大數(shù)據(jù)背景下研究生公共課程《數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計軟件》改革探索的思考

戴君　杜江　謝俐　張忠占

摘? 要：隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，數(shù)據(jù)分析能力受到各專業(yè)領域的重視，以大數(shù)據(jù)背景下培養(yǎng)和提高研究生數(shù)據(jù)分析能力作為目標，文章對研究生數(shù)理統(tǒng)計類公共課程的改革進行了分析和探討，從設計教學內(nèi)容、創(chuàng)新教學模式和改革考核方式等方面提出了改革方案，為培養(yǎng)適應大數(shù)據(jù)時代發(fā)展的創(chuàng)新人才提供參考。

關鍵詞：大數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)分析能力;課程改革;創(chuàng)新能力;數(shù)據(jù)科學倫理

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2019）26-0133-03

Abstract： With the development of big data industry， the capability of analyzing data becomes a most important requirement for graduate students in various majors. To meet the requirement and focus the promotion of ability of understanding and analyzing data， in this article， we discuss the teaching reform of applied mathematical statistics， which has been a common course for most majors of graduate students in many universities. Suggestions on the design of instructional contents， teaching method and examination style have been proposed for the education of innovative talents in the Big Data Era.

Keywords： big data; ability of analyzing data; reform of course teaching; innovative ability; ethics of data science

一、問題的提出

2012年聯(lián)合國發(fā)布《大數(shù)據(jù)促發(fā)展：挑戰(zhàn)與機遇》報告提出，大數(shù)據(jù)時代已經(jīng)到來，大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)將會對社會各個領域產(chǎn)生深刻的影響。數(shù)據(jù)已經(jīng)滲透到各行各業(yè)職能領域，成為重要的生產(chǎn)因素。2015年9月國務院發(fā)布《促進大數(shù)據(jù)發(fā)展行動綱要》，系統(tǒng)部署大數(shù)據(jù)發(fā)展工作，2016年3月《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》發(fā)布，“實施國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略”一章提出把大數(shù)據(jù)作為國家基礎性戰(zhàn)略資源，全面實施促進大數(shù)據(jù)發(fā)展行動。

大數(shù)據(jù)的核心特征被概括為“4V”，即數(shù)據(jù)量大（Volume）、類型多樣（Variety）、價值密度低（Value）、高速高效（Velocity）[1]。大數(shù)據(jù)在各個領域都有廣闊的應用前景，利用海量數(shù)據(jù)構建模型，可以挖掘事物的變化規(guī)律，準確預測事物的發(fā)展趨勢，并進行及時有效的干預[2]。近年來，隨著各行業(yè)邁入大數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)分析實踐能力和數(shù)據(jù)科學思維驅動的創(chuàng)新能力受到各專業(yè)領域的重視，能熟練利用相關專業(yè)領域數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)分析軟件、具備大數(shù)據(jù)分析挖掘的能力，是大數(shù)據(jù)時代下必須具備的能力;而善于利用數(shù)據(jù)科學思維的洞察力成為新時代創(chuàng)新的重要驅動力。

2015年9月全球領導戰(zhàn)略峰會發(fā)布《全球研究生教育行動指南》，為大數(shù)據(jù)時代研究生教育的有效變革提供了指導框架[3]。將大數(shù)據(jù)的收集、加工、處理使用能力列入研究生培養(yǎng)目標體系，使之成為現(xiàn)代研究生的核心技能，在課程體系中增加數(shù)據(jù)分析技術，使研究生能快速高效地提供和使用數(shù)據(jù)[4]。人才培養(yǎng)的目標是培養(yǎng)符合大數(shù)據(jù)人才標準的研究生，提高研究生利用大數(shù)據(jù)進行跨學科研究的能力[4][5]。

從各專業(yè)研究生的發(fā)展和需求看，具備數(shù)據(jù)科學思維、掌握數(shù)據(jù)處理技術是適應、引領社會發(fā)展必備的能力之一。首先，在課程思政的要求下，科學道德和數(shù)據(jù)科學倫理的教育急需加強;其次，研究人員在數(shù)據(jù)科學指導下可以產(chǎn)生高水平的、深刻的創(chuàng)新成果;第三，大數(shù)據(jù)時代各行業(yè)都會涉及數(shù)據(jù)分析相關的工作，眾多專業(yè)的研究生未來所從事的工作離不開數(shù)據(jù)處理知識和統(tǒng)計軟件。面對新形勢新要求，傳統(tǒng)的數(shù)理統(tǒng)計研究生公共課需要相應時代的新要求。

另一方面，從課程本身來看，傳統(tǒng)的數(shù)理統(tǒng)計類課程普遍是作為數(shù)學類基礎課開設的，過度重視理論教學和數(shù)學邏輯推導，忽視了數(shù)學公式后面隱含的統(tǒng)計學思想，與實踐應用關聯(lián)較少，更不提用于指導實踐的統(tǒng)計學倫理，以期末考試成績作為考核指標。導致學生在學習過程中只注重考試分數(shù)，不能將所學知識與專業(yè)研究有機地聯(lián)系起來[5]。傳統(tǒng)的知識傳授型課程難以培養(yǎng)具有核心素質(zhì)的創(chuàng)新型人才，迫切需要對課程做出相應的調(diào)整和改革[6]。

二、課程改革的基本思路

基于大數(shù)據(jù)時代對研究生能力培養(yǎng)的需求，我們對研究生的數(shù)理統(tǒng)計公共課程進行了改革。以時代需求的能力培養(yǎng)為核心，著重兩個能力和一種技術的教育，并把數(shù)據(jù)科學倫理貫穿始終：認識和理解統(tǒng)計學思想和原理的能力，應用統(tǒng)計學思想和原理分析收集和分析實際數(shù)據(jù)、解決實際問題的能力，熟練使用統(tǒng)計分析軟件的技術。

數(shù)據(jù)科學是統(tǒng)計學在信息時代的新發(fā)展。盡管現(xiàn)代統(tǒng)計學的歷史不長，但在長期的人類實踐中，形成了豐厚的統(tǒng)計學思想，如著名統(tǒng)計學家C.R.Rao所說，“在終極的分析中，一切知識都是歷史;在抽象的意義下，一切科學都是數(shù)學;在理性的世界里，所有的判斷都是統(tǒng)計學”[8]。統(tǒng)計學原理是指導數(shù)據(jù)收集和分析的基本原理，而統(tǒng)計學思想是從數(shù)據(jù)到發(fā)現(xiàn)和知識的指引。要達到大數(shù)據(jù)時代對人才的要求，就必須把公式后面的統(tǒng)計學思想和原理提到前臺。另一方面，隨著大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，原來比較潛在的統(tǒng)計學倫理，比如統(tǒng)計數(shù)據(jù)的客觀真實性、科學性要求，收集數(shù)據(jù)的倫理性要求等也急需面向廣大的領域，變得更加深遠和大眾化[9-10]。

三、課程改革的基本內(nèi)容

新的課程以數(shù)據(jù)分析為主展開，結合數(shù)據(jù)分析方法和R軟件來講述如何正確有效地處理和分析實際數(shù)據(jù)問題，培養(yǎng)學生掌握現(xiàn)代統(tǒng)計方法，在研究實踐中正確應用統(tǒng)計方法，得出合理的統(tǒng)計結論，并能對所獲得的結論進行統(tǒng)計解釋。數(shù)據(jù)科學倫理和統(tǒng)計學思想、原理則是貫穿始終的主線。在為學校各專業(yè)研究生進行統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計模擬仿真提供必要知識和訓練的同時，加強統(tǒng)計學思想對學生的浸潤，并結合數(shù)據(jù)科學的倫理進行科學道德教育。

課程改革的內(nèi)容具體包括教學內(nèi)容、教學模式和考核方式等方面。

（一） 側重統(tǒng)計知識的應用——統(tǒng)計理論和案例應用相結合

新的《數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計軟件》課程要求研究生具備一定的概率論與數(shù)理統(tǒng)計基礎，本科的概率論與數(shù)理統(tǒng)計課程作為該課程的先修課程。為了能夠使研究生有足夠的能力適應大數(shù)據(jù)時代，我們將課程教學內(nèi)容調(diào)整為多元分布及多元正態(tài)分布、回歸分析與變量選擇、試驗設計與方差分析、主成分分析與數(shù)據(jù)降維、因子分析與結構方程模型、聚類分析、判別分析與統(tǒng)計學習、相關分析與數(shù)據(jù)挖掘等。這些知識在自然科學和社會科學領域都有廣泛的應用，近年來有迅速的發(fā)展，教學時要結合現(xiàn)代數(shù)據(jù)分析的特點，融入新的數(shù)據(jù)分析技術和理念。比如試驗設計與因果推斷的關系、因子分析與結構方程模型的聯(lián)系，判別分析延伸到人工智能中的模式識別和統(tǒng)計學習等等。調(diào)整的教學內(nèi)容基本涵蓋了統(tǒng)計學知識在工程和經(jīng)濟管理等領域應用的基本內(nèi)容，因此在教學方法上也做出了相應的調(diào)整。在課程教學過程中理論知識和實踐應用相結合，深入淺出，重點在統(tǒng)計思想和統(tǒng)計方法的運用， 既要強調(diào)統(tǒng)計思想的建立，又要在統(tǒng)計方法的操作步驟上進行嚴格地訓練，有針對性地滿足理工類、社科類人才的學習需要。參考國外優(yōu)秀教材結合國內(nèi)研究生培養(yǎng)需求，進一步加強課程的實用性，增加不同專業(yè)領域實際數(shù)據(jù)分析的案例教學。結合案例，講解統(tǒng)計學原理和統(tǒng)計學思想如何被用于解決實際問題，講解數(shù)據(jù)科學倫理對于科學研究的規(guī)范和指導作用，倡導實事求是的優(yōu)良學風。

（二）提高統(tǒng)計軟件的應用能力——課程教學和上機

實踐相結合

傳統(tǒng)的課程要求學生記憶大量繁瑣的公式，進行大量的計算。隨著計算機技術的快速發(fā)展，統(tǒng)計軟件已經(jīng)廣泛地應用到各領域，并且很好的解決統(tǒng)計計算問題。統(tǒng)計軟件的使用也使學生在短時間內(nèi)掌握并應用復雜的統(tǒng)計方法。

在新的課程內(nèi)容中重點介紹了R軟件的基本操作技能：包括R的基本語法;R軟件的基本統(tǒng)計分析功能;R軟件數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析流程;R軟件統(tǒng)計模擬初步;統(tǒng)計分析方法的R軟件實現(xiàn);實際數(shù)據(jù)的案例分析等，結合實例，增加了統(tǒng)計實踐教學和實驗，側重于數(shù)據(jù)的診斷、方法的對比、結果的解釋等方面的教學，使學生在熟悉統(tǒng)計軟件的過程中能夠更深入地學習統(tǒng)計方法。

結合課程教學，我們安排上機實踐課程以提高學生的統(tǒng)計軟件能力：1. 運用R軟件進行數(shù)據(jù)分析，調(diào)用函數(shù)、編寫復雜程序、仿真、模擬實驗等。2. 運用R軟件對統(tǒng)計理論進行驗證。一方面提高學生統(tǒng)計軟件的應用能力，另一方面加深學生對統(tǒng)計理論的理解。3. 研究生結合自己專業(yè)特點，搜集數(shù)據(jù)分析案例，匯集專業(yè)數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計軟件的應用交流活動。學生的軟件應用能力及數(shù)據(jù)分析水平在較短的時間內(nèi)都得到了很大的提高。4. 考核方式包括限時完成的上機考試和大作業(yè)兩部分。上機考試涵蓋課程教學的核心內(nèi)容;而大作業(yè)擬采用靈活的方式，要求研究生與自己專業(yè)相結合，編程建模分析，對所得結果給出合理的解釋。進一步布置較為開放性的命題，將學生分成若干組，要求結合自己的專業(yè)查找有關資料和數(shù)據(jù)，然后利用R軟件完成相關的統(tǒng)計分析。結合各組上交的作業(yè)情況和各組講解作業(yè)完成思路的表現(xiàn)綜合打分。

（三）充分利用在線教學平臺——課堂教學和網(wǎng)絡教

學相結合

目前該課程教學時數(shù)為54學時，僅靠課堂教學難以滿足要求。因此我們利用在線教學平臺來實現(xiàn)上述的教學目標。在線課程教學作為對傳統(tǒng)教學的重要補充，在教育上實現(xiàn)了傳統(tǒng)教學難以實現(xiàn)的開放、自由、平等和高效[11]。

在線教學課程不同于課堂教學部分，更加強調(diào)實際數(shù)據(jù)分析能力的提升，尤其是R軟件的學習和操作，更有針對性地介紹R軟件在數(shù)據(jù)分析方法中的應用。教學平臺可以包括課外閱讀材料，軟件知識講座，課后習題，實際案例分析，外部數(shù)據(jù)鏈接等。充分利用MOOC等在線教育資源，推薦學生選學有關課程。制作講課視頻，方便學生復習回顧或自學，分享教學內(nèi)容。學習時間更加靈活，通過反復觀看，有利于鞏固學習內(nèi)容，強化了學習效果。

在線教學能夠拓展老師和學生的交流方式。教師可以通過在線學習平臺更加充分的了解到學生的學習情況，找到學生的知識難點，可以根據(jù)這些難點進行針對性的教學，將課堂教學和在線學習充分結合。

四、課程改革中的挑戰(zhàn)及應對策略

《數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計軟件》作為研究生的公共課程，上述改革受到各個學科的歡迎，課程被納入很多學科學位課程，選修研究生大增，成為學校研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)之一。但改革同時也遇到多個挑戰(zhàn)。

首先是對教師的挑戰(zhàn)。不僅需要的教師數(shù)量增加，同時對于教師的統(tǒng)計學和現(xiàn)代數(shù)據(jù)科學素養(yǎng)也有更高的要求。需要教師不斷學習統(tǒng)計學和機器學習的新理論、新方法、新算法，同時要結合案例講好統(tǒng)計學思想，就要摒棄傳統(tǒng)的數(shù)學講授習慣，增加知識面。對此，一是堅持集體備課和學習制度，二是建立教師進修制度，三是常時交流制度，把個人學習的新內(nèi)容新認識隨時納入團隊。

其次是對研究生的挑戰(zhàn)。研究生需要改變把該課程作為一般數(shù)學基礎課學習的想法，不僅需要大量的課外練習，還需要大量的課外閱讀和思考，以提高對于數(shù)據(jù)科學的覺悟水平。這是學習方式的改變，研究生需要積極主動配合。教師從一開始就需要做好引導工作，師生共同利用好在線學習平臺，增加交互與交流，相互促進。

大數(shù)據(jù)背景下的《數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計軟件》課程教學，是新時代高層次創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要渠道。通過課程改革推動眾多學科研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，提升研究生科學素養(yǎng)和對于科學研究倫理的認識，具有重要意義。本課程團隊基于多年的統(tǒng)計學研究和教學工作的積累，面向大數(shù)據(jù)時代發(fā)展需求，從設計教學內(nèi)容、創(chuàng)新教學模式和改革考核方式等方面進行教學改革，收到了初步教學實效。今后還將在教學內(nèi)容上進一步深化，發(fā)揮各種新媒體和網(wǎng)絡資源的作用，以適應多種專業(yè)類別研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需求。

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