面向解決復(fù)雜工程問題的“大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘”教學(xué)研究

范玉雷

摘要：學(xué)生工程教育培養(yǎng)的核心問題是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。解決該問題，首先要準(zhǔn)確理解和把握復(fù)雜工程問題的本質(zhì)，其次要針對該目標(biāo)采取有針對性的教學(xué)方法和手段。因此，本文從解讀和闡述復(fù)雜性工程問題入手，以“大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘”課程為例，分析該課程特點(diǎn)以及現(xiàn)有問題，并針對上述培養(yǎng)目標(biāo)，給出適應(yīng)該課程的一系列教學(xué)方法和改革措施，包括產(chǎn)學(xué)合作、項(xiàng)目驅(qū)動、“多師”授課、翻轉(zhuǎn)課堂和綜合評價等策略。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜工程問題;大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘;產(chǎn)學(xué)合作;項(xiàng)目驅(qū)動

中圖分類號：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 論文編號：1674-2117（2019）10-0106-04

引言

近幾年，我國高等教育正在大力開展工程教育認(rèn)證。工程教育認(rèn)證是一項(xiàng)國際通行的合格性評價標(biāo)準(zhǔn)，為學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量提供基本標(biāo)準(zhǔn)，即依照行業(yè)提出的基本質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求完成工科專業(yè)人才培養(yǎng)。工程教育認(rèn)證推進(jìn)工程教育改革，與工程師制度緊密銜接，增強(qiáng)培養(yǎng)出來的人才對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的適應(yīng)性，同時大大提升了我國工程技術(shù)人才的國際競爭力。

本文以“大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘”課程為例分析和討論如何運(yùn)用產(chǎn)學(xué)合作和項(xiàng)目驅(qū)動等教學(xué)策略培養(yǎng)學(xué)生的復(fù)雜工程問題解決能力。首先，建立產(chǎn)學(xué)深入合作以獲取更切合實(shí)際的復(fù)雜工程問題——大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)挖掘問題;其次，確定合適的大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘項(xiàng)目，學(xué)生自由組隊(duì)實(shí)施項(xiàng)目;最后，通過翻轉(zhuǎn)課堂讓學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目答辯，通過教師、學(xué)生和企業(yè)三方給出學(xué)生綜合評價。

“復(fù)雜工程問題”的解讀

國際公認(rèn)的具有權(quán)威性和影響力的《華盛頓協(xié)議》指出“工程”是包括數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程知識、技術(shù)和技能整體的、有目的性的應(yīng)用。“復(fù)雜工程問題”的核心特征是必須運(yùn)用深入的工程原理進(jìn)行分析才能得到解決，特別要強(qiáng)調(diào)的是復(fù)雜工程問題并不等同于高難度且工作量大的問題?？梢?，掌握工程原理的分析和運(yùn)用是學(xué)生具備解決復(fù)雜工程問題能力的基本技能。分析工程原理需要深入，運(yùn)用工程原理需要經(jīng)過分析以后解決問題?！皬?fù)雜工程問題”除了上面的核心特征以外，還具有以下6個選擇性特征：①涉及多方面技術(shù)、工程和其他因素，且相互之間可能存在沖突;②需要通過創(chuàng)造性地建立合適的抽象模型才能解決;③僅靠常用方法是不能完全解決的;④涉及的因素可能沒辦法完全被專業(yè)工程實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范所包含;⑤相關(guān)各方利益不完全一致;⑥具有較高的綜合性，包含若干相互關(guān)聯(lián)的子問題。具備核心特征和6個選擇性特征中一項(xiàng)或多項(xiàng)的工程問題都屬于復(fù)雜工程問題。

“大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘”課程特點(diǎn)和問題

作為數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)的必修課程和核心課程，同時亦為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程等專業(yè)的選修課程和專業(yè)課程，大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘是在完成離散數(shù)學(xué)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)與概率論、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用等基礎(chǔ)課程之后開設(shè)的，目的是讓學(xué)生更深入了解大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘的基礎(chǔ)理論知識、應(yīng)用前景與發(fā)展方向，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維以及動手實(shí)踐能力。所以，提高“大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘”課程的教學(xué)效果對學(xué)生的今后學(xué)習(xí)與就業(yè)都有十分重要的意義。

1.“大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘”課程特點(diǎn)

大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用背景面向的就是復(fù)雜工程問題，以下分別從系統(tǒng)性、交叉性、豐富性以及倫理性四個方面對大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘的復(fù)雜性進(jìn)行解讀。

（1）系統(tǒng)性

大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘描述的是一整套以數(shù)據(jù)為驅(qū)動的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化等，不但要描述大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘所涉及的方法、技術(shù)、模型和理論，還要闡述大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘中涉及到的知識產(chǎn)權(quán)和倫理道德等方面。

（2）交叉性

大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘具有多學(xué)科多領(lǐng)域交叉的特征，涉及數(shù)學(xué)、數(shù)據(jù)庫、可視化、信息科學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)、高性能計(jì)算等，所涉及的方法、技術(shù)、模型和理論具有廣泛性。同時，數(shù)據(jù)來自應(yīng)用領(lǐng)域，使得大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用領(lǐng)域及領(lǐng)域知識密切相關(guān)。

（3）豐富性

因其涉及的學(xué)科和領(lǐng)域很多，大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘所涉及的方法、技術(shù)、模型或理論甚多，任何一個方面都可以有豐富的現(xiàn)有的資源可以使用，任何一個方面都值得去深入研究創(chuàng)新，更可以通過研究創(chuàng)新以解決大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘方面的復(fù)雜工程問題。

（4）倫理性

大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用的目的是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，造福人類，同時也應(yīng)該考慮大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用可能帶來的不良影響，因此要有風(fēng)險意識。同時，大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘更增強(qiáng)了社會大眾對數(shù)據(jù)隱私的保護(hù)意識，因此要有數(shù)據(jù)隱私保護(hù)意識。

2.“大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘”課程問題

大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘是數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)、計(jì)算機(jī)專業(yè)和軟件工程專業(yè)中一門綜合性以及實(shí)踐性非常強(qiáng)的專業(yè)課程，采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法可能會導(dǎo)致課堂氛圍非?？菰?。因此，教學(xué)過程中要注重教學(xué)內(nèi)容的復(fù)雜工程應(yīng)用性、實(shí)踐性、針對性和專業(yè)性?！按髷?shù)據(jù)和數(shù)據(jù)挖掘”課程教學(xué)現(xiàn)在普遍存在如下問題，亟待改革。

第一，部分內(nèi)容理論比較抽象且內(nèi)容過多，尤其是數(shù)據(jù)清洗所涉及到的數(shù)學(xué)公式和數(shù)學(xué)知識點(diǎn)比較多，數(shù)據(jù)倉庫數(shù)據(jù)模型相對較抽象，難以理解，數(shù)據(jù)挖掘算法也包含很多理論支撐，所以學(xué)生在學(xué)習(xí)中極易產(chǎn)生枯燥、乏味的感覺。

第二，內(nèi)容理論多于實(shí)際，該課程內(nèi)容包括數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘，這就需要用足夠的課時來教授學(xué)生各部分的知識點(diǎn)，盡量使學(xué)生在大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘方面有個完整的知識體系，但目前很少有具體項(xiàng)目來貫穿整個課程。

第三，任課教師本身缺乏大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘的完整知識體系，使得教師在講授理論時不能很好地結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活實(shí)踐，即不能將當(dāng)前實(shí)際項(xiàng)目案例和該課程教學(xué)有機(jī)地結(jié)合在一起，與實(shí)際的大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘?qū)嵺`有明顯的差距。

第四，“雙師”型教師嚴(yán)重匱乏，大部分高校教師只專注于科研而少有在公司或者企業(yè)工作過的經(jīng)歷，且在培養(yǎng)本科生的科研能力方面沒有真正地深入，僅通過簡單的實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，所以他們常常在授課過程中忽視學(xué)生的項(xiàng)目實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

第五，該課程實(shí)驗(yàn)側(cè)重于傳統(tǒng)動手編程能力的培養(yǎng)，而缺少數(shù)據(jù)思維的培養(yǎng)，即教師很少談及數(shù)據(jù)思維，甚至側(cè)重程序驗(yàn)收而不是強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)采集—管理—分析的整個過程，并且缺少適合實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和項(xiàng)目資料，使學(xué)生不能將所學(xué)到的知識應(yīng)用于實(shí)際。

“大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘”課程教學(xué)改革措施

1.理論知識：結(jié)合項(xiàng)目傳統(tǒng)授課和“多師”授課

理論部分教學(xué)仍采用教師授課為主的模式，但需要以大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘項(xiàng)目案例去形象化闡述理論。教師授課以向?qū)W生講述大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘的基本理論為主，內(nèi)容力求少而精，同時借助大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘項(xiàng)目案例，以通俗易懂的接受方式講授給學(xué)生，目的是在較短時間內(nèi)讓學(xué)生了解現(xiàn)階段最廣泛使用的大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的理論知識，為下一步的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。同時，考慮到大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘知識體系的完整性，保留數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘授課內(nèi)容。由于存在教師科研方向問題以及項(xiàng)目案例缺乏等問題，引入“多師”授課方式，即不同部分由不同教師，甚至可以外聘企業(yè)人員來校授課，但是在授課前一定要協(xié)商好上課內(nèi)容，保證授課內(nèi)容的前后銜接和有機(jī)結(jié)合，以培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)思維為主，培養(yǎng)學(xué)生在大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘方面的興趣愛好，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，使學(xué)生平穩(wěn)過渡到深入研發(fā)階段。

2.應(yīng)用技術(shù)：從項(xiàng)目出發(fā)和“用中學(xué)”

大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘與其他計(jì)算機(jī)課程不同，學(xué)生需要面對的不是單一的軟件工具和編程語言，而是一組軟件工具組成的軟件支持環(huán)境。為了增強(qiáng)大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘課的真實(shí)性，可選用一組業(yè)內(nèi)流行的大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘工具和編程語言，如ETL、Hive和Python等，營造一個適合“大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘”課程的項(xiàng)目實(shí)踐環(huán)境?？紤]到相關(guān)工具和編程語言的復(fù)雜性，為避免學(xué)生陷入單純學(xué)習(xí)軟件功能和編程語言的誤區(qū)，要堅(jiān)持“用中學(xué)”的方針，不要求學(xué)生面面俱到掌握軟件功能和編程語言，而是從實(shí)用角度出發(fā)，以完成項(xiàng)目為目的，掌握軟件常用功能和編程語言基本語法等。同時，圍繞項(xiàng)目可以布置一些課外任務(wù)，以鞏固學(xué)生對大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘所涉及應(yīng)用技術(shù)的熟練程度，同時拓寬學(xué)生對應(yīng)用技術(shù)的擴(kuò)展學(xué)習(xí)。

3.項(xiàng)目實(shí)踐

通過項(xiàng)目實(shí)踐完成情況可以考察學(xué)生對大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘的方法和技術(shù)的掌握和運(yùn)用情況。

（1）項(xiàng)目遴選

項(xiàng)目的選取遵循“生產(chǎn)性、相關(guān)性、發(fā)展性和可操作性”四大原則，選擇的項(xiàng)目要和學(xué)生的生活學(xué)習(xí)相關(guān)，同時要是他們熟悉的，要有一定業(yè)務(wù)流程，能滿足學(xué)生今后可持續(xù)發(fā)展的需要，便于課堂開展教學(xué)實(shí)施，如氣象實(shí)時監(jiān)控與預(yù)測、交通實(shí)時監(jiān)控與預(yù)測。要想使學(xué)生在大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘的各知識點(diǎn)均有練習(xí)，最好的方式是通過產(chǎn)學(xué)合作的方式與相關(guān)企業(yè)或政府部門建立起長期合作，由企業(yè)或政府部門提出復(fù)雜工程問題，選擇其中一個作為授課用，并把該復(fù)雜工程問題對應(yīng)的項(xiàng)目（授課用項(xiàng)目）貫穿到整門課的教學(xué)包括理論教學(xué)和應(yīng)用技術(shù)教學(xué)的過程中。

（2）項(xiàng)目驅(qū)動

大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘理論較抽象，且所需基礎(chǔ)理論知識繁多，學(xué)生不宜理解和掌握，可以借助企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目（授課用項(xiàng)目），將實(shí)際和理論相結(jié)合，這就需要教師具有工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和解決復(fù)雜工程問題的能力，并能夠很好地將理論和實(shí)際結(jié)合在一起進(jìn)行授課，即把實(shí)際真正解決復(fù)雜工程問題的過程、方法、理論和技術(shù)融入到理論授課過程中。理論授課需要項(xiàng)目驅(qū)動，大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘?qū)嵺`更需要數(shù)據(jù)驅(qū)動型項(xiàng)目，真實(shí)項(xiàng)目不但可以讓學(xué)生通過項(xiàng)目感受和掌握大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘的理論、方法和技術(shù)等，更能帶動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和實(shí)際動手的積極性。

（3）團(tuán)隊(duì)協(xié)作

根據(jù)大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘?qū)嵺`過程分析并確定團(tuán)隊(duì)協(xié)作人員人數(shù)，并根據(jù)學(xué)生的能力和水平，進(jìn)行合理有效的分工，明確學(xué)生的學(xué)習(xí)任務(wù)和角色，尤其是大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘?qū)嵺`過程中的角色以及相應(yīng)的任務(wù)，如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)管理（文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫等）、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化等以及細(xì)分項(xiàng)。值得一提的是，為了更好地幫助學(xué)生認(rèn)識大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘各個環(huán)節(jié)和各個角色的重要性，需要約束和規(guī)范學(xué)生定期進(jìn)行小組討論并做會議記錄，按時提交相應(yīng)會議記錄——進(jìn)度、問題及解決辦法等;同時，約束和規(guī)范學(xué)生撰寫項(xiàng)目文檔，并按期提交，但要在理論、方法和技術(shù)方面給學(xué)生發(fā)揮的空間。為了更好地把大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘項(xiàng)目開展下去，可以為每個團(tuán)隊(duì)配備一名教師和一名企業(yè)人員，以幫助學(xué)生解決遇到的無法解決的復(fù)雜工程問題。

（4）翻轉(zhuǎn)課堂

在大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘項(xiàng)目實(shí)施過程中，設(shè)定若干階段性成果匯報和最終答辯環(huán)節(jié)，由學(xué)生準(zhǔn)備素材設(shè)計(jì)PPT，并由學(xué)生在講臺上講述階段性成果和所遇到的已經(jīng)解決的和未解決的問題，這樣不但可以培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)能力，還可以培養(yǎng)學(xué)生材料搜集整理的能力，同時更凸顯團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力。

（5）綜合評價

傳統(tǒng)教學(xué)模式中主要由授課教師來完成最終成績包括平時成績和期末成績的評定。為了能夠更好地衡量學(xué)生團(tuán)隊(duì)在大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘項(xiàng)目進(jìn)行過程中的表現(xiàn)，在階段性成果匯報和最終成果答辯過程中，可由教師、學(xué)生和企業(yè)人員共同參與答辯評審，并且對學(xué)生團(tuán)隊(duì)內(nèi)的每一個人都可以提問，以保證團(tuán)隊(duì)內(nèi)的每一個學(xué)生已熟悉和掌握軟件開發(fā)過程中應(yīng)知必會的知識。

結(jié)語

解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工作，同時也是一個動態(tài)的、循序漸進(jìn)的工作，貫穿整個教學(xué)過程。只有準(zhǔn)確理解和把握復(fù)雜工程問題，才能有針對性地開展教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)活動。本文探討了“大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘”課程教學(xué)改革措施，結(jié)合實(shí)際大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘項(xiàng)目給出了復(fù)雜問題教學(xué)實(shí)施方法，如項(xiàng)目遴選、項(xiàng)目驅(qū)動、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、翻轉(zhuǎn)課堂、綜合評價等，希望對其他涉及復(fù)雜工程問題的課程教學(xué)有一定的啟發(fā)。

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