數(shù)據(jù)分析與挖掘課程教學(xué)改革研究

摘要：數(shù)據(jù)分析與挖掘是智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的必修課，然而現(xiàn)階段該課程教學(xué)中還存在諸多問(wèn)題亟待解決。文章從現(xiàn)有問(wèn)題出發(fā)，從樹(shù)立“教師引導(dǎo)、學(xué)生主導(dǎo)”的課堂教學(xué)理念、制定多元化且緊跟實(shí)際案例的教學(xué)內(nèi)容、科研融入教學(xué)實(shí)踐、引入研究生“頭腦風(fēng)暴”式的培養(yǎng)模式以及建立健全考核評(píng)價(jià)機(jī)制等方面探討如何改革數(shù)據(jù)分析與挖掘課程，以期提升學(xué)生汲取知識(shí)的自主性以及課堂教學(xué)效果，最終培養(yǎng)學(xué)生具有靈活地運(yùn)用課程知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)分析與挖掘；教學(xué)改革；教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）31-0178-03

隨著人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)廣泛地應(yīng)用到社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，近些年數(shù)據(jù)的規(guī)模呈現(xiàn)出指數(shù)型增長(zhǎng)的趨勢(shì)。在如今這個(gè)大數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)據(jù)已經(jīng)變成一種十分珍貴的資源，因此如何運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)從如此大規(guī)模的數(shù)據(jù)中挖掘和分析數(shù)據(jù)中隱含的規(guī)律以持續(xù)指導(dǎo)后續(xù)的生產(chǎn)和生活，已經(jīng)受到全社會(huì)的重點(diǎn)關(guān)注。近些年，社會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘?qū)I(yè)人才的需求與日俱增，這也促使數(shù)據(jù)分析和挖掘這門課成為培養(yǎng)數(shù)據(jù)分析人才的重要課程，它也成為智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的必修課。數(shù)據(jù)分析和挖掘是一門涉及包括：數(shù)據(jù)庫(kù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、深度學(xué)習(xí)、模式識(shí)別等技術(shù)的多學(xué)科交叉課程，這也對(duì)教師實(shí)施教學(xué)過(guò)程以及學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的進(jìn)程提出了更進(jìn)一步的要求。然而，目前對(duì)于數(shù)據(jù)分析與挖掘這門課程的教學(xué)還存在如重理論輕實(shí)踐、課程實(shí)踐案例比較陳舊等問(wèn)題，而這些問(wèn)題的存在使得這門課程的教學(xué)內(nèi)容無(wú)法與時(shí)代的發(fā)展相適應(yīng)[1]。因此，探索如何更新數(shù)據(jù)分析與挖掘的教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容和實(shí)施方法、如何建立完善的數(shù)據(jù)分析與挖掘教學(xué)方法、如何在實(shí)踐教學(xué)中融入現(xiàn)實(shí)生活案例以適應(yīng)社會(huì)需求，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

1 數(shù)據(jù)分析與挖掘教學(xué)現(xiàn)狀

數(shù)據(jù)分析與挖掘這門課程是面向江蘇大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)的一門專業(yè)必修課，該課程共安排32學(xué)時(shí)（其中20學(xué)時(shí)授課、12學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)）。由于學(xué)習(xí)該課程需要的先修課程數(shù)量較多、課程的理論難度較大、課程對(duì)實(shí)驗(yàn)要求較高，因此教學(xué)任務(wù)比較重且對(duì)學(xué)生的能力有了更高的要求[3-4]。然而，在這門課程實(shí)施階段發(fā)現(xiàn)還存在如下教學(xué)現(xiàn)狀。

1.1 學(xué)生對(duì)先修課程的掌握程度差異大

數(shù)據(jù)分析與挖掘課程內(nèi)容中各環(huán)節(jié)涉及的知識(shí)點(diǎn)與先修課程有較強(qiáng)的聯(lián)系，如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)用到的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、數(shù)據(jù)分析用到的統(tǒng)計(jì)學(xué)原理、數(shù)據(jù)挖掘用到的機(jī)器學(xué)習(xí)算法等，與課程相關(guān)聯(lián)的先修課程比較多且理論深度、學(xué)習(xí)難度大，這也使得想學(xué)好這門課程必須掌握先修課程中的技術(shù)和原理[5]。然而，通過(guò)課堂的教學(xué)發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)較多先修課程知識(shí)點(diǎn)的掌握上存在一定的差距，而在程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的差異也使得學(xué)生在數(shù)據(jù)挖掘算法編寫(xiě)階段出現(xiàn)進(jìn)度不一的問(wèn)題。此外，由于數(shù)據(jù)分析所涉及的知識(shí)點(diǎn)中有很大一部分是復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)公式（如分類算法SVM的理論是基于數(shù)學(xué)分析中的拉格朗日乘子法進(jìn)行大量參數(shù)的求解，需要很強(qiáng)的數(shù)學(xué)功底），因此對(duì)高等數(shù)學(xué)掌握程度不好的學(xué)生帶來(lái)很大的困擾。這些問(wèn)題的存在使得學(xué)生對(duì)學(xué)好數(shù)據(jù)分析與挖掘這門課產(chǎn)生懷疑；同時(shí)，由于學(xué)生對(duì)先修課程知識(shí)點(diǎn)的掌握程度不同，因此如何開(kāi)展數(shù)據(jù)分析與挖掘這門課的教學(xué)以及讓學(xué)生更深入地理解課程知識(shí)點(diǎn)相對(duì)比較困難。

1.2 教學(xué)方式枯燥且教學(xué)資源有限

智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生在選修數(shù)據(jù)分析與挖掘課程前已經(jīng)修完P(guān)ython程序設(shè)計(jì)課程，已經(jīng)較為熟練地掌握通過(guò)調(diào)取Python包進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，但是學(xué)生對(duì)所調(diào)用的Python包中涉及的具體算法的原理并不明白。而數(shù)據(jù)分析與挖掘課程中的很多數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析算法比較復(fù)雜且需要進(jìn)行大量的公式推導(dǎo)，如：數(shù)據(jù)降維中的主成分分析算法（PCA） 需要借助高等數(shù)學(xué)中的拉格朗日中值定理進(jìn)行推導(dǎo)。這種理論課所教授的內(nèi)容是數(shù)據(jù)挖掘算法和原理的引入及推導(dǎo)，教學(xué)方式往往比較枯燥，缺乏更為多樣化的教學(xué)形式，因此不易引起學(xué)生的興趣，從而無(wú)法調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)積極性[6]。而實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)主要通過(guò)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)挖掘算法以完成教學(xué)任務(wù)，沒(méi)有很好地融入團(tuán)隊(duì)協(xié)作的方式，無(wú)法充分調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)實(shí)現(xiàn)算法的熱情。此外，現(xiàn)階段授課的內(nèi)容主要集中在教材中的知識(shí)點(diǎn)，而教材中涉及的機(jī)器學(xué)習(xí)算法大多是經(jīng)典的算法，無(wú)法有效地處理維度高、類型復(fù)雜的大規(guī)模數(shù)據(jù)，同時(shí)網(wǎng)上的教學(xué)資源也沒(méi)有很好地對(duì)現(xiàn)階段效果更好的機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行系統(tǒng)的梳理，因此很難利用現(xiàn)有的教學(xué)資源更好地向?qū)W生呈現(xiàn)數(shù)據(jù)分析與挖掘這門課程。

1.3 實(shí)驗(yàn)課程中的算法比較陳舊

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，教師所布置的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大多是復(fù)現(xiàn)理論課堂中講述的算法，往往需要通過(guò)對(duì)算法的復(fù)現(xiàn)判斷學(xué)生對(duì)理論的掌握程度。然而，這種實(shí)驗(yàn)課程形式完全脫離了實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，無(wú)法讓學(xué)生真正了解目前社會(huì)所使用的前沿技術(shù)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)際生活相脫節(jié)[7]。如實(shí)驗(yàn)課程中的分類算法實(shí)現(xiàn)往往會(huì)讓學(xué)生復(fù)現(xiàn)一些機(jī)器學(xué)習(xí)算法，如：ID3、C4.5和CART三種決策樹(shù)算法、K最近鄰算法等，而最近幾年流行的深度學(xué)習(xí)模型雖然能夠得到更好的分類效果，但是很少會(huì)讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課中進(jìn)行復(fù)現(xiàn)。這種形式也會(huì)讓學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解只是停留在表面，而無(wú)法更深層次地明白算法背后所蘊(yùn)含的思想。此外，現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所使用的數(shù)據(jù)集的規(guī)模比較小、維度比較低、類型比較單一，這也與實(shí)際情況出現(xiàn)較大的差異。雖然復(fù)現(xiàn)的算法能在書(shū)本中提供的數(shù)據(jù)集上順利地運(yùn)行起來(lái)，但一旦遇到實(shí)際生活中的大規(guī)模高維數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)因?yàn)樗惴惻f而出現(xiàn)效率低甚至無(wú)法運(yùn)行的問(wèn)題。

1.4 考核評(píng)價(jià)體系不合理

現(xiàn)階段對(duì)數(shù)據(jù)分析與挖掘課程的考察形式是閉卷考試，這種考察形式以學(xué)生對(duì)教材中涉及的算法原理以及知識(shí)點(diǎn)的掌握程度所呈現(xiàn)的筆試成績(jī)作為最終的評(píng)價(jià)指標(biāo)[8]。然而，這種考察形式缺乏對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程的有效評(píng)價(jià)，沒(méi)有考慮到學(xué)生的個(gè)性化需求，未將學(xué)生的實(shí)踐能力、綜合能力等納入考核評(píng)價(jià)范圍，因此無(wú)法有效地考查學(xué)生在各個(gè)學(xué)習(xí)階段的狀態(tài)。這種考核評(píng)價(jià)體系的存在很難有效地提高學(xué)生運(yùn)用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘的能力，也很難提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。

2 數(shù)據(jù)分析與挖掘課程改革措施

為了解決現(xiàn)階段數(shù)據(jù)分析與挖掘課程中出現(xiàn)的諸多問(wèn)題，可以通過(guò)以下一些改革措施來(lái)更好地為智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生呈現(xiàn)更為完善的課堂體驗(yàn)。

2.1 樹(shù)立“教師引導(dǎo)、學(xué)生主導(dǎo)”的課堂教學(xué)理念

轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的“填鴨式”“教師一言堂”的教學(xué)模式，在課堂教學(xué)中教師要以學(xué)生為主體，樹(shù)立“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，能夠正確地認(rèn)識(shí)到在課堂教學(xué)中“教師為引導(dǎo)，學(xué)生為主導(dǎo)”的位置。在教學(xué)過(guò)程中，可以以小組合作的形式展開(kāi)，以學(xué)生需求為導(dǎo)向，驅(qū)動(dòng)課堂教學(xué)，把生活中的實(shí)際問(wèn)題帶入課堂，促進(jìn)學(xué)生之間的討論，通過(guò)小組討論、發(fā)散思維的方式讓學(xué)生深入教學(xué)重難點(diǎn)，梳理存在的問(wèn)題并進(jìn)行分析；然后派小組代表進(jìn)行發(fā)言交流，教師就學(xué)生的發(fā)言進(jìn)行點(diǎn)評(píng)并總結(jié)。這種形式不僅能讓學(xué)生集思廣益、自主學(xué)習(xí)并切身感受到自己在課堂中的重要性，還能讓學(xué)生成為課堂的主導(dǎo)者，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與課堂教學(xué)與學(xué)習(xí)的積極性，提高其學(xué)習(xí)的興趣；此外，也能增強(qiáng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)與凝聚力，培養(yǎng)學(xué)生形成創(chuàng)新思維以及養(yǎng)成解決問(wèn)題的能力。

2.2 制定多元化且緊跟實(shí)際案例的教學(xué)內(nèi)容

在教學(xué)過(guò)程中，緊跟目前工業(yè)界和學(xué)術(shù)界使用的最新技術(shù)，通過(guò)整理和吸收國(guó)內(nèi)外不斷更新的教學(xué)資源，尤其是翻譯和整理最新發(fā)表的英文學(xué)術(shù)論文，并結(jié)合智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生的學(xué)情，了解學(xué)生對(duì)這門課程的實(shí)際需求，對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)、教學(xué)案例、課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等進(jìn)行深層次的考慮，從而設(shè)計(jì)出更為多元化、更強(qiáng)適用性且緊跟實(shí)際案例的教學(xué)實(shí)踐大綱，制定出更為合理、有針對(duì)性的教學(xué)策略。此外，緊緊把握現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際需求以及行業(yè)中運(yùn)用的先進(jìn)技術(shù)，從數(shù)據(jù)分析與挖掘課程中涉及的知識(shí)點(diǎn)（包括章節(jié)中的重、難點(diǎn)）出發(fā)設(shè)計(jì)具備典型性、前沿性和整體性特征的應(yīng)用案例，通過(guò)融入課程知識(shí)點(diǎn)對(duì)實(shí)際案例的解決過(guò)程進(jìn)行講解以突出課程各章節(jié)中的重難點(diǎn)，并從整體出發(fā)設(shè)計(jì)教學(xué)計(jì)劃以繪制完整的課程知識(shí)脈絡(luò)，從而為后續(xù)順利地串聯(lián)知識(shí)點(diǎn)奠定基礎(chǔ)。而在后續(xù)教學(xué)過(guò)程中，以實(shí)際案例為導(dǎo)向，牢牢圍繞設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)介紹實(shí)際需求以讓學(xué)生帶著問(wèn)題進(jìn)行課程學(xué)習(xí)，通過(guò)對(duì)如何解決現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際案例進(jìn)行詳細(xì)的分析引出課程知識(shí)點(diǎn)，并結(jié)合最新的技術(shù)教案帶領(lǐng)學(xué)生一起學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)中的重難點(diǎn)，從而讓學(xué)生更好地掌握數(shù)據(jù)分析與挖掘這門課程的教學(xué)內(nèi)容。

2.3 科研融入教學(xué)實(shí)踐

如今深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)得到了不斷的發(fā)展和更新，也出現(xiàn)了很多新的技術(shù)和方法，但是現(xiàn)有教材中的知識(shí)點(diǎn)比較陳舊，利用這些技術(shù)無(wú)法有效地處理呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)趨勢(shì)的大規(guī)模數(shù)據(jù)。因此，將日常的科研工作深入地融入數(shù)據(jù)分析與挖掘課程教學(xué)實(shí)踐中的各個(gè)環(huán)節(jié)，是課程改革的一大突破?？蒲腥谌虢虒W(xué)實(shí)踐能有效地提高對(duì)學(xué)生授課的質(zhì)量，增進(jìn)師生間的交流互動(dòng)，進(jìn)一步提升師生之間的雙向能力。更具體地，可以把科研中的一些子問(wèn)題引入課程教學(xué)過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生思考如何改進(jìn)一些數(shù)據(jù)分析或數(shù)據(jù)挖掘算法以提升對(duì)數(shù)據(jù)處理的效率，從而在學(xué)好數(shù)據(jù)分析與挖掘課程的基礎(chǔ)上更深入地思考如何利用數(shù)據(jù)分析或數(shù)據(jù)挖掘算法解決現(xiàn)實(shí)生活中的一些實(shí)際問(wèn)題。通過(guò)將科研融入教學(xué)實(shí)踐中，可以更有效地將科學(xué)研究與理論學(xué)習(xí)、技術(shù)培養(yǎng)與教學(xué)實(shí)踐相結(jié)合，從而建立一種更為有效的教學(xué)實(shí)踐方式。

2.4 引入研究生“頭腦風(fēng)暴”式的培養(yǎng)模式

在教學(xué)過(guò)程中，一個(gè)最直觀的感受是課堂中學(xué)生往往很少舉手對(duì)課程中所涉及的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行提問(wèn)，而且隨著年級(jí)越高提問(wèn)的人數(shù)呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。這一現(xiàn)象出現(xiàn)的一個(gè)主要原因是現(xiàn)有的教學(xué)模式已經(jīng)把學(xué)生養(yǎng)成了只求分?jǐn)?shù)而忽視知識(shí)內(nèi)涵的習(xí)慣。與之相反，研究生培養(yǎng)過(guò)程中組會(huì)已經(jīng)成為一種知識(shí)交流的主要陣地，而組會(huì)往往以一種“頭腦風(fēng)暴”的形式開(kāi)展，這種方式不僅有效地促進(jìn)了知識(shí)的傳播，而且也能讓學(xué)生從自身所掌握的知識(shí)體系出發(fā)主動(dòng)與當(dāng)前學(xué)習(xí)的知識(shí)進(jìn)行主動(dòng)融合，從而更好地對(duì)某個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行延展。適當(dāng)?shù)卦跀?shù)據(jù)分析與挖掘課程中引入研究生“頭腦風(fēng)暴”的培養(yǎng)模式，可以有效地促進(jìn)學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)點(diǎn)的理解與反思，從而更好地學(xué)好這門課程。

2.5 建立健全考核評(píng)價(jià)機(jī)制

徹底變更傳統(tǒng)的以最終考試成績(jī)?yōu)楹饬繕?biāo)準(zhǔn)的片面的考核評(píng)價(jià)體系，運(yùn)用信息化技術(shù)手段監(jiān)測(cè)學(xué)生課前知識(shí)點(diǎn)預(yù)習(xí)、課后單元測(cè)試以及課后作業(yè)作答等情況；同時(shí)，在課堂中借助“MOOC”“雨課堂”等網(wǎng)絡(luò)教育平臺(tái)實(shí)施課堂簽到、問(wèn)題回答、問(wèn)題討論等環(huán)節(jié)；此外，還組織學(xué)生以小組為單位進(jìn)行匯報(bào)，通過(guò)這些打分環(huán)節(jié)的綜合考慮利用綜合評(píng)價(jià)法對(duì)每個(gè)學(xué)生的教學(xué)過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)多角度、全方位的考核和評(píng)價(jià)給出學(xué)生的最終評(píng)分，既能有效地對(duì)教學(xué)實(shí)施過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)，也能給學(xué)生更多的課程體驗(yàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

在現(xiàn)如今這個(gè)大數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)據(jù)已經(jīng)成為日常生產(chǎn)和生活中寶貴的財(cái)富，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中隱含的規(guī)律。與其他計(jì)算機(jī)課程不同的是，數(shù)據(jù)分析與挖掘這門課程實(shí)用性很強(qiáng)且貫穿到各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，因此它已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)專業(yè)的主干課程。然而，現(xiàn)階段在教學(xué)過(guò)程中依然出現(xiàn)學(xué)生先修課程掌握程度差異大、教學(xué)方式枯燥且教學(xué)資源有限、實(shí)驗(yàn)課程中的算法比較陳舊以及考核評(píng)價(jià)體系不完善等問(wèn)題。本文針對(duì)目前數(shù)據(jù)分析與挖掘課程的教學(xué)現(xiàn)狀和存在問(wèn)題，探索了數(shù)據(jù)分析與挖掘課程教學(xué)改革策略，提出了樹(shù)立“教師引導(dǎo)、學(xué)生主導(dǎo)”的課堂教學(xué)理念、制定多元化且緊跟實(shí)際案例的教學(xué)內(nèi)容、科研融入教學(xué)實(shí)踐、引入研究生“頭腦風(fēng)暴”式的培養(yǎng)模式以及建立健全考核評(píng)價(jià)機(jī)制等建議。通過(guò)深度考慮學(xué)生的個(gè)性化需求，提升學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程的積極性與主動(dòng)性，從而改善課堂教學(xué)的效果，提高教師的教學(xué)質(zhì)量。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】

收稿日期：2022-05-15

作者簡(jiǎn)介：蔡賽華（1990—） ，男，江蘇海門人，講師，博士，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)處理、異常流量檢測(cè)。