面向研究生思辨能力培養(yǎng)的數(shù)據(jù)挖掘課程教學(xué)實(shí)踐

葉志偉，高 榕，林 姍，鄧 娜

（湖北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北武漢 430068）

0 引言

計(jì)算機(jī)及相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展有力推動了新一輪科技革命的興起，新基建如火如荼，數(shù)字技術(shù)驅(qū)動新生產(chǎn)蓬勃發(fā)展。據(jù)2021 年中國信通院發(fā)布的《全球數(shù)字經(jīng)濟(jì)白皮書》顯示，中國數(shù)字經(jīng)濟(jì)規(guī)模逼近5.4 萬億美元，德國、英國、美國等發(fā)達(dá)國家數(shù)字經(jīng)濟(jì)占GDP 比重超過60%?！吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》安排專章部署“加快數(shù)字化發(fā)展建設(shè)數(shù)字中國”，強(qiáng)調(diào)“打造數(shù)字經(jīng)濟(jì)新優(yōu)勢”，這為我國數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了遵循和指導(dǎo)。智聯(lián)招聘發(fā)布的2020 年新基建產(chǎn)業(yè)人才發(fā)展報(bào)告顯示，新基建核心技術(shù)人才缺口長期存在，計(jì)算機(jī)專業(yè)本科和碩士人才薪酬持續(xù)走高。

研究生教育在中國高等教育中起著重要作用，研究生不僅是中國高層次人才的后備力量，也是建設(shè)創(chuàng)新型國家的重要基礎(chǔ)。為了實(shí)施科教興國戰(zhàn)略，我國研究生每年以6%左右的速度擴(kuò)招。雖然研究生擴(kuò)招的根本動力是源于經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平提升對高層次人才需求的增長，然而數(shù)量的擴(kuò)招對培養(yǎng)質(zhì)量提升帶來了挑戰(zhàn)。如何在大規(guī)模擴(kuò)招背景下確保研究生培養(yǎng)質(zhì)量持續(xù)提升，實(shí)現(xiàn)研究生教育高質(zhì)量、內(nèi)涵式發(fā)展是研究生教育工作者的共同話題。課堂教學(xué)是學(xué)校實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)的基本途徑，但目前地方高校研究生課程教學(xué)中還普遍遵從傳統(tǒng)的“課堂、教材、教師”這3 個(gè)中心，很多研究生學(xué)完一年課程，思辨能力也沒有得到有效提升。為提高研究生思辨能力，課程組重構(gòu)數(shù)據(jù)挖掘課程教學(xué)設(shè)計(jì)，基于學(xué)習(xí)金字塔理論，利用思維導(dǎo)圖并借助翻轉(zhuǎn)課堂，課堂上引領(lǐng)學(xué)生提問，從而打造思辨課堂，以期通過該課程學(xué)習(xí)提高研究生思辨能力，為研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 相關(guān)工作

1.1 研究生思辨能力現(xiàn)狀

創(chuàng)新是社會發(fā)展的驅(qū)動力量，擁有批判性思維（思辨能力）是具有創(chuàng)新能力的前提?！吨腥A人民共和國高等教育法》和《中華人民共和國學(xué)位法》明確指出，碩士研究生教育應(yīng)當(dāng)使學(xué)生掌握本學(xué)科堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)理論、系統(tǒng)的專業(yè)知識，掌握相應(yīng)的技能、方法和相關(guān)知識，具有從事本專業(yè)實(shí)際工作和科學(xué)研究工作的能力。批判性思維能夠增強(qiáng)碩士研究生的科研能力和創(chuàng)新能力，研究生階段的教育應(yīng)該將批判性思維培養(yǎng)放在更為突出的位置。越來越多的學(xué)者都意識到思辨能力是培養(yǎng)研究能力和創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)，如何培養(yǎng)學(xué)生的思辨能力成為日前教育改革的焦點(diǎn)。孟祥云研究顯示，國內(nèi)的批判性思維教育課程設(shè)置主要偏重于哲學(xué)和邏輯學(xué)方面的培養(yǎng)，專業(yè)性、針對性和系統(tǒng)性存在一些不足。殷蘭基于Facione 的雙維模型在湖南大學(xué)抽取典型樣本，對文科與理工科研究生思辨能力進(jìn)行對比研究。陳富等對陜西省某重點(diǎn)大學(xué)研究生批判性思維能力進(jìn)行測查與評估，結(jié)果顯示，研究生批判性思維能力培養(yǎng)現(xiàn)狀不容樂觀，研究生的思辨能力并未隨年級的升高而提高。外語教學(xué)中研究生思辨能力培養(yǎng)也得到了很多關(guān)注，相關(guān)研究結(jié)果顯示，大部分學(xué)生缺乏提出問題的意識和解決問題的思路，思辨能力培養(yǎng)有待進(jìn)一步提高。

1.2 相關(guān)理論基礎(chǔ)

1.2.1 學(xué)習(xí)金字塔理論

Fig.1 Learning pyramid theory圖1 學(xué)習(xí)金字塔理論

1946 年，美國學(xué)者埃德·加戴爾（Edgar Dale）率先提出了“學(xué)習(xí)金字塔理論”，他將學(xué)習(xí)分成7 種方式，具體如圖1所示。學(xué)習(xí)金字塔理論顯示：采用不同的學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)兩周之后，達(dá)到的學(xué)習(xí)效果完全不同，如果僅靠聽講，學(xué)生知識記憶保留率為5%；如果是學(xué)習(xí)以后與別人分享、溝通并講授，知識記憶保留率則高達(dá)90%，兩者之間差距接近20倍。因此，教師應(yīng)積極轉(zhuǎn)變教學(xué)方式，開展多層次、多維度的綜合教學(xué)。學(xué)生則需要努力轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方法，由被動聽轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)，多感官綜合學(xué)習(xí)。通過這樣的方式，學(xué)生在參與互助中掌握了知識，進(jìn)一步通過實(shí)踐生成能力，真正實(shí)現(xiàn)從知識到能力的轉(zhuǎn)化。目前，學(xué)習(xí)金字塔理論在國內(nèi)外得到廣泛認(rèn)同，取得了較好的實(shí)踐效果。

1.2.2 思維導(dǎo)圖

創(chuàng)新思維以記憶能力為前提，能力以知識為基礎(chǔ)，因此一些基礎(chǔ)理論知識的記憶必不可少，擁有詳盡的背景知識是提升創(chuàng)新思維能力的關(guān)鍵。思維導(dǎo)圖與創(chuàng)新思維具有一定相似性：創(chuàng)新思維需要從多角度、多方面思考問題，思維導(dǎo)圖是一種發(fā)散性思維方式，可幫助學(xué)生擴(kuò)張思考水平的廣度和深度。目前在國內(nèi)很多課堂上，思維導(dǎo)圖得到廣泛應(yīng)用。實(shí)踐表明，運(yùn)用思維導(dǎo)圖可以增強(qiáng)邏輯思考能力，提升創(chuàng)新思維能力。因此，在本課程教學(xué)構(gòu)建中將思維導(dǎo)圖和研究生思辨能力提高結(jié)合起來，通過思維導(dǎo)圖激發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維。

1.2.3 翻轉(zhuǎn)課堂

翻轉(zhuǎn)課堂（Flipped Classroom）指重新調(diào)整課堂內(nèi)外時(shí)間，將學(xué)習(xí)的決定權(quán)從教師轉(zhuǎn)交給學(xué)生，其目的是讓學(xué)生的參與度更強(qiáng)。李琳等探索了翻轉(zhuǎn)課堂與傳統(tǒng)教學(xué)結(jié)合的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理課程教學(xué)，取得一定成效。目前，基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的O2O 翻轉(zhuǎn)課堂、討論式、“慕課+翻轉(zhuǎn)課堂”課堂已經(jīng)在研究生教學(xué)中有一定程度的探索。

總體而言，以上3 種理論和技術(shù)分別在教學(xué)實(shí)踐應(yīng)用中取得了較好效果。然而，將它們?nèi)呓Y(jié)合并用于計(jì)算機(jī)專業(yè)研究生思辨能力培養(yǎng)教學(xué)實(shí)踐仍處于初步階段，需在實(shí)踐過程中進(jìn)一步完善和提高。

2 課程設(shè)計(jì)

高質(zhì)量的問題是啟發(fā)批判性思維的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)挖掘課程內(nèi)容蘊(yùn)含著豐富的自然科學(xué)知識，與廣泛的工程應(yīng)用技術(shù)密切相連，這些內(nèi)容是培養(yǎng)并提高學(xué)生思辨能力的良好素材。利用數(shù)據(jù)挖掘課程作為載體，提煉出多種多樣的問題以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入更深層次的思考，可以培養(yǎng)和提高研究生的思辨能力。研究生的學(xué)習(xí)以高級目標(biāo)（分析、評價(jià)、創(chuàng)造）為主，通過提問可以提高研究生的高階能力。在學(xué)習(xí)金字塔理論指導(dǎo)下，利用思維導(dǎo)圖與翻轉(zhuǎn)課堂構(gòu)建知識間的連接，從而促進(jìn)學(xué)生思辨能力提升?；谝陨险J(rèn)識，對思辨能力培養(yǎng)的邏輯起點(diǎn)和輸入進(jìn)行思考，形成如圖2所示的課程教學(xué)思路。

Fig.2 Thoughts of course design圖2 課程設(shè)計(jì)思路

學(xué)習(xí)金字塔理論具體實(shí)施思路是采用分組學(xué)習(xí)策略，將參與課程學(xué)習(xí)的研究生分成若干小組，提供線上優(yōu)質(zhì)課程資源，學(xué)生線上完成知識點(diǎn)自學(xué)；然后課堂上以小組為單位進(jìn)行知識點(diǎn)講解。此外，由于數(shù)據(jù)挖掘課程理論性強(qiáng)、課程信息量大、知識點(diǎn)多（包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、分類、聚類、回歸、關(guān)聯(lián)規(guī)則、集成學(xué)習(xí)、進(jìn)化計(jì)算、深度學(xué)習(xí)等），學(xué)生普遍感覺課程知識點(diǎn)連貫性不強(qiáng)，缺乏對知識的系統(tǒng)性理解和掌握，將零散知識點(diǎn)有機(jī)結(jié)合起來進(jìn)行運(yùn)用較為困難。課程組考慮利用思維導(dǎo)圖幫助學(xué)生建立課程細(xì)粒度知識點(diǎn)的整體框架與結(jié)構(gòu)，通過思維導(dǎo)圖引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建知識點(diǎn)鏈接，積極發(fā)散思維，理性反思遇到的相關(guān)問題，甚至提出新問題。

3 教學(xué)實(shí)施

3.1 理論課堂實(shí)施

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，學(xué)生主講自主課堂實(shí)施如下：

（1）第一堂課由課程組教師主講。首先介紹本門課程的授課和考核方式，然后給出課程整體思維導(dǎo)圖，完成關(guān)于數(shù)據(jù)過去和未來的綜述性講述。在第一堂課后，提供相關(guān)學(xué)習(xí)資料，在線課程資源信息如下：趙衛(wèi)東：商務(wù)智能（商務(wù)數(shù)據(jù)分析）（超星爾雅）；袁博：數(shù)據(jù)挖掘理論與算法（學(xué)堂在線）。接著進(jìn)入學(xué)生自主講授課堂環(huán)節(jié)，間隔設(shè)置為4周以上，以便給予學(xué)生充足的線上學(xué)習(xí)時(shí)間。

（2）以2～3 人小組為單位對研究生進(jìn)行分組。要求學(xué)生自主講授內(nèi)容覆蓋數(shù)據(jù)挖掘核心算法和前沿領(lǐng)域算法（隨機(jī)森林、極限學(xué)習(xí)機(jī)、均值漂移聚類、譜聚類、生成對抗網(wǎng)絡(luò)、長短期記憶人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)、注意力模型、自監(jiān)督學(xué)習(xí)等）。針對學(xué)生講座報(bào)告PPT 給出模板，同時(shí)要求每組學(xué)生錄制一段15～20min 的專題內(nèi)容報(bào)告視頻。報(bào)告內(nèi)容包括算法原理層面、算法應(yīng)用層面和算法優(yōu)缺點(diǎn)的闡述以及有無改進(jìn)思路。

（3）每個(gè)小組課堂講解時(shí)間控制在15～20min。由于受應(yīng)試教育影響，學(xué)生普遍愿意當(dāng)一名課堂聽眾，很少主動參與課堂討論。因此，在小組完成報(bào)告以后，針對報(bào)告內(nèi)容，主講教師引導(dǎo)學(xué)生提問和組織課堂討論，比如首先問算法優(yōu)缺點(diǎn)背后的原因，有主講小組學(xué)生回答，然后繼續(xù)提出其他問題，學(xué)生在觀察、模仿其他學(xué)生提問和回答問題的過程中逐漸掌握提問方法。課堂提問、討論和主講教師綜合點(diǎn)評時(shí)間為15～20min。上述過程使學(xué)生經(jīng)歷“知識—應(yīng)用—評價(jià)—反饋”合理表達(dá)的思辨過程，從而形成深刻理解和反思，提升思辨能力。

3.2 課程考核實(shí)施

考核是對學(xué)生學(xué)習(xí)成果的認(rèn)定和評價(jià)，良好的考核機(jī)制能對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)動機(jī)產(chǎn)生正確的指引作用，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量提升。對于課程考核，以思辨能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，采取多元的考核方式，對課程考評方式設(shè)計(jì)如下：

（1）小組課堂報(bào)告和課堂表現(xiàn)占比15%，各小組提交報(bào)告PPT 和相關(guān)課程案例，并說明小組成員分工和協(xié)作情況。報(bào)告內(nèi)容起評分不超過80 分，綜合課程組教師和參與課堂學(xué)生打分折算得到，另一部分為報(bào)告內(nèi)容獲得學(xué)生提問的得分，每獲得一個(gè)提問并能準(zhǔn)確回答問題得5 分，最高20分封頂，每位學(xué)生累計(jì)提出不少于3個(gè)問題。

（2）課程實(shí)驗(yàn)占比15%，選擇課程相關(guān)的任意算法完成一項(xiàng)數(shù)據(jù)分析任務(wù)，并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告1 份，要求包含的基本內(nèi)容如下：算法基本原理、數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)預(yù)處理方法、數(shù)據(jù)分析過程及分析結(jié)果可視化。

（3）論文撰寫占比70%，論文類型為數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)算法的應(yīng)用論文或綜述性論文。對于應(yīng)用論文，需具有一定創(chuàng)新性，起評分80 分；對于綜述性論文，文獻(xiàn)要求不低于40 篇，其中英文不低于10 篇，起評分75 分，論文撰寫需符合學(xué)術(shù)規(guī)范。

4 實(shí)踐效果

Table 1 Students'performance distribution in recent 3 years表1 近3學(xué)年學(xué)生成績分布

自2019年實(shí)施上述教學(xué)設(shè)計(jì)以來，考核要求和標(biāo)準(zhǔn)基本保持穩(wěn)定（2021 年增加了思維導(dǎo)圖考核）。近3 年選課學(xué)生數(shù)占總?cè)藬?shù)的60%左右，選課人數(shù)和總評成績出現(xiàn)增長趨勢，具體如表1所示。

觀察表1 可知，經(jīng)過3 年實(shí)踐后，2021 年平均成績較2019 年提高近3 分，特別是90 分以上的人數(shù)從0 人增長到16 人。2020 年成績略有下降，主要原因在于受新冠疫情影響，課程完全采用線上教學(xué)方式，未能形成良好的提問氛圍，成績不夠理想。在2021 年教學(xué)中，對課程考核進(jìn)行了完善，降低實(shí)驗(yàn)成績占比為總評的10%，考核總評中增加了思維導(dǎo)圖部分，占總評的5%，要求學(xué)生結(jié)合自己的研究方向，制作思維導(dǎo)圖，主要評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括主題是否明確、內(nèi)容是否充實(shí)、布局是否合理、關(guān)鍵詞提取是否準(zhǔn)確等。在翻轉(zhuǎn)課堂講授環(huán)節(jié)由原來的一個(gè)講授單元調(diào)整為每組學(xué)生準(zhǔn)備3 個(gè)單元，在某次課堂報(bào)告時(shí)隨機(jī)抽取所準(zhǔn)備的內(nèi)容，做到每個(gè)學(xué)生錄制報(bào)告視頻全覆蓋，從而調(diào)動全體學(xué)生參與積極性。總體而言，該課堂提問氛圍愈加濃厚，所提出的問題從原來的“是不是？”“有沒有？”等低階問題，到后面的“方法為什么能行？”“和同類方法比行在哪里？”“可以從哪里進(jìn)一步改進(jìn)”等深層次問題，課堂提問情況有較好提升。部分課堂上的問題成為學(xué)生們課后研究的線索，形成了考核論文撰寫思路，應(yīng)用性論文占比從原來不足40%逐步到超過55%，部分論文擴(kuò)展以后被CCF 推薦的期刊或國際會議錄用，學(xué)生思辨能力得到了較好的訓(xùn)練。

5 結(jié)語

為了培養(yǎng)計(jì)算機(jī)專業(yè)研究生的思辨能力，對數(shù)據(jù)挖掘課程教學(xué)重新設(shè)計(jì)，打造思辨課堂，在3 年的實(shí)施過程中，取得了一定成效。然而，部分教學(xué)設(shè)計(jì)和考評機(jī)制還有待完善，如前期為了激發(fā)學(xué)生提問，學(xué)生提問的得分是按個(gè)數(shù)計(jì)，而沒有考慮問題的質(zhì)量；再者，隨著研究生招生規(guī)模的擴(kuò)大，很難保證每位學(xué)生有機(jī)會在課堂上提出3 個(gè)問題。因此在后續(xù)課程中，會進(jìn)一步完善課程教學(xué)設(shè)計(jì)和考核機(jī)制，從而促進(jìn)課程建設(shè)，讓課堂上每位學(xué)生的參與度和思辨能力都得到提升。