“大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革體會(huì)

李志杰　劉基旺

摘? 要：針對(duì)“大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)”課程學(xué)習(xí)內(nèi)容相對(duì)較新、知識(shí)面較廣、教師教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)難度更大的實(shí)際狀況，分析該課程的定位、教學(xué)內(nèi)容與教材選擇、教學(xué)方式與實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)等問題。提出和實(shí)踐新工科背景下的大數(shù)據(jù)課程教學(xué)方法，包括項(xiàng)目案例驅(qū)動(dòng)教學(xué)、以問題提升教學(xué)、激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造力等。同時(shí)，結(jié)合“大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)實(shí)踐分析了大數(shù)據(jù)課程教學(xué)改革方向。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)基礎(chǔ);課程教學(xué)改革;項(xiàng)目案例;數(shù)據(jù)科學(xué)人才;新工科建設(shè)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）23-0171-03

Experience in Teaching Reform of “Big Data Foundation”

LI Zhijie，LIU Jiwang

（School of Information Science & Engineering，Hunan Institute of Science And Technology，Yueyang? 414006，China）

Abstract：Aimed at the fact that the learning content of “Big Data Foundation ”course is relatively new，the knowledge is wide and the difficulty of teaching and learning is greater for teachers and students，this paper analyses the positioning of the course，the selection of teaching content and materials，the teaching method and the design of experimental cases，and puts forward the teaching method of big data course under the background of the new subject，including project case-driven teaching，problem-based teaching，stimulating students’creativity，etc. Meanwhile，combining with teaching practice，this paper analyses the direction of teaching reform of big data course.

Keywords：big data foundation;course teaching reform;project case;data science talents;construction of new engineering

0? 引? 言

大數(shù)據(jù)是信息化發(fā)展的新階段。新工科建設(shè)背景下，不少信息類專業(yè)開設(shè)了大數(shù)據(jù)相關(guān)課程，如大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、云計(jì)算與大數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析等，其目的是教導(dǎo)學(xué)生熟悉數(shù)據(jù)分析技術(shù)，能夠熟練使用知識(shí)發(fā)掘方法，擁有堅(jiān)實(shí)的并行與分布式計(jì)算知識(shí)，具備數(shù)據(jù)科學(xué)行業(yè)的應(yīng)用能力。

由于大數(shù)據(jù)綜合了信息論、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、統(tǒng)計(jì)學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，理論性較強(qiáng)，內(nèi)容相對(duì)較新。大數(shù)據(jù)適用的應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋商業(yè)智能、物聯(lián)網(wǎng)、社會(huì)大數(shù)據(jù)分析、金融、醫(yī)療、通信等行業(yè)。因此，大數(shù)據(jù)相對(duì)于其他工科課程，教師教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)難度更大，大數(shù)據(jù)課程建設(shè)與教學(xué)改革的重要性更加突出。

湖南理工學(xué)院從2018年上學(xué)期開設(shè)“大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)”課程，覆蓋信息科學(xué)與工程學(xué)院軟件工程本科專業(yè)2個(gè)班，100人左右，目前已開課兩次;湖南理工學(xué)院研究生的大數(shù)據(jù)分析課程，覆蓋研究生一個(gè)班20人左右。大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)實(shí)訓(xùn)課程，覆蓋3個(gè)專業(yè)120人左右。

“大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)”課程是數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能兩個(gè)專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程。在本科生和研究生的“大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)”相關(guān)課程教學(xué)中，應(yīng)該按照新工科建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)與要求，從應(yīng)用的角度引入工業(yè)界最新的大數(shù)據(jù)技術(shù)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和學(xué)術(shù)能力?！按髷?shù)據(jù)基礎(chǔ)”課程側(cè)重實(shí)踐教學(xué)，由大數(shù)據(jù)項(xiàng)目案例驅(qū)動(dòng)本科生和研究生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，必然會(huì)從根本上提高學(xué)生的動(dòng)手能力，對(duì)學(xué)生未來的就業(yè)和學(xué)術(shù)生涯具有重要意義。

本文圍繞“大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)實(shí)踐，分析該課程大綱的制訂、教學(xué)內(nèi)容與教材選擇、教學(xué)方式與實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)等問題，提出新工科背景下的大數(shù)據(jù)課程教學(xué)方法，并結(jié)合教學(xué)實(shí)踐分析大數(shù)據(jù)課程改革方向，如圖1所示。

1? “大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)”課程建設(shè)

1.1? 課程定位

大數(shù)據(jù)時(shí)代，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫、編程語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編程思想和框架的處理能力已經(jīng)不能滿足當(dāng)前大數(shù)據(jù)時(shí)代的需求，學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)急需更新。不僅新開設(shè)的數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)，一些信息類相關(guān)專業(yè)也有大數(shù)據(jù)教育的需求。

在大數(shù)據(jù)教育體系中，“大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)”課程是一門必修基礎(chǔ)課程。該課程基于分布式架構(gòu)實(shí)現(xiàn)技術(shù)，技術(shù)內(nèi)容豐富，涵蓋數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、存儲(chǔ)、管理、數(shù)據(jù)分析與可視化等。系統(tǒng)講述數(shù)據(jù)分析全流程中，典型軟件的安裝、使用和基礎(chǔ)編程方法為后續(xù)課程（數(shù)據(jù)挖掘、云計(jì)算與大數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析等）的教學(xué)奠定扎實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

通過“大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)，使學(xué)生系統(tǒng)地掌握操作系統(tǒng)（Linux和Windows）、開發(fā)工具（Eclipse）以及大數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)、軟件（Kafka、Hadoop、HDFS、MapReduce、HBase、Hive、Spark、數(shù)據(jù)可視化工具）等，逐步熟悉大數(shù)據(jù)的應(yīng)用開發(fā)過程，并能在大數(shù)據(jù)編程實(shí)踐中靈活使用相關(guān)技術(shù)。

“大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)”是一門面向工程應(yīng)用實(shí)際的技術(shù)基礎(chǔ)課程，要將工業(yè)界最新的大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)引入本科生和研究生的教學(xué)中，通過豐富的課程實(shí)驗(yàn)和綜合案例，培養(yǎng)學(xué)生的大數(shù)據(jù)基本工程素養(yǎng)，并為今后進(jìn)一步從事大數(shù)據(jù)相關(guān)工作打下良好的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1.2? 課程教學(xué)內(nèi)容

按照新工科建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)與要求，“大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)內(nèi)容的選擇遵循的原則是“知識(shí)夠用、注重應(yīng)用、內(nèi)容先進(jìn)和總體優(yōu)化”。

（1）知識(shí)夠用。涵蓋大數(shù)據(jù)批處理、流處理、圖計(jì)算、查詢分析計(jì)算等四種處理模式，以及它們的應(yīng)用實(shí)例;

（2）注重應(yīng)用?！按髷?shù)據(jù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)全過程由大數(shù)據(jù)實(shí)際項(xiàng)目案例驅(qū)動(dòng);

（3）內(nèi)容先進(jìn)。適當(dāng)介紹一些可以用于大數(shù)據(jù)分析的機(jī)器學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)挖掘常用算法，以及在分布式并行環(huán)境下的使用方法;

（4）總體優(yōu)化。從總體上保證課程內(nèi)容系統(tǒng)全面，重點(diǎn)突出，層次分明，實(shí)用先進(jìn)。

1.3? 課程考核方式

為了準(zhǔn)確地體現(xiàn)“大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)要求，有利于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)科學(xué)人才的培養(yǎng)目標(biāo)，課程考核方式的選擇與操作要能比較客觀公正地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況和教學(xué)效果，要能較好地考察學(xué)生分析問題與解決實(shí)際問題的能力，有利于激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)創(chuàng)新能力。

在“大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)”課程的考核方式上，我們采用平時(shí)、理論與實(shí)踐相結(jié)合的多樣化考核方法，考核內(nèi)容強(qiáng)調(diào)實(shí)踐操作能力與應(yīng)用技能考核，加大實(shí)踐考核的比例。比如，在總分100分中，平時(shí)成績（包括考勤、作業(yè)、課堂提問等）占20%，理論考核（期末）占30%，實(shí)踐技能考核占50%。

“大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)”課程考核的成績?cè)u(píng)定由平時(shí)、理論、實(shí)踐相結(jié)合綜合評(píng)定，考核方法向多元化、全程化、科學(xué)化、綜合化轉(zhuǎn)變，通過課程考核的引領(lǐng)作用來激勵(lì)學(xué)生的積極性，切實(shí)提高教學(xué)質(zhì)量。

1.4? 教材編寫

對(duì)于高校而言，推出更加實(shí)用、更加專業(yè)的高校大數(shù)據(jù)課程和教材似乎是一項(xiàng)迫切的基礎(chǔ)性工作。顯然，“大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)”包含的知識(shí)范疇比較廣，又注重應(yīng)用，教材的選擇至關(guān)重要。選定的教材要有一定的先進(jìn)性和實(shí)用性，最好還有相關(guān)的大數(shù)據(jù)課程輔助教材，能提供豐富的課程實(shí)驗(yàn)和綜合案例，用于指導(dǎo)大數(shù)據(jù)編程實(shí)踐。

中國高校大數(shù)據(jù)教育當(dāng)下的課程教材編寫頗有些群雄逐鹿的意味，但不管怎樣，在課程教材編寫中，必須結(jié)合企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用，杜絕“閉門造車”的現(xiàn)象，為自己的學(xué)生尋求與編寫最實(shí)用的教材和平臺(tái)。

大數(shù)據(jù)是一個(gè)不斷蓬勃發(fā)展的學(xué)科，教材編纂始終保持在發(fā)展前沿，自然能為人才培養(yǎng)輸入源源不斷的生命力。

2? “大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)”教學(xué)方式改革

2.1? 項(xiàng)目案例驅(qū)動(dòng)教學(xué)

大數(shù)據(jù)理論教學(xué)必須與本工科專業(yè)結(jié)合，以相關(guān)案例驅(qū)動(dòng)大數(shù)據(jù)教學(xué)過程。在理論教學(xué)中，以案例應(yīng)用為載體，采用以點(diǎn)帶面的思路進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的組織，細(xì)化教學(xué)目標(biāo)并編寫講義。實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，以知識(shí)應(yīng)用與實(shí)踐技能培養(yǎng)為重點(diǎn)內(nèi)容。同時(shí)，適度引入大數(shù)據(jù)最新技術(shù)以保證課程內(nèi)容先進(jìn)性。

另外，大數(shù)據(jù)處理需要復(fù)雜度更低的可行算法，甚至在有些情況下需要設(shè)計(jì)并行算法。因此，大數(shù)據(jù)對(duì)自主實(shí)際編程的能力要求很高，“大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)”課程需要體現(xiàn)大數(shù)據(jù)編程的特色，強(qiáng)調(diào)編程能力和算法設(shè)計(jì)，并專門教授并行計(jì)算相關(guān)內(nèi)容。

“大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)”實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，以案例應(yīng)用為載體，設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，安排專門教授并行計(jì)算相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)環(huán)節(jié)，注重自主編程能力培養(yǎng)。同時(shí)，改革課程考核方式，在課程成績?cè)u(píng)定中引入激勵(lì)機(jī)制，教學(xué)全過程考核。

我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)踐導(dǎo)向的課程項(xiàng)目，學(xué)生組隊(duì)（3～5人一組）完成3個(gè)課程項(xiàng)目。課程項(xiàng)目包含必做和選做部分，必做部分主要完成一些基本的大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù);選做部分具備一定的難度和靈活性，解決的問題更加開放，要求學(xué)生必須自己編寫大數(shù)據(jù)并行代碼。所有項(xiàng)目都要在課堂上做項(xiàng)目匯報(bào)，內(nèi)容主要包括項(xiàng)目方案、算法細(xì)節(jié)、程序編碼、以及收獲等方面，目的在于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力和培養(yǎng)他們獨(dú)立思考問題和解決問題的能力。

實(shí)踐表明，通過案例問題導(dǎo)向的方式更容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和加深對(duì)理論的理解。另外，在具體案例分析過程中，多采用以點(diǎn)帶面的內(nèi)容安排技巧，從一點(diǎn)出發(fā)逐步擴(kuò)展，可以更好地幫助學(xué)生獲得課程理論的清晰脈絡(luò)。

2.2? 以問題提升教學(xué)

相對(duì)于傳統(tǒng)課程，無論教師教學(xué)還是學(xué)生學(xué)習(xí)，“大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)”課程的難度更大。為了取得良好的教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)的目標(biāo)，教學(xué)方式的改革很有必要。

傳統(tǒng)的課程教學(xué)方法以課堂理論教學(xué)為主，教學(xué)內(nèi)容根據(jù)課程本身來設(shè)計(jì)，教學(xué)方法又根據(jù)教學(xué)內(nèi)容來設(shè)計(jì)，這種課程教學(xué)方法不能適應(yīng)“大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)的需要。

在“大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)實(shí)踐中，我們以學(xué)生為主體，根據(jù)學(xué)生志趣與課程特點(diǎn)，在理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中設(shè)計(jì)了以案例驅(qū)動(dòng)教學(xué)、以問題提升教學(xué)、以“鼓勵(lì)”提升教學(xué)3種先進(jìn)教學(xué)方法。同時(shí)，積極運(yùn)用現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)與手段，如申報(bào)慕課，借鑒翻轉(zhuǎn)課堂手段等。另外，課程考核方面，我們?cè)谡n程成績?cè)u(píng)定中引入激勵(lì)機(jī)制，教學(xué)全過程考核，強(qiáng)調(diào)實(shí)踐操作能力與應(yīng)用技能考核，最后進(jìn)行綜合考試。

現(xiàn)階段大數(shù)據(jù)教學(xué)存在的主要問題，一方面是重視不夠，不少高校還沒有開設(shè)專門的大數(shù)據(jù)教學(xué)模塊;另一方面，已開設(shè)的大數(shù)據(jù)相關(guān)課程，常常存在專業(yè)案例教學(xué)弱化、忽視自主編程能力培養(yǎng)等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象與問題是與國家大力提倡的新工科的要求相悖的，需要引起足夠重視。按照新工科的精神要求，“大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)”課程只有延展實(shí)踐育人平臺(tái)，強(qiáng)化教學(xué)實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)，教學(xué)科研互動(dòng)促進(jìn)教學(xué)，產(chǎn)學(xué)研協(xié)同，教學(xué)全過程考核，才能提高數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)質(zhì)量。

2.3? 激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造力

“以學(xué)生為中心”，以多種方式充分激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性與創(chuàng)造性。

（1）完成課程設(shè)計(jì)。只靠十幾個(gè)課程實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，只能完成實(shí)驗(yàn)環(huán)境及基本技能訓(xùn)練，還要通過工程實(shí)訓(xùn)與課后學(xué)習(xí)等環(huán)節(jié)完成課程設(shè)計(jì);

（2）參加技術(shù)競(jìng)賽。培養(yǎng)數(shù)據(jù)科學(xué)人才僅僅通過課堂教學(xué)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要通過實(shí)操的方式來學(xué)習(xí)知識(shí)。技術(shù)競(jìng)賽是最好的實(shí)操，考驗(yàn)參與者全方位的技能，也能在短期內(nèi)最大程度地激發(fā)人的潛力;

（3）鞏固與分享知識(shí)。學(xué)生通過查閱課堂總結(jié)、完成工程實(shí)訓(xùn)課程設(shè)計(jì)、參加技術(shù)競(jìng)賽等方式，課堂教學(xué)獲得的知識(shí)得到鞏固、內(nèi)化與提升。通過小組論壇，學(xué)生也可以分享學(xué)習(xí)體會(huì)和學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。

3? 結(jié)? 論

當(dāng)前，我國的工程教育在理念、人才結(jié)構(gòu)、知識(shí)體系、培養(yǎng)模式等方面，與培養(yǎng)卓越工程人才的要求有一些不適應(yīng)，大數(shù)據(jù)教學(xué)還處于起步階段。例如，在教育理念方面，中國受到傳統(tǒng)教育體制的限制，更重視縱深的專業(yè)技能，缺少跨學(xué)科和專業(yè)的綜合性體制的建立。而大數(shù)據(jù)是跨學(xué)科和專業(yè)的，因此，我們應(yīng)該開放心態(tài)，積極轉(zhuǎn)型為“T”字型數(shù)據(jù)科學(xué)人才教育理念。

借“大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)”課程建設(shè)的契機(jī)，我們?cè)O(shè)計(jì)以案例為載體、重互動(dòng)的教學(xué)方法。充分發(fā)展現(xiàn)代化技術(shù)教學(xué)手段，保障教學(xué)計(jì)劃實(shí)施。這種新工科背景下的大數(shù)據(jù)課程教學(xué)方法，在“大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)實(shí)踐中取得了良好的教學(xué)效果。

新工科指明了我國工程教育改革的方向，為大數(shù)據(jù)課程的教學(xué)改革提供了一個(gè)全新的視角和可行的思路。近年來的諸多實(shí)踐證明，想培養(yǎng)真正合格的大數(shù)據(jù)人才，產(chǎn)學(xué)研融合是一條可行之路，也是必由之路。產(chǎn)學(xué)研融合，由大數(shù)據(jù)項(xiàng)目案例驅(qū)動(dòng)大數(shù)據(jù)課程教學(xué)的全過程，也是大數(shù)據(jù)教育改革的可行之路。

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作者簡介：李志杰（1964-），男，漢族，湖南永興人，副教授，博士，中國通信學(xué)會(huì)云計(jì)算和大數(shù)據(jù)應(yīng)用專委會(huì)委員，研究方向：大數(shù)據(jù)在線學(xué)習(xí);劉基旺（1997-），男，土家族，湖南永順人，碩士研究生，研究方向：大數(shù)據(jù)智能算法。