新工科背景下的《大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)》課程建設(shè)研究

葉 青（長江大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州434000）

劉長華（長江大學(xué) 學(xué)校辦公室，湖北 荊州434000）

一、研究背景及意義

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感技術(shù)的迅猛發(fā)展，國內(nèi)外各行各業(yè)的應(yīng)用系統(tǒng)規(guī)模迅速擴(kuò)大，其隨之產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也將呈爆炸性增長。 目前， 全球的數(shù)據(jù)增長速度已經(jīng)達(dá)到每年40%。 根據(jù)麥肯錫公司的分析報(bào)告，2018 年大數(shù)據(jù)工作崗位需求激增，大數(shù)據(jù)人才的缺口將達(dá)到1500 萬。 據(jù)IDC 預(yù)測(cè)，到2019 年，大數(shù)據(jù)分析行業(yè)的年度全球收入將達(dá)到1870 億美元。 大數(shù)據(jù)的產(chǎn)生為以互聯(lián)網(wǎng)和人工智能為核心的工科學(xué)科提供了良好的生態(tài)環(huán)境和硬性支撐。

2016 年，“新工科”概念的提出為工程人才的培養(yǎng)與工程教育理論的探索提供了新視角和新思路，也是為了應(yīng)對(duì)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的浪潮[1]。 與老工科相比，新工科更加重視學(xué)科的實(shí)用性以及各個(gè)學(xué)科之間的交叉性與綜合性，致力于提供一流的工程教育，培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型、復(fù)合型的卓越工程人才，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，提高國家的核心競爭力[2～3]。 新工科專業(yè)涵蓋了針對(duì)新興產(chǎn)業(yè)的諸多專業(yè)，包括大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈、人工智能等創(chuàng)新型專業(yè)。

2019 年10 月20 日，習(xí)近平總書記在第六屆世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)上指出：“當(dāng)前， 新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速演進(jìn)，人工智能、 大數(shù)據(jù)、 物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)新應(yīng)用新業(yè)態(tài)方興未艾。 ”這是對(duì)“新工科”進(jìn)行再深化，這些推動(dòng)措施正在改變高校教與學(xué)的方式，改變高校的人才培養(yǎng)方案，改變高校的課程評(píng)價(jià)體系，改變高校的教學(xué)資源配置[4]。 相對(duì)于傳統(tǒng)的工科人才培養(yǎng)，新工科的人才培養(yǎng)模式正在朝向培養(yǎng)新興產(chǎn)業(yè)急需的兼具實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、競爭力的高素質(zhì)人才。

教育部印發(fā)的《關(guān)于公布首批“新工科”研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》指出，要充分把握“新工科”建設(shè)的內(nèi)涵，促進(jìn)“工醫(yī)”、“工農(nóng)”、“工文”等多學(xué)科交叉。 大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)作為“新工科”建設(shè)的重點(diǎn)，國內(nèi)多所高校已積極開設(shè)《大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)》課程，力爭培養(yǎng)掌握大數(shù)據(jù)與云計(jì)算處理技術(shù)、有大數(shù)據(jù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的創(chuàng)新型工程人才。 但是，由于該課程的開設(shè)和建設(shè)還處于初期，且大數(shù)據(jù)與云計(jì)算行業(yè)的技術(shù)更新較快，目前尚無較成熟的課程建設(shè)先例供各大高校借鑒。因此，對(duì)《大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)》課程建設(shè)展開深入研究，整改教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)方法，加強(qiáng)課程與企業(yè)以及行業(yè)之間的聯(lián)系，提高課程的實(shí)踐性和應(yīng)用性，具有較強(qiáng)的實(shí)際意義和研究價(jià)值。

二、實(shí)例項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

目前，地方高校由于人才培養(yǎng)方案缺乏及時(shí)更新、教學(xué)方法落后、教學(xué)資源單一等問題，該課程的教學(xué)內(nèi)容嚴(yán)重滯后于大數(shù)據(jù)行業(yè)的需求，與前沿技術(shù)相距甚遠(yuǎn)[5～6]。大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)具有的多學(xué)科交叉、實(shí)用性強(qiáng)、內(nèi)容抽象且更新較快等特點(diǎn)。大數(shù)據(jù)行業(yè)的就業(yè)方向主要包括三大類：大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的研發(fā)、大數(shù)據(jù)應(yīng)用的開發(fā)、大數(shù)據(jù)分析，具體崗位包括：大數(shù)據(jù)分析師和大數(shù)據(jù)工程師。

在新工科背景下，《大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)》 課程體系的制定應(yīng)以行業(yè)需求為導(dǎo)向， 不斷補(bǔ)充一線大數(shù)據(jù)行業(yè)所需的新技術(shù)、新標(biāo)準(zhǔn)到教學(xué)內(nèi)容中，以實(shí)際項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)課程的教學(xué)內(nèi)容，加速培養(yǎng)新興領(lǐng)域的工程技術(shù)人才。 首先，將課程內(nèi)容劃分為初級(jí)、中級(jí)和高級(jí)三個(gè)能力級(jí)別。 其次，明確每一個(gè)級(jí)別的培養(yǎng)目標(biāo)。 《大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)》課程的教學(xué)內(nèi)容能力級(jí)別及教學(xué)目標(biāo)見表1。初級(jí)的培養(yǎng)目標(biāo)是掌握云計(jì)算的基本概念，讓學(xué)生掌握大數(shù)據(jù)處理平臺(tái)Hadoop 的環(huán)境配置和集群搭建， 對(duì)MapReduce技術(shù)有一個(gè)理論上的深入理解。 中級(jí)的培養(yǎng)目標(biāo)是從應(yīng)用出發(fā)，圍繞大數(shù)據(jù)處理的兩個(gè)核心問題——分布式存儲(chǔ)和并行計(jì)算， 介紹HDFS、HBase、Hive 等Hadoop 平臺(tái)主要組件的使用方法，并讓學(xué)生掌握基于大數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘算法的實(shí)現(xiàn)。 高級(jí)的培養(yǎng)目標(biāo)主要針對(duì)基礎(chǔ)較好的學(xué)生，重點(diǎn)圍繞如何根據(jù)大數(shù)據(jù)本身的特點(diǎn)將大數(shù)據(jù)處理問題轉(zhuǎn)換為MapReduce 并行化算法設(shè)計(jì)思路， 通過引入真實(shí)的行業(yè)應(yīng)用案例讓學(xué)生設(shè)計(jì)、 構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)有效的MapReduce 并行化算法，最終完成大數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。

表1 課程教學(xué)內(nèi)容能力級(jí)別及教學(xué)目標(biāo)

在中級(jí)和高級(jí)能力培養(yǎng)階段，根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)的難度，以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)引入規(guī)模適中且易于理解的實(shí)際案例，將其貫穿于整個(gè)教學(xué)過程。 以課程教學(xué)高級(jí)目標(biāo)中的項(xiàng)目2： 基于Hadoop 的城市智能交通綜合應(yīng)用為例，實(shí)際應(yīng)用中的交通大數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的整體架構(gòu)如圖1 所示，HBase 作為底層的分布式數(shù)據(jù)庫，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問接口。HDFS 作為HBase 的文件存儲(chǔ)支撐，支持海量數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)以及高效的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)訪問。MapReuce 計(jì)算框架實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 該案例的實(shí)施建立在前期教學(xué)內(nèi)容MapReduce、HDFS 和HBase 之上，因此，可以在對(duì)應(yīng)的教學(xué)階段融入該案例的子項(xiàng)目， 包括： 基于HBase 的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)、 基于MapReduce 的離線數(shù)據(jù)分析、基于Hive 的高速統(tǒng)計(jì)等。

在完成上述三個(gè)級(jí)別的教學(xué)內(nèi)容之后，鼓勵(lì)學(xué)生從案例分析中發(fā)現(xiàn)突破點(diǎn)、創(chuàng)新點(diǎn)，由課堂教學(xué)過渡至雙創(chuàng)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與研發(fā)，做到“產(chǎn)學(xué)研”三位一體，盡量為學(xué)生提供良好的創(chuàng)造創(chuàng)新環(huán)境，讓學(xué)生有更多的機(jī)會(huì)接觸行業(yè)前沿技術(shù)，接觸大數(shù)據(jù)研究領(lǐng)域的科研層面，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的目標(biāo)。

圖1 項(xiàng)目2 的整體架構(gòu)

三、能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的考核評(píng)價(jià)體系

長久以來，高校的課程考核評(píng)價(jià)體系主要針對(duì)理論型課程或半理論型課程制定，這類課程的培養(yǎng)目標(biāo)是學(xué)科理論型人才，評(píng)價(jià)體系更關(guān)注于考核學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握程度，且多采用閉卷考試形式[7～8]。 作為一門以技能培養(yǎng)為導(dǎo)向的實(shí)踐應(yīng)用型課程，《大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)》的課程目標(biāo)是培養(yǎng)應(yīng)用技術(shù)型人才[9～11]。 采用傳統(tǒng)的考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)難以全面、準(zhǔn)確地度量學(xué)生在課程中收獲的技能，更無法為課程教學(xué)質(zhì)量以及教學(xué)方法的優(yōu)化提供良好的促進(jìn)作用。 因此，需要建立以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的考核評(píng)價(jià)體系。

對(duì)應(yīng)于課程教學(xué)內(nèi)容能力級(jí)別中的初級(jí)、 中級(jí)和高級(jí)教學(xué)目標(biāo)， 該評(píng)價(jià)系統(tǒng)從三個(gè)方面考核學(xué)生對(duì)于本門課程教學(xué)內(nèi)容的掌握情況：知識(shí)理解、技術(shù)運(yùn)用能力和項(xiàng)目實(shí)施能力。知識(shí)理解考核學(xué)生對(duì)于課程理論知識(shí)的理解與掌握情況，技術(shù)運(yùn)用能力考核學(xué)生對(duì)知識(shí)的運(yùn)用能力和實(shí)踐操作能力，項(xiàng)目實(shí)施能力考核學(xué)生對(duì)技術(shù)的綜合運(yùn)用能力、 項(xiàng)目組織能力以及創(chuàng)新能力。 這種考核評(píng)價(jià)體系通過進(jìn)一步細(xì)化學(xué)生多層面的能力考核目標(biāo)，能夠更全面、更客觀、更合理地幫助教師掌握學(xué)生的情況，有針對(duì)性地培養(yǎng)學(xué)生以及改進(jìn)教學(xué)質(zhì)量。

上述三個(gè)方面的考核成績根據(jù)一定的比例合成最終考核成績，其比例分配應(yīng)該靈活設(shè)定，主要取決于高校的辦學(xué)層次以及學(xué)生的綜合素質(zhì)。技術(shù)運(yùn)用能力考核主要涉及將Hadoop平臺(tái)與特定應(yīng)用環(huán)境相結(jié)合， 將數(shù)據(jù)挖掘算法靈活運(yùn)用于大數(shù)據(jù)分析中，進(jìn)而解決某種實(shí)際問題。該項(xiàng)考核成績優(yōu)異的學(xué)生，基本已具備了大數(shù)據(jù)分析師、大數(shù)據(jù)可視化工程師等崗位所需的專業(yè)能力。 項(xiàng)目實(shí)施能力考核主要涉及專業(yè)拓展能力和創(chuàng)新性思維的評(píng)估，包括：Hadoop 平臺(tái)的搭建和運(yùn)行維護(hù)、大數(shù)據(jù)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與開發(fā)、大數(shù)據(jù)平臺(tái)的硬件規(guī)劃等。該項(xiàng)考核成績優(yōu)異的學(xué)生可以作為重點(diǎn)培養(yǎng)對(duì)象， 繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生深入探索大數(shù)據(jù)行業(yè)的前沿研究領(lǐng)域。

總之， 以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的考核評(píng)價(jià)體系應(yīng)該從實(shí)際情況出發(fā)，對(duì)于具有一定工科優(yōu)勢(shì)的高等院校，可以適當(dāng)提高項(xiàng)目實(shí)施能力的考核比例， 為學(xué)生提供實(shí)踐與科研并行的學(xué)習(xí)環(huán)境，挖掘具有工程創(chuàng)新型能力的人才；對(duì)于綜合性的高等院校，則應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)技術(shù)運(yùn)用能力的考核比例，重在鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用基本的理論知識(shí)完成知識(shí)轉(zhuǎn)化；對(duì)于實(shí)力一般、學(xué)生底子較薄的高等院校，則降低項(xiàng)目實(shí)施能力的考核權(quán)重，重點(diǎn)考核學(xué)生前兩方面的能力。

四、多形態(tài)一體化的課程教學(xué)方法研究

（一）以項(xiàng)目為主導(dǎo)的課堂授課方式

為了實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型技術(shù)人才的培養(yǎng)模式，《大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)》課程要打破傳統(tǒng)的以知識(shí)傳授為主導(dǎo)的單一授課方式，逐步轉(zhuǎn)換為以項(xiàng)目為主導(dǎo)的教學(xué)方式。結(jié)合前期的知識(shí)積累，精心準(zhǔn)備幾個(gè)具有通用性的實(shí)際案例， 將技術(shù)運(yùn)用融入一個(gè)個(gè)真實(shí)的項(xiàng)目，以項(xiàng)目為載體開展教學(xué)活動(dòng)。

對(duì)于應(yīng)用型課程， 學(xué)生的參與程度直接影響到動(dòng)手能力的培養(yǎng)，進(jìn)而影響教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。通過將學(xué)生分組并給每組學(xué)生分配一個(gè)實(shí)訓(xùn)任務(wù)， 鼓勵(lì)每一位學(xué)生都參與到項(xiàng)目的實(shí)施中來，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。不僅可以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和主動(dòng)探索的習(xí)慣，還能提高項(xiàng)目組織能力，甚至提高人際溝通與協(xié)調(diào)的能力。 進(jìn)而，為雙創(chuàng)項(xiàng)目的產(chǎn)生奠定基礎(chǔ)，將課堂教學(xué)拓展到雙創(chuàng)項(xiàng)目的指導(dǎo)中。

（二）課堂教學(xué)向雙創(chuàng)項(xiàng)目的過渡

為了讓學(xué)生能真正熟練掌握并運(yùn)用Hadoop 大數(shù)據(jù)處理平臺(tái)以及大數(shù)據(jù)處理算法， 僅僅了解基本的編程框架和API是不夠的，應(yīng)該具備熟練運(yùn)用MapReduce 計(jì)算模型和編程框架完成大數(shù)據(jù)分析和處理問題， 進(jìn)而針對(duì)新興領(lǐng)域設(shè)計(jì)并優(yōu)化有效的并行化算法，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，為雙創(chuàng)項(xiàng)目做技術(shù)儲(chǔ)備。 從課堂教學(xué)過渡到雙創(chuàng)項(xiàng)目的流程如圖2 所示，包括課堂教學(xué)、課后輔導(dǎo)、雙創(chuàng)項(xiàng)目指導(dǎo)三個(gè)環(huán)節(jié)。

通過引入多個(gè)全國大數(shù)據(jù)技術(shù)大賽的獲獎(jiǎng)項(xiàng)目、 大數(shù)據(jù)課程的優(yōu)秀課程設(shè)計(jì)案例、 大數(shù)據(jù)技術(shù)研究案例以及大數(shù)據(jù)行業(yè)的真實(shí)案例，并進(jìn)行系統(tǒng)的課后答疑和針對(duì)性指導(dǎo)，發(fā)掘個(gè)人能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的學(xué)生，培養(yǎng)其完成雙創(chuàng)項(xiàng)目的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)。由課堂教學(xué)逐步過渡為雙創(chuàng)項(xiàng)目，可以有效減少學(xué)生前期知識(shí)積累的時(shí)間周期， 有助于學(xué)生快速進(jìn)入項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)。

圖2 課堂教學(xué)向雙創(chuàng)項(xiàng)目的過渡流程

（三）基于互聯(lián)網(wǎng)的在線輔助教學(xué)平臺(tái)和在線實(shí)踐平臺(tái)

新工科背景下， 為了解決教學(xué)內(nèi)容與行業(yè)需求以及前沿技術(shù)脫節(jié)的問題，搭建基于互聯(lián)網(wǎng)的在線教輔平臺(tái)。根據(jù)課程的培養(yǎng)目標(biāo)， 實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)資源的上傳下載、 教學(xué)任務(wù)的布置、師生在線討論答疑、學(xué)生作業(yè)提交、老師在線考核、開源項(xiàng)目的共享等功能。 充分解決傳統(tǒng)工科課程的教學(xué)內(nèi)容滯后于產(chǎn)業(yè)新技術(shù)的問題，為學(xué)生提供更多元化的知識(shí)獲取渠道，將新的理論、新的大數(shù)據(jù)處理框架和工具引入教學(xué)活動(dòng)中來，拓展學(xué)生的知識(shí)面，從而更好地應(yīng)對(duì)日新月異的就業(yè)環(huán)境。

實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要途徑，對(duì)實(shí)現(xiàn)《大數(shù)據(jù)與云計(jì)算》這類課程的培養(yǎng)目標(biāo)具有重大意義。為了確保學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)具備一定的動(dòng)手能力，引入EduCoder 實(shí)踐平臺(tái)（www.educoder.com）開展課程的實(shí)踐教學(xué)。 EduCoder 實(shí)踐平臺(tái)是基于互聯(lián)網(wǎng)的新型IT 工程教育服務(wù)云社區(qū)，支持大數(shù)據(jù)與云計(jì)算、人工智能、深度學(xué)習(xí)等眾多新興學(xué)科，涵蓋了大量優(yōu)秀的實(shí)踐項(xiàng)目。教師和學(xué)生都可以在平臺(tái)上注冊(cè)免費(fèi)賬戶，教師既能夠自主新建實(shí)踐項(xiàng)目， 又可以利用平臺(tái)現(xiàn)有的資源來創(chuàng)建屬于自己的課堂。學(xué)生通過加入任課教師創(chuàng)建的課堂，就能在教師的指導(dǎo)下以闖關(guān)的形式完成課程內(nèi)的各個(gè)實(shí)訓(xùn)任務(wù)，實(shí)踐大數(shù)據(jù)處理技術(shù)。

在過去的《大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)》課程教學(xué)中，教師普遍反映學(xué)生在配置大數(shù)據(jù)平臺(tái)Hadoop 的運(yùn)行環(huán)境時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)各種各樣的問題。在線實(shí)踐平臺(tái)的引入，可以有效解決學(xué)生能力參差不齊而造成的教學(xué)效果不佳現(xiàn)象。 EduCoder 平臺(tái)以虛擬機(jī)的方式為學(xué)生提供大數(shù)據(jù)工作環(huán)境，簡化Hadoop、Spark等大數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的底層環(huán)境搭建過程， 讓學(xué)生把更多的時(shí)間精力放到掌握MapReduce、HDFS、HBase 等核心技術(shù)上去，這也契合了“新工科”的能力培養(yǎng)導(dǎo)向。

五、結(jié)語

總的來說，大數(shù)據(jù)時(shí)代為計(jì)算機(jī)行業(yè)帶來了許多機(jī)遇，與此同時(shí)也帶來了挑戰(zhàn)。面對(duì)大數(shù)據(jù)行業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)實(shí)用型課程的教學(xué)過程也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，不斷優(yōu)化。 本文對(duì)《大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)》課程制定考核評(píng)價(jià)體系、深化教學(xué)內(nèi)容、優(yōu)化教學(xué)方法等方面展開研究， 提出一種以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的教學(xué)模式，引入豐富的大數(shù)據(jù)項(xiàng)目案例和在線實(shí)踐平臺(tái)，不僅有助于培養(yǎng)更高質(zhì)量的工程應(yīng)用人才，改造傳統(tǒng)的工科專業(yè)，積極部署未來戰(zhàn)略必爭領(lǐng)域的人才培養(yǎng)， 實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的“雙贏”。 同時(shí)，也順應(yīng)了“新工科”的時(shí)代背景，對(duì)于同類院校其他“新工科方向”的相關(guān)課程建設(shè)起到促進(jìn)作用，并提供技術(shù)性的重要參考依據(jù)。