《魅力數(shù)學(xué)之?dāng)?shù)據(jù)挖掘》課程改革與培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的研究

桑海風(fēng)，楊 婧，姚 卓，譚希麗

(北華大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，吉林 吉林 132013)

隨著大數(shù)據(jù)相關(guān)專業(yè)的開設(shè)與大數(shù)據(jù)相關(guān)競賽的不斷開展，各高校都非常重視數(shù)據(jù)挖掘課程的教學(xué)工作，大力推廣相關(guān)大數(shù)據(jù)競賽的參與面[1-3]。如全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽從2019年開始增加一道大數(shù)據(jù)相關(guān)的賽題(C題)，美國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽MCM的C題為大數(shù)據(jù)賽題，阿里云天池大數(shù)據(jù)競賽，Kaggle數(shù)據(jù)科學(xué)競賽等大數(shù)據(jù)競賽越來越多[4-5]?？偨Y(jié)近年的賽題有如下特點(diǎn)：題目的難度逐年升高，對數(shù)據(jù)挖掘知識的要求超出書本范圍；問題越來越接近解決生活中遇到的實(shí)際問題，題目應(yīng)用性很強(qiáng)；題目經(jīng)常是命題專家的課題的一部分或簡化，要求有一定的專業(yè)背景知識；問題的綜合性要求越來越高，對學(xué)生的數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力也要求更高[6-7]。

《魅力數(shù)學(xué)之?dāng)?shù)據(jù)挖掘》是為本科生開設(shè)的公共基礎(chǔ)課，覆蓋面“橫向廣，縱向深”，覆蓋了我校理、工、林、醫(yī)、文、經(jīng)濟(jì)、管理等66個(gè)專業(yè)。本課程以數(shù)學(xué)問題、數(shù)學(xué)知識、大數(shù)據(jù)技術(shù)等為載體，既著眼于提高學(xué)生的實(shí)踐能力，又提高學(xué)生的思想政治素質(zhì)；并堅(jiān)持將創(chuàng)新意識的培養(yǎng)與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的訓(xùn)練貫穿于各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)方面取得豐碩成果，培養(yǎng)了一批高素質(zhì)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才。

一、課程教學(xué)改革解決的重點(diǎn)問題

(一) 教學(xué)方法與教學(xué)手段單一問題

改變“PPT+黑板+粉筆”的傳統(tǒng)教學(xué)模式，將翻轉(zhuǎn)課堂、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)資源相結(jié)合，構(gòu)建以學(xué)生為中心、多種形式互動的教學(xué)新模式。將“就知識教知識”的觀念轉(zhuǎn)變?yōu)椤凹ぐl(fā)學(xué)習(xí)主動性和創(chuàng)新意識”，從構(gòu)建知識體系向注重應(yīng)用實(shí)踐轉(zhuǎn)變。

(二) 課程內(nèi)容體系需要優(yōu)化問題

以人才培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求為導(dǎo)向(OBE)改革課程教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建課程知識體系，將思政教育內(nèi)化為課程內(nèi)容。將數(shù)學(xué)模型的新理論、新方法制作成微課和案例，用新知識優(yōu)化數(shù)據(jù)挖掘課程內(nèi)容體系。

(三) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)問題

課程里許多范例都是來源于實(shí)際問題，屬于開放性問題，學(xué)生可以充分展開自己的思維，開放式的學(xué)習(xí)，促使學(xué)生獨(dú)立思考、深入鉆研。

(四) 課程思政融入不夠深入問題

繼續(xù)挖掘課程思政切入點(diǎn)，潛移默化進(jìn)行思政教育，保持思政教育貫穿課程始終。如處理新冠疫情的數(shù)據(jù)，可考慮增加抗擊疫情中展現(xiàn)的中國精神等思政元素，在教學(xué)過程中融入社會主義核心價(jià)值觀，增強(qiáng)學(xué)生的理想信念、政治信仰和社會責(zé)任感。

二、課程建設(shè)辦法

(一) 課程目標(biāo)融合創(chuàng)新

《魅力數(shù)學(xué)之?dāng)?shù)據(jù)挖掘》將思政教育貫穿到課程建設(shè)的全過程，實(shí)現(xiàn)課程專業(yè)目標(biāo)與學(xué)科育人有機(jī)統(tǒng)一，發(fā)揮課程育人作用。并堅(jiān)持貫徹以學(xué)生為中心、學(xué)習(xí)成果導(dǎo)向和持續(xù)改進(jìn)的理念。

(二) 課程內(nèi)容融合創(chuàng)新

1.聚焦四新

為新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科和新文科的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，能夠?yàn)榱謱W(xué)、林業(yè)工程、醫(yī)學(xué)、電氣工程、機(jī)械工程、管理學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科提供大數(shù)據(jù)分析與技術(shù)支撐，對學(xué)校新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科和新文科的發(fā)展起帶動作用，促進(jìn)合作高校學(xué)科的整體實(shí)力提升。

2.前沿性

能夠促進(jìn)教學(xué)與科研深度融合。如2019吉林省大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽的賽題——蒙古櫟種子內(nèi)部蟲道重構(gòu)問題，就是北華大學(xué)林學(xué)院和數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院合作研究科研課題的簡化版本[8]。本課程秉著持續(xù)跟蹤科技前沿的原則，及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。

3.課堂講授與課外實(shí)踐相結(jié)合

將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相互滲透，把解決一個(gè)實(shí)際問題看成一個(gè)項(xiàng)目，把建立一個(gè)模型當(dāng)作一項(xiàng)任務(wù)，實(shí)施“情景案例”“項(xiàng)目驅(qū)動”“任務(wù)導(dǎo)向”教學(xué)，在建立實(shí)際問題模型的實(shí)施過程中，帶著問題學(xué)習(xí)理論知識，使理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相互滲透、相互促進(jìn)。

(三) 技術(shù)融合創(chuàng)新

在課程開發(fā)過程中，強(qiáng)調(diào)實(shí)用、輔學(xué)，進(jìn)行自頂向下的整體設(shè)計(jì)。在實(shí)用性方面，超星學(xué)習(xí)通平臺存有大量教學(xué)資源，含MOOC、SPOCs、微課、企業(yè)項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)視頻、課件、習(xí)題庫、作業(yè)庫等、考試庫、科技前沿文獻(xiàn)等，師生通過手機(jī)客戶端或者PC客戶端可以隨時(shí)隨地進(jìn)行訪問。探索“MOOC+SPOC+翻轉(zhuǎn)課堂+協(xié)同育人”的線上線下混合式教學(xué)模式創(chuàng)新。

(四) 德育教育與課程實(shí)施的融合創(chuàng)新

重視德育教育，在德育教育與課程實(shí)施中融合創(chuàng)新。教學(xué)秩序：基本禮儀的引領(lǐng)。教師影響：奮斗精神的引領(lǐng)。課堂教學(xué)：三觀教育的引領(lǐng)，見圖1。

圖1 德育教育的與課程實(shí)施的融合創(chuàng)

(五) 課程內(nèi)涵與資源建設(shè)的融合創(chuàng)新

重視課程內(nèi)涵，在課程內(nèi)涵與資源建設(shè)中實(shí)施融合創(chuàng)新。培養(yǎng)科學(xué)思維能力、培養(yǎng)研究方法能力和培養(yǎng)科學(xué)探索的精神，見圖2。

圖2 課程內(nèi)涵與資源建設(shè)的融合創(chuàng)新

(六) BOPPPS教學(xué)模式融合創(chuàng)新

依據(jù) BOPPPS 教學(xué)模式[9]，將《魅力數(shù)學(xué)之?dāng)?shù)據(jù)挖掘》課程中的教學(xué)單元?jiǎng)澐殖?6 個(gè)階段，按照每個(gè)階段的設(shè)計(jì)意圖設(shè)置和線上線下資源的分配，構(gòu)建課前預(yù)習(xí)自測、課上鞏固實(shí)踐、課后整理復(fù)習(xí)的自主探究式學(xué)習(xí)鏈，設(shè)計(jì)線上線下混合教學(xué)流程，見圖3。

圖3 基于BOPPPS教學(xué)模式的《魅力數(shù)學(xué)之?dāng)?shù)據(jù)挖掘》課程線上線下混合教學(xué)流程圖

(七) 考核評價(jià)融合創(chuàng)新

1.分層次教學(xué)

翻轉(zhuǎn)組 1次大班課堂+4次翻轉(zhuǎn)；普通組 12次大班課堂+4次翻轉(zhuǎn)(只聽不參與)。“MOOC+SPOC+ 翻轉(zhuǎn)課堂+協(xié)同育人”的目標(biāo)是推動大學(xué)混合式教學(xué)改革，是讓能力強(qiáng)的學(xué)生可以走得更遠(yuǎn) (學(xué)習(xí)到更多內(nèi)容)，讓基礎(chǔ)弱的學(xué)生可以走得更扎實(shí) (反復(fù)觀看學(xué)習(xí)，觀看不同講授者對同一內(nèi)容的講授進(jìn)行學(xué)習(xí))。

2.考核方式創(chuàng)新

線上考核：MOOC+SPOC；

線下考核：普通組：期末考試+課堂練習(xí)+特別分；

翻轉(zhuǎn)組：組內(nèi)互評+組間互評。

普通組：期末考試50%+課堂練習(xí)10%+特別分10%(如達(dá)翻轉(zhuǎn)要求則給予特別分)。

翻轉(zhuǎn)組：(起評分+4次翻轉(zhuǎn)總分×20%)×70%；

——翻轉(zhuǎn)分：25分/次，4次總計(jì)100分；

——如達(dá)翻轉(zhuǎn)要求，則起評60分，如不達(dá)翻轉(zhuǎn)要求則起評50分(有不及格風(fēng)險(xiǎn))，見圖4。

圖4 考核評價(jià)融合創(chuàng)新

三、教學(xué)設(shè)計(jì)案例

(一) 課前階段

1.教師通過超星學(xué)習(xí)通平臺向?qū)W生推送決策樹[10]相關(guān)的PPT、微課、數(shù)據(jù)、代碼、課程目標(biāo)、實(shí)驗(yàn)要求等，其中課前預(yù)習(xí)供學(xué)生鞏固已學(xué)知識點(diǎn)，本節(jié)任務(wù)讓學(xué)生明確本次課完成的事項(xiàng)，PPT、微課、數(shù)據(jù)、代碼供學(xué)生提前學(xué)習(xí)本節(jié)課程。

2.前測環(huán)節(jié)：本節(jié)前測知識點(diǎn)是信息熵。通過超星學(xué)習(xí)通的隨堂練習(xí)、搶答和討論等模式，檢查學(xué)生學(xué)習(xí)效果。計(jì)算信息熵正確率為89%(見圖5)，普遍認(rèn)為難點(diǎn)是數(shù)據(jù)預(yù)處理部分。

圖5 隨堂測驗(yàn)效果圖

(二) 課中階段

1.講解易錯(cuò)知識點(diǎn)

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括缺失值處理、異常值處理、重復(fù)值處理、類別整合、數(shù)據(jù)離散化等。產(chǎn)品銷售量為數(shù)值，對其進(jìn)行離散化，高于平均值設(shè)置為“高”，低于平均值設(shè)置為“低”。預(yù)處理部分主要代碼，見圖6。數(shù)據(jù)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)集，見圖7。

圖6 預(yù)處理部分主要代碼

圖7 數(shù)據(jù)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)集(類別標(biāo)簽)

2.分組學(xué)習(xí)

將全體同學(xué)分成9組，每組4人，各小組組內(nèi)之間交流合作，解決如下實(shí)際問題：根據(jù)菜品歷史銷售情況、以及節(jié)假日、氣候和競爭對手等影響因素和具體數(shù)據(jù)，對菜品銷量進(jìn)行趨勢預(yù)測。

3.評價(jià)環(huán)節(jié)

各組完成數(shù)據(jù)建模后，由一名同學(xué)發(fā)言，具體產(chǎn)出解決問題的過程及感想。最后在分組任務(wù)模塊進(jìn)行評分，教師評價(jià)50%，組間互評30%，組內(nèi)互評20%。

(三) 課后環(huán)節(jié)

以小組為單位，完成如下實(shí)際問題：基于我院5個(gè)專業(yè)的5屆畢業(yè)學(xué)生回訪的職位晉升因素分析數(shù)據(jù)，并以大學(xué)生社團(tuán)活動、假期實(shí)習(xí)/課外兼職等對晉升是否有幫助等作為觀測點(diǎn)，構(gòu)建決策樹分析影響學(xué)生畢業(yè)職位晉升情況。

四、課程改革成效

(一) 學(xué)生思想政治素養(yǎng)進(jìn)一步加強(qiáng)

課堂的積極參與與課下的實(shí)踐體驗(yàn)有機(jī)銜接和配合，使學(xué)生在理論與實(shí)踐相結(jié)合的過程中感悟社會主義核心價(jià)值觀與馬克思主義的理論魅力，進(jìn)一步增強(qiáng)了自身的理想信念、政治信仰和社會責(zé)任感。

(二) 學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和創(chuàng)新能力顯著提升

學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和創(chuàng)新能力顯著提升，學(xué)科競賽成績大幅度提升。近5年，在相關(guān)建模與大數(shù)據(jù)競賽方面，獲得國際/國家一等獎(jiǎng)4項(xiàng)，國際/國家二等獎(jiǎng)35項(xiàng)、省級獎(jiǎng)項(xiàng)200余項(xiàng)。

五、結(jié) 語

對數(shù)據(jù)挖掘采取線上線下混合式教學(xué)，利用超星學(xué)習(xí)通及BOPPPS教學(xué)模式，使學(xué)生從被動接受到主動探尋，從學(xué)習(xí)被動變?yōu)閷W(xué)習(xí)主導(dǎo)，使教師身份從教授知識轉(zhuǎn)成教學(xué)設(shè)計(jì)的引導(dǎo)者，從旁協(xié)助學(xué)生掌握知識和自主學(xué)習(xí)。通過這種“以學(xué)生為中心”的教學(xué)改革，學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和創(chuàng)新能力顯著提升，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐能力進(jìn)一步加強(qiáng)。