大數(shù)據(jù)環(huán)境下數(shù)學(xué)實驗綜合體系建設(shè)與改革探索

羅躍逸，袁修貴，朱小玉（.中南大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院，長沙 40083；.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，長沙　40083）

大數(shù)據(jù)環(huán)境下數(shù)學(xué)實驗綜合體系建設(shè)與改革探索

羅躍逸1，袁修貴1，朱小玉2
（1.中南大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院，長沙 410083；2.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，長沙410083）

0　引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的崛起，全球數(shù)據(jù)呈爆炸性增長。目前全球90%以上的數(shù)據(jù)是近幾年產(chǎn)生的，數(shù)據(jù)規(guī)模大約每兩年翻一番，人類已進(jìn)入信息化和大數(shù)據(jù)時代。為推動大數(shù)據(jù)的學(xué)科發(fā)展，2009年，聯(lián)合國啟動“全球脈動計劃”，借大數(shù)據(jù)推動落后地區(qū)發(fā)展。2011年以來，中國計算機(jī)學(xué)會、中國通信學(xué)會先后成立了大數(shù)據(jù)委員會，研究大數(shù)據(jù)中的科學(xué)與工程問題，科技部的《中國云科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》把大數(shù)據(jù)技術(shù)作為一項重點(diǎn)予以支持。對于大數(shù)據(jù)的收集、處理、分析，以及大數(shù)據(jù)的科學(xué)研究和人才培養(yǎng)已經(jīng)成為政府統(tǒng)計和高等統(tǒng)計教育工作面臨的重要課題［1-2］，傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和研究方法已不能完全適應(yīng)新形勢下數(shù)學(xué)學(xué)科建設(shè)的需要［3］。針對大數(shù)據(jù)在現(xiàn)今各領(lǐng)域中的重要性以及它所帶來的諸多問題和挑戰(zhàn)，則應(yīng)該從高校課程設(shè)置的層面作考慮，建立并完善適應(yīng)時代發(fā)展的人才培養(yǎng)體系。現(xiàn)在，美國的高校已經(jīng)開設(shè)相關(guān)課程，例如，大數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計基礎(chǔ)、大數(shù)據(jù)分布式計算、大數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)等。國內(nèi)一些高校也正在嘗試開設(shè)大數(shù)據(jù)課程［4］，幫助學(xué)生了解大數(shù)據(jù)，學(xué)習(xí)大數(shù)據(jù)分析。大數(shù)據(jù)是一門綜合多學(xué)科專業(yè)知識、密切聯(lián)系市場實際的交叉學(xué)科，學(xué)生不僅要對分布式計算、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等計算機(jī)專業(yè)知識有較深入的理解和掌握，還需要大數(shù)據(jù)背景下數(shù)據(jù)的管理、分析與挖掘的技能與方法的研究技能，需要數(shù)學(xué)、統(tǒng)計、計算機(jī)技術(shù)的結(jié)合。因此，在大數(shù)據(jù)背景下的數(shù)學(xué)實驗綜合體系的研究、建立與完善是十分有必要的，是信息技術(shù)發(fā)展的需要。

1　數(shù)學(xué)實驗體系的教學(xué)現(xiàn)狀

在大數(shù)據(jù)背景下，數(shù)學(xué)學(xué)科的實驗教學(xué)面臨了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)實驗課程已經(jīng)不能滿足大數(shù)據(jù)時代的需求，存在如下問題：

（1）數(shù)學(xué)類專業(yè)理論課的教學(xué)中，理論教學(xué)課時占比偏重，實驗教學(xué)課時占比較輕。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)課程主要包含過程演示和理論驗證這兩類的實驗，實驗設(shè)計脫離社會人才需求，學(xué)生興趣不足，導(dǎo)致實驗教學(xué)無法實現(xiàn)人才培養(yǎng)的預(yù)期目標(biāo)。

（2）在高校的教學(xué)課程里，呈碎片化的實驗教學(xué)貫穿其中，容易對學(xué)生連貫的獲取整合知識造成不良影響。數(shù)學(xué)類專業(yè)學(xué)生不能只具備理論證明的能力，也需要擁有數(shù)據(jù)存儲、處理及分析能力。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)影響學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，導(dǎo)致教學(xué)效果不理想。

（3）實驗指導(dǎo)教師在大數(shù)據(jù)課程的實踐教學(xué)方面缺乏經(jīng)驗，不能及時更新實驗課程并指導(dǎo)學(xué)生整合知識結(jié)構(gòu)，數(shù)學(xué)類專業(yè)與社會實際需求結(jié)合不夠緊密，在實驗教學(xué)的實踐環(huán)節(jié)中缺少聯(lián)合實際的工程實踐課程設(shè)計，數(shù)學(xué)實驗教學(xué)體系中缺乏從上到下、綜合有效的控制手段。

2　大數(shù)據(jù)背景下的數(shù)學(xué)實驗課程建設(shè)探討

大數(shù)據(jù)具有體量巨大、速度極快、類型眾多、價值巨大的特點(diǎn)，對數(shù)據(jù)采集、分析、管理、存儲提出了前所未有的新要求。目前大多數(shù)高校通過信息化建設(shè)，已經(jīng)具備了良好的軟、硬件條件，但同時存在服務(wù)器大量閑置的問題。因此，如果能在現(xiàn)有服務(wù)器上直接進(jìn)行大數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)實驗資源共享平臺建設(shè)，既可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教育，又能讓原本閑置的服務(wù)器重新盤活、充分利用，可謂一舉多得。

圍繞數(shù)學(xué)類專業(yè)特點(diǎn)設(shè)計實驗教學(xué)內(nèi)容，轉(zhuǎn)變教育觀念，改革教學(xué)方法，調(diào)整和重構(gòu)課程體系，瞄準(zhǔn)社會人才需求，結(jié)合數(shù)學(xué)類專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)和特點(diǎn)，將數(shù)學(xué)類專業(yè)實踐教學(xué)課程分為數(shù)學(xué)理論、計算機(jī)應(yīng)用、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析三類實驗課程，不斷探索改革實驗教學(xué)內(nèi)容和實驗手段，從而使實驗課程體系更加優(yōu)化，更加有利于培養(yǎng)適合企業(yè)需要的計算機(jī)應(yīng)用型高級人才。

（1）數(shù)學(xué)理論

數(shù)學(xué)理論實驗環(huán)節(jié)針對數(shù)學(xué)理論與實踐結(jié)合不夠緊密的問題，設(shè)計與數(shù)學(xué)類各專業(yè)理論課程相匹配的實驗教學(xué)課程，包括數(shù)值分析、理論建模、最優(yōu)化方法、微分方程數(shù)值解、數(shù)據(jù)倉庫等課程。數(shù)學(xué)理論實驗環(huán)節(jié)針對實驗課程占比偏輕的問題，設(shè)計與理論課程聯(lián)系緊密的實驗教學(xué)課程，學(xué)生經(jīng)由實驗教學(xué)來溫習(xí)并鞏固理論知識，促使學(xué)生真正融合知識與技能，培養(yǎng)獨(dú)立學(xué)習(xí)意識，結(jié)合數(shù)學(xué)理論和實踐技能解決實際生活中的問題。

（2）計算機(jī)應(yīng)用

計算機(jī)應(yīng)用實驗環(huán)節(jié)針對實踐教學(xué)對專業(yè)素質(zhì)專注不足的問題，設(shè)計拓展專業(yè)素質(zhì)的實驗教學(xué)課程，對數(shù)學(xué)理論的深度掌握提供便利。實驗內(nèi)容主要包含一些計算數(shù)學(xué)與計算機(jī)技術(shù)課程的綜合實驗，如數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)安全、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計等課程。開設(shè)計算機(jī)應(yīng)用課程的目的是通過計算機(jī)程序來驗證學(xué)習(xí)的數(shù)學(xué)理論知識，提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，提升學(xué)生的計算機(jī)應(yīng)用技能和解決實際問題的水平。

（3）大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析實驗環(huán)節(jié)精準(zhǔn)定位到數(shù)據(jù)分析，設(shè)計提高大數(shù)據(jù)分析能力的實驗課程，包括MapReduce、Hadoop+HDFS、NoSQL、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等課程，是對計算應(yīng)用類實驗環(huán)節(jié)的提升?；诖髷?shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)存儲、管理、分析、共享的數(shù)學(xué)實驗教學(xué)平臺，綜合利用應(yīng)用統(tǒng)計理論與方法，精心設(shè)計實驗內(nèi)容，為學(xué)生提供開放實驗平臺，通過實踐強(qiáng)化對大數(shù)據(jù)分析的能力，全面培養(yǎng)學(xué)生實驗技能以及綜合分析、發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力。

3　數(shù)學(xué)實驗綜合體系建設(shè)方案

圍繞數(shù)學(xué)類專業(yè)特點(diǎn)設(shè)計實驗教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合科研和行業(yè)前沿，建設(shè)促進(jìn)人才培養(yǎng)的數(shù)學(xué)實驗綜合體系，其中主要包括核心功能系統(tǒng)、保障系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)三部分，為高校提供實驗資源管理與共享服務(wù)，圖1為數(shù)學(xué)實驗綜合體系建設(shè)方案。

圖1　數(shù)學(xué)實驗綜合體系建設(shè)方案

（1）支撐系統(tǒng)

大數(shù)據(jù)平臺是數(shù)學(xué)實驗綜合體系的支撐系統(tǒng)，在實驗過程中，光有實驗數(shù)據(jù)往往是不行的，還應(yīng)該有便捷的數(shù)據(jù)處理過程。結(jié)合現(xiàn)有的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，如Hadoop、HBase等開源技術(shù)，構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開放大數(shù)據(jù)實驗平臺，為海量數(shù)據(jù)的快速處理提供支撐。

（2）保障系統(tǒng)

保障系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)存儲平臺、數(shù)據(jù)管理平臺、數(shù)據(jù)分析平臺以及共享服務(wù)平臺?；诖髷?shù)據(jù)平臺搭建實驗資源存儲、管理、分析、共享體系，為核心功能系統(tǒng)提供支持?；诖髷?shù)據(jù)的保障系統(tǒng)。從數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)共享，系統(tǒng)將利用信息技術(shù)的便捷性實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)更多、類型更多且分析更準(zhǔn)的大數(shù)據(jù)平臺，對實驗資源進(jìn)行計算、處理及分析，從而充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)在實驗資源管理中的重要作用。

（3）核心功能系統(tǒng)

數(shù)學(xué)實驗綜合體系是實現(xiàn)以實驗資源為主要內(nèi)容的網(wǎng)絡(luò)資源共享與管理服務(wù)的體系架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和運(yùn)營環(huán)境。實驗資源主要包括采集的實驗數(shù)據(jù)以及設(shè)計的實驗實例庫。核心功能系統(tǒng)通過采集數(shù)學(xué)專業(yè)相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)，如海量的金融數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)圖像數(shù)據(jù)等資源庫，利用網(wǎng)絡(luò)化與信息化建設(shè)整合優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享。經(jīng)由校園網(wǎng)，向不同類型的用戶以同步或異步的方式發(fā)布、共享并管理實驗資源，為高校的實驗管理與共享提供服務(wù)。

4　結(jié)語

本文簡要分析大數(shù)據(jù)對數(shù)學(xué)類專業(yè)提出的新的要求，探討了現(xiàn)有的數(shù)學(xué)類專業(yè)實驗存在的問題，并結(jié)合大數(shù)據(jù)提出了大數(shù)據(jù)背景下的數(shù)學(xué)實驗課程改革和創(chuàng)新內(nèi)容，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)提出構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的數(shù)學(xué)實驗綜合體系。

［1］孟小峰，慈祥.大數(shù)據(jù)管理：概念、技術(shù)與挑戰(zhàn)［J］.計算機(jī)研究與發(fā)展，2013，50（1）：146-169.

［2］李國杰，程學(xué)旗.大數(shù)據(jù)研究：未來科技及經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重大戰(zhàn)略領(lǐng)域——大數(shù)據(jù)的研究現(xiàn)狀與科學(xué)思考［J］.中國科學(xué)院院刊，2012，27（6）.

［3］黃介武.淺析大數(shù)據(jù)環(huán)境下的統(tǒng)計學(xué)課程教學(xué)［J］.課程教育研究，2014，（22）：235-235.

［4］李鴻健.大數(shù)據(jù)時代計算機(jī)專業(yè)實驗教學(xué)改革研究［J］.現(xiàn)代計算機(jī)：專業(yè)版，2013，（13）：29-31.

Big Data；Mathematical Environment；Reformation Plan

The Comprehensive Mathematical Experimental System Construction and Reformation in Big Data Environment

LUO Yue-yi1，YUAN Xiu-gui1，ZHU Xiao-yu2
（1.Department of Mathematics and Statistics，Central South University，Changsha 410083；
2.Department of Information Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083）

1007-1423（2015）23-0065-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.23.016

羅躍逸（1986-），男，廣西柳州人，博士研究生，實驗師，研究方向為軟件工程與信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)資源管理與服務(wù)

袁修貴（1964-），男，湖北薊春人，教授，研究方向為最優(yōu)化算法

2015-08-01

2015-08-10

社會已進(jìn)入信息化和大數(shù)據(jù)時代，為適應(yīng)大數(shù)據(jù)時代的變革，針對大數(shù)據(jù)對數(shù)學(xué)實驗體系建設(shè)的要求，對大數(shù)據(jù)時代下數(shù)學(xué)類專業(yè)的實驗課程建設(shè)改革進(jìn)行探索，并基于大數(shù)據(jù)技術(shù)提出一種數(shù)學(xué)實驗綜合體系建設(shè)方案。

大數(shù)據(jù)；數(shù)學(xué)實驗；改革方案

朱小玉（1989-2），女，湖北廣水人，博士研究生，研究方向為云計算安全與隱私保護(hù)

Society has entered the era of information and big data.In order to adapt to the change of the ig data era，explores the experimental courses construction and reformation plan of the mathematics specialty，which regards to the needs of big data to mathematical experimental system construction，then comes up with a comprehensive mathematical experimental construction plan.