科教融合協同創新育人模式探索與實踐——以“機器學習”課程為例

叢山，鮑佩華，苑碩，葉秀芬，梁洪，高峰，劉廠,3，于強，姚曉輝

（1.哈爾濱工程大學 智能科學與工程學院，黑龍江哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學 青島創新發展基地，山東青島 266500；3.青島哈船海智科技有限責任公司，山東青島 266404）

研究生教育是高層次創新型人才培養的重要途徑[1]，以人工智能技術為核心正在進行新一輪的科技革命，在這種環境下，建設具有中國特色的世界一流高等學校，必須根據國家和社會發展需要，積極探索研究生人才培養的新模式，同時也要解決好“為誰培養人”這個教育的首要問題。“科教融合”作為一種能夠使科研與教學實現良性互動的人才培養模式，要將其融入當前國內高校的研究生教育體系之中，將科研與教學、理論和實踐結合在一起，通過培養學生的分析能力、創新能力、批判思維能力以及解決實際問題的能力，將學生培養成國家和社會需要的高水平研究型人才。

1 科教融合在教育領域的應用

19世紀，德國教育學家洪堡（Wilhelm Humboldt）在德國教育界提出“教學與科研相統一”的原則，“科教融合”由此誕生[2]。美國將“洪堡理論”應用于高等教育之中，設計出了如校企聯合研究所、商業實驗室等科教融合體制，使培養出來的學生更加符合產業發展的要求，創新能力、科研能力、科研素養均有明顯提升，大大促進了美國科學研究的發展，使美國的高等教育和科技創新領先世界[3]。國內高校雖然相對起步較晚，但也對科教融合的育人模式進行了積極的探索，近年來逐漸應用到本科生的教育改革中。明付仁等以“船舶與海洋工程結構力學”課程為核心，對“理論教學—應用實踐—吸收反哺”的科教融合培養模式進行了實踐，取得了良好的效果[4]。張富強針等對當今智能制造行業的轉型升級現狀，對科教融合模式下的機械設計制造及其自動化專業培養方案所出現的問題提出了對策和建議[5]。黎朝等對以科教融合模式建設國家一流化學專業進行了探索，提出了將學校的科研實力轉化為教學實力的主要舉措和成就，并提出了下一步建設和改革的主要規劃[6]。以上研究成果表明，可以從課程體系建設、師資隊伍配置、實訓平臺設置、創新創業保障等方面來建設本科生的科教融合教學體系，本文將根據以上已有成果，對人工智能技術快速發展的國際視域下的研究生科教融合培養模式進行探索，并通過“機器學習”課程對研究生的科教融合培養模式進行實踐，摸索出一套適合研究生的科教融合教育培養體系，使高校的教學產出與科研產出同時向世界一流水平邁進，為學校的“三海一核”與“雙一流”建設提供人才培養方案。

2 科教融合下的課程改革探索

2.1 “機器學習”課程性質與特點

在當今學術界，前沿學科的重大成果創新和突破，大多是學科融合交叉的結果，故研究生的培養方案需要充分考慮跨學科教學體系[7]。“機器學習”課程是一門涉及概率論、統計學、凸分析、計算復雜性理論等多門學科的課程，目前已廣泛應用于數據挖掘、計算機視覺、自然語言處理、生物特征識別、搜索引擎、醫學診斷等交叉融合領域。“機器學習”課程涉及多個交叉研究領域的核心學科和關鍵技術，哈爾濱工程大學青島創新發展基地具有良好基礎并具有鮮明行業特色優勢的研究方向，打通學科之間的屏障，以學校“一流學科”船舶與海洋工程為核心，推動人工智能與海洋、船舶、化工、材料、信息與通信工程等專業之間的交叉融合，為我校的“三海一核”特色學科群建設提供具有交叉學科背景的人才保障，助力學校的“三海一核”事業在新一輪科技革命的變局之中開新局，在快速發展的智能時代開辟新的天地。

2.2 研究生課程改革的探索與實踐

基于研究生的培養需求，要對跨學科課程體系的建設進行合理的安排[8]。（1）當前高校的研究生教育中存在“重科研，輕教育”的問題，無法將已有的科研成果及時融入研究生的教育中，造成科研與教學相脫離的狀況。要改變這一現狀，同時要在課程中引導學生樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀，增強愛國主義主義教育，解決“為誰培養人”的問題。（2）目前的研究生教育，還是以滿足學科需要為目的進行的傳統教學為主，而隨著新一輪科技革命的到來，教育的重心轉移到培養具有科研操作能力和創新能力的高素質領軍人才，基于此就需要解決創新實訓與課堂教學相脫離的問題。（3）“工業4.0”時代是學術界和工業界緊密結合的時代，工業界的科技發展在某些方面引領了學術界的研究方向。這就要求研究生的課堂教學必須緊扣工業發展前沿，讓培養出的科技創新人才時刻保持對前沿方向的敏銳嗅覺。為解決以上三個問題，本門課程的教學將以科教融合為驅動，在教學內容上從以下幾個方面進行探索研究（如圖1所示）。

圖1 科教融合協同創新模式

2.2.1 制定個性化學生培養方案，推進科研與教學相結合

課程以哈爾濱工程大學青島創新發展基地所開設的海洋科學、光學工程、材料科學與工程、動力工程及工程熱物理、信息與通信工程、控制科學與工程等特色學科為基礎，以“機器學習”課程為橋梁，整合各學科優勢資源，推進學科間交叉融合，對提高研究生的科研與創新能力，培養研究生的團隊協作精神具有重要意義，為學校“三海一核”特色學科群建設提供個性化的人才培養方案。具體而言，研究生的個性化培養方案將從以下幾個方面進行探索：

第一，開展跨學科項目式教學。利用青島創新發展基地本身具有多學科背景的師資隊伍與研究團隊的優勢，打破傳統高校中的學院建制，邀請不同研究方向的教師為具有不同專業學科背景的學生設置兩個或多個學科之間的跨學科項目，如“機器學習+腦認知”“機器學習+船舶導航”“機器學習+水下無人船智能控制”“機器學習+大數據處理”“機器學習+水下通信”等項目。以此類項目作為課程的一項考核內容，既能讓研究生學習到“機器學習”課程的內容，又能使其進一步掌握本專業領域的核心知識，最終提高其跨學科實踐能力，讓學生在以后面臨專業問題時，能從更廣闊的學科視野來分析解決問題。第二，鼓勵研究生制定學習計劃。學生的自主學習能力培養是提升學生學習興趣的重要環節，考慮到不同學科專業之間的研究生知識基礎不同，即使是相同專業的研究生也可能具有不同本科學習背景。任課教師可以建議學生根據自己已有的知識和能力以及感興趣的研究方向，設立學習目標和制定學習計劃，教師對學生制定的學習計劃和學習目標進行指導，并在課程結束時對學生的學習計劃完成情況進行評價。第三，跨學科前沿視野擴展及思政教育。“機器學習”這門課程注重數學模型的建立、算法的改進與應用，對學生的數學基礎要求較高，而且課程的教學過程也較為枯燥。因此課堂上的教學內容不僅要從機器學習的基本概念、算法邏輯的基本原理等方面進行設置，也要注重將課程思政與學科前沿視野拓展結合，在講授前沿方向的同時做好思政教育。在課程中講授老一輩“哈軍工”人艱苦創業，克服重重困難，研制出我國第一臺晶體管計算機的光榮歷史，以及老一輩科學家在科研工作和國家重大工程研究中的愛國情懷，不僅可以讓學生加深對課程的理解，還可以傳承“哈軍工”精神，增強愛國之心。同時，邀請校內外相關領域的專家學者講述科研歷程、研究成果和最新的研究方向，不僅可以對學生進行生動的思政教育，也能讓學生掌握科研前沿動態，享受學習的過程，拓寬國際視野，豐富知識儲備，并且鼓勵學生大膽思考，積極提出問題、分析問題和解決問題，將學生培養成為具有解決實際問題能力的社會主義建設者和接班人。

2.2.2 開放交流啟發式課堂模式，推進創新實訓與教學相結合

在國際視域背景下的研究生培養，不僅要求研究生要有專業知識能力、實踐能力，還要有服務社會發展需求的科技創新能力。“機器學習”課程要求學生對知識的應用能力較強，教學重點并不局限于課本上所羅列的各種算法公式，更重要的是學生邏輯思維的培養以及應用算法公式解決實際問題能力的培養。（1）在課堂教學中，對于課程中的重點難點，鼓勵學生與教師進行互動問答，思考所學知識內容的應用領域，培養學生主動發現問題、提出問題的能力。（2）組建科研小組，讓各小組采用不同的機器學習算法模型去處理實際問題，將研究成果在課堂上進行分享，對比不同算法在處理問題上的優勢與劣勢，并提出改進建議，在此過程中培養學生多維思維解決問題的能力，使學生不僅對課程內容掌握得更加深刻，更訓練學生解決實際問題的實踐能力。（3）通過已有的機器學習相關的企業項目或科研項目，引領學生參與研究方案設計、科研信息收集、數據處理分析、結果驗證評估全過程，通過正確的方法提升學生的知識創新能力。

2.2.3 建立多源聯合指導教學機制，推進專業前沿認識與教學相結合

在傳統的高校教學模式中，授課教師自身的知識水平與綜合素質對教學質量起到決定性作用，而由于“機器學習”等新興技術知識更迭速度快、技術創新幅度大等特點，以及多數授課教師與工業界前沿領域聯系不足等原因，容易導致教學過程中的思路理念及方法落后，這會對研究生創新能力的培養造成影響。在“機器學習”課程中，將會針對我校專業特色，邀請國內外知名科技公司中科研一線的學者和工程師講授前沿的科技動態和技術手段，在人工智能領域為學生進行理論知識和實踐操作的指導。同時，改革傳統的課堂教學模式，采用更適合科教融合創新的“互聯網+教學”課堂模式，校外導師通過“騰訊會議”“釘釘”等網絡平臺對研究生進行長期長效指導，開展創新訓練、職業規劃、生活關懷等一系列工作，確保科教融合協同育人指導方式的科學性、指導效果的長效性，最終打破科學、技術和教學之間的屏障，使學生的知識擴展能力、創新能力增強，成為與國內產業發展需求相契合的復合型創新人才。

3 結語

在人工智能時代，針對當前國際視域下的人才需求進行教學改革，建設具有中國特色的高等教育體系勢在必行。如何結合學校的“三海一核”優勢學科和“雙一流”建設，圍繞國家需求和行業發展趨勢，培養能夠解決科技發展中技術難題的領軍人才是我們目前面對的挑戰。本文對當前研究生的培養模式進行了剖析，將科教融合和以“機器學習”為核心的跨學科人才培養體系引入研究生培養方案的探索中，從個性化培養、課堂模式、多源聯合指導等方面進行了探索，以理論教學為基礎，以創新實踐為過程，以獲得解決實際問題的能力為目標，輔以專業前沿的視野拓展，凝練出一套符合社會需求的研究生培養體系。但隨著行業國際前沿方向的不斷變化，研究生培養方案需要不斷推陳出新，才能更好地助力中國特色世界一流大學建設，打造“三海一核”行業特色人才培養高地。