种新的实践教学模式。该教学模式的教学目标为：通过毕业设计使得学生能够归纳、掌握、完成竞赛任务所涉及的基本理论和算法，并通过任务实践了解重点难点的知识和方法，成为具备创新能力和工程能力的新工科人才。

该教学模式的实施是以完成竞赛项目任务为主线、以解决问题为导向的输出式学习方式，是探究复杂真实问题、精心设计竞赛项目方案、规划实施项目任务的过程。在这个过程中，教师通过监督和启发、引导式教学促进学生在掌握完成任务所需的知识和技能的同时，能够运用所掌握的知识进行对比和分析，高质量地完成赛事任务并总结和分析，完成毕业设计^[10]。在学科竞赛与毕业设计融合的过程中，如何在有限的时间内，给学生定制综合性多样化的实践题目，并按时完成任务、撰写论文和答辩是一个重要内容。需要考虑如下问题：①竞赛的日程是否能够配合毕业设计的教学安排，实现竞赛任务和毕业设计过程的无缝融合，并将竞赛内容穿插到毕业设计课题中；②在竞赛过程中，如何有针对性地强化毕业设计过程的管理和监管，把需要团结合作完成的竞赛任务与个人完成的毕业设计任务统一。

在本院开展的“瞄准时代需求，以服务智慧北京为目标的计算机专业改革”建设中，正在构建覆盖人才培养全过程的校企协同育人教学体系，学科竞赛和毕业设计是其中的两个重要必须环节^[9]。其中，对学科竞赛的教育目标是“通过鼓励学生参加多种学科竞赛，解决企业设置的相关技术问题，主要培养学生针对问题的创新求解能力、团队合作能力和交流沟通能力，同时通过竞赛开阔学生的视野”。对毕业设计的教育目标是“通过参加企业的实际课题，重点培养学生针对复杂系统问题进行求解的学习能力、研究创新能力、系统设计和实施能力，以及在此过程中需要表现的社会责任、工程伦理、人文素养、环境意识、国际视野、奋斗精神等”。为了使本科毕业设计更好地满足本院计算机科学与技术专业毕业要求和育人目标，提高本科毕业论文(设计) 的质量，致力于培养未来新兴产业和新经济需要的具有创新意识和创新思维的复合型新工科人才，本院依托学科竞赛，建立学科竞赛的引导机制，融入学生的创新能力培养体系，以提升学生的理论和实践创新能力。

为了使毕业设计任务的选择、设计、实施、评估的全过程中都有明确的校企协同育人目标指向，根据学科竞赛的研究内容是否涉及计算机专业领域的最新技术、学科竞赛所要解决的问题是否与工程实际问题密切相关、竞赛的日程是否能够结合毕业设计进度等问题，在实践中选择了数字中国创新大赛作为案例，探索本院协同教学体系中毕业设计的教学改革。数字中国创新大赛设置了数字党建、数字政府、大数据、智慧医疗、鲲鹏计算、网络安全、集成电路、青少年 AI 机器人 8 个赛道，围绕党建、政务、医疗数字化、大数据、信息技术应用创新、网络安全、集成电路等领域设置多个热点赛题进行比赛。大赛紧密结合计算机专业的社会需求和创新意识，并由国家超级计算济南中心山河计算集群提供完备的 GPU 计算资源，是开展毕业设计的教学实践改革的一个很好的平台。

3.1 竞赛与毕业设计的进度融合

在 2022 年度的数字中国创新大赛中，其大数据赛道“智慧海洋子赛道”有海上船舶目标检测赛题，出题单位为国家对地观测科学数据中心。赛事任务以卫星合成孔径雷达( SAR )数据为研究对象，以训练数据集中船舶和相应垂直边框信息为学习依据，要求参赛者对测试数据集中的船舶进行检测，求解出船舶对应垂直边框，其赛事时间安排见表 1。

从表 1 看出，该赛事的时间安排除了在教师命题和选题阶段有所滞后外，其他日程和毕业设计进度中实验过程的安排相近。在完成竞赛后，学生也基本进入毕业论文写作阶段，与毕业设计进度基本一致。根据该项日程，教师在 1 月初对已发布的具有相近技术内容的毕业设计课题进行了题目和内容的修正，并调整了给学生发布的任务。在此期间，开始毕业设计的学生已经在着手目标检测方面知识的学习，也向主办方申请了免费的 CPU/GPU 计算资源，解决了实验室计算资源不足的问题。结合该日程，将中期考核定在赛事结束阶段，毕业设计论文的撰写与答辩进度按照原有制定的进度进行。

3.2 结合竞赛内容的毕业设计过程实施

显然本次赛题是一个目标检测的问题，根据赛题的内容，教师首先确立了算法设计的 4 个重要阶段：①数据预处理和数据变换；②超参数训练与基础模型构建；③推理方案设计；④结果后处理。根据这个设计主线，在赛事启动时间段，教师安排准备毕业设计的学生自学总结了图像目标检测的各种方法和分类，并根据数据预处理和增强、算法设计、调试工作及结果处理安排了任务分工。初赛阶段，是毕业设计实验部分开展最重要的时间段，也是培养学生创新能力、表达能力和协作能力最重要的阶段。在此期间，根据该项赛事任务的特点，让学生组织了以“SAR 的成像原理与光学相机存在很大的差别，如何将针对普通图像的机器学习方法应用于 SAR 数据”为主题内容的讨论。学生根据实际实验中出现的问题，在算法设计数据预处理阶段提出了“遥感图像分辨率巨大，如何快速在巨大图像中检测小目标”“如何解决大部分舰船被云雾所遮挡”等实际问题，显示学生探索求知欲的积极性得到了充分激发。

在晋级资格时间段和决赛阶段，虽然准备毕业设计的学生没有进入决赛，但根据对比公开的参赛队伍的指标，通过观察提交结果、现象分析，以“探索存在的问题和研究算法改进”为主题组织学生讨论、总结，启发学生进一步完善代码、优化模型。学生经过思考和准备，针对算法设计中的第二、三阶段的优化设计问题，在讨论中提出了“改进 ROI 池化层来获得不同方向舰船目标的精度”“通过加入注意力机制和特征融合策略来改进巨大图像中小目标检测”的方案，不但很有效果，对教师也有很大的启发，交流和沟通讨论起到了应有的效果。多次的交流和讨论，也培养了学生的表达能力。比赛结束，毕业设计的中期检查也开始进行，安排学生对整个竞赛期间的收获进行了总结。这些丰富的经验积累为学生应对中期检查提供了信心，也为完成毕业论文和毕业答辩打下了坚实的基础。

在整个结合创新竞赛的毕业设计过程中，在毕业设计的管理和监管上，按照竞赛时间节点和任务组织学生定期进行交流和讨论，客观上强化了毕业设计过程的全过程管理和监控。

对教师而言，这种结合竞赛的毕业设计模式减轻了教师所需资源的压力，缓解指导教师因短时间内指导多名学生导致精力不足的问题，也拓宽了教师的科研视野和思路。

对学生而言，培养了学生的工程思维能力、解决复杂工程问题的能力和综合能力，激发了学生的创新意识，拓宽了学生的知识面和视野，锻炼了学生的自主学习能力、心理素质和团队协作意识。学生均表现出很强的学习热情，学习主动性明显增强，毕业设计积极性显著提高，学生的团队合作意识、实践能力、表达能力和创新思维均得到了提高。学生在最后的毕业论文评阅和答辩时均取得了教师的认可，学生论文评阅成绩和答辩均获得优秀的评价并获得本院的优秀本科毕业论文。学生表示在找工作过程中，本次毕业设计的经历也起到了极大的帮助。

新工科建设对人才的新能力及其培养路径提出了新要求，不仅要求毕业生具备坚实的基础理论、专业知识，还要求具备良好的学科和工程素养，能够针对复杂计算系统的实施方案进行创新求解^[10]。通过将学科竞赛与毕业论文（设计）进行有机融合的尝试，提高了毕业设计的整体质量，也完善了本院计算机类专业正在推动的校企协同育人教学体系，为本院构建新时期面向新工科的计算机类专业人才培养创新模型提供了有价值的参考依据。