新工科背景下大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)課程的優(yōu)化與創(chuàng)新

李 松 張麗平 郝曉紅 孫冬璞 李成嚴(yán)

一、大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)課程開(kāi)設(shè)的背景及內(nèi)容

自2017年2月起，教育部先后發(fā)布了關(guān)于開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的相關(guān)文件，積極推進(jìn)新工科建設(shè)。為了培養(yǎng)新形勢(shì)下的創(chuàng)新工程人才，新工科建設(shè)主要探索和建立人才培養(yǎng)的“新理念”“新結(jié)構(gòu)”“新模式”“新質(zhì)量”和“新體系”等“五新”要素。在以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式為特點(diǎn)的新經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，我國(guó)工程教育迫切需要培養(yǎng)多樣化、創(chuàng)新型科技人才，新工科逐漸成為工程教育創(chuàng)新改革的主流。[1]新工科主要培養(yǎng)具有扎實(shí)的學(xué)科理論知識(shí)，有較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，能夠?qū)I(yè)理論知識(shí)、創(chuàng)新實(shí)踐能力以及工程應(yīng)用能力相互融合的具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型人才。

大數(shù)據(jù)是信息化發(fā)展的新階段，新工科背景下，許多高校的信息類專業(yè)開(kāi)設(shè)了大數(shù)據(jù)相關(guān)課程，如大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、Hadoop、NoSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)挖掘R 語(yǔ)言等，其目的是培養(yǎng)學(xué)生熟練掌握大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，擁有堅(jiān)實(shí)的并行與分布式計(jì)算知識(shí)，具備大數(shù)據(jù)行業(yè)的研究和應(yīng)用能力。當(dāng)前，大數(shù)據(jù)課程體系和教學(xué)模式的研究受到了廣泛的關(guān)注和重視。作為大數(shù)據(jù)方向的重要專業(yè)課，大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)課程體現(xiàn)出多學(xué)科融合、多行業(yè)輻射、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)。探索在大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)課程中如何培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，如何強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新能力的訓(xùn)練，培養(yǎng)適應(yīng)創(chuàng)新型國(guó)家建設(shè)的高素質(zhì)人才具有重要意義。

二、大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)課程教學(xué)存在的典型問(wèn)題

大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)課程以大數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，主要涵蓋大數(shù)據(jù)發(fā)展歷史和基本概念、大數(shù)據(jù)采集與治理、大數(shù)據(jù)分類與預(yù)測(cè)、大數(shù)據(jù)管理（包括分布式文件系統(tǒng)、NoSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)及SQL on Hadoop 等）、大數(shù)據(jù)分析（包括基于機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析的理論和方法、圖數(shù)據(jù)的分析方法以及自然語(yǔ)言中的數(shù)據(jù)分析等）、大數(shù)據(jù)處理平臺(tái)（包括大數(shù)據(jù)處理平臺(tái)架構(gòu)、批量大數(shù)據(jù)計(jì)算、流式大數(shù)據(jù)計(jì)算、大規(guī)模圖數(shù)據(jù)計(jì)算等）、大數(shù)據(jù)安全與隱私保護(hù)（包括大數(shù)據(jù)采集傳輸存儲(chǔ)和交互共享中的安全與隱私、大數(shù)據(jù)脫敏、大數(shù)據(jù)安全防護(hù)體系和安全標(biāo)準(zhǔn)）、大數(shù)據(jù)可視化、大數(shù)據(jù)典型應(yīng)用、大數(shù)據(jù)開(kāi)放共享的法律法規(guī)和大數(shù)據(jù)倫理等內(nèi)容。體現(xiàn)出多學(xué)科融合、多行業(yè)輻射、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)。

該課程的宗旨是著力培養(yǎng)學(xué)生的大數(shù)據(jù)思維和技能，提升他們開(kāi)展大數(shù)據(jù)相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)的能力。立足于新工科背景下的工科人才培養(yǎng)目標(biāo)，該課程要求學(xué)生能較為扎實(shí)地掌握大數(shù)據(jù)的基本理論方法和工具，能獨(dú)立或團(tuán)隊(duì)合作完成一定的課內(nèi)實(shí)踐實(shí)訓(xùn)任務(wù)，能利用大數(shù)據(jù)分析與處理的方法對(duì)復(fù)雜的大數(shù)據(jù)工程問(wèn)題進(jìn)行研究，能運(yùn)用相應(yīng)的技術(shù)、工具解決具有復(fù)雜工程背景的實(shí)際問(wèn)題，能針對(duì)大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的一些關(guān)鍵問(wèn)題具備一定的分析能力、處理能力和創(chuàng)新能力。

在大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)課程教學(xué)中，傳統(tǒng)方法重點(diǎn)在于傳授已有的理論知識(shí)和技能，但在根據(jù)大數(shù)據(jù)知識(shí)點(diǎn)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)進(jìn)行引導(dǎo)和啟迪方面較為薄弱，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新技能提升不足。存在的典型問(wèn)題有：

第一，教學(xué)內(nèi)容以基礎(chǔ)知識(shí)和技術(shù)為主，教材和輔導(dǎo)材料主要局限在介紹重要的知識(shí)點(diǎn)，缺乏創(chuàng)新思路和創(chuàng)新方法的有機(jī)融入和體現(xiàn)。

第二，實(shí)踐環(huán)節(jié)中的案例簡(jiǎn)單，著重于技術(shù)實(shí)現(xiàn)，缺乏深層次的理論與技術(shù)的創(chuàng)新訓(xùn)練，在培養(yǎng)和提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、探索問(wèn)題、解決問(wèn)題方面較為薄弱。

第三，教師主要是講解和灌輸知識(shí)點(diǎn)，教學(xué)方法較為單一，缺乏對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。學(xué)生則以能熟練記憶相關(guān)知識(shí)和對(duì)基本技術(shù)的運(yùn)用為主要目標(biāo)，獨(dú)立自主地分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力薄弱。

為了彌補(bǔ)大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)課程傳統(tǒng)教學(xué)在人才培養(yǎng)方面的不足，立足于新工科對(duì)分析能力、處理能力和創(chuàng)新能力的需求，我們對(duì)大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了拓展和優(yōu)化。

三、對(duì)大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)課程教學(xué)內(nèi)容的拓展和優(yōu)化

有機(jī)融合創(chuàng)新思想和創(chuàng)新元素的教學(xué)內(nèi)容是新工科背景下創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的一個(gè)重要基礎(chǔ)。針對(duì)上文指出的典型問(wèn)題，在大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)課程中，我們對(duì)基本知識(shí)技術(shù)、前沿學(xué)習(xí)資料、實(shí)踐項(xiàng)目案例等進(jìn)行了拓展和優(yōu)化。

（一）對(duì)基本知識(shí)技術(shù)的拓展和優(yōu)化

我們對(duì)大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)課程的主要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了研究和論證，重點(diǎn)對(duì)13個(gè)知識(shí)塊（大數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)離散化、大數(shù)據(jù)跨界集成、分布式文件系統(tǒng)、NoSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)、大數(shù)據(jù)聚類分析、大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則分析、大數(shù)據(jù)分類分析、大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)分析、大數(shù)據(jù)隱私保護(hù)、大數(shù)據(jù)脫敏技術(shù)、流式大數(shù)據(jù)計(jì)算和大數(shù)據(jù)圖計(jì)算）進(jìn)行了優(yōu)化，充分體現(xiàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的思路和方法。下圖是大數(shù)據(jù)聚類分析知識(shí)塊的優(yōu)化。

大數(shù)據(jù)聚類的優(yōu)化

由圖1 可知，除了大數(shù)據(jù)聚類的基本方法和技術(shù)之外，我們?cè)谥R(shí)模塊中增加了新問(wèn)題描述、聚類方法優(yōu)缺點(diǎn)分析、針對(duì)新問(wèn)題和方法的不足所提出的創(chuàng)新方法和優(yōu)化思路、大數(shù)據(jù)聚類方法中蘊(yùn)含的創(chuàng)新思想和創(chuàng)新方法等內(nèi)容。學(xué)生完成大數(shù)據(jù)聚類分析的知識(shí)模塊學(xué)習(xí)后，不僅能掌握大數(shù)據(jù)聚類的基本原理和知識(shí)，還能更深入地分析大數(shù)據(jù)聚類的復(fù)雜工程問(wèn)題，理解其知識(shí)和技術(shù)領(lǐng)域中的創(chuàng)新思路及創(chuàng)新方法。

（二）前沿學(xué)習(xí)資料庫(kù)的建設(shè)

大數(shù)據(jù)前沿知識(shí)和技術(shù)包含著豐富的創(chuàng)新思想和方法，學(xué)習(xí)和探索這些內(nèi)容有助于創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，為此，我們建立了大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)課程的前沿知識(shí)資料庫(kù)，包括專家講座課件和視頻資料庫(kù)、大數(shù)據(jù)重要理論和技術(shù)學(xué)術(shù)論文資料庫(kù)、大數(shù)據(jù)算法資料庫(kù)、大數(shù)據(jù)前沿應(yīng)用資料庫(kù)。在教學(xué)過(guò)程中，教師根據(jù)課程的進(jìn)展和學(xué)生的具體情況推送相關(guān)資料，組織和引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)。

（三）實(shí)踐項(xiàng)目案例優(yōu)化

課程實(shí)踐是大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)課程教學(xué)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力具有重要意義。因此我們建立了課程實(shí)踐的5個(gè)目標(biāo)：

一是提升學(xué)生將大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)知識(shí)用于解決復(fù)雜的工程問(wèn)題和對(duì)大數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)進(jìn)行有效設(shè)計(jì)的能力。二是在實(shí)踐中，提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的創(chuàng)新能力。三是提升學(xué)生在多種實(shí)現(xiàn)技術(shù)中進(jìn)行合理取舍的能力，增強(qiáng)其綜合利用大數(shù)據(jù)和編程工具完成大數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、測(cè)試和調(diào)試運(yùn)行的能力。四是提升學(xué)生經(jīng)濟(jì)決策和分析的能力，鍛煉他們項(xiàng)目計(jì)劃、項(xiàng)目安排、項(xiàng)目進(jìn)度和時(shí)間管理等方面的能力。五是增強(qiáng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作及交流溝通的能力。

這些目標(biāo)不是孤立的，而是相輔相成的。立足大數(shù)據(jù)創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)要求和學(xué)生能力的達(dá)成目標(biāo)，我們對(duì)實(shí)踐項(xiàng)目案例進(jìn)行了整合和優(yōu)化。精選了具有更多創(chuàng)新元素的項(xiàng)目案例，并將項(xiàng)目進(jìn)行了科學(xué)合理的分解。部分項(xiàng)目案例的基本信息如下表所示。

部分項(xiàng)目案例基本信息

四、大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)課程教學(xué)方法的創(chuàng)新與實(shí)踐

（一）融合創(chuàng)新思想和技能的項(xiàng)目案例教學(xué)法

傳統(tǒng)的大數(shù)據(jù)項(xiàng)目案例教學(xué)重視項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，但包含的創(chuàng)新元素較為薄弱，學(xué)生從項(xiàng)目案例中獲得的創(chuàng)新啟迪較少。為了提升學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的效果，我們建立和優(yōu)化了實(shí)踐項(xiàng)目案例庫(kù)。其中的項(xiàng)目案例融合了更多的創(chuàng)新元素，教學(xué)過(guò)程中教師結(jié)合項(xiàng)目案例中的創(chuàng)新點(diǎn)和創(chuàng)新技術(shù)對(duì)學(xué)生進(jìn)行啟

發(fā)式教學(xué)，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識(shí)和思維。例如，針對(duì)基于大數(shù)據(jù)hadoop 平臺(tái)的k-means 算法優(yōu)化與應(yīng)用系統(tǒng)這一項(xiàng)目案例，學(xué)生除了實(shí)踐系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)等基本技術(shù)之外，還需進(jìn)一步思考傳統(tǒng)k-means算法存在的問(wèn)題和不足，研究k-means 算法優(yōu)化的思路和方法，并進(jìn)行科學(xué)比較和分析，在實(shí)踐中體會(huì)項(xiàng)目案例中蘊(yùn)含的創(chuàng)新思維。

（二）線上線下混合式教學(xué)法

在大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)課程教學(xué)中采用線上線下混合教學(xué)法。線下主要進(jìn)行關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)和創(chuàng)新技術(shù)的講解分析，組織學(xué)生進(jìn)行專題討論，面對(duì)面答疑解惑等，線上主要是利用豐富的教學(xué)資源庫(kù)進(jìn)行在線自主學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)時(shí)間較為自由充足，學(xué)生可以充分利用碎片時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)。教師引導(dǎo)學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)和實(shí)踐，鼓勵(lì)他們圍繞大數(shù)據(jù)前沿知識(shí)和技術(shù)進(jìn)行在線交流討論，積極發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。混合教學(xué)法包含線上和線下教學(xué)方式的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也克服了各自存在的缺點(diǎn)，相輔相成，在教學(xué)中取得了較好的效果。

（三）前沿知識(shí)分層分組學(xué)習(xí)交流法

大數(shù)據(jù)知識(shí)體系較為復(fù)雜，新理論和新技術(shù)較多，而教材和輔導(dǎo)材料的內(nèi)容往往較為基礎(chǔ)，在新技術(shù)新方向新應(yīng)用方面較為薄弱。學(xué)習(xí)和了解前沿知識(shí)和應(yīng)用對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)具有重要作用。在教學(xué)中，我們針對(duì)大數(shù)據(jù)的一些前沿技術(shù)組織專題討論會(huì)，事先讓學(xué)生對(duì)感興趣的前沿技術(shù)進(jìn)行收集整理，在會(huì)上交流探討，會(huì)后做全面細(xì)致的總結(jié)。此外，根據(jù)實(shí)際教學(xué)進(jìn)度和相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)，有計(jì)劃地利用釘釘群等為學(xué)生推送大數(shù)據(jù)前沿知識(shí)講座、技術(shù)論文、技術(shù)和應(yīng)用的新聞報(bào)道等，鼓勵(lì)學(xué)有余力的同學(xué)進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)和研究。實(shí)踐表明，很多學(xué)生對(duì)大數(shù)據(jù)前沿技術(shù)和知識(shí)興趣濃厚，探索欲望強(qiáng)烈，分層分組學(xué)習(xí)交流法能較好地?cái)U(kuò)展專業(yè)知識(shí)面和培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。

大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)課程是該專業(yè)研究生研究的基礎(chǔ)，我們的大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)課程組教師都是研究生導(dǎo)師，指導(dǎo)的研究生具有較為扎實(shí)的大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)知識(shí)和技術(shù)，教師根據(jù)教學(xué)實(shí)際需求有計(jì)劃地組織成績(jī)優(yōu)秀的研究生參與到教學(xué)中，取得了較好的效果。根據(jù)學(xué)生的興趣和特點(diǎn)建立了以研究生為組長(zhǎng)的大數(shù)據(jù)技術(shù)興趣小組，每組5～7人，小組成員在組長(zhǎng)的帶領(lǐng)下進(jìn)行大數(shù)據(jù)專項(xiàng)問(wèn)題的探索，組長(zhǎng)在理論和技術(shù)方面給予充分的指導(dǎo)。實(shí)踐表明，本科生和研究生之間的交流更方便更深入，學(xué)生的學(xué)術(shù)創(chuàng)新能力得到了較大程度的提升。

綜上所述，基于新工科建設(shè)對(duì)創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的需求，為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足，根據(jù)大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)課程的特點(diǎn)，我們對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行了整合和優(yōu)化，在一些關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)中合理融入了創(chuàng)新元素，運(yùn)用了有效的教學(xué)方法，在教學(xué)實(shí)踐中收到了良好的效果。未來(lái)的工作重點(diǎn)是在“大思政”格局下將課程思政有機(jī)融合到大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)課程中，進(jìn)一步助推社會(huì)主義創(chuàng)新人才的培養(yǎng)力度。