統(tǒng)計(jì)與信息技術(shù)結(jié)合的數(shù)據(jù)分析課程的教學(xué)改革研究

◎張繼超 賀 萍 劉鈺靖 （北華大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，吉林 吉林 132000）

一、引 言

2018 年3 月15 日，教育部辦公廳發(fā)布《教育部辦公廳關(guān)于公布首批“新工科”研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》（教高廳函〔2018〕17 號(hào)），決定認(rèn)定 612 個(gè)項(xiàng)目為首批“新工科”研究與實(shí)踐項(xiàng)目.新興產(chǎn)業(yè)的專業(yè)主要以互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能為核心，包括大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等相關(guān)工科專業(yè).相對(duì)于傳統(tǒng)的工科人才，未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要的是實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型工科人才.新興工科專業(yè)的設(shè)置是為了提前布局培養(yǎng)引領(lǐng)未來技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的人才，在對(duì)國家及產(chǎn)業(yè)未來需求和發(fā)展方向的準(zhǔn)確把握基礎(chǔ)上，成為新工科的“增量補(bǔ)充”.信息學(xué)科的數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)專業(yè)培養(yǎng)的是具有大數(shù)據(jù)思維、運(yùn)用大數(shù)據(jù)思維及分析應(yīng)用技術(shù)的高層次大數(shù)據(jù)人才.統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)分析師的社會(huì)市場較為廣泛，能在企業(yè)、事業(yè)單位和經(jīng)濟(jì)、管理部門從事統(tǒng)計(jì)調(diào)查、統(tǒng)計(jì)信息管理、數(shù)量分析等工作，以實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的良性運(yùn)行，或在科研、教育部門從事研究和教學(xué)工作.

高校的人才培養(yǎng)模式仍是以傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)方式進(jìn)行的，遵循“設(shè)置院系－開設(shè)專業(yè)－培養(yǎng)人才”的路徑.而在新經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，新興工科專業(yè)的建設(shè)路徑是“預(yù)測未來人才市場需求－學(xué)科建設(shè)與專業(yè)建設(shè)同步進(jìn)行”.“以市場為導(dǎo)向”不僅是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)高等教育提出的要求，也是高等教育引領(lǐng)社會(huì)進(jìn)步必須承擔(dān)的責(zé)任和義務(wù).因此，建立新興專業(yè)特有的培養(yǎng)方式，有效使用教師資源和更新適用專業(yè)特色教材來提高教學(xué)效果，合理規(guī)劃課程設(shè)置等問題急需解決.

二、課程資源分析

“數(shù)據(jù)分析”課程中的統(tǒng)計(jì)與信息技術(shù)相結(jié)合是改革與創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，下面我們分別從兩大專業(yè)分析在數(shù)據(jù)分析課程中存在的優(yōu)劣來為教學(xué)提出相應(yīng)的改革措施.

1.數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)數(shù)據(jù)分析課程

數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)，簡稱數(shù)據(jù)科學(xué)或大數(shù)據(jù)，是學(xué)生在掌握豐富的軟件課程和具有較強(qiáng)的實(shí)踐操作能力基礎(chǔ)上開設(shè)的課程，主要課程包括C 程序設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、Java 語言程序設(shè)計(jì)、Python 語言程序設(shè)計(jì)、大數(shù)據(jù)算法、人工智能、大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)平臺(tái)核心技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析與處理、大數(shù)據(jù)管理、大數(shù)據(jù)實(shí)踐等.根據(jù)以上的理論課程設(shè)置和實(shí)踐操作課程安排我們可以發(fā)現(xiàn)，本專業(yè)的學(xué)生可以考取軟件工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)等專業(yè)的研究生或者在政府機(jī)構(gòu)、企業(yè)、公司等從事大數(shù)據(jù)管理、研究、應(yīng)用開發(fā)等方面的工作.

從以上課程的設(shè)置來看，數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)的學(xué)生在建模中缺乏數(shù)據(jù)模型理論的創(chuàng)新能力，他們更擅長程序語言編程和軟件操作，特別是對(duì)海量數(shù)據(jù)的挖掘缺乏一些背景知識(shí).但從專業(yè)的培養(yǎng)和就業(yè)的方向來看，近兩年，批準(zhǔn)大數(shù)據(jù)專業(yè)的設(shè)立包括理學(xué)和工科學(xué)位，社會(huì)急需大量數(shù)據(jù)人才，并且他們的就業(yè)領(lǐng)域?qū)拸V.由以上可知，目前的專業(yè)培養(yǎng)中缺乏統(tǒng)計(jì)理論方法知識(shí)的補(bǔ)充、數(shù)學(xué)模型的使用和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的手段.

2.統(tǒng)計(jì)學(xué)專業(yè)的數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計(jì)學(xué)是應(yīng)用數(shù)學(xué)的一個(gè)分支，主要課程設(shè)置中除了必要的數(shù)學(xué)、物理基礎(chǔ)知識(shí)外，還有統(tǒng)計(jì)類課程，如多元統(tǒng)計(jì)、回歸分析、計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)、程序設(shè)計(jì)語言、數(shù)據(jù)分析及統(tǒng)計(jì)軟件、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、系統(tǒng)分析與軟件設(shè)計(jì)等課程.本課程主要通過概率論建立數(shù)學(xué)模型，收集所觀察系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行量化分析、總結(jié)，并做出推斷和預(yù)測，使學(xué)生能具有良好的數(shù)學(xué)或經(jīng)濟(jì)學(xué)素養(yǎng).

從專業(yè)介紹中我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，除了數(shù)學(xué)知識(shí)的儲(chǔ)備外，課程中還有大量的軟件課程，目前用于統(tǒng)計(jì)分析的軟件有R軟件、SPSS 軟件等.首先，市場軟件的更新，Python 是目前排名第一的統(tǒng)計(jì)分析軟件，已經(jīng)超過了MATLAB.其次，軟件使用的范圍，Python 強(qiáng)大的軟件包使得其在大數(shù)據(jù)、人工智能等工科領(lǐng)域很搶手.市面上有很多相關(guān)軟件的教材，但關(guān)于Python 與數(shù)據(jù)分析的統(tǒng)計(jì)學(xué)學(xué)科應(yīng)用的教材較少，特別是結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析模型的Python 數(shù)據(jù)分析.再次，專業(yè)與教材不對(duì)稱，目前統(tǒng)計(jì)學(xué)專業(yè)的數(shù)據(jù)分析課程一般使用的是梅長林著的《數(shù)據(jù)分析》，教材中配備的是SASS 軟件的使用操作，分為理論部分和實(shí)踐部分，符合教學(xué)設(shè)計(jì).市面上同時(shí)存在著如復(fù)雜數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法——基于R 的應(yīng)用的教材，其中包括各種數(shù)據(jù)分析方法的實(shí)踐.但考慮經(jīng)費(fèi)預(yù)算，Python 與R 軟件更受高校歡迎.無論是數(shù)據(jù)科學(xué)專業(yè)還是統(tǒng)計(jì)學(xué)專業(yè)，在培養(yǎng)適應(yīng)市場需求的人才的過程，涉及的不只是一種軟件和模型方法.在創(chuàng)新型社會(huì)的競爭中，對(duì)人才的要求更加嚴(yán)格，這就需要學(xué)生不僅能應(yīng)用一種軟件解決問題，而且要學(xué)習(xí)多種軟件和模型方法，能在不同的環(huán)境要求下運(yùn)用所學(xué)的理論和實(shí)踐課程解決實(shí)際問題.

三、數(shù)據(jù)分析課程教學(xué)改革設(shè)計(jì)

下面我們從教學(xué)模式、教學(xué)資源、教學(xué)方法、考核方式四個(gè)方面，對(duì)跨專業(yè)的數(shù)據(jù)分析課程改革進(jìn)行說明.

1.教學(xué)模式

傳統(tǒng)教學(xué)模式以教材講授為主，章節(jié)之間的連貫性依賴于教師的課程安排和授課技巧，理論和實(shí)踐嚴(yán)格分開，學(xué)生不能很好地將理論知識(shí)應(yīng)用于解決實(shí)踐問題，因此這樣的教學(xué)效果并不理想.而數(shù)據(jù)分析是理論和實(shí)踐相結(jié)合的課程，在開設(shè)本課程時(shí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了相關(guān)的理論基礎(chǔ)和軟件技能，不同專業(yè)基礎(chǔ)的學(xué)生在面對(duì)同一數(shù)據(jù)分析問題時(shí)可發(fā)揮其獨(dú)有的特長.例如，以統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)的學(xué)生掌握了多元統(tǒng)計(jì)分析、SPSS 軟件和R 軟件等統(tǒng)計(jì)建模知識(shí).目前統(tǒng)計(jì)分析軟件，如R 軟件、SPSS 軟件等，具有扎實(shí)的統(tǒng)計(jì)建模理論知識(shí)功能.數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域中的另一主角是以數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)為基礎(chǔ)的學(xué)生，他們在建模中缺乏數(shù)據(jù)模型理論的創(chuàng)新能力，更擅長程序語言編程和軟件操作，特別是對(duì)海量數(shù)據(jù)的挖掘缺乏一些背景知識(shí).因此，混合教學(xué)模式可以在一定教學(xué)理論指導(dǎo)下建立起較為穩(wěn)定的教學(xué)活動(dòng)結(jié)構(gòu)框架，使得整個(gè)教學(xué)活動(dòng)各要素之間緊密聯(lián)系，幫助學(xué)生挖掘他們的潛能.

2.教學(xué)資源建設(shè)

教學(xué)資源是混合式教學(xué)改革的核心.教師在教學(xué)中不能只講理論不講實(shí)踐，也不能只講實(shí)踐不講理論，理論與實(shí)踐在教學(xué)課件與教案中要充分融合，但又可以分割開來.教師要根據(jù)章節(jié)內(nèi)容合理安排上機(jī)操作，不斷修正課件和教案設(shè)計(jì)，優(yōu)化板書演示內(nèi)容，借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢，不斷更新模型案例，如以近年來的建模問題作為例題，以獲獎(jiǎng)優(yōu)秀論文為例講解如何解決實(shí)際問題.主要目的是讓學(xué)生成為問題解決過程的主角，教師則作為分析過程的配角，實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為主體的教學(xué)模式，同時(shí)豐富實(shí)踐模塊的內(nèi)容.

針對(duì)目前教材不足的現(xiàn)狀，教師應(yīng)設(shè)置適合不同專業(yè)不同模型的教學(xué)方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析的研究內(nèi)容，形成專題專項(xiàng)指導(dǎo).教師可以引入R 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、Python 大數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用等大數(shù)據(jù)分析理論和軟件介紹，拓寬學(xué)生的知識(shí)視野并增強(qiáng)他們的技術(shù)能力.在軟件應(yīng)用上，教師應(yīng)為學(xué)生提供 Excel、 Python、R 語言、SPSS 統(tǒng)計(jì)分析軟件的操作手冊和使用說明.這里建議至少要用2 種軟件，一種是行業(yè)使用，一種是學(xué)科專業(yè)使用.要對(duì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，通過理論分解和實(shí)驗(yàn)操作，雙向促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，提倡學(xué)生的獨(dú)特思維和創(chuàng)新思想.

3.教學(xué)方法

混合式教學(xué)方法是在融合各類教學(xué)資源的情況下，以學(xué)生興趣為驅(qū)動(dòng)，項(xiàng)目案例操作為指引，抓住學(xué)生的學(xué)習(xí)觸動(dòng)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生喜歡并學(xué)好課程內(nèi)容.同時(shí)，混合式教學(xué)方法能以自身的經(jīng)歷為基礎(chǔ)，從興趣出發(fā)，將理論和問題之間的關(guān)系更加緊密地聯(lián)系起來，促使學(xué)生更好地理解理論之間的聯(lián)系.如2019 年全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模C 題目“機(jī)場出租車問題”，將人生選擇問題與時(shí)間序列模型結(jié)合起來，利用計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)仿真模擬進(jìn)行可視化展示，使學(xué)生充分理解理論之間的聯(lián)系，提升學(xué)習(xí)效果.在模型講解過程中，以人生的切身感受為例，讓學(xué)生在人生感悟中掌握模型的基本原理.同時(shí)，對(duì)理論知識(shí)體系的內(nèi)在邏輯進(jìn)行深刻分析，并輔以簡單的計(jì)算和推導(dǎo)，使其更加充分地理解理論之間的聯(lián)系.

4.考核方式

數(shù)據(jù)分析課程作為專業(yè)選修課程，對(duì)學(xué)生的考核可以以累積分?jǐn)?shù)考核的方式進(jìn)行.要增加考核的復(fù)雜度，使學(xué)生的成績不僅僅依賴于期末考試成績和出勤情況，還要注重平時(shí)的表現(xiàn)，進(jìn)行綜合計(jì)算.同時(shí)，課程結(jié)束前，要圍繞一個(gè)課題讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)調(diào)查問卷，采集數(shù)據(jù)，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.這樣的考核方式不僅能有效提升學(xué)生對(duì)課程的興趣，讓學(xué)生參與到數(shù)據(jù)產(chǎn)生和解決的全過程，而且可以提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)，使學(xué)生得到多方面的發(fā)展，

四、總 結(jié)

經(jīng)過一年的教學(xué)實(shí)踐，從學(xué)生的評(píng)價(jià)中可以發(fā)現(xiàn)以下改變和收獲.

第一，課堂教學(xué)效果成果顯著.混合模式的教學(xué)方式使得課堂變得生動(dòng)、有趣，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)能動(dòng)性.特別是理論課中添加實(shí)際操作效果，讓學(xué)生茅塞頓開.

第二，人才培養(yǎng)成效明顯.在實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生提交了自主選題的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，使學(xué)生從報(bào)告選題、數(shù)據(jù)選擇與處理、模型構(gòu)建、模型優(yōu)化、模型分析等步驟對(duì)某一問題進(jìn)行了較為深入、完整的研究.

第三，成果運(yùn)用效果明顯.個(gè)別同學(xué)通過完善實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫了畢業(yè)論文，還有同學(xué)在數(shù)學(xué)建模大賽中使用數(shù)據(jù)分析的方法獲得了獎(jiǎng)勵(lì)，實(shí)現(xiàn)了成果的轉(zhuǎn)移與應(yīng)用.這些應(yīng)用都說明數(shù)據(jù)分析課程的混合式教學(xué)取得了一定的效果.靈活的教學(xué)方法和優(yōu)化的教學(xué)內(nèi)容激發(fā)了學(xué)生最大的學(xué)習(xí)興趣，開放的課堂才能使學(xué)生成為主人，學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和思維能力也才能得以提升.當(dāng)然，本文中的研究僅僅是對(duì)混合式教學(xué)改革的初步探索，還有諸多不足之處，希望在今后的教學(xué)過程中不斷完善，不斷優(yōu)化.