大數(shù)據(jù)時代基于計算思維的IT專業(yè)實踐教學(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，對于作為人才培養(yǎng)主要基地的高校來說，亟須對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，以滿足社會發(fā)展對創(chuàng)新型人才的實際需要[1]。2010年發(fā)布的“九校聯(lián)盟（C9）計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明”[2]提出，把“計算思維能力的培養(yǎng)”作為計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)。ACM/IEEE CS2013工作組對全球高校計算機(jī)系主任進(jìn)行問卷調(diào)查，收到的反饋表明：關(guān)于計算機(jī)專業(yè)核心知識，排名前三的是計算思維、程序設(shè)計基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[3]。計算思維能力是高校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)用問題提供有效的智力保障，而實踐教學(xué)是培養(yǎng)和深化IT專業(yè)人才計算思維能力的主要途徑，因此，在實踐教學(xué)過程中結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)及行業(yè)應(yīng)用的實際需求來培養(yǎng)IT專業(yè)人才計算思維能力，是高校IT專業(yè)實踐教學(xué)改革和發(fā)展的首要任務(wù)。

1 計算思維、大數(shù)據(jù)與IT實踐教學(xué)

1.1 計算思維與IT專業(yè)實踐教學(xué)

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

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

（2）計算思維是確保學(xué)生創(chuàng)新能力的動力和源泉。計算思維是創(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)展的形勢下，運用計算機(jī)科學(xué)解決問題是達(dá)到科技創(chuàng)新的主要手段。高等教育實施過程中，通過課程教育與實踐教學(xué)，有目的、有意識地培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，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）以計算思維方式應(yīng)對大數(shù)據(jù)行業(yè)實際應(yīng)用。大數(shù)據(jù)行業(yè)實際應(yīng)用問題呈現(xiàn)出明顯的計算機(jī)科學(xué)特征，分析和解決這些問題需要具有良好的計算思維能力。IT專業(yè)實踐教學(xué)內(nèi)容以大數(shù)據(jù)行業(yè)實際應(yīng)用需求為背景，通過實驗、案例和項目的階梯式實踐教學(xué)編排，鞏固和深化計算思維方式，提高以計算思維方式分析和解決實際問題的能力。

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

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

（2）大數(shù)據(jù)行業(yè)應(yīng)用為IT專業(yè)實踐教學(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)實踐教學(xué)提供了大量的實驗素材和真實案例，通過基于這些素材和案例的實踐教學(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)用問題解決能力。

（3）大數(shù)據(jù)行業(yè)應(yīng)用為IT專業(yè)實踐教學(xué)提供檢驗標(biāo)準(zhǔn)。IT專業(yè)實踐教學(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)生建立計算思維方式，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。實踐教學(xué)效果的優(yōu)劣通過大數(shù)據(jù)行業(yè)應(yīng)用進(jìn)行檢驗，檢驗結(jié)果反饋于實踐教學(xué)過程中，以實現(xiàn)大數(shù)據(jù)行業(yè)應(yīng)用和實踐教學(xué)的雙贏發(fā)展。

2 IT專業(yè)實踐教學(xué)改革

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

2.1 實踐教學(xué)指導(dǎo)思想改革

針對大數(shù)據(jù)行業(yè)實際應(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)課程的理論和實踐教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)計算思維意識，在專業(yè)課程的理論和實踐教學(xué)過程中訓(xùn)練和強(qiáng)化學(xué)生的計算思維能力。

根據(jù)教育部“卓越工程師培養(yǎng)計劃”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，通過實踐教學(xué)培養(yǎng)具備堅實“大數(shù)據(jù)科學(xué)”基礎(chǔ)、較強(qiáng)“大數(shù)據(jù)處理”實踐應(yīng)用能力與計算思維能力的梯隊式IT專業(yè)人才（如圖1所示），以形成具有鮮明計算思維特色的新型IT專業(yè)人才培養(yǎng)模式。

圖1 梯隊式IT專業(yè)人才

2.2 實踐教學(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)開發(fā)技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、射頻識別技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等）開展實踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生計算思維，提高學(xué)生實踐技能。

通過大數(shù)據(jù)技術(shù)相關(guān)課程的實踐教學(xué)，培養(yǎng)“軟”基礎(chǔ)，加深學(xué)生對IT專業(yè)理論知識的理解和掌握，鞏固學(xué)生對編程語言、開發(fā)工具及環(huán)境的熟練使用。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)課程的實踐教學(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發(fā)技術(shù)，具備軟硬件系統(tǒng)集成設(shè)計與開發(fā)能力。通過對實踐教學(xué)課程體系進(jìn)行改革，可從思維意識和操作技能方面培養(yǎng)和提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

2.3 實踐教學(xué)實施模式改革

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

圖2 階梯式IT專業(yè)實踐教學(xué)模式

在階梯式IT專業(yè)實踐教學(xué)模式實施過程中，課程實驗以理論知識為基礎(chǔ)，針對專業(yè)技術(shù)知識點各個擊破，提高理論聯(lián)系實際的操作技能；案例重現(xiàn)以行業(yè)應(yīng)用真實案例為依據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生以計算思維方式思考和分析問題，進(jìn)而以重做案例的方式解決問題；課程設(shè)計以專業(yè)課程內(nèi)容為依據(jù)，綜合利用所學(xué)課程知識進(jìn)行系統(tǒng)性的課程實踐，鞏固專業(yè)理論知識和實踐技能；項目訓(xùn)練以導(dǎo)師制或項目制運行，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)科研項目、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃等項目的實施過程中拓展實踐教學(xué)；專業(yè)競賽以興趣團(tuán)隊形式運行，采用知識技能考核、專業(yè)技能訓(xùn)練等方式選拔人才并組成競賽團(tuán)隊，通過參加國內(nèi)外各種專業(yè)知識競賽和行業(yè)技能競賽深化實踐教學(xué)；企業(yè)實訓(xùn)以畢業(yè)設(shè)計或畢業(yè)論文方式進(jìn)行，按照專業(yè)培養(yǎng)計劃對實訓(xùn)內(nèi)容及時間進(jìn)行統(tǒng)一編排，通過企業(yè)實訓(xùn)完善學(xué)生專業(yè)綜合技能，提高學(xué)生個人綜合素質(zhì)，以滿足“即插即用”的行業(yè)工作崗位需要。

3 實踐教學(xué)平臺建設(shè)

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

3.1 大數(shù)據(jù)實驗平臺

以大數(shù)據(jù)技術(shù)相關(guān)課程的理論和實驗教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，建立大數(shù)據(jù)技術(shù)實踐教學(xué)平臺，為IT專業(yè)實踐教學(xué)提供軟件環(huán)境支撐。大數(shù)據(jù)實驗平臺按照數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)平臺與算法、行業(yè)實戰(zhàn)數(shù)據(jù)分析3個層次構(gòu)建，實踐教學(xué)內(nèi)容從易到難分為演示性實驗、操作性實驗、開發(fā)性實驗和大數(shù)據(jù)開放性實驗。通過典型的算法展示、算法實現(xiàn)、結(jié)合大數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用場景與案例，對學(xué)生進(jìn)行大數(shù)據(jù)技術(shù)方面的綜合訓(xùn)練，實現(xiàn)IT專業(yè)實踐教學(xué)從理論到應(yīng)用的涵蓋原理驗證、綜合應(yīng)用、創(chuàng)新設(shè)計的多層次實踐體系（如圖3所示）。

圖3 大數(shù)據(jù)實驗平臺

大數(shù)據(jù)實驗平臺采用基于瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)的集中化管理方式。學(xué)生可以根據(jù)實驗內(nèi)容需要，運行服務(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)境用于實現(xiàn)常見的數(shù)據(jù)挖掘算法，為學(xué)生提供數(shù)據(jù)挖掘展示實驗結(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)訪問以及MapReduce程序執(zhí)行。

大數(shù)據(jù)實驗平臺按照由易到難的程度劃分多個實驗?zāi)K及實驗項目，主要包括數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)、統(tǒng)計與建模方法、數(shù)據(jù)挖掘方法、數(shù)據(jù)抓取、SAS編程基礎(chǔ)、SAS統(tǒng)計建模與數(shù)據(jù)挖掘、Hadoop大數(shù)據(jù)分析、自然語言處理、大數(shù)據(jù)分析綜合應(yīng)用等。本平臺為大數(shù)據(jù)技術(shù)實踐教學(xué)提供一個完整的、一體化的綜合實驗環(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)用實驗室。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺

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

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)實驗平臺（如圖4所示），集成WinCE/Linux/Android等嵌入式操作系統(tǒng)平臺，通過模塊化設(shè)計實現(xiàn)IT專業(yè)實踐教學(xué)與物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及RFID等技術(shù)的無縫結(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)實驗平臺涉及感知層的傳感器開發(fā)、單片機(jī)開發(fā)、嵌入式操作系統(tǒng)接口及驅(qū)動程序等底層開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)不同物理特性的信息采集；網(wǎng)絡(luò)層的ZigBee、Bluetooth、WiFi、NRF、RFID等無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(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)用軟件開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理及上層應(yīng)用程序開發(fā)。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的層次化體系結(jié)構(gòu)，物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺提供多種實驗項目，主要包括ZigBee實驗、Bluetooth 4.0實驗、無線通訊實驗、WiFi實驗、傳感器實驗、TinyOS實驗、RFID實訓(xùn)項目、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實驗等。

4 結(jié)語

結(jié)合當(dāng)前大數(shù)據(jù)相關(guān)行業(yè)實際應(yīng)用需求，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)和計算思維思想，我們對高校信息技術(shù)相關(guān)專業(yè)實踐教學(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)的實踐教學(xué)平臺，實施梯隊式人才培養(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)人才的計算思維能力及實踐操作技能。在IT專業(yè)實踐教學(xué)過程中，需要根據(jù)實踐教學(xué)指導(dǎo)思想對課程體系、教學(xué)模式等進(jìn)行不斷細(xì)化和拓展，并對大數(shù)據(jù)實驗平臺和物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺進(jìn)行適時地軟硬件配置更新。