數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)實踐教學體系研究

魏凌華，徐成振，胡國亮

（淮北師范大學 計算機科學與技術(shù)學院，安徽 淮北 235000）

0 引言

相對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)有容量大、類型多、存取速度快和應(yīng)用價值高等特征［1］.使用新方法對大數(shù)據(jù)進行采集、存儲和分析，可以從中發(fā)現(xiàn)新的知識點和創(chuàng)造新的應(yīng)用價值［2］.對大數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用的過程中，人們的生活方式和社會的發(fā)展也有著翻天覆地的變化.為盡快適應(yīng)大數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢［3-4］，2015年國務(wù)院印發(fā)《促進大數(shù)據(jù)發(fā)展行動綱要》，其中重點提出大數(shù)據(jù)技術(shù)人才培養(yǎng)的問題［5-8］，作為培養(yǎng)人才的基地，數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)在高校中迅速展開.

專業(yè)的開設(shè)僅僅是開始，如何建設(shè)好數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)才是重點，尤其是大數(shù)據(jù)專業(yè)實踐教學體系的建設(shè)更是重中之重［9-12］.當前教學模式經(jīng)歷灌輸式、啟發(fā)式、體驗式3個過程，而數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)作為實踐和應(yīng)用性很強的專業(yè)，也經(jīng)歷這3個過程.該專業(yè)不僅需要豐富的理論知識，還需要具備更強的實踐操作能力，而達到這些要求僅僅靠理論教學是遠遠不夠的，還需要實踐教學的支持才能達到專業(yè)人才的標準.要提高實踐教學的標準，目的是增強學生動手能力.重視實踐教學環(huán)節(jié)，是對大數(shù)據(jù)專業(yè)的必然要求；完善實踐教學體系，是培養(yǎng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用型專業(yè)人才的基本要求.因此，為辦好數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)，需要高校教師能夠掌握大數(shù)據(jù)專業(yè)的特點和大數(shù)據(jù)人才的培養(yǎng)規(guī)律.

1 數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)課程體系分析

數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)專業(yè)作為一門新興學科，它以計算機和數(shù)學等為基礎(chǔ)，以生物科學、醫(yī)學、管理和經(jīng)濟等學科應(yīng)用為拓展，以分析數(shù)據(jù)和挖掘其中的價值為目標［13］.所以該專業(yè)對人才的專業(yè)技能要求較高，既要有計算機專業(yè)的知識，又要有較強的統(tǒng)計分析能力，同時還需要掌握不同應(yīng)用場景的相關(guān)背景知識［14］.

數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)專業(yè)由基礎(chǔ)課程、專業(yè)核心課程和實踐課程3大模塊組成［15-16］，其中實踐課程是大數(shù)據(jù)整個教學體系中的重點，它不僅是對理論課程的有益補充，還是培養(yǎng)學生動手能力的重要環(huán)節(jié).現(xiàn)有流行的大數(shù)據(jù)技術(shù)以Hadoop為主，且形成以Hadoop為基礎(chǔ)的生態(tài)圈［17-18］，如圖1所示.

圖1 Hadoop生態(tài)系統(tǒng)

由圖1中可以看出，Hadoop生態(tài)系統(tǒng)不僅涉及的框架多，而且軟件前后關(guān)聯(lián)性較強.大數(shù)據(jù)的基本處理流程主要包括：數(shù)據(jù)采集、存儲管理、處理分析、結(jié)果呈現(xiàn)等環(huán)節(jié).其中大數(shù)據(jù)技術(shù)的層面、功能和涉及的軟件如表1和表2所示.

表1 大數(shù)據(jù)技術(shù)的不同層面和功能

表2 大數(shù)據(jù)技術(shù)涉及的軟件

從大數(shù)據(jù)涉及的軟件、框架和數(shù)據(jù)分析流程可以看出，數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)課程在建設(shè)的過程中，不僅要夯實學生的理論基礎(chǔ)，而且要提高學生解決實際問題的能力.

2 實踐課程特點

數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)強調(diào)培養(yǎng)具有編程技術(shù)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析能力的復(fù)合型人才.在傳統(tǒng)的教學觀念中，實踐教學附屬于理論教學，是理論教學的輔助.但實際上該專業(yè)不僅需要豐富的理論知識，還需要具備更強的實踐操作能力.因此，如何建設(shè)好實踐教學體系已經(jīng)成為數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)專業(yè)研究的熱點問題之一.目前我國高校教學基本模式是：大一和大二學習基礎(chǔ)課程；大三學習專業(yè)課程；大四進行實習.結(jié)果是實踐環(huán)節(jié)占總學時比例過低，造成學生動手能力嚴重不足.

高校增設(shè)大數(shù)據(jù)專業(yè)之后，在實踐教學體系的建設(shè)上同樣面臨著很多問題.大數(shù)據(jù)的實踐課程主要分為2大類，第一類是理論課程的附屬實踐課程；第二類是獨立的實踐課程.形式上和其他專業(yè)并無太大區(qū)別，但從圖1中可以看出，大數(shù)據(jù)專業(yè)的實踐課程特點是涉及的軟件數(shù)量多、體系復(fù)雜、不同軟件的關(guān)聯(lián)性強.數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)專業(yè)的實踐課程有別于傳統(tǒng)專業(yè)的實踐課程，主要有以下2個方面.

首先，數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)專業(yè)實驗課程涉及的軟件數(shù)量多.數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)專業(yè)實驗課程內(nèi)容和工作量有別于傳統(tǒng)專業(yè)的實驗課程，傳統(tǒng)專業(yè)的教學方式已經(jīng)不適應(yīng)數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)的課程，特別是對該專業(yè)的實踐課程.數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)涉及的軟件有：Hadoop、HDFS、HBase、NoSQL、MapReduce、Hive、Spark、可視化工具（Easely.ly、D3、Tableau、ECharts等）和數(shù)據(jù)采集工具（Flume、Kafka、Sqoop等）.相比傳統(tǒng)專業(yè)課程的實驗，數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)的實驗涉及的軟件多、實驗內(nèi)容工作量大.

其次，數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)專業(yè)課程的先后關(guān)聯(lián)性強.傳統(tǒng)專業(yè)的實驗課程基本上是理論課程的補充和實踐，通過對該課程的學習和實踐就能夠掌握相應(yīng)的知識.而數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)的實驗課程比較復(fù)雜，除掌握本課程的知識點，還需要掌握相關(guān)聯(lián)課程的知識點.例如大數(shù)據(jù)專業(yè)所有的軟件搭建都在Linux操作系統(tǒng)上（包括debian系、redhat系和其他自由發(fā)布的版本），這就需要學生掌握Linux的基本命令，否則無法實現(xiàn)所學課程軟件的安裝和維護.在大數(shù)據(jù)專業(yè)中，MapReduce是一種并行編程模型，而在編程時需要用到Java，因此學生還要提前掌握Java的知識.其中關(guān)聯(lián)如圖2所示.

圖2 大數(shù)據(jù)課程及軟件的先后關(guān)聯(lián)圖

從圖2可以看出以下3點：

（1）Linux和Windows操作系統(tǒng)是大數(shù)據(jù)專業(yè)課程和軟件的基礎(chǔ)；

（2）除Tableau只有Windows版本，其他軟件都支持Linux；

（3）其中Java、R、Spark、Linux均為獨立課程，其他軟件可以單獨成為一門課程，也可以綜合為一門課程.

3 實踐課程體系的構(gòu)建

數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)專業(yè)實踐教學是教學系統(tǒng)中的重中之重.數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)專業(yè)作為一個新興專業(yè)，有其他專業(yè)的實踐教學經(jīng)驗可借鑒，但又因為專業(yè)自身的特點，決定著該專業(yè)必須有適合自身的教學特色.

數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)實踐教學系統(tǒng)是大數(shù)據(jù)教學中非常重要的環(huán)節(jié)，不僅能夠提高學生對理論知識的理解，而且還能提高學生的實際動手能力，有益于學生綜合素質(zhì)的發(fā)展.

但在實際的教學中，數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)的實踐教學存在以下問題：

（1）實驗內(nèi)容單一，相對獨立，不能構(gòu)成體系.不論是理論課程附帶的實驗，還是專業(yè)實訓(xùn)，實驗內(nèi)容前后缺乏關(guān)聯(lián)，不能有效形成完整的體系.

（2）實踐教材不完善.由于是新開設(shè)的專業(yè)，存在教材不足的問題.數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)是以計算機和數(shù)學為基礎(chǔ)發(fā)展起來的綜合學科，但由于計算機和數(shù)學已經(jīng)形成復(fù)雜的學科系統(tǒng)，如何從這些學科中選擇合適的內(nèi)容，平衡其中的深度和廣度問題還有沒有明確的參考標準.

（3）考核機制不健全.當前大部分高校對學生參加大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)以及各類競賽，給予高度認可，但基本都是物質(zhì)獎勵和榮譽獎勵，缺乏整體的考核機制.對于參賽的指導(dǎo)教師和學生而言，由于參賽影響平時的工作和學習，因此造成師生的參賽動力不足，也從客觀上降低學生的動手和創(chuàng)新的積極性.

基于當前環(huán)境和以上面臨的問題，對于數(shù)據(jù)科學和大數(shù)據(jù)專業(yè)實踐教學體系的構(gòu)建，主要從實踐課程特點、實踐教學內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性和考核評價機制3個方面進行研究.

（1）分層次實踐教學，提高學生的綜合實踐素質(zhì).實驗是理論課程的加深和強化，通過對實驗的操作，可以提高學生對理論知識的理解和解決實際的能力，是整個實踐教學體系的基礎(chǔ).在構(gòu)建數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)實踐教學體系時，實踐教學可以分為3個層次.課程附屬實驗是第1層次，是對理論課程知識的加深和強化.專業(yè)實訓(xùn)是第2層次，是一種以實訓(xùn)為主、理論為輔的階段性綜合實訓(xùn)，通過對項目的完成，可以檢驗學生對所學知識掌握的程度和提高學生的實際應(yīng)用能力.企業(yè)實踐是為讓學生提前了解企業(yè)的實際需求，為學生提前進入社會打下基礎(chǔ).

（2）分階段實踐教學，提高實踐內(nèi)容的前后關(guān)聯(lián)性.學生能力培養(yǎng)過程是由不同階段構(gòu)成的，每個階段都是由一系列的理論和實踐教學活動來形成，而且不同階段的教學內(nèi)容應(yīng)前后關(guān)聯(lián).加強不同課程教學內(nèi)容的銜接，順利完成大數(shù)據(jù)的不同實踐課程知識點的過度.數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)專業(yè)的課程涉及的軟件和知識點較多，因此在實踐課程安排時，不僅要照顧到本課程的實驗內(nèi)容，還要增加為完成實驗所需其他課程的知識，如圖2所示.例如在Hadoop課程中，實踐課程中首先是安裝hadoop 2.7版本的軟件，在Linux操作系統(tǒng)下創(chuàng)建hadoop用戶、更新APT、安裝SSH和安裝Java環(huán)境，其中需要學生提前掌握useradd、tar、update等Linux命令.如果學生不具備相應(yīng)的知識，實驗課程的后續(xù)內(nèi)容則無法完成.

（3）完善實踐教學的考核評價機制.合理的考核評價機制，可以確保實踐教學的效果和持久發(fā)展.通過參加大數(shù)據(jù)專業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和學科競賽，學生不僅可以提高對所學知識的理解，而且還可以培養(yǎng)大學生的團隊合作精神和創(chuàng)新能力.把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、學科競賽、平臺訓(xùn)練等引入到實踐教學內(nèi)容中，對原有教學體系進行調(diào)整和完善.增加學生獲得學分的途徑，可以激發(fā)學生創(chuàng)新的意識.

合理的考核評價機制提高教師的教學主動性，激發(fā)學生的學習意識，從根本上解決教師不愿指導(dǎo)學生和學生不愿參加競賽的現(xiàn)狀，確保實踐課程的教學效果和良性發(fā)展.

4 結(jié)論

大數(shù)據(jù)人才的培養(yǎng)不可能一蹴而就，它是一個循序漸進、逐步加深的過程.重視實踐教學環(huán)節(jié)，是提高大數(shù)據(jù)專業(yè)人才水平的必然要求；完善實踐教學體系，是培養(yǎng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用型專業(yè)人才的基本要求.大數(shù)據(jù)實踐教學體系應(yīng)該分層次和分階段來完成相應(yīng)的目標任務(wù).構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)實驗實訓(xùn)平臺的生態(tài)系統(tǒng)，滿足課程實驗和專業(yè)實訓(xùn)的需求，從學生的實際情況和企業(yè)的需求著眼，探索適合數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)專業(yè)實踐課程的教學模式.數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)實踐教學體系的構(gòu)建還有很多問題有待解決，未來數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)的人才應(yīng)該是懂理論、能動手且能融合到不同應(yīng)用場景中的復(fù)合型人才，因此在構(gòu)建數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)實踐教學體系時應(yīng)以培養(yǎng)符合社會需求的人才為核心，以提高學生解決實際問題的能力為目標，提高該專業(yè)的實踐教學質(zhì)量.