新工科下基于項目驅(qū)動的“數(shù)據(jù)挖掘”課程教學(xué)改革研究

魏偉一 張志昌 張國治

關(guān)鍵詞：項目驅(qū)動；數(shù)據(jù)挖掘；教學(xué)改革

1引言

隨著數(shù)據(jù)采集和存儲技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)正以前所未有的速度增長。尤其在當(dāng)前的大數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)已成為各行各業(yè)重要的戰(zhàn)略資源。因此，對數(shù)據(jù)進(jìn)行深入有效的分析與挖掘，對社會幾乎所有領(lǐng)域的決策都變得越來越重要[1]。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)將傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方法和用于處理大量數(shù)據(jù)的先進(jìn)算法相結(jié)合，應(yīng)用先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)和大量以機(jī)器學(xué)習(xí)為核心的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，為數(shù)據(jù)庫中的知識發(fā)現(xiàn)提供有效的支撐[2]。因此，在數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)及統(tǒng)計學(xué)等專業(yè)開設(shè)“數(shù)據(jù)挖掘”課程的重要性不言而喻。

不同于傳統(tǒng)學(xué)科導(dǎo)向的培養(yǎng)理念，新工科肩負(fù)著當(dāng)前工程教育必須面向未來發(fā)展的歷史重任，重構(gòu)工科人才的培養(yǎng)新模式[3]。然而，由于數(shù)據(jù)挖掘是一門融合了數(shù)據(jù)庫技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識別、統(tǒng)計學(xué)和高性能計算等相關(guān)領(lǐng)域的交叉學(xué)科，課程內(nèi)容體系龐大，理論深奧且實踐性又強(qiáng)，同時新技術(shù)發(fā)展迅速，導(dǎo)致教學(xué)資源建設(shè)和教學(xué)手段創(chuàng)新都相對滯后，教學(xué)效果也不太理想[4]。

2“數(shù)據(jù)挖掘”課程教學(xué)現(xiàn)狀

2.1課程理論深，跨度大

“數(shù)據(jù)挖掘”課程理論深奧，而且隨著應(yīng)用需求的進(jìn)一步發(fā)展，數(shù)據(jù)挖掘新的模型和改進(jìn)算法不斷涌現(xiàn)[5]。同時，數(shù)據(jù)分析與挖掘的應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)大，數(shù)據(jù)對象也日趨豐富，而當(dāng)前的數(shù)據(jù)挖掘課程體系更注重理論教學(xué)，加之教學(xué)內(nèi)容多、交叉跨度大，因此對于大部分學(xué)生而言學(xué)習(xí)難度偏大。此外，很多專業(yè)同時開設(shè)了“機(jī)器學(xué)習(xí)”和“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”等相關(guān)課程，導(dǎo)致課程間的內(nèi)容存在重復(fù)與冗余。

2.2課程教學(xué)方式單一

目前的教學(xué)過程仍然呈現(xiàn)出重基礎(chǔ)理論輕實踐的現(xiàn)狀，沒有真正建立以應(yīng)用為目標(biāo)和主線的課程體系和教材體系[6]。這容易導(dǎo)致在教學(xué)的過程中對數(shù)據(jù)挖掘基本算法介紹較多，而學(xué)生實際項目實踐和過程體驗較少：實驗課時少，學(xué)生對相關(guān)數(shù)據(jù)挖掘工具和語言不熟。因此，這種單一的教學(xué)模式很容易導(dǎo)致課程教學(xué)內(nèi)容枯燥與晦澀，無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使得課堂教學(xué)效果不佳[7]。

2.3創(chuàng)新能力培養(yǎng)與評價過程不完整

教學(xué)評價是合理的人才培養(yǎng)的重要保障[8]。然而，現(xiàn)有“數(shù)據(jù)挖掘”課程的培養(yǎng)方案未能充分體現(xiàn)個性化的應(yīng)用需求，沒有將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的理論與實踐、應(yīng)用與創(chuàng)新要求有效融合[9]，而且課程的學(xué)習(xí)評價與考核方法單一，沒能充分考慮學(xué)習(xí)過程的過程性管理與綜合能力評價。

2.4教學(xué)資源相對匱乏與滯后

目前，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的應(yīng)用越來越復(fù)雜，技術(shù)與方法也在不斷發(fā)展，但是教學(xué)資源存在相對匱乏以及教材中實踐應(yīng)用環(huán)節(jié)不突出等亟須解決的問題[10]。

3教學(xué)改革措施

3.1教學(xué)改革思路

新工科面向工程人才培養(yǎng)，采用成果導(dǎo)向（outcome based education，OBE）的培養(yǎng)理念[11]。在工科專業(yè)課程教學(xué)中引入案例教學(xué)法，有助于引導(dǎo)學(xué)生針對特定問題應(yīng)用場景，綜合應(yīng)用多學(xué)科知識去分析和解決問題，培養(yǎng)工科人才的實踐性和綜合專業(yè)能力[12]。因此，數(shù)據(jù)挖掘教學(xué)應(yīng)該面向新工科新業(yè)態(tài)，以解決實際問題為導(dǎo)向，摒棄傳統(tǒng)的以單一理論和典型算法為主的教學(xué)模式，以增強(qiáng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)理論知識解決實際應(yīng)用問題的能力。同時，重點進(jìn)行課程教學(xué)內(nèi)容的整合與優(yōu)化、教學(xué)模式的創(chuàng)新和課程資源的建設(shè)，從而達(dá)到創(chuàng)新型人才與新工科人才的新培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.1建立多維度的教學(xué)組織和評價模式

針對目前教學(xué)過程中的問題，著力建立理論與實驗教學(xué)、科學(xué)研究與工程實踐相互滲透的新型多維度的教學(xué)組織和實踐實訓(xùn)模式，并強(qiáng)化對各教學(xué)環(huán)節(jié)的管理與考核。

3.1.2創(chuàng)新課程的教學(xué)與學(xué)習(xí)模式

改變傳統(tǒng)“數(shù)據(jù)挖掘”課程的以理論教學(xué)為主導(dǎo)的教學(xué)模式，積極探索“數(shù)據(jù)挖掘”課程的案例與項目驅(qū)動的教學(xué)模式，不斷結(jié)合社會熱點問題設(shè)計新的數(shù)據(jù)分析與挖掘案例。

3.1.3創(chuàng)建新模式下的教學(xué)資源建設(shè)

優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)體系，完成教學(xué)資源與平臺建設(shè)，創(chuàng)建優(yōu)質(zhì)的教學(xué)團(tuán)隊，全方位進(jìn)行教學(xué)模式的改革與創(chuàng)新。

3.2教學(xué)改革舉措

面向新工科建設(shè)需求與領(lǐng)域應(yīng)用，以培養(yǎng)學(xué)生實踐與創(chuàng)新能力為導(dǎo)向，針對當(dāng)前教學(xué)中存在的不足，全方位、多舉措實施“數(shù)據(jù)挖掘”課程的教學(xué)模式改革。

3.2.1優(yōu)化課程內(nèi)容體系，改進(jìn)教學(xué)模式

數(shù)據(jù)分析與挖掘是一門新興的交叉學(xué)科，具有內(nèi)容廣泛、理論性強(qiáng)、學(xué)習(xí)難度較大等特點。而且不同學(xué)科與專業(yè)對相關(guān)理論知識的深度和應(yīng)用要求也有所差異。因此，針對各專業(yè)共性需求來優(yōu)化課程體系、規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容、重新設(shè)計課程教學(xué)內(nèi)容與綜合實驗過程及教學(xué)評價體系就顯得比較重要。此外，在采用多種教學(xué)模式與教學(xué)資源的基礎(chǔ)上，需要結(jié)合應(yīng)用需求和當(dāng)前社會熱點，融人案例驅(qū)動和學(xué)科競賽驅(qū)動的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式，全面提高學(xué)生的工程實踐與創(chuàng)新能力。

3.2.2專注專業(yè)實踐需求，實現(xiàn)以項目為驅(qū)動的實踐教學(xué)模式

以全面提升學(xué)生數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)挖掘能力為目標(biāo)，以學(xué)生理論學(xué)習(xí)和工程實踐為中心，面向?qū)I(yè)實踐要求，通過項目開發(fā)作為驅(qū)動，由教師設(shè)計組織項目活動過程，學(xué)生全程參與項目實踐并分組研討展示學(xué)習(xí)成果，提升學(xué)生數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)挖掘的能力，為學(xué)生將來從事相關(guān)工作奠定扎實的基礎(chǔ)，具體學(xué)習(xí)內(nèi)容和實施過程如圖1所示。由此，形成以項目為驅(qū)動，以學(xué)生項目實施活動為主線，重點培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)分析與挖掘的實踐能力。學(xué)生通過項目實踐進(jìn)一步理解數(shù)據(jù)挖掘理論，在活動中體驗數(shù)據(jù)挖掘方法，改變傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法和習(xí)慣。

3.2.3面向教學(xué)實施各環(huán)節(jié)，創(chuàng)新全方位的綜合考評方式

在對學(xué)生進(jìn)行考核時，在注重理論考試的基礎(chǔ)上，教師還應(yīng)關(guān)注教學(xué)過程各環(huán)節(jié)的管理與考評，包括課前預(yù)習(xí)、課外討論、文獻(xiàn)閱讀、項目實施、項目進(jìn)展報告與項目答辯結(jié)果等維度的評判，全方位考核，切實提高學(xué)生的理論水平與創(chuàng)新實踐能力。

3.2.4針對課程教學(xué)要求，進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化與資源建設(shè)

當(dāng)前，用于“數(shù)據(jù)分析與挖掘”課程的理論與實踐教學(xué)資料數(shù)量較多，但資源分散、系統(tǒng)性不強(qiáng)，而且各項資源間交叉冗余、聯(lián)系不明確。因此，需要在教學(xué)模式改革的基礎(chǔ)上，結(jié)合技術(shù)的特點與發(fā)展趨勢，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，實時引入新技術(shù)與新理論，不斷完善與優(yōu)化教學(xué)資源。

4教學(xué)改革案例和成效

基于教學(xué)進(jìn)度和項目計劃，合理安排“數(shù)據(jù)挖掘”課程的進(jìn)度和內(nèi)容，如表1所列，理論教學(xué)、文獻(xiàn)閱讀及項目實施與匯報逐模塊同步實施與考核。此外，在基本項目實踐基礎(chǔ)上，每學(xué)期結(jié)合社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展熱點更新數(shù)據(jù)挖掘（如新冠疫情數(shù)據(jù)分析與挖掘）擴(kuò)展項目。同時，我校近年來積極組織學(xué)生參加kaggle、天池和中國農(nóng)業(yè)銀行“雅典娜”杯等數(shù)據(jù)挖掘競賽，作為課外項目并取得了一定的成績。

與此同時，在教學(xué)改革實施的過程中，不斷優(yōu)化課程內(nèi)容，積累項目實訓(xùn)案例并編寫出版教材，組建課程小組，在教改項目申報和教學(xué)資源建設(shè)方面取得了一定成效（如表2所列），真正實現(xiàn)了教學(xué)相長。