基于翻轉(zhuǎn)課堂的大數(shù)據(jù)課程教學改革

李志杰

（湖南理工學院信息科學與工程學院，岳陽 414006）

1 大數(shù)據(jù)類課程教學現(xiàn)狀

新工科建設(shè)背景下，不少高校新增了大數(shù)據(jù)專業(yè)，如數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)。同時，高校已辦的許多信息類相關(guān)專業(yè)，也陸續(xù)開設(shè)了一些大數(shù)據(jù)相關(guān)課程，如大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、云計算與大數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)實時分析等。這些大數(shù)據(jù)教育的目的是教導學生熟悉數(shù)據(jù)分析技術(shù)，能夠熟練使用知識發(fā)掘方法，擁有堅實的并行與分布式計算知識，具備數(shù)據(jù)科學行業(yè)的應(yīng)用能力。

大數(shù)據(jù)教育開設(shè)的大數(shù)據(jù)類課程，綜合了信息論、人工智能、機器學習、數(shù)據(jù)挖掘、統(tǒng)計學等多學科知識，理論性較強，內(nèi)容相對較新。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)相對于其他工科課程，教師教學與學生學習難度更大，大數(shù)據(jù)課程建設(shè)與教學改革的重要性更加突出。

眾所周知，大數(shù)據(jù)教育是大數(shù)據(jù)時代的產(chǎn)物。高校大數(shù)據(jù)教育的辦學目標，是要培養(yǎng)適應(yīng)大數(shù)據(jù)時代要求的、能夠幫助企業(yè)解決大數(shù)據(jù)實際應(yīng)用問題的合格數(shù)據(jù)科學人才。大數(shù)據(jù)教育設(shè)置的課程，主要來源于數(shù)據(jù)管理、海量數(shù)據(jù)分析與挖掘、系統(tǒng)開發(fā)等大數(shù)據(jù)應(yīng)用的三個主要層面。

新工科建設(shè)需要新的教育理念和新的教學方法作為支撐。然而，目前國內(nèi)高校的大數(shù)據(jù)教育，教育理念陳舊、仍然使用傳統(tǒng)教學方法進行大數(shù)據(jù)課程教學的現(xiàn)象，依然不同程度地存在。

（1）大數(shù)據(jù)既有基礎(chǔ)課程的特點，更有專業(yè)背景的要求。在大數(shù)據(jù)課程教學過程中，部分教師過于偏重知識的講解與傳授，單純地認為講解完相關(guān)的知識點，課程的基本任務(wù)就算完成了。并且，知識傳授的方式往往是“滿堂灌”、“一堂言”，教師主導課堂教學的全過程。

（2）大數(shù)據(jù)的實踐性特征要求課程教學要由實際項目來驅(qū)動。在項目驅(qū)動的大數(shù)據(jù)教學過程中，學生是主體，應(yīng)當是知識的主動建構(gòu)者，而教師應(yīng)該充當學生學習的指導者和促進者。這就要求大數(shù)據(jù)教學要有意識地培養(yǎng)學生自動思考、互動討論、自主學習的能力，鼓勵學生主動探究、主動學習的精神，而不能把課堂教學變成學生片面依賴的場所。

（3）大數(shù)據(jù)隨著相關(guān)學科的發(fā)展而快速發(fā)展，具有較強的時效性。大數(shù)據(jù)技術(shù)的新穎性、動態(tài)性、交叉性對大數(shù)據(jù)教學的實時跟蹤、互動反饋過程提出了更高的要求。傳統(tǒng)的課堂傳授知識與行業(yè)背景脫節(jié)，課堂教學過程師生基本無互動、要等到課后作業(yè)甚至考試后教師才大致了解學生學習狀況，這些現(xiàn)象必須及時做出有針對性的教學調(diào)整，回到大數(shù)據(jù)教學科學合理的軌道。

顯然，要體現(xiàn)大數(shù)據(jù)教學的專業(yè)背景要求、實踐性特征、時效性特征等需求，傳統(tǒng)的教學方式與方法是無法達成的。以大數(shù)據(jù)項目驅(qū)動的三階段式翻轉(zhuǎn)課堂教學方式，則可以較好地滿足大數(shù)據(jù)課程教學的要求，如圖1所示。

圖1 大數(shù)據(jù)項目案例驅(qū)動翻轉(zhuǎn)課堂

2 大數(shù)據(jù)項目案例驅(qū)動的翻轉(zhuǎn)課堂

大數(shù)據(jù)項目驅(qū)動的翻轉(zhuǎn)課堂由課前自主學習、課內(nèi)教學、課后拓展三階段組成，整個過程由大數(shù)據(jù)項目案例驅(qū)動。

2.1 課前自主學習

（1）在線開放學習平臺

建設(shè)在線學習與實驗平臺，給學生創(chuàng)造隨時能夠?qū)W習的實驗環(huán)境，一臺筆記本就可以開始實驗，有網(wǎng)時用網(wǎng)絡(luò)上的大平臺實驗，無網(wǎng)絡(luò)時，用我們開發(fā)的實驗系統(tǒng)也能實驗。隨時隨地，沉浸式學習。

（2）教師設(shè)計項目案例

開發(fā)一套實驗系統(tǒng)，教師精心設(shè)計項目案例，編寫實驗指導書，向?qū)W生免費開放。

（3）學生自主學習實踐

學生觀看慕課上的教學短視頻，查閱學習輔導資料。學生組隊（3～5人一組）完成按照實驗指導書的要求完成初步實驗，并可在線進行交互式測試。

2.2 課內(nèi)教學

（1）項目小組長匯報

經(jīng)過課前在線自主學習階段以后，擁有了一定的親身實踐經(jīng)歷，由項目小組長簡明匯報他們的經(jīng)驗、收獲與遇到的問題。

（2）討論與評價

教師根據(jù)學生遇到的典型問題，組織學生主題討論與交流，相互解答并進行評價，培養(yǎng)學生探究問題、解決問題的能力。

（3）以項目案例組織教學

針對學生初步實驗與在線交互式測試中面臨的共同問題，由教師在理論教學中，以案例應(yīng)用為載體，采用以點帶面的思路進行教學內(nèi)容的組織，細化教學目標，編寫教學講義，并完成學生實驗案例中相關(guān)問題的解答。

2.3 課后拓展

與課前自主學習和課內(nèi)教學階段一樣，課后拓展階段需要教師與學生共同參與。

（1）教師

①整理發(fā)布課堂總結(jié)

教師要在課內(nèi)教學階段結(jié)束后，歸納整理課堂教學知識內(nèi)容，總結(jié)課堂探究中學生容易出現(xiàn)的問題，并向?qū)W生在線發(fā)布。

②分析在線學習行為

根據(jù)學生的在線學習日志數(shù)據(jù)，挖掘?qū)W生的學習行為與偏好，有針對性地引導和監(jiān)管學生的課后學習。

③指導學習實操活動

輔導學生完成課程設(shè)計。鼓勵學生課后進行知識拓展，參加技術(shù)競賽，并提供指導。

（2）學生

①完成課程設(shè)計

只靠10幾個課程實驗學時，只能完成實驗環(huán)境及基本技能訓練。還要通過工程實訓與課后學習等環(huán)節(jié)完成課程設(shè)計。

②參加技術(shù)競賽

數(shù)據(jù)科學人才僅僅在課堂上的培養(yǎng)是遠遠不夠的，需要通過實操的方式來學習知識。技術(shù)競賽是最好的實操，考驗著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

學生通過查閱課堂總結(jié)、完成工程實訓課程設(shè)計、參加技術(shù)競賽等方式，課堂教學獲得的知識得到鞏固、內(nèi)化與提升。通過小組論壇，學生也可以分享學習體會和學習經(jīng)驗。

3 翻轉(zhuǎn)課堂教學模式的關(guān)鍵問題

大數(shù)據(jù)項目案例驅(qū)動的翻轉(zhuǎn)課堂要想取得成功，有三個關(guān)鍵問題先要得到解決：如何解決大數(shù)據(jù)項目案例少的問題，教師應(yīng)對教育革新的能力儲備問題，以及如何激發(fā)學生的創(chuàng)造力問題。

3.1 如何解決大數(shù)據(jù)項目案例少的問題？

以大數(shù)據(jù)項目案例驅(qū)動大數(shù)據(jù)類課程教學，項目案例是很關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。然而，圍繞大數(shù)據(jù)項目案例問題，存在不少挑戰(zhàn)。

首先，現(xiàn)有的可用于教學的大數(shù)據(jù)項目案例太少。一般來說，大數(shù)據(jù)項目對計算資源的需求大、實驗門檻高、需要完善的平臺支持、課件以及教師的知識結(jié)構(gòu)都需要更新等，使得尋找合適的大數(shù)據(jù)項目案例困難重重。

針對大數(shù)據(jù)項目案例少的問題，我們可以考慮以下應(yīng)對策略：

（1）將科研中的項目引入教學。要想盡辦法讓相關(guān)教師多申請大數(shù)據(jù)項目方面的課題。

（2）任課教師去企業(yè)考察、調(diào)研和學習，參與大公司的實際項目。

（3）發(fā)動團隊一起來開發(fā)新的大數(shù)據(jù)項目教學案例。

（4）引入工業(yè)界廣泛應(yīng)用的框架和平臺，如Spark、TensorFlow等，縮短教育界和產(chǎn)業(yè)界的距離。

3.2 合格的師資哪里來？

大數(shù)據(jù)教育對教師提出了更高的要求。教師既要對計算機等信息類學科有較深的認識和理解，又要熟悉大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)，特別是要有大數(shù)據(jù)實際系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗。

目前相當多的高校，盡管已開設(shè)了大數(shù)據(jù)相關(guān)專業(yè)或課程，卻存在著師資嚴重缺乏的現(xiàn)象。由于數(shù)據(jù)科學人才需求旺盛，愿意進入高校從事大數(shù)據(jù)教育的人才非常少?，F(xiàn)有的師資大多來源于計算機等與大數(shù)據(jù)相近的學科，匆忙上陣，多數(shù)教師并無大數(shù)據(jù)項目經(jīng)驗。由于時間緊迫以及經(jīng)費不足等原因，培訓機會也不多。

合格的師資哪里來？

（1）大數(shù)據(jù)教學不是單純的課堂理論教學，它的實踐性要求由項目案例驅(qū)動教學。教師需要科學研究的積累，才能設(shè)計出好的大數(shù)據(jù)項目案例。教師要想盡辦法多申請或參與大數(shù)據(jù)方面的課題。

（2）加強與企業(yè)的交流與合作，參與大公司的實際項目。大數(shù)據(jù)教育工作者最缺乏的就是易于理解與操作的實例，而這些實例恰恰不在高校，而在企業(yè)中。

（3）有計劃地選派教師參加大數(shù)據(jù)師資培訓。由于大數(shù)據(jù)與行業(yè)結(jié)合緊密，培訓最好結(jié)合企業(yè)實際案例，切實提高教師對應(yīng)用層面項目的實戰(zhàn)教學能力。

（4）鼓勵教師申請MOOC，積極采用現(xiàn)代教育技術(shù)，建設(shè)大數(shù)據(jù)精品課程。在項目案例驅(qū)動的MOOC建設(shè)中，引入工業(yè)界廣泛應(yīng)用的框架和項目案例，開發(fā)實驗系統(tǒng)平臺，編寫實驗指導書，開放在線學習與交流平臺，大數(shù)據(jù)MOOC建設(shè)過程也是教師教學能力與水平的一次全方位的提高。

3.3 學生的創(chuàng)造力如何激發(fā)？

大數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)課堂教學改革的關(guān)鍵點，是如何激發(fā)學生的創(chuàng)造力。

學生課前自主學習，“先做后學”，有了親身經(jīng)歷的初步實踐經(jīng)驗，就會自發(fā)產(chǎn)生學習未知知識以及進一步探索的欲望，有利于培養(yǎng)主動學習、主動探究的精神。

課中教學階段，教師根據(jù)學生遇到的典型問題，組織學生主題討論與交流，相互解答并進行評價，培養(yǎng)學生探究問題、解決問題的能力。

優(yōu)秀的數(shù)據(jù)科學人才，僅僅在課堂上的培養(yǎng)是遠遠不夠的。社會需要的是真正能發(fā)揮作用的人才，而不是僅僅紙上談兵的學霸。為了破解這個難題，大數(shù)據(jù)項目案例驅(qū)動的翻轉(zhuǎn)課堂教學，強調(diào)讓學生通過實操的方式來學習知識，將社會需求和深度知識融合到一起。

讓學生通過實操的方式來學習知識，這才是培養(yǎng)新型復合型數(shù)據(jù)科學人才的關(guān)鍵。而最好的實操，就是技術(shù)競賽，讓初出茅廬的“嫩芽”通過真刀真槍的比拼來顯露鋒芒。技術(shù)競賽創(chuàng)造了一個平臺，考驗著學生理論儲備、實踐能力、創(chuàng)新精神等全方位的技能，促進學生跟技術(shù)的發(fā)展建立更加緊密的聯(lián)系，也在短期內(nèi)最大程度地激發(fā)學生的潛力。

4 結(jié)語

翻轉(zhuǎn)課堂是一個跨越虛擬在線與實時交流、涉及多要素（教師、學習者、主題、學習材料和情境）協(xié)同的混合式課堂結(jié)構(gòu)。借大數(shù)據(jù)類課程教學建設(shè)的契機，我們借用翻轉(zhuǎn)課堂的理念，設(shè)計以案例為載體、重互動的教學方法，同時充分發(fā)展現(xiàn)代MOOC教學手段，保障教學計劃實施。實踐表明，大數(shù)據(jù)項目案例驅(qū)動的翻轉(zhuǎn)課堂更容易激發(fā)學生的學習興趣和對理論的理解，是高校大數(shù)據(jù)類課程教學改革實踐的一次有益嘗試。