大數(shù)據(jù)時(shí)代基于計(jì)算思維的IT專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革

肖克輝

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 數(shù)學(xué)與信息學(xué)院，廣東 廣州 510640）

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)及其行業(yè)應(yīng)用的快速和廣泛發(fā)展，對(duì)于作為人才培養(yǎng)主要基地的高校來(lái)說(shuō)，亟須對(duì)IT相關(guān)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)模式進(jìn)行改革與創(chuàng)新，以滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)創(chuàng)新型人才的實(shí)際需要[1]。2010年發(fā)布的“九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明”[2]提出，把“計(jì)算思維能力的培養(yǎng)”作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)。ACM/IEEE CS2013工作組對(duì)全球高校計(jì)算機(jī)系主任進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，收到的反饋表明：關(guān)于計(jì)算機(jī)專業(yè)核心知識(shí)，排名前三的是計(jì)算思維、程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[3]。計(jì)算思維能力是高校IT專業(yè)人才培養(yǎng)的主要目標(biāo)之一，良好的計(jì)算思維能力可以為解決各種大數(shù)據(jù)技術(shù)及行業(yè)應(yīng)用問(wèn)題提供有效的智力保障，而實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)和深化IT專業(yè)人才計(jì)算思維能力的主要途徑，因此，在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)及行業(yè)應(yīng)用的實(shí)際需求來(lái)培養(yǎng)IT專業(yè)人才計(jì)算思維能力，是高校IT專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革和發(fā)展的首要任務(wù)。

1 計(jì)算思維、大數(shù)據(jù)與IT實(shí)踐教學(xué)

1.1 計(jì)算思維與IT專業(yè)實(shí)踐教學(xué)

計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)廣度的一系列思維活動(dòng)[4]。計(jì)算思維在海量信息處理分析、復(fù)雜裝置與系統(tǒng)設(shè)計(jì)、大型工程組織、自然現(xiàn)象與人類社會(huì)行為模擬等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用和意義[5]。

（1）培養(yǎng)計(jì)算思維是IT專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的重要目標(biāo)。實(shí)踐教學(xué)是將課堂內(nèi)外理論技術(shù)知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際操作技能的主要途徑，也是高校人才培養(yǎng)的重要手段。實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生根據(jù)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容安排和自身學(xué)習(xí)特點(diǎn)，在理論和技術(shù)知識(shí)的基礎(chǔ)上完成各種實(shí)踐實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，不斷拓展對(duì)計(jì)算思維的理解和認(rèn)識(shí)，在分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的實(shí)踐過(guò)程中培養(yǎng)計(jì)算思維能力，形成計(jì)算思維方式。

（2）計(jì)算思維是確保學(xué)生創(chuàng)新能力的動(dòng)力和源泉。計(jì)算思維是創(chuàng)新的基礎(chǔ)，在信息技術(shù)快速普及和大數(shù)據(jù)行業(yè)應(yīng)用不斷發(fā)展的形勢(shì)下，運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)解決問(wèn)題是達(dá)到科技創(chuàng)新的主要手段。高等教育實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)課程教育與實(shí)踐教學(xué)，有目的、有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，有助于學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)展和創(chuàng)新能力的提高。

（3）以計(jì)算思維方式應(yīng)對(duì)大數(shù)據(jù)行業(yè)實(shí)際應(yīng)用。大數(shù)據(jù)行業(yè)實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題呈現(xiàn)出明顯的計(jì)算機(jī)科學(xué)特征，分析和解決這些問(wèn)題需要具有良好的計(jì)算思維能力。IT專業(yè)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容以大數(shù)據(jù)行業(yè)實(shí)際應(yīng)用需求為背景，通過(guò)實(shí)驗(yàn)、案例和項(xiàng)目的階梯式實(shí)踐教學(xué)編排，鞏固和深化計(jì)算思維方式，提高以計(jì)算思維方式分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

1.2 大數(shù)據(jù)行業(yè)應(yīng)用與IT專業(yè)實(shí)踐教學(xué)

（1）大數(shù)據(jù)行業(yè)應(yīng)用為IT專業(yè)實(shí)踐教學(xué)指明改革方向。IT專業(yè)實(shí)踐教學(xué)必須順應(yīng)社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)，以大數(shù)據(jù)技術(shù)及其行業(yè)應(yīng)用需求為指導(dǎo)，對(duì)教學(xué)體系及內(nèi)容進(jìn)行改革和創(chuàng)新，著重通過(guò)培養(yǎng)計(jì)算思維方式提高IT專業(yè)人才分析和解決大數(shù)據(jù)行業(yè)實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題的能力。

（2）大數(shù)據(jù)行業(yè)應(yīng)用為IT專業(yè)實(shí)踐教學(xué)提供案例素材。大數(shù)據(jù)作為一種重要的戰(zhàn)略資源，已經(jīng)滲透到每個(gè)行業(yè)領(lǐng)域和部門，如工業(yè)控制、精細(xì)農(nóng)業(yè)、社交購(gòu)物、交通物流、醫(yī)療服務(wù)等。大數(shù)據(jù)技術(shù)在這些行業(yè)中的應(yīng)用，為IT專業(yè)實(shí)踐教學(xué)提供了大量的實(shí)驗(yàn)素材和真實(shí)案例，通過(guò)基于這些素材和案例的實(shí)踐教學(xué)，可以系統(tǒng)性地培養(yǎng)IT專業(yè)人才的大數(shù)據(jù)技術(shù)及其應(yīng)用問(wèn)題解決能力。

（3）大數(shù)據(jù)行業(yè)應(yīng)用為IT專業(yè)實(shí)踐教學(xué)提供檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。IT專業(yè)實(shí)踐教學(xué)以大數(shù)據(jù)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的行業(yè)應(yīng)用為背景[6]，引導(dǎo)學(xué)生建立計(jì)算思維方式，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力。實(shí)踐教學(xué)效果的優(yōu)劣通過(guò)大數(shù)據(jù)行業(yè)應(yīng)用進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果反饋于實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，以實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)行業(yè)應(yīng)用和實(shí)踐教學(xué)的雙贏發(fā)展。

2 IT專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革

立足于大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)IT專業(yè)創(chuàng)新人才知識(shí)結(jié)構(gòu)、能力結(jié)構(gòu)以及整體素質(zhì)的要求，順應(yīng)國(guó)際上基于計(jì)算思維的教育趨勢(shì)，借鑒國(guó)際上主流的專業(yè)課程體系，對(duì)IT專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的指導(dǎo)思想、課程體系、實(shí)施模式等環(huán)節(jié)進(jìn)行綜合改革。

2.1 實(shí)踐教學(xué)指導(dǎo)思想改革

針對(duì)大數(shù)據(jù)行業(yè)實(shí)際應(yīng)用需求，在理論課程體系基礎(chǔ)上，以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等為IT專業(yè)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的主要技術(shù)方向；在基礎(chǔ)課程的理論和實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)計(jì)算思維意識(shí)，在專業(yè)課程的理論和實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中訓(xùn)練和強(qiáng)化學(xué)生的計(jì)算思維能力。

根據(jù)教育部“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”精神[7]，按照人才培養(yǎng)及其發(fā)展的層次化結(jié)構(gòu)，適應(yīng)大數(shù)據(jù)行業(yè)應(yīng)用需要，通過(guò)實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)具備堅(jiān)實(shí)“大數(shù)據(jù)科學(xué)”基礎(chǔ)、較強(qiáng)“大數(shù)據(jù)處理”實(shí)踐應(yīng)用能力與計(jì)算思維能力的梯隊(duì)式IT專業(yè)人才（如圖1所示），以形成具有鮮明計(jì)算思維特色的新型IT專業(yè)人才培養(yǎng)模式。

圖1 梯隊(duì)式IT專業(yè)人才

2.2 實(shí)踐教學(xué)課程體系改革

參照ACM/IEEE CS2013課程指導(dǎo)，在IT專業(yè)實(shí)踐教學(xué)課程體系中，以大數(shù)據(jù)技術(shù)相關(guān)課程為基礎(chǔ)（如數(shù)據(jù)挖掘、SAS統(tǒng)計(jì)分析、Hadoop大數(shù)據(jù)處理技術(shù)、NoSQL數(shù)據(jù)管理技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)等），結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)課程（如嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、射頻識(shí)別技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等）開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維，提高學(xué)生實(shí)踐技能。

通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)相關(guān)課程的實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)“軟”基礎(chǔ)，加深學(xué)生對(duì)IT專業(yè)理論知識(shí)的理解和掌握，鞏固學(xué)生對(duì)編程語(yǔ)言、開(kāi)發(fā)工具及環(huán)境的熟練使用。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)課程的實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)“硬”技能，幫助學(xué)生了解底層硬件的組成結(jié)構(gòu)及功能原理，掌握嵌入式軟硬件開(kāi)發(fā)技術(shù)，具備軟硬件系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)能力。通過(guò)對(duì)實(shí)踐教學(xué)課程體系進(jìn)行改革，可從思維意識(shí)和操作技能方面培養(yǎng)和提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

2.3 實(shí)踐教學(xué)實(shí)施模式改革

根據(jù)實(shí)踐教學(xué)的指導(dǎo)思想和課程體系，形成基于課程實(shí)驗(yàn)、案例重現(xiàn)、課程設(shè)計(jì)、項(xiàng)目訓(xùn)練、專業(yè)競(jìng)賽、企業(yè)實(shí)訓(xùn)的階梯式IT專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式（如圖2所示），循序漸進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維意識(shí)，以達(dá)到使學(xué)生具備系統(tǒng)性的計(jì)算思維能力的IT專業(yè)實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)。

圖2 階梯式IT專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式

在階梯式IT專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式實(shí)施過(guò)程中，課程實(shí)驗(yàn)以理論知識(shí)為基礎(chǔ)，針對(duì)專業(yè)技術(shù)知識(shí)點(diǎn)各個(gè)擊破，提高理論聯(lián)系實(shí)際的操作技能；案例重現(xiàn)以行業(yè)應(yīng)用真實(shí)案例為依據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生以計(jì)算思維方式思考和分析問(wèn)題，進(jìn)而以重做案例的方式解決問(wèn)題；課程設(shè)計(jì)以專業(yè)課程內(nèi)容為依據(jù)，綜合利用所學(xué)課程知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)性的課程實(shí)踐，鞏固專業(yè)理論知識(shí)和實(shí)踐技能；項(xiàng)目訓(xùn)練以導(dǎo)師制或項(xiàng)目制運(yùn)行，采用學(xué)生自薦、綜合考核、導(dǎo)師選拔等方式，在教師教學(xué)科研項(xiàng)目、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃等項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中拓展實(shí)踐教學(xué)；專業(yè)競(jìng)賽以興趣團(tuán)隊(duì)形式運(yùn)行，采用知識(shí)技能考核、專業(yè)技能訓(xùn)練等方式選拔人才并組成競(jìng)賽團(tuán)隊(duì)，通過(guò)參加國(guó)內(nèi)外各種專業(yè)知識(shí)競(jìng)賽和行業(yè)技能競(jìng)賽深化實(shí)踐教學(xué)；企業(yè)實(shí)訓(xùn)以畢業(yè)設(shè)計(jì)或畢業(yè)論文方式進(jìn)行，按照專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃對(duì)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容及時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)一編排，通過(guò)企業(yè)實(shí)訓(xùn)完善學(xué)生專業(yè)綜合技能，提高學(xué)生個(gè)人綜合素質(zhì)，以滿足“即插即用”的行業(yè)工作崗位需要。

3 實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

基于IT專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的指導(dǎo)思想、課程體系及其實(shí)施模式，在以大數(shù)據(jù)技術(shù)及其行業(yè)應(yīng)用為主線的實(shí)踐教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，建立以大數(shù)據(jù)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，從軟件和硬件兩方面為IT專業(yè)人才培養(yǎng)提供良好的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境[8-9]。

3.1 大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

以大數(shù)據(jù)技術(shù)相關(guān)課程的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，建立大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，為IT專業(yè)實(shí)踐教學(xué)提供軟件環(huán)境支撐。大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)按照數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)平臺(tái)與算法、行業(yè)實(shí)戰(zhàn)數(shù)據(jù)分析3個(gè)層次構(gòu)建，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容從易到難分為演示性實(shí)驗(yàn)、操作性實(shí)驗(yàn)、開(kāi)發(fā)性實(shí)驗(yàn)和大數(shù)據(jù)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)。通過(guò)典型的算法展示、算法實(shí)現(xiàn)、結(jié)合大數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用場(chǎng)景與案例，對(duì)學(xué)生進(jìn)行大數(shù)據(jù)技術(shù)方面的綜合訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)IT專業(yè)實(shí)踐教學(xué)從理論到應(yīng)用的涵蓋原理驗(yàn)證、綜合應(yīng)用、創(chuàng)新設(shè)計(jì)的多層次實(shí)踐體系（如圖3所示）。

圖3 大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用基于瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)的集中化管理方式。學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容需要，運(yùn)行服務(wù)器中的虛擬機(jī)環(huán)境以完成數(shù)據(jù)分析或者系統(tǒng)搭建。數(shù)據(jù)挖掘算法執(zhí)行環(huán)境用于實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)的數(shù)據(jù)挖掘算法，為學(xué)生提供數(shù)據(jù)挖掘展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及基本的數(shù)據(jù)挖掘算法執(zhí)行環(huán)境。Hadoop集群為學(xué)生提供大數(shù)據(jù)分析和執(zhí)行環(huán)境，包括基于HIVE的數(shù)據(jù)訪問(wèn)以及MapReduce程序執(zhí)行。

大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)按照由易到難的程度劃分多個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，主要包括數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)、統(tǒng)計(jì)與建模方法、數(shù)據(jù)挖掘方法、數(shù)據(jù)抓取、SAS編程基礎(chǔ)、SAS統(tǒng)計(jì)建模與數(shù)據(jù)挖掘、Hadoop大數(shù)據(jù)分析、自然語(yǔ)言處理、大數(shù)據(jù)分析綜合應(yīng)用等。本平臺(tái)為大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)踐教學(xué)提供一個(gè)完整的、一體化的綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)境，從而打造全方位的IT專業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)課程的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，建立物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，為IT專業(yè)實(shí)踐教學(xué)提供硬件環(huán)境支撐。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)關(guān)聯(lián)的硬件資源為核心，輔以嵌入式軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境及上位機(jī)管理系統(tǒng)等軟件資源，形成一個(gè)“結(jié)構(gòu)耦合、功能聚合、硬件集成、軟件支撐”的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)“自頂向下、自底向上、融會(huì)貫通”的問(wèn)題解決方法，以系統(tǒng)性地提高學(xué)生的計(jì)算思維能力。

基于物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用，如精細(xì)農(nóng)業(yè)、智能家居、環(huán)境監(jiān)控等，建立物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（如圖4所示），集成WinCE/Linux/Android等嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)IT專業(yè)實(shí)踐教學(xué)與物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及RFID等技術(shù)的無(wú)縫結(jié)合。按照物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的3層體系結(jié)構(gòu)，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)涉及感知層的傳感器開(kāi)發(fā)、單片機(jī)開(kāi)發(fā)、嵌入式操作系統(tǒng)接口及驅(qū)動(dòng)程序等底層開(kāi)發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不同物理特性的信息采集；網(wǎng)絡(luò)層的ZigBee、Bluetooth、WiFi、NRF、RFID等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各種采集數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸功能；應(yīng)用層的C/S和B/S架構(gòu)軟件、ARM嵌入式終端、Android手持終端、云服務(wù)管理端等應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理及上層應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的層次化體系結(jié)構(gòu)，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供多種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，主要包括ZigBee實(shí)驗(yàn)、Bluetooth 4.0實(shí)驗(yàn)、無(wú)線通訊實(shí)驗(yàn)、WiFi實(shí)驗(yàn)、傳感器實(shí)驗(yàn)、TinyOS實(shí)驗(yàn)、RFID實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)等。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合當(dāng)前大數(shù)據(jù)相關(guān)行業(yè)實(shí)際應(yīng)用需求，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)和計(jì)算思維思想，我們對(duì)高校信息技術(shù)相關(guān)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)從指導(dǎo)思想、課程體系、教學(xué)模式等方面進(jìn)行改革和創(chuàng)新嘗試。實(shí)踐表明，構(gòu)建以大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，實(shí)施梯隊(duì)式人才培養(yǎng)模式及“軟”基礎(chǔ)和“硬”技能結(jié)合的課程體系，能夠提高IT專業(yè)人才的計(jì)算思維能力及實(shí)踐操作技能。在IT專業(yè)實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)踐教學(xué)指導(dǎo)思想對(duì)課程體系、教學(xué)模式等進(jìn)行不斷細(xì)化和拓展，并對(duì)大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行適時(shí)地軟硬件配置更新。