基于大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)學(xué)類本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)模式改革

（東北石油大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院 黑龍江·大慶 163318）

大數(shù)據(jù)時代已經(jīng)來臨，對傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)類專業(yè)的本科生培養(yǎng)提出了更高的挑戰(zhàn)和需求。如何培養(yǎng)適應(yīng)當(dāng)今時代發(fā)展需求的“合格”本科生，已經(jīng)成為擺在高校普遍存在的問題。

1 數(shù)學(xué)類本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)的現(xiàn)狀分析

現(xiàn)有的數(shù)學(xué)教學(xué)思想觀念老舊，僅重視基礎(chǔ)教學(xué)、缺少數(shù)學(xué)實(shí)踐與應(yīng)用；教學(xué)內(nèi)容晦澀難懂，教學(xué)中更重視計(jì)算的結(jié)果，輕了數(shù)學(xué)思維的培養(yǎng)；數(shù)學(xué)的體系結(jié)構(gòu)一成不變，與專業(yè)內(nèi)容結(jié)合甚少；師資工程實(shí)踐能力弱化，數(shù)學(xué)教師缺少專業(yè)背景。尤其，培養(yǎng)“新工科”是大學(xué)教育的當(dāng)務(wù)之急。在“新工科”的培養(yǎng)方案中，數(shù)學(xué)是基礎(chǔ)必修課程，在“新工科”學(xué)生的核心能力中，數(shù)學(xué)又是知識能力的核心，應(yīng)用數(shù)學(xué)、科學(xué)和工程的知識來解決問題是培養(yǎng)本科生的關(guān)鍵技能。

現(xiàn)有的數(shù)學(xué)類課程體系包括：數(shù)值分析、數(shù)學(xué)模型、數(shù)學(xué)建模、最優(yōu)化方法、算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、MySQL數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)挖掘案例分析、C++程序設(shè)計(jì)、Java高級程序設(shè)計(jì)、抽樣調(diào)查、時間序列分析、非參數(shù)統(tǒng)計(jì)等課程。其配套的各個實(shí)驗(yàn)課程中演示或驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)量比例過高，占到總實(shí)驗(yàn)數(shù)量的60-80%，而綜合或設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)比例過低，占到20-30%。課程中總實(shí)驗(yàn)數(shù)量的綜合或設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)總數(shù)量不足40%。這嚴(yán)重影響和耽誤數(shù)學(xué)類本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的目標(biāo)，成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)中最為薄弱的環(huán)節(jié)。

數(shù)學(xué)類人才的培養(yǎng)模式，基于傳統(tǒng)的“機(jī)房式”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)氛圍，以“演示性”、“驗(yàn)證性”的算法案例為主，通過多個案例實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生熟系算法的實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)。現(xiàn)有的數(shù)學(xué)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)，仍然以教師演示程序，學(xué)生隨堂演練為主要形式。教師指導(dǎo)學(xué)生在臺式機(jī)上實(shí)現(xiàn)算法和實(shí)例。例如：《數(shù)據(jù)挖掘》此類數(shù)值計(jì)算的課程，一般都是驗(yàn)證教材上的源程序，實(shí)現(xiàn)例題。一般上課班級超過2個班級時，60人以上，教師不能及時解決每一個學(xué)生的問題，甚至于共性問題同樣需要反復(fù)講練，不能保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，實(shí)際學(xué)習(xí)效果較差。

這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不適合當(dāng)今數(shù)據(jù)時代的發(fā)展，也未能培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐性的創(chuàng)新思想，不能彌補(bǔ)數(shù)學(xué)理論教學(xué)的抽象、晦澀的教學(xué)不足，難以提高學(xué)生的理解力和想象力，更不能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的興趣，需要對此實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境進(jìn)行系列的改革。

2 大數(shù)據(jù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的管理系統(tǒng)

大數(shù)據(jù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，包含硬件服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)、云平臺及大數(shù)據(jù)集群監(jiān)控系統(tǒng)。其中，云平臺技術(shù)在一體機(jī)部署可以提供超過300臺虛擬機(jī)，在實(shí)際教學(xué)過程中滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的環(huán)境需求。

（1）大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)旨在提供統(tǒng)一的平臺管理所有的課程教學(xué)資料、講義、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集、實(shí)驗(yàn)作業(yè)、實(shí)驗(yàn)報告書、實(shí)驗(yàn)成績管理、用戶管理（學(xué)生花名冊管理、教師信息管理）；

（2）大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，可以讓學(xué)生在任何時間和地點(diǎn)做實(shí)驗(yàn)，不受環(huán)境和時間的限制。老師也可以在任何時間和地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)文檔的相關(guān)工作；

（3）教師根據(jù)教務(wù)的開課計(jì)劃，可以進(jìn)行典型的實(shí)驗(yàn)課程庫的維護(hù)、安排實(shí)驗(yàn)、查看學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，手工批改實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)報告，統(tǒng)計(jì)并發(fā)布實(shí)驗(yàn)成績等功能；

（4）基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程包涵蓋：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)可視化等多個方面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容輔助教學(xué)，通過原理驗(yàn)證、實(shí)訓(xùn)應(yīng)用、綜合分析及自主設(shè)計(jì)等多層次的實(shí)驗(yàn)操作，為大數(shù)據(jù)教學(xué)及科研提供一個完整的、一體化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

同時，大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)室可以提供大量真實(shí)的項(xiàng)目案例，包括農(nóng)業(yè)（農(nóng)產(chǎn)品價格數(shù)據(jù)分析項(xiàng)目）、運(yùn)營商在線服務(wù)大數(shù)據(jù)平臺、新三板掛牌企業(yè)分析系統(tǒng)、汽車之家用戶評論分析系統(tǒng)等案例內(nèi)容及數(shù)據(jù)描述等。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，可以大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量，并對教師的教學(xué)和科研項(xiàng)目帶來新的啟發(fā)，達(dá)到鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維的目的，并且促進(jìn)真正的校企融合。

3 大數(shù)據(jù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的培養(yǎng)模式方案

本科生數(shù)學(xué)教育的核心內(nèi)容就是應(yīng)用數(shù)學(xué)的思想、方法和技巧解決實(shí)際問題，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐動手能力。作為核心內(nèi)容的重要補(bǔ)充，數(shù)學(xué)類本科生實(shí)驗(yàn)課程讓本科生動手實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬實(shí)例，不限時間地點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣和能力，實(shí)踐數(shù)學(xué)推導(dǎo)和數(shù)值計(jì)算的過程，改變實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，具有重要而深遠(yuǎn)的實(shí)踐教育意義。

以高?！稊?shù)據(jù)挖掘》課程為例，針對學(xué)員實(shí)際應(yīng)用能力差這一教學(xué)弱點(diǎn)設(shè)計(jì)開發(fā)的一系列教學(xué)模塊。在大數(shù)據(jù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室搭建的“實(shí)驗(yàn)平臺”中，結(jié)合老師講解數(shù)據(jù)挖掘的算法理論，通過實(shí)用的建模工具來模擬實(shí)際應(yīng)用案例，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下體驗(yàn)實(shí)際應(yīng)用，由此彌補(bǔ)學(xué)員實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不足。

在教學(xué)過程中，強(qiáng)化應(yīng)用和動手，做到理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生受益，老師授課方便。同時，此類模式可以推廣到其他的數(shù)學(xué)類課程中，例如：數(shù)值分析、數(shù)學(xué)建模、統(tǒng)計(jì)分析等，均可采用此類模式，實(shí)現(xiàn)“引導(dǎo)實(shí)踐型”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。

以此為基礎(chǔ)，針對數(shù)學(xué)類本科生開展基于計(jì)算機(jī)現(xiàn)代技術(shù)的實(shí)踐創(chuàng)新型拔尖人才培養(yǎng)項(xiàng)目，以科技創(chuàng)新項(xiàng)目為驅(qū)動，利用現(xiàn)代流行人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的創(chuàng)新性科技訓(xùn)練，側(cè)重于提高和強(qiáng)化學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)，具有明顯的引領(lǐng)作用。

4 結(jié)論和展望

在信息化、數(shù)字化、智能化新形勢和建設(shè)“新工科”的背景下，數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為工科教育的基礎(chǔ)學(xué)科也必須做出及時的改變來滿足專業(yè)的需求與人才的培養(yǎng)。及時、深入的研究大學(xué)本科生在數(shù)學(xué)知識和能力方面應(yīng)有的變化，探索大學(xué)數(shù)學(xué)課程體系的重構(gòu)和教學(xué)內(nèi)容的改革，成為了“新工科”人才培養(yǎng)的基石。從而，數(shù)學(xué)類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐研究勢在必行。

以此為基礎(chǔ)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，形成公共課和專業(yè)課一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，改善數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐教學(xué)的條件，不但滿足全校工科數(shù)學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)、大學(xué)生各類數(shù)學(xué)相關(guān)創(chuàng)新性競賽及培訓(xùn)等方面需要，更要滿足本院專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)需要和發(fā)展。

總之，基于大數(shù)據(jù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的管理系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的“機(jī)房式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)，改變成“引導(dǎo)實(shí)踐型”實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，以提高本科生操作能力為教學(xué)目的，建設(shè)數(shù)學(xué)類實(shí)驗(yàn)課程群，形成一體化培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，實(shí)現(xiàn)本科生適應(yīng)數(shù)據(jù)科學(xué)的發(fā)展和時代的需求。繼續(xù)以提高教學(xué)質(zhì)量為核心，大力發(fā)展科學(xué)研究和教育教學(xué)研究活動，推動數(shù)理金融、數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用統(tǒng)計(jì)和科學(xué)工程計(jì)算等相關(guān)方向的快速發(fā)展，形成立足地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)，面向全國相關(guān)行業(yè)，培養(yǎng)具有開拓創(chuàng)新精神、較強(qiáng)基礎(chǔ)和專業(yè)思想、較強(qiáng)實(shí)踐能力和自我發(fā)展?jié)撃艿膭?chuàng)新型人才，使得本科生在創(chuàng)新能力和動手操作能力方面都有大幅度提高，能在對外培訓(xùn)及服務(wù)中為地方政府及企業(yè)提供人才培養(yǎng)的基本實(shí)驗(yàn)手段，創(chuàng)造更多的社會效益。