大數(shù)據(jù)時代下計算機專業(yè)教學的探索

方昕

大數(shù)據(jù)時代下計算機專業(yè)教學的探索

方昕

大數(shù)據(jù)時代的到來引起了教育領(lǐng)域人士的關(guān)注，各高校逐步開始重視相關(guān)教學及研究。根據(jù)大數(shù)據(jù)概念及計算機學科聯(lián)系緊密的特點，能夠幫助學習者整理和分析信息，結(jié)合實際教學經(jīng)驗，引入計算機專業(yè)教學的教育模式、創(chuàng)新教學方法、與時俱進的學習意識等內(nèi)容來探索大數(shù)據(jù)時代對計算機專業(yè)教學作用及方法，為該專業(yè)教學研究人員提供一定參考，也為培養(yǎng)大數(shù)據(jù)研究人才奠定基礎(chǔ)。

大數(shù)據(jù)；計算機專業(yè)；教學方法；教育模型

0 引言

20世紀60年代以來隨著計算機硬件技術(shù)的發(fā)展相繼出現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，80年代后期出現(xiàn)了“普適計算”理論，90年代后期數(shù)據(jù)呈現(xiàn)指數(shù)增長，逐漸被研究員和學者重視和關(guān)注，為大數(shù)據(jù)概念出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。21世紀，研究人員開始深入探討大數(shù)據(jù)研究和應(yīng)用。2012年由英國牛津大學教授維克托·爾耶·舍恩伯格所著的《大數(shù)據(jù)時代》對促進人們生活、思維、工作變革奠定基礎(chǔ)；同年，美國政府投入2億美元啟動“大數(shù)據(jù)研究和發(fā)展計劃”，意味著大數(shù)據(jù)將逐漸產(chǎn)生深遠影響。近年來，我國也相繼開始對其高度關(guān)注，《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》和《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》提出大數(shù)據(jù)和信息處理技術(shù)的重要性。2012年，我國召開了大數(shù)據(jù)應(yīng)用研究座談會，開始逐步研究大數(shù)據(jù)理論和應(yīng)用，涉及到學術(shù)界、企業(yè)界、政府部門等，相關(guān)人才需求也會急速上升，遍布各行各業(yè)，如金融、保險、醫(yī)療、教育、企業(yè)等。

而我國高校是培養(yǎng)人才的搖籃，從高校、教育機構(gòu)著手培養(yǎng)大數(shù)據(jù)相關(guān)人才為社會需求打下扎實基礎(chǔ)，與其息息相關(guān)的計算機學科在其中也將發(fā)揮巨大推動作用。計算機學科是研究計算機的設(shè)計、制造和利用其進行信息獲取、表示、存儲、處理等的理論、原則、技術(shù)、方法的學科。計算機專業(yè)教學主要目的是讓學生對計算機學科相關(guān)基礎(chǔ)知識掌握，受到嚴格的科學研究訓練，具有創(chuàng)新意識和較高的綜合素質(zhì)，能對成熟的理論、技術(shù)和方法具有相應(yīng)的應(yīng)用分析能力。因此，從高校計算機專業(yè)教學考慮，完善符合大數(shù)據(jù)時代發(fā)展的培養(yǎng)機制顯得尤為重要。本文根據(jù)大數(shù)據(jù)研究現(xiàn)狀、特點和處理技術(shù)，探索如何將計算機專業(yè)教學與大數(shù)據(jù)時代背景相結(jié)合，提高課程體系教學質(zhì)量，從教學層面探討與時俱進的人才培養(yǎng)。

1 大數(shù)據(jù)概況

1.1 大數(shù)據(jù)概念

大數(shù)據(jù)不是一種技術(shù)，也不是一種產(chǎn)品，而是一個抽象的概念，近年來繼云計算、物聯(lián)網(wǎng)之后的一個技術(shù)熱點。它與傳統(tǒng)海量數(shù)據(jù)有著本質(zhì)區(qū)別，且定義尚未統(tǒng)一。早在2008年《Science》雜志將大數(shù)據(jù)定義為“代表著人類認知過程的進步，數(shù)據(jù)集的規(guī)模是無法在可容忍的時間內(nèi)用目前的技術(shù)、方法和理論去獲取、管理、處理的數(shù)據(jù)”[1]。Gartner公司提出大數(shù)據(jù)是高容量、高生成速率、種類繁多的信息價值，同時需要新的處理形式確保判斷的作出、洞察力的發(fā)現(xiàn)和處理的優(yōu)化[2]。麥肯錫將大數(shù)據(jù)定義為：無法在一定時間內(nèi)用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件工具對其內(nèi)容進行抓取、管理和處理的數(shù)據(jù)集合[3]。百度中大數(shù)據(jù)定義為：大數(shù)據(jù)（big data）或稱巨量資料，它所涉及的資料規(guī)模巨大到無法透過目前軟件工具在適當時間內(nèi)達到管理、處理且整理為幫助企業(yè)經(jīng)營決策更積極目的的信息和資訊?？茖W家Rauser將其簡單定義為：大數(shù)據(jù)是超過了任何一個計算機處理能力的龐大數(shù)據(jù)量。大數(shù)據(jù)所涵蓋的數(shù)據(jù)類型有結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，具有4V特點（volume,variety,velocity,value）[4]， IBM認為還應(yīng)該具有第5個V特點:真實性（veracity）[5]，有利于領(lǐng)導決策和信任。雖然定義尚未統(tǒng)一，但是大數(shù)據(jù)已經(jīng)出現(xiàn)，數(shù)據(jù)本身就是價值、資產(chǎn)，現(xiàn)每年呈指數(shù)增長。據(jù)思科公司預(yù)計于 2013年在互聯(lián)網(wǎng)上流動的數(shù)據(jù)量將達到每年667（Exa）字節(jié)[6]。

1.2 大數(shù)據(jù)應(yīng)用現(xiàn)狀

國外來自麥肯錫2012年有關(guān)大數(shù)據(jù)的一組數(shù)據(jù)顯示，大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)為美國醫(yī)療系統(tǒng)帶來每年3000億美元的收益[7]。谷歌公司分析處理了人們在網(wǎng)上檢索的詞條與疾病中心的數(shù)據(jù)，判斷出了流感的傳播來源，為公共衛(wèi)生機構(gòu)提供了有價值的信息[8]。吳聞新等人預(yù)測了醫(yī)療行業(yè)數(shù)據(jù)的增長[9]。

美國俄亥俄州運輸部(ODOT)利用INRIX的云計算分析處理大數(shù)據(jù)來了解和處理惡劣天氣的道路狀況，減少了冬季連環(huán)撞車發(fā)生的概率。SaaS型軟件公司Opower使用數(shù)據(jù)分析提供消費用電的能效[10]。國內(nèi)大數(shù)據(jù)的研究與應(yīng)用相對起步較晚，文獻[11]利用計算機集群構(gòu)建油田勘探開發(fā)一體化解決大數(shù)據(jù)問題。文獻[12]通過大數(shù)據(jù)分析解決智能交通問題。與教育領(lǐng)域結(jié)合，2012年北京航空航天大學首開大數(shù)據(jù)技術(shù)與應(yīng)用專業(yè)，開始為我國率先培養(yǎng)大數(shù)據(jù)人才。

1.3 大數(shù)據(jù)處理技術(shù)

人才的培養(yǎng)要與大數(shù)據(jù)的市場需求和處理技術(shù)緊密聯(lián)系，為了解決這些難題需要根據(jù)大數(shù)據(jù)的特點進行新技術(shù)的變革。其關(guān)鍵技術(shù)主要包括大數(shù)據(jù)采集、存儲、管理、數(shù)據(jù)挖掘、安全、檢索等。在大數(shù)據(jù)采集存儲方面，Google較早開發(fā)了GFS，隨后基于Spanner服務(wù)器的F1（fault tolerant distributed RDBMS）[13]新型數(shù)據(jù)庫。微軟自行開發(fā)的分布式計算平臺Cosmos[14]，主要包括存儲系統(tǒng)、執(zhí)行環(huán)境、SCOPE（structured computations optim ized for parallel execution），能夠存儲和分析大數(shù)據(jù)集。Facebook也相繼變革了自己的存儲技術(shù)，先后推出了Haystack、Hadoop、Hive[15-17]，簡化數(shù)據(jù)采集、查詢、分析等操作。在數(shù)據(jù)挖掘方面，有WEKA、RapidM iner、Dryad、Pregel[18-21]技術(shù)，WEKA是開源的集合大量承擔數(shù)據(jù)挖掘任務(wù)的機器學習算法，RapidM iner可實現(xiàn)Excel、Access、Oracle等數(shù)據(jù)庫的訪問，Dryad用于集群處理，與MPI、PVM等緊密聯(lián)系，Pregel用于圖處理及并行計算。在大數(shù)據(jù)搜索、查詢方面，有 PowerDrill、Impala、Caffeine、Nectar[22-25]技術(shù)，PowerDrill屬列存儲，分析搜索時可跳過不必要分區(qū)提高搜索效率，Impala屬并行處理，Caffeine屬更新搜索結(jié)構(gòu)技術(shù)，Nectar可減少搜索延遲，避免對舊數(shù)據(jù)的重復(fù)計算。當然，隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)將不斷涌現(xiàn)，目前我國大數(shù)據(jù)研究還處在起步階段，未來發(fā)展涉及領(lǐng)域十分廣泛，對于人才需求將急速上升。因此，我國教育機構(gòu)特別是高校要做好培養(yǎng)人才、提升教師能力的準備。

2 大數(shù)據(jù)在教學中的作用

大數(shù)據(jù)技術(shù)與計算機學科息息相關(guān)，對于教師教學、學生學習、研究都起到重要作用，并且以計算機專業(yè)相關(guān)知識為依托。因此，重點應(yīng)考慮如何將大數(shù)據(jù)與計算機專業(yè)教學相結(jié)合，首先要分析大數(shù)據(jù)的教學數(shù)據(jù)來源對該專業(yè)的影響及作用，其次結(jié)合我國地方院校專業(yè)人才培養(yǎng)任務(wù)（如：安康學院）探索計算機專業(yè)教育教學方式，課程設(shè)置，教學改革等內(nèi)容，最后在實際教學過程中加以實施，完善教學策略，做好師生互動與溝通，真正做到師生相長。

大數(shù)據(jù)時代的數(shù)據(jù)處理不同于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理，例如云計算，可視化處理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等需要《大數(shù)據(jù)概論》、《分布式并行處理技術(shù)》、《數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用》、《算法設(shè)計與分析》、《智能計算》、《數(shù)據(jù)挖掘》、《高級語言程序設(shè)計》等計算機課程做鋪墊。因此，根據(jù)社會和時代需求對現(xiàn)有相關(guān)課程強化，同時按照課程體系開設(shè)相關(guān)課程作為選修課來彌補其空缺。在教學過程中，教師不但要了解大數(shù)據(jù)概念、發(fā)展、應(yīng)用領(lǐng)域等來拓展自身專業(yè)知識有利于深造和進修，而且還要研究其對當今社會的需求和影響來教授學生相關(guān)技術(shù)，提高學生學習興趣，使其能夠順應(yīng)社會發(fā)展。在課程考核中可以改善學?？己朔绞?、課程考核方式、課程開展環(huán)境，使其向多樣化和多元化發(fā)展，全面評估專業(yè)設(shè)置和課程，提供更多的分析數(shù)據(jù)，幫助教師改善教學質(zhì)量。大數(shù)據(jù)時代所帶來的新鮮事物和技術(shù)、新知識、新課程等的沖擊，使學生不但了解和拓寬了知識面有助于提高學習興趣并了解社會需求，通過大數(shù)據(jù)分析，制定自身學習計劃，有助于自導性學習的開展。

3 教學探索

3.1 課程體系設(shè)置

由計算機時代過渡到當前大數(shù)據(jù)時代，計算機技術(shù)面臨著巨大挑戰(zhàn)，計算機、移動設(shè)備、終端設(shè)備等將要解決結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的處理、存儲、通信、傳輸?shù)入y題，人才市場需要的存儲技術(shù)人才、數(shù)據(jù)分析人才、數(shù)據(jù)應(yīng)用人才等，都需要計算機相關(guān)知識為支柱。因此，專業(yè)課程體系設(shè)置可以遵循“引入-基礎(chǔ)-專業(yè)-實踐-深究”的思路，我校于2012年根據(jù)地方特色和社會需求對計算機專業(yè)課程體系和設(shè)置做了一定調(diào)整，專業(yè)培養(yǎng)目標旨在培養(yǎng)德、智、體、美全面發(fā)展，具有扎實的數(shù)理基礎(chǔ)、系統(tǒng)的計算機理論知識，掌握計算機軟硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具備較突出的程序設(shè)計能力、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用能力和良好的人文素質(zhì)及創(chuàng)新精神，能在大數(shù)據(jù)時代下從事軟件設(shè)計開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)管理等工作，具有專業(yè)技能基礎(chǔ)、創(chuàng)新意識和較好綜合素質(zhì)的應(yīng)用性人才。專業(yè)課程總體設(shè)置為三類：專業(yè)基礎(chǔ)必修課、專業(yè)必修/選修課、實踐環(huán)節(jié)。專業(yè)基礎(chǔ)課程在低年級開設(shè)即大一、大二年級，旨在打好基礎(chǔ)，主要包括離散數(shù)學、大學物理、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、計算機專業(yè)導論、C語言程序設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、Java程序設(shè)計、計算機電路基礎(chǔ)、計算機組成原理、操作系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫原理與 Oracle應(yīng)用等，同時開設(shè)外語，鼓勵學生閱讀外文文獻，了解國內(nèi)外最新技術(shù)和發(fā)展，培養(yǎng)自學能力。專業(yè)必修課在高年級開設(shè)即大三、大四年級，旨在方向鉆研，包括軟件工程方向、網(wǎng)絡(luò)工程方向，主要課程有面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計、軟件工程、Android編程技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用技術(shù)、Linux系統(tǒng)管理與應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)工程與系統(tǒng)集成等，深化基礎(chǔ)技能，提高專業(yè)水平。專業(yè)選修課在高年級開設(shè)，旨在建立完善理論體系，主要包括VC++高級編程、數(shù)字圖像處理、面向?qū)ο蠓治雠c建模 UML、嵌入式軟件開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)工程概論、高級路由交換技術(shù)等。同時，實踐環(huán)節(jié)包括社會實踐、課程設(shè)計、學年論文、專業(yè)實習，從低年級到高年級依次開展數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計、計算機網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計、數(shù)據(jù)庫原理及Oracle應(yīng)用課程設(shè)計、計算機組裝與維護、網(wǎng)絡(luò)安全課程實習等相關(guān)課程設(shè)計、實習、實踐，提高實踐動手能力，為后續(xù)學習和研究提供條件，也為數(shù)據(jù)處理、特別是數(shù)據(jù)應(yīng)用、軟件開發(fā)人才培養(yǎng)做鋪墊。

3.2 教學策略和方法

計算機專業(yè)課程對實踐操作能力要求較高，教師在基本教學過程中應(yīng)該將理論與實踐相結(jié)合，由前期的理論教學為主配合實踐操作過渡到后期的專業(yè)教學，以實踐教學為主配合理論講解，再到根據(jù)主題由學生自主設(shè)計與開發(fā)，同時注意師生間互動與溝通。在理論教學時，教師應(yīng)該讓學生明白所學課程內(nèi)容的具體概念、原理、基本方法、應(yīng)用領(lǐng)域，結(jié)合實例、案例教學，主要來驗證相關(guān)理論，使學生從例子中真正掌握理論知識并牢固記憶，除此之外穿插講解大數(shù)據(jù)相關(guān)的新技術(shù)和新方法，保持學生學習“熱度”，并積極參與從而提高整個教學質(zhì)量。以計算機導論、物聯(lián)網(wǎng)工程概論為例，教師在授課時可將實物、視頻、圖片和計算機結(jié)合，由計算機基礎(chǔ)知識拓展到物聯(lián)網(wǎng)中各種技術(shù)產(chǎn)品，從而引出相關(guān)數(shù)據(jù)采集、存儲技術(shù)，數(shù)據(jù)處理技術(shù)等。

學生由被動接受向主動學習轉(zhuǎn)化，積極鼓勵學生主動利用所學知識和技能去實踐解決問題。在實踐教學過程中，教師結(jié)合專業(yè)課程實驗和課程設(shè)計同步為學生制定開發(fā)主題，并講解開發(fā)實踐過程中注意事項和關(guān)鍵技術(shù)，主動指導和啟發(fā)學生積極思考，認真批閱實驗報告和聆聽解決方案，避免學生出現(xiàn)抄襲、偷懶等現(xiàn)象。對于技術(shù)性較強的課程，教師可以從案例或小型項目著手講授，將重要理論和技術(shù)滲入到其中，讓學生自主開發(fā)類似案例或項目。

以數(shù)據(jù)庫原理及Oracle應(yīng)用課程為例，其技術(shù)性較強，主要由教學、實踐操作、課程設(shè)計三部分教授。在課堂教學時，教師應(yīng)避免照本宣讀，課件多以圖片、案例、操作形式呈現(xiàn)，對于重要知識點以課堂案例演示為主，配合實驗項目實踐提高學生動手能力。課程設(shè)計以小型項目為主，考查學生對數(shù)據(jù)庫技術(shù)掌握程度，認真指導并批閱課程設(shè)計報告。使得教師能更好地把握學生對新技術(shù)、新內(nèi)容的接受和掌握程度，以便教師完善其教學方法，提高教學質(zhì)量，培養(yǎng)學生對課程學習的興趣和研究相關(guān)理論、技術(shù)的能力，為相關(guān)的教師或研究人員提供幫助。

3.3 學生興趣培養(yǎng)

通過收集學生的學習滿意調(diào)查問卷，分析、統(tǒng)計其表現(xiàn)數(shù)據(jù)，評估計算機專業(yè)課程設(shè)置、教師教學質(zhì)量，改善課程設(shè)計、課程教學順序和科目；以學生為本，根據(jù)大數(shù)據(jù)時代需求，科學引導學生學習。在計算機基礎(chǔ)課程教學中，先要科學地引導學生對大數(shù)據(jù)產(chǎn)生的興趣，增強學生的數(shù)據(jù)意識。在此過程中，可以先以與大數(shù)據(jù)相關(guān)的問題或者現(xiàn)象出發(fā)引起學生的注意，安排4至6個學時左右講解計算機發(fā)展及相關(guān)技術(shù)，再過渡到大數(shù)據(jù)產(chǎn)生、發(fā)展、現(xiàn)狀，使學生知道大數(shù)據(jù)對人們生活的影響，理解“數(shù)據(jù)”、“大數(shù)據(jù)”含義，能夠區(qū)分數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)、海量數(shù)據(jù)三者的不同。同時，通過圖片、視頻、案例講解等引導學生知曉數(shù)據(jù)無處不在，可以利用計算機理論和技術(shù)來挖掘、存儲、處理有用的信息，這些有用的信息對于企業(yè)、公司、機構(gòu)、學校的價值，所涉及的專業(yè)課程有數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、高級程序設(shè)計、算法設(shè)計與分析、分布式并行處理、智能計算等等。教師可以從講解基礎(chǔ)課程開始自然過渡到專業(yè)課程和選修相關(guān)課程，起到拋磚引玉、深入淺出之用，使學生總體把握計算機專業(yè)課程設(shè)置體系及各課程之間銜接關(guān)系和重要性，從而吸引學生對大數(shù)據(jù)及相關(guān)課程的了解和興趣，為后續(xù)課程學習、技能培訓奠定基礎(chǔ)。

同時，教師要充分發(fā)揮自身主導作用，使學生由“學會”轉(zhuǎn)向“會學”發(fā)展，定期定量向?qū)W生提出待解決問題，由學生以小組形式自由分配任務(wù)、自主查閱、提出方案、求解驗證、總結(jié)歸納，并適當討論展示小組解決效果，分配和組織學生參加項目和課題研究，豐富教學形式，引導和增強學生對專業(yè)學習的興趣。教師可針對出國、考研等情況的學生以個體形式提供相關(guān)專業(yè)資料、視頻、圖片、網(wǎng)站等，幫助學生進一步深入學習，掌握最新技術(shù)和方法，培養(yǎng)學生研究和創(chuàng)新能力，提高他們適應(yīng)社會和解決問題的能力，使學生為深造打下堅實的基礎(chǔ)。

4 總結(jié)

大數(shù)據(jù)時代將帶給學生、教師很多新鮮事物，大數(shù)據(jù)應(yīng)用也給計算機專業(yè)教育帶來頗多機遇和啟發(fā)，教師需要在教學實踐中不斷完善和探索，提高自身教學質(zhì)量，同時加強與教師間溝通與協(xié)助，互相總結(jié)教學經(jīng)驗，重點探討大數(shù)據(jù)時代下計算機專業(yè)教育模型，從興趣、理論體系、科學實踐、教學策略等方面創(chuàng)新、完善教學方法，為提高計算機專業(yè)課程體系的教學質(zhì)量提供依據(jù)。

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Teaching Exploration of Computer Science in Big Data Era

Fang Xin
(Dept. of Electronic and Information Engineering, Ankang University, Ankang Shaanxi 725000, Chinaa)

The arrival of the big data era has raised concern in the education field, universities have started to concentrate on the relative teaching and research. Since the concept of big data is closely related to computer science, it enables to help learners to organize and analyze info. Combined w ith the practical teaching experience, it leads in teaching model of computer science teaching, innovative teaching method, advancing learning awareness so as to explore the role and method of computer science teaching in big data era. It provides for professional researcher w ith reference and lays the foundation for cultivating research talents in big era as well.

Big Data; Computer Science; Teaching Method; Education Model

TP311

A

2014.09.05）

陜西省教育廳自然科學專項項目（NO.14JK1014）；安康學院高層次人才項目專項（NO.AYQDZR201204）；安康學院高層次人才項目專項（NO.AYQDZR201203）；安康學院教材建設(shè)基金項目（NO.Jc201307）

方 昕（1985-），女，安康學院，電子信息工程系，講師，碩士，研究方向：智能優(yōu)化、數(shù)據(jù)挖掘，安康，725000

1007-757X(2014)11-0032-03