多課程聯(lián)動的大數(shù)據(jù)技術(shù)課程實踐教學(xué)方法研究

陸 悠，傅啟明，鄒恩岑，奚雪峰，張戰(zhàn)成

（蘇州科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215000）

0 引 言

隨著以大數(shù)據(jù)、云計算以及人工智能為代表的研究日漸深入，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界、企業(yè)界紛紛在云計算和大數(shù)據(jù)方向進(jìn)行大量投入[1-4]。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，目前信息領(lǐng)域已有超過60%以上的公司已經(jīng)或準(zhǔn)備部署大數(shù)據(jù)生產(chǎn)環(huán)境，甚至有24.5%的公司對大數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)已深入了解并開發(fā)準(zhǔn)備就緒，這一趨勢也帶來對相關(guān)人才的海量需求。IDC、領(lǐng)英等調(diào)查公司紛紛報告，目前云計算、大數(shù)據(jù)相關(guān)的職位增長率長期處于高位，在亞太地區(qū)達(dá)到32%，而國內(nèi)的大數(shù)據(jù)相關(guān)人才更是長期處于稀缺狀況。面對這些需求，我國的高等院校從高端人才的培養(yǎng)角度出發(fā)，通過課程體系的建設(shè)尤其是針對性的實踐課程內(nèi)容建設(shè)[1]，向社會提供具備大數(shù)據(jù)應(yīng)用實踐技能的優(yōu)質(zhì)本科畢業(yè)生，已成為高校務(wù)必完成的緊迫任務(wù)。

1 多課程聯(lián)動的大數(shù)據(jù)實踐教學(xué)方法設(shè)置思路

大數(shù)據(jù)技術(shù)作為當(dāng)前信息技術(shù)集大成者，本身就具備體系龐雜、難度高的特點，技能領(lǐng)域覆蓋系統(tǒng)平臺搭建與管理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計、數(shù)據(jù)存儲與管理、算法設(shè)計與實現(xiàn)、應(yīng)用需求分析、系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)等多個領(lǐng)域，涉及的課程包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計與分析等傳統(tǒng)計算機(jī)基礎(chǔ)課程，軟件工程、數(shù)據(jù)庫原理以及軟件建模與分析等工程應(yīng)用課程，后續(xù)還將影響面向大規(guī)模數(shù)據(jù)的知識挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能乃至高性能計算等各類信息新技術(shù)課程。相對于目前國內(nèi)大學(xué)計算機(jī)學(xué)科，雖然從理論和實踐兩方面來看，大數(shù)據(jù)課程及其實踐與現(xiàn)有課程存在密切的關(guān)聯(lián)，但由于現(xiàn)有課程往往存在獨立設(shè)置缺乏呼應(yīng)的弊端，導(dǎo)致大數(shù)據(jù)課程實踐無法獲得其他課程支援，在有限學(xué)時的限制下難以設(shè)置具備較高難度和綜合性的實踐內(nèi)容，僅能浮于表面設(shè)置低難度的“體驗”型實踐，既缺乏與現(xiàn)有課程的銜接，又無法體現(xiàn)大數(shù)據(jù)課程的新穎性，對學(xué)生實踐課程體系更起不到深化作用，甚至導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生大數(shù)據(jù)實踐課是一門觀賞課、興趣課，和現(xiàn)有課程關(guān)系不大的錯誤想法。

由此可見，為了滿足當(dāng)前社會對大數(shù)據(jù)技術(shù)人才的需求，培養(yǎng)合格的畢業(yè)生，必須從高校計算機(jī)教學(xué)體系整體，尤其是實踐內(nèi)容整體出發(fā)，重新思考圍繞大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術(shù)，研究和設(shè)計實踐教學(xué)方法，從實踐內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)、活動組織、評價方法等措施著手，實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)多課程聯(lián)動、實踐內(nèi)容多課程協(xié)同、評價方法多課程配合，從而在有限的課時和現(xiàn)有課程體系下更好地培養(yǎng)本科生的大數(shù)據(jù)實踐技術(shù)能力和綜合應(yīng)用能力[2-3]。

從現(xiàn)有的教學(xué)過程和反饋來看[4-6]，大數(shù)據(jù)技術(shù)課程、云計算技術(shù)等都具備較強(qiáng)的應(yīng)用性和綜合性特征，學(xué)生往往反映實踐難度較大[7-8]，因此在設(shè)計開展此類課程的教學(xué)內(nèi)容尤其是實踐內(nèi)容時，需要從整體課程體系展開考察，首先確保已開展了足夠的前序基礎(chǔ)課程，并已開展相關(guān)的實踐訓(xùn)練，從而能為大數(shù)據(jù)實踐提供基礎(chǔ)[9-10]；其次，需要以培養(yǎng)目標(biāo)為抓手，將大數(shù)據(jù)技術(shù)對學(xué)生實踐能力、綜合應(yīng)用能力的要求，劃分為合理的層次和模塊，分解落實到各門課程中，從而指導(dǎo)各門課程設(shè)計教學(xué)內(nèi)容并使之相互協(xié)同[11]；最后，在學(xué)生實踐能力的考核評估方面，同樣需要圍繞大數(shù)據(jù)技術(shù)的實踐要求，貫徹以實踐能力、綜合應(yīng)用能力為綱的原則，在各門課程中分層次、分粒度進(jìn)行落實[12-13]。

基于多課程相互協(xié)同配合的建設(shè)思路，綜合大數(shù)據(jù)課程的實踐特點，“多課程聯(lián)動的大數(shù)據(jù)實踐教學(xué)方法”的具體教學(xué)內(nèi)容設(shè)置思路及相應(yīng)的課程體系如圖1所示。

設(shè)置思路主要是將大數(shù)據(jù)實踐內(nèi)容有機(jī)嵌入現(xiàn)有傳統(tǒng)的課程體系中，一方面適當(dāng)改進(jìn)和調(diào)整前序計算機(jī)基礎(chǔ)課程中的實踐內(nèi)容，為大數(shù)據(jù)實踐提供基礎(chǔ)知識和基礎(chǔ)能力支撐；另一方面則引進(jìn)應(yīng)用開發(fā)課程內(nèi)容，為大數(shù)據(jù)課程實踐提供應(yīng)用需求，最后結(jié)合大數(shù)據(jù)課程自身的理論內(nèi)容，三者相互協(xié)同和聯(lián)動，以此設(shè)計和優(yōu)化大數(shù)據(jù)課程的實踐教學(xué)內(nèi)容。

2 多課程聯(lián)動的大數(shù)據(jù)實踐教學(xué)組織方法

2.1 大數(shù)據(jù)技術(shù)課程的實踐教學(xué)內(nèi)容組織

首先，科學(xué)解析大數(shù)據(jù)課程的教學(xué)內(nèi)容在理論知識、實踐技能等方面與其他課程的相關(guān)程度，從而確定需要參與協(xié)同的課程體系；其次，對大數(shù)據(jù)課程知識點按層次、場景等因素進(jìn)行模塊化劃分，并確定各模塊對應(yīng)的協(xié)同課程以及相關(guān)的知識點內(nèi)容；最后，進(jìn)行實踐教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計，充分考慮與協(xié)同課程的銜接和配合，將實踐內(nèi)容分解至協(xié)同課程體系中，從課程體系整體角度實現(xiàn)對學(xué)生大數(shù)據(jù)技術(shù)實踐能力的培養(yǎng)。

1）知識點模塊化劃分。

圖1 多課程聯(lián)動大數(shù)據(jù)實踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)置思路

根據(jù)對大數(shù)據(jù)技術(shù)體系的解析和分解，理論課程教學(xué)內(nèi)容共形成3個模塊，其劃分以及相應(yīng)的協(xié)同課程設(shè)計為：①框架平臺及運維，主要包括云計算與大數(shù)據(jù)技術(shù)概述、分布式文件平臺配置和運維等，協(xié)同課程則有Linux操作系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等；②大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，主要包括分布式數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、面向大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)基礎(chǔ)（Bigtable、HBase、Hive等非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫技術(shù)等）與應(yīng)用等，協(xié)同課程則有數(shù)據(jù)庫原理等；③大數(shù)據(jù)分析與處理技術(shù)，主要包括基于Map-Reduce的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、基于大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)分析與處理、大數(shù)據(jù)技術(shù)及典型應(yīng)用場景介紹，協(xié)同課程則為程序設(shè)計基礎(chǔ)、算法分析、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計及其他軟件應(yīng)用開發(fā)技術(shù)課程。

2）實踐內(nèi)容設(shè)計。

進(jìn)行實踐內(nèi)容設(shè)計時，一方面需要充分考慮與協(xié)同課程的互相配合和支撐，另一方面則要從實際應(yīng)用出發(fā)，考慮基于案例驅(qū)動和典型場景，具體設(shè)計安排見表1。

表1 實踐內(nèi)容及協(xié)同課程設(shè)計

從表中1可以看出，實踐內(nèi)容按模塊分別對應(yīng)與其協(xié)同的現(xiàn)有課程，內(nèi)容一部分為大數(shù)據(jù)課程實踐自有，另一部分以聯(lián)動內(nèi)容形式分解至協(xié)同課程中，以此實現(xiàn)協(xié)同課程與大數(shù)據(jù)實踐教學(xué)的配合與聯(lián)動。此外，每個模塊的實踐內(nèi)容之間也充分考慮彼此配合，不同模塊的實踐最終匯總為一個整體，學(xué)生完成整門課程的實踐內(nèi)容后，即可得到一個面向?qū)嶋H案例和場景的完整大數(shù)據(jù)實際應(yīng)用。本專業(yè)可使用的參考案例如下。

案例1：基于推薦的電子商務(wù)平臺設(shè)計與實現(xiàn)，在通用的J2EE電子商務(wù)平臺基礎(chǔ)上，通過大數(shù)據(jù)計算與存儲平臺的部署以及相應(yīng)大數(shù)據(jù)分析處理模塊的實現(xiàn)，對商務(wù)平臺功能進(jìn)行擴(kuò)充，實現(xiàn)對用戶購買數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性的分析，進(jìn)而實現(xiàn)針對用戶的商品個性化推薦。

案例2：搜索引擎設(shè)計與實現(xiàn)，在通用的J2EE信息管理平臺基礎(chǔ)上，通過大數(shù)據(jù)計算與存儲平臺的部署以及包括網(wǎng)頁爬取、PageRank等在內(nèi)的大數(shù)據(jù)分析處理模塊的實現(xiàn)，對原有平臺功能進(jìn)行擴(kuò)充，實現(xiàn)帶搜索功能的信息管理應(yīng)用平臺。

3）教學(xué)課時安排和教學(xué)組織。

大數(shù)據(jù)課程理論難度不低，但實踐性更強(qiáng)，如何合理安排理論與實踐課時比例需要根據(jù)學(xué)校學(xué)生的實踐基礎(chǔ)、能動性和自我管理能力而定。以蘇州科技大學(xué)為例，從學(xué)?，F(xiàn)有反饋來看，由于學(xué)生實踐能力以及自我管理能力相對薄弱，因此采用弱化理論難度、強(qiáng)化集中實踐環(huán)節(jié)的原則，發(fā)揮教師指導(dǎo)作用，安排大數(shù)據(jù)課程實踐學(xué)時與理論課時為1∶2，由于開發(fā)、設(shè)計、部署實施等方面的實踐內(nèi)容通過分解至協(xié)同課程等方式完成，實際上實踐學(xué)時與理論學(xué)時能達(dá)到1∶1。如果學(xué)生實踐能力和自我管理能力較強(qiáng)，可以適當(dāng)強(qiáng)化理論課時，將部分實踐內(nèi)容安排至課后，則可進(jìn)一步提升學(xué)生在大數(shù)據(jù)技術(shù)方面的理解和深入程度。在教學(xué)組織方面，除了課堂教學(xué)和集中實踐環(huán)節(jié)以外，還可以安排一定的課外學(xué)時，主要供學(xué)生進(jìn)行團(tuán)隊討論和合作，教師可適當(dāng)參與進(jìn)行指導(dǎo)，此外還可以在課外安排學(xué)生進(jìn)行資料查詢、需求調(diào)研、用戶手冊的編寫等附加內(nèi)容。

2.2 聯(lián)動課程實踐教學(xué)內(nèi)容的組織和管理

根據(jù)表1所述大數(shù)據(jù)技術(shù)知識點模塊劃分與對應(yīng)的協(xié)同課程，在實踐教學(xué)內(nèi)容的組織和管理時從整體出發(fā)，將部分實踐內(nèi)容與已有課程的實踐內(nèi)容相互協(xié)同和銜接。以模塊1的Hadoop平臺的安裝實踐為例，其壓縮包的下載、解壓縮、安裝等操作可以分解安排在Linux操作系統(tǒng)課程中，如Linux軟件安裝、系統(tǒng)配置等，并在該課程的實踐過程中直接完成與Hadoop相關(guān)的平臺安裝，一方面避免大數(shù)據(jù)課程實踐內(nèi)容的重復(fù)，節(jié)約課時，另一方面則可提高Linux課程實踐的應(yīng)用性和針對性。與此類似，可以在操作系統(tǒng)實踐過程中以Hadoop的分布式存儲以及MR任務(wù)管理為例，安排進(jìn)程管理、存儲管理方面的聯(lián)動實踐內(nèi)容。以蘇州科技大學(xué)為例，類似的安排在數(shù)據(jù)庫原理、程序設(shè)計乃至軟件工程等聯(lián)動課程中都可以進(jìn)行，經(jīng)過近幾年的實踐，學(xué)校安排的聯(lián)動課程實踐教學(xué)內(nèi)容見表2。

表2 聯(lián)動課程實踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

2.3 學(xué)生的組織和管理

大數(shù)據(jù)技術(shù)實踐內(nèi)容具備整體性，因此可以應(yīng)用軟件工程的相關(guān)模式，完成對學(xué)生的組織和管理，即以學(xué)生組隊模式，共同完成實踐課程3個模塊構(gòu)成的完整應(yīng)用案例，其中由協(xié)同課程完成的實踐內(nèi)容可以直接導(dǎo)入大數(shù)據(jù)實踐中。

在課程第1模塊階段，實踐內(nèi)容以平臺搭建為主，因此學(xué)生僅僅完成分組，全班分為若干個4～6人組成的團(tuán)隊，每個學(xué)生獨自完成實踐，團(tuán)隊間學(xué)生互相考評；從第2模塊階段開始，以團(tuán)隊為單位完成實踐，為了避免“抱大腿”“搭便車”現(xiàn)象以及團(tuán)隊間的能力不均衡，教師可以對組團(tuán)進(jìn)行微調(diào)。

在實踐過程中，教師需要注意在每個模塊階段開始時對學(xué)生的指導(dǎo)，包括本階段的主要實踐內(nèi)容、目標(biāo)、要求等，尤其是第1、2模塊，教師不僅需要介紹本階段的內(nèi)容，還應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生導(dǎo)入?yún)f(xié)同課程，如Linux操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法與程序設(shè)計等方面的實踐內(nèi)容，另外指導(dǎo)或調(diào)整學(xué)生分組，指派組長以及成員的工作內(nèi)容也可以在模塊開始階段進(jìn)行。在每個模塊進(jìn)行過程中，教師還需要指導(dǎo)學(xué)生分工合作，模塊結(jié)束時指導(dǎo)學(xué)生分析總結(jié)，尤其是結(jié)合協(xié)同課程內(nèi)容幫助學(xué)生進(jìn)行鞏固提高，以培養(yǎng)學(xué)生對計算機(jī)應(yīng)用開發(fā)的整體性、體系性的深入理解，最終幫助學(xué)生學(xué)會自己解決問題，做到授人以漁，而非授人以魚。

2.4 教學(xué)效果的考核和評定

在多課程聯(lián)動的背景下，大數(shù)據(jù)課程實踐內(nèi)容的考核和評定也同樣需要考慮課程的協(xié)同，課程的期終成績由期終試卷成績（30%）和平時實踐成績（70%）組成，顯然，學(xué)生成績主要依賴于項目實踐成果。實踐部分的具體成績則由3個模塊按比例（25%+25%+50%）組成，每個模塊成績都在模塊完成時給出，成績評定的內(nèi)容包括演示陳述、平臺運維演示、算法演示等，由學(xué)生在課堂上公開演示，并引導(dǎo)學(xué)生以提問、辯駁等形式參與評價。

在實踐成績最終決定后，考慮多課程聯(lián)動的需要，每個實踐模塊部分的成績評定需依據(jù)與其相關(guān)的協(xié)同課程開課時間對平行課程以及后續(xù)課程產(chǎn)生的影響，亦即大數(shù)據(jù)實踐的成績將作為該課程的參考因素，為相關(guān)課程教師提供學(xué)生在計算機(jī)應(yīng)用開發(fā)能力體系背景下的實際能力信息。

3 結(jié) 語

經(jīng)過近兩年的實踐，蘇州科技大學(xué)基于多課程聯(lián)動的大數(shù)據(jù)實踐教學(xué)已取得良好的教學(xué)效果，與傳統(tǒng)孤立安排方式相比，多課程聯(lián)動的大數(shù)據(jù)實踐教學(xué)具備較多優(yōu)勢：①能體現(xiàn)立體化培養(yǎng)特色，體現(xiàn)計算機(jī)專業(yè)課程體系的整體性和連貫性，為大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術(shù)相關(guān)課程的開展提供思路和可行方案；②采用“案例驅(qū)動、典型場景教學(xué)、多課程協(xié)同”的實踐內(nèi)容教學(xué)方法，能夠有效地培養(yǎng)學(xué)生的大數(shù)據(jù)技術(shù)實踐應(yīng)用能力；③基于多課程聯(lián)動，強(qiáng)化計算機(jī)實踐教學(xué)能力的做法充分呼應(yīng)包括“新工科”“工程認(rèn)證”等在內(nèi)的計算機(jī)專業(yè)新趨勢，為培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力尤其是工程實踐能力提供有力支撐。在下一步工作中，主要任務(wù)是將協(xié)同實踐這一思路進(jìn)一步凝練和深化，并將其擴(kuò)展至機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等其他新一代信息技術(shù)課程中，使這些新課程和計算機(jī)學(xué)科傳統(tǒng)課程的結(jié)合更為緊密，為計算機(jī)學(xué)科教育發(fā)展提供思路和支撐。