新工科研究生“數(shù)據(jù)挖掘”課教學(xué)改革探索

孟凡奇 孫昊晨 王敬東

摘? ? 要：“新工科”是教育部為應(yīng)對大數(shù)據(jù)時代工程教育面臨的新機(jī)遇、新挑戰(zhàn)而提出的，是“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的2.0版。為了使研究生培養(yǎng)契合大數(shù)據(jù)時代的人才需求，文章以“數(shù)據(jù)挖掘”課為例，依據(jù)新工科建設(shè)指導(dǎo)思想，分析現(xiàn)有教學(xué)環(huán)節(jié)中存在的不足，提出“結(jié)合行業(yè)背景、采用混合教學(xué)、注重案例演練、提高實踐能力”的教學(xué)改革思路，確立“評價—講解—演示—練習(xí)”四步循環(huán)的課內(nèi)外混合教學(xué)模式。該模式符合東北電力大學(xué)的電力特色及生源質(zhì)量情況，使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與實踐能力得到顯著增強(qiáng)，也為其他院校開展研究生新工科建設(shè)教學(xué)改革提供了參考。

關(guān)鍵詞：新工科建設(shè);大數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)挖掘;教學(xué)改革

大數(shù)據(jù)時代的到來給社會各個領(lǐng)域帶來的影響是極其深刻的，從計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)到工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)運營，再到人們思考問題的方式，都在因大數(shù)據(jù)而改變[1]，這也給包括研究生在內(nèi)的大學(xué)工程教育帶來前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[2]。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，教育部于2017年下發(fā)了《關(guān)于推薦新工科研究與實踐項目的通知》，遴選612個首批新工科研究與實踐項目。自此，新工科進(jìn)入全面實施階段[3]。

數(shù)據(jù)挖掘作為發(fā)現(xiàn)大數(shù)據(jù)價值的有效手段，在新工科建設(shè)背景下，已經(jīng)成為高校研究生，特別是計算機(jī)相關(guān)專業(yè)的研究生最受歡迎的一門課。以東北電力大學(xué)為例，最近三年，“數(shù)據(jù)挖掘”一直是計算機(jī)類課程中選課人數(shù)最多的，每年大約有70名來自計算機(jī)、通信、電氣、經(jīng)管等專業(yè)的學(xué)生選修此課程。因此，以“數(shù)據(jù)挖掘”課為對象探討新工科研究生課程教學(xué)改革具有代表性和說服力。

本文依據(jù)新工科建設(shè)指導(dǎo)思想，結(jié)合東北電力大學(xué)電力特色及生源質(zhì)量等實際情況，以“數(shù)據(jù)挖掘”課為例，分析現(xiàn)有教學(xué)環(huán)節(jié)中存在的不足，并探索提高新工科研究生培養(yǎng)質(zhì)量的教學(xué)新模式，為其他高校開展研究生新工科建設(shè)教學(xué)改革提供參考。

一、現(xiàn)有不足分析

（一）脫離行業(yè)背景，教學(xué)效果不佳

在大數(shù)據(jù)時代，不同行業(yè)的數(shù)據(jù)從產(chǎn)生到應(yīng)用、從形態(tài)到特征都存在差異，例如：電力行業(yè)產(chǎn)生更多的是監(jiān)測系統(tǒng)采集到的結(jié)構(gòu)化氣電參量數(shù)據(jù)，而電商行業(yè)產(chǎn)生更多的則是非結(jié)構(gòu)化的用戶評論文本與商品圖像等數(shù)據(jù)。這就要求數(shù)據(jù)挖掘不能脫離行業(yè)背景[4]。但實際情況是，選修“數(shù)據(jù)挖掘”課的研究生來自多個專業(yè)，授課教師卻容易忽略學(xué)生專業(yè)背景之間的差異。一方面，授課內(nèi)容沒有與學(xué)生熟悉的行業(yè)結(jié)合，使得“數(shù)據(jù)挖掘”課不經(jīng)意間變成了一門脫離行業(yè)背景的純算法理論課，學(xué)生往往會因為與實際情況聯(lián)系不上而聽得一頭霧水，教學(xué)效果較差。另一方面，不同專業(yè)學(xué)生的計算機(jī)基礎(chǔ)知識和能力水平差異很大。但由于選修此課的大多數(shù)學(xué)生是計算機(jī)專業(yè)的，教師在講課的過程中更容易受到這些基礎(chǔ)本來就相對較強(qiáng)的計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的影響，而忽略其他專業(yè)的學(xué)生，這使得其他專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)更加艱難。

（二）教學(xué)模式陳舊，學(xué)習(xí)氛圍不濃

在授課環(huán)節(jié)，一方面由于學(xué)校將大部分研究生課程放在第一學(xué)年集中完成，因此不僅課程多，而且學(xué)時短。再加上研究生還有來自實驗室的科研任務(wù)，導(dǎo)致研究生學(xué)習(xí)壓力很大，容易產(chǎn)生學(xué)習(xí)焦慮。另一方面，授課教師往往采用類似本科生同專業(yè)學(xué)生一起上課時的教學(xué)模式，致使授課內(nèi)容與學(xué)生研究方向脫節(jié)，課程枯燥、缺乏吸引力。久而久之，課堂的學(xué)習(xí)氛圍必然變差。

在考核環(huán)節(jié)，普遍采用“平時成績+考試成績”或者是“平時成績+演講+考試成績”的考核方式。無論是哪種考核方式，期末考試成績占最終成績的比例一般都在70%以上。由于期末考試只考察理論，因此很多學(xué)生會采用考前臨陣磨槍、死記硬背的方式。再加上“平時成績”與“演講成績”經(jīng)常淪為教師調(diào)節(jié)總成績高低的工具，學(xué)生就更加不重視日常學(xué)習(xí)，導(dǎo)致平時努力學(xué)習(xí)的氛圍就更加不濃厚了。

（三）缺少案例演練，實踐能力不高

數(shù)據(jù)挖掘是用于發(fā)現(xiàn)隱藏在大數(shù)據(jù)背后巨大價值的技術(shù)手段，自帶很強(qiáng)的實踐屬性[5]。而且，數(shù)據(jù)挖掘并不是孤立的，前面需要數(shù)據(jù)理解和準(zhǔn)備，后面需要模型評價和部署。然而，現(xiàn)有的教學(xué)環(huán)節(jié)側(cè)重于理論，缺少系統(tǒng)性的案例講解和演練[6]。加上東北電力大學(xué)計算機(jī)相關(guān)專業(yè)錄取的研究生很多是跨專業(yè)的，專業(yè)基礎(chǔ)參差不齊，因此學(xué)習(xí)該課之后，學(xué)生數(shù)據(jù)挖掘的實踐能力并未明顯提高，難以為研究生后續(xù)開展科研實踐提供有力支持。

二、教學(xué)改革探索

針對以上不足，本文提出新工科研究生“數(shù)據(jù)挖掘”課教學(xué)改革的基本思路，可概括為“結(jié)合行業(yè)背景、采用混合教學(xué)、注重案例演練、提高實踐能力”。其中，提高實踐能力是課程的核心教學(xué)目標(biāo)。教學(xué)改革首先要糾正以往重理論輕實踐的錯誤，把實踐能力放到更加重要的位置，以使學(xué)生能夠滿足大數(shù)據(jù)時代卓越工程師的要求。

（一）結(jié)合行業(yè)背景

首先，教師要在第一節(jié)課，采集選課學(xué)生的專業(yè)、研究方向、計算機(jī)基礎(chǔ)、對“數(shù)據(jù)挖掘”的了解以及對課程學(xué)習(xí)效果的預(yù)期等信息。我們的做法是，利用移動學(xué)習(xí)工具（超星學(xué)習(xí)通）制作一個調(diào)查問卷。在第一節(jié)課課間，教師引導(dǎo)研究生安裝超星學(xué)習(xí)通APP并完成調(diào)查問卷。

其次，在第二節(jié)課上課之前，分析學(xué)生的調(diào)查問卷，了解學(xué)生學(xué)習(xí)“數(shù)據(jù)挖掘”的真實需求，進(jìn)而確定更加具體的、與行業(yè)背景緊密相關(guān)的授課內(nèi)容（案例）。我們的做法是：根據(jù)專業(yè)與研究方向情況，確定行業(yè)背景;根據(jù)計算機(jī)基礎(chǔ)等其他情況，確定重點難點內(nèi)容。以東北電力大學(xué)為例，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，選課學(xué)生的研究課題，超過80%都是電力行業(yè)背景。因此東北電力大學(xué)的“數(shù)據(jù)挖掘”課，毫無疑問地以電力行業(yè)為主要背景。

最后，通過文獻(xiàn)計量分析（如Citespace）了解各行業(yè)數(shù)據(jù)挖掘的主要應(yīng)用場合和采取的主流算法，以便確定教學(xué)重點和難點。以電力行業(yè)的數(shù)據(jù)挖掘為例，通過關(guān)鍵詞演化分析可知，電力行業(yè)數(shù)據(jù)挖掘主要應(yīng)用于以下幾個方面：（1）設(shè)備運行狀態(tài)評估與預(yù)測;（2）負(fù)荷預(yù)測;（3）故障診斷。同理，通過文獻(xiàn)計量分析還可以知道電力行業(yè)數(shù)據(jù)挖掘采用的主流算法。依據(jù)之前調(diào)查所得的學(xué)生的計算機(jī)基礎(chǔ)情況，再結(jié)合算法難易程度以及課時安排，便可確定教學(xué)重點和難點。

（二）采用混合式教學(xué)

確定了課堂授課的主要行業(yè)背景之后，需要考慮如何兼顧少數(shù)其他專業(yè)的學(xué)生。由于課堂時間是有限的，而不同專業(yè)學(xué)生的計算機(jī)基礎(chǔ)差距又比較大，因此，僅靠課堂授課很難達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，必須轉(zhuǎn)變思路。我們的做法是：采用課堂內(nèi)外緊密融合的混合式教學(xué)方式，課堂上以電力行業(yè)背景為主，采用演示、講解、討論、上機(jī)、測驗等多種教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。課下通過超星學(xué)習(xí)通，有針對性地為學(xué)生發(fā)送學(xué)習(xí)資料。例如，為經(jīng)管專業(yè)的學(xué)生發(fā)送與財務(wù)報表、網(wǎng)絡(luò)購物有關(guān)的數(shù)據(jù)挖掘算例;為計算機(jī)基礎(chǔ)較好、學(xué)習(xí)興趣濃厚的學(xué)生發(fā)送數(shù)據(jù)挖掘高階算法案例與教程等。

考慮到學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)缺乏監(jiān)管，為了能將課堂內(nèi)外緊密融合，需要改革課程評價方式，加大過程考核力度。以東北電力大學(xué)為例，教師會依據(jù)之前發(fā)送的學(xué)習(xí)資料以及布置的課外學(xué)習(xí)任務(wù)，在課堂上以問答、上機(jī)、演講、隨堂測試的形式進(jìn)行檢驗。這部分成績作為過程考核成績，占最終成績的50%。這就會督促學(xué)生認(rèn)真開展課外自主學(xué)習(xí)。需要說明的是，過程考核的成績都是當(dāng)堂公布的，目的是通過“即時反饋”增加學(xué)生學(xué)習(xí)的成就感、獲得感，提高其學(xué)習(xí)興趣。對于教師而言，這種做法還能夠及時了解學(xué)生對知識的接受情況，便于靈活調(diào)整授課內(nèi)容和形式。

（三）注重案例演練

以往的“數(shù)據(jù)挖掘”課，由于忽略行業(yè)背景以及學(xué)生計算機(jī)基礎(chǔ)的差異，授課內(nèi)容更偏向理論知識，這與大數(shù)據(jù)時代新工科建設(shè)的理念背道而馳。社會需要的是“卓越工程師”，動手能力必須要強(qiáng)。為此，在上文提到的混合式教學(xué)中，案例演示與上機(jī)練習(xí)是非常重要的環(huán)節(jié)。我們每一節(jié)課所講授的知識都有電力行業(yè)的案例，每一節(jié)課所講授的算法都要求上機(jī)練習(xí)。選取的案例包括電力負(fù)荷預(yù)測、電力設(shè)備故障診斷以及用戶推薦系統(tǒng)等，涵蓋了選課學(xué)生的所有專業(yè)，涉及到從數(shù)據(jù)理解到模型部署的全部數(shù)據(jù)挖掘過程。

三、總結(jié)

大數(shù)據(jù)時代的新工科建設(shè)為研究生培養(yǎng)指明了方向。為了培養(yǎng)符合新時代社會需求的卓越工程師，本文對研究生“數(shù)據(jù)挖掘”課的教學(xué)改革進(jìn)行了探索，提出了“結(jié)合行業(yè)背景、采用混合教學(xué)、注重案例演練、提高實踐能力”的改革思路，采用了課堂內(nèi)外緊密融合的混合式教學(xué)模式。該模式具有“評價—講解—演示—練習(xí)”四個循環(huán)步驟，即每節(jié)課首先通過問答、測驗等多種手段，檢查學(xué)生的課外學(xué)習(xí)效果并當(dāng)堂作出評價，然后將暴露出的問題與本節(jié)課的重點難點結(jié)合并進(jìn)行講解，接著通過案例演示加深學(xué)生對本節(jié)課內(nèi)容的理解，最后是課上集中上機(jī)練習(xí)和課下自主學(xué)習(xí)。

上述混合式教學(xué)模式的效果比較明顯，主要表現(xiàn)在以下幾點：首先，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性較前幾級學(xué)生有大幅提高，請假、曠課、遲到的比例顯著降低;其次，學(xué)生的數(shù)據(jù)挖掘?qū)嵺`能力顯著提高，絕大多數(shù)學(xué)生能夠編寫并調(diào)試“分類”“聚類”“關(guān)聯(lián)分析”等常用數(shù)據(jù)挖掘算法代碼;最后，學(xué)生查閱文獻(xiàn)、自主學(xué)習(xí)的能力和意識也都有提升，有利于終生自主學(xué)習(xí)習(xí)慣的養(yǎng)成。因此，可以認(rèn)為，本文對研究生“數(shù)據(jù)挖掘”課程教學(xué)改革的探索是成功的，可以作為其他高校開展新工科研究生課程教學(xué)改革的參考。

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