新工科背景下大數(shù)據(jù)專業(yè)混合思維能力培養(yǎng)實踐教學模式研究與應用

葉麗珠 代麗娜 鄭冬花

摘要：大數(shù)據(jù)專業(yè)在新工科發(fā)展中扮演著重要角色，而混合思維能力的培養(yǎng)對職業(yè)需求具有關鍵的意義。本文旨在探討在新工科背景下，如何有效培養(yǎng)大數(shù)據(jù)專業(yè)學生的混合思維能力。本文將設計與實施一種多層次、遞進式的實踐教學模式，通過引入案例和設計教學方法來實施教學，以期從計算思維、數(shù)據(jù)思維、工程思維和創(chuàng)新思維四個維度來培養(yǎng)學生的編程與算法能力、數(shù)據(jù)分析與解析能力、工程實踐能力和創(chuàng)新能力。希望能夠在大數(shù)據(jù)專業(yè)的培養(yǎng)中取得新的突破，為學生的綜合素質提升提供有力支持。

關鍵詞：大數(shù)據(jù)專業(yè)；混合思維；實踐教學模式

引言

教育部從2017年開始持續(xù)推進新工科建設，新工科教育強調跨學科融合、實踐導向和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，旨在培養(yǎng)具備廣泛知識背景和綜合素質的工程型人才，以適應日益復雜多變的現(xiàn)實挑戰(zhàn)[1-2]。在這一教育背景下，混合思維能力作為一種跨領域、多元思維方式的綜合素質，日益受到人們的重視?；旌纤季S能力強調不同學科、不同思維方式的融合，以幫助學生跳出傳統(tǒng)思維的限制，更好地應對復雜問題。培養(yǎng)混合思維為學生提供了解決問題、創(chuàng)新設計和跨學科合作的能力。尤其在大數(shù)據(jù)時代，混合思維能力對于應對海量、多源、高維數(shù)據(jù)至關重要。數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術專業(yè)作為新工科背景下的典型代表，正面臨著日益增長的人才需求。實踐教學是高等教育的重要組成部分，是應用型人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，是學生實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要途徑，實踐教學效果將直接影響人才培養(yǎng)質量[3]。實踐教學模式強調通過實際項目、案例分析等方式培養(yǎng)學生的應用能力和綜合素質，與新工科的理念相契合，有助于培養(yǎng)學生的混合思維能力。

本文旨在探討新工科背景下，如何從計算思維、數(shù)據(jù)思維、工程思維和創(chuàng)新思維四個維度出發(fā)，探索適合應用型民辦高校大數(shù)據(jù)專業(yè)的實踐教學模式，以培養(yǎng)學生的基礎編程能力、數(shù)據(jù)分析能力、工程實踐能力和創(chuàng)新應用能力的混合思維能力為目標。以“算法分析與設計”“數(shù)據(jù)采集技術”“大數(shù)據(jù)分析與應用”三門課程為例，設計實踐教學案例與實施教學方法，通過融合不同思維來培養(yǎng)學生在編程與算法基礎、批判性思維、創(chuàng)造力和解決工程問題等方面的能力，從而使學生具備良好的混合思維能力。

1. 混合思維能力培養(yǎng)的必要性

混合思維能力，作為跨領域、多元思維方式的綜合素質，正逐漸成為適應新工科背景人才的重要素質之一。其強調不同學科、不同思維方式的融合，包含計算思維、數(shù)據(jù)思維、工程思維、創(chuàng)新思維等多個維度。

計算思維強調編程和算法應用的基礎。有學者在2006年對計算思維進行了系統(tǒng)定義，認為“計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統(tǒng)設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動”。

數(shù)據(jù)思維是以數(shù)據(jù)驅動發(fā)現(xiàn)問題，通過數(shù)據(jù)處理來分析事物之間的關聯(lián)關系，最終提出解決策略的新的思維模式[4]。數(shù)據(jù)思維要求用戶能夠有效地收集、分析和解釋數(shù)據(jù)，從而在決策和問題解決中得出有依據(jù)的結論。

工程思維是綜合運用自然科學、社會科學、管理科學、人文科學等各學科知識來解決工程實踐問題所形成的一種思維方式[5]。工程思維指導人們創(chuàng)造、實施工程，工程思維水平的高低將直接決定工程的質量和實施效果，其強調系統(tǒng)性、整體性的觀念，有助于學生將理論知識應用到實際工程。

創(chuàng)新思維強調獨立思考、尋找新穎解決方案的能力。創(chuàng)新是引領發(fā)展的第一動力，高校一直高度重視創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。創(chuàng)新思維是指以新穎獨創(chuàng)的方法來解決問題的思維過程，借助該思維模式能突破常規(guī)思維的局限，以超常規(guī)或反常規(guī)的方法和視角去思考問題，提出與眾不同的解決方案，從而產生新穎的、獨到的、有社會價值的創(chuàng)新成果。

新工科教育強調綜合素質和跨學科能力的培養(yǎng)，以培養(yǎng)適應多元化職業(yè)需求的工程人才。在這一背景下，混合思維能力的重要性愈發(fā)凸顯。通過培養(yǎng)學生四個維度的思維能力，使他們能夠全面地應對日益復雜和多變的大數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)。

2. 基于混合思維能力培養(yǎng)的實踐教學模式的設計與實施

2.1 混合思維能力培養(yǎng)的實踐教學模式的設計

在設計實踐教學模式時，結合我校大數(shù)據(jù)專業(yè)實際情況，審閱人才培養(yǎng)方案和梳理實踐教學課程體系，突出思維培養(yǎng)與實踐活動相結合，設計了分層、遞進的實踐教學模式，如圖1所示，以培養(yǎng)學生的混合思維為導向，以期能提高學生的編程與算法能力、數(shù)據(jù)分析能力、工程實踐能力和創(chuàng)造能力[6]。

在圖1中，以課內實踐和專項實踐兩個核心環(huán)節(jié)來培養(yǎng)計算思維，通過計算思維課程群和案例驅動來培養(yǎng)學生在編程基礎、算法思想、分析問題和解決問題方面的能力；從數(shù)據(jù)分析方法、數(shù)據(jù)分析工具和數(shù)據(jù)分析技能三個核心環(huán)節(jié)開展數(shù)據(jù)思維的培養(yǎng)，通過數(shù)據(jù)思維課程群和項目導向來培養(yǎng)學生在數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)解析方面的能力；以專業(yè)見習、綜合實踐、畢業(yè)實習、畢業(yè)設計為核心展開工程思維的培養(yǎng)，通過工程思維課程群和產教融合來培養(yǎng)學生在問題定義、解決方案、跨領域合作和工程實踐的能力；以社會實踐、學科競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目為核心開展創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，通過建立實踐創(chuàng)新基地、數(shù)據(jù)智能工作室與研究所來培養(yǎng)學生在獨立思考、創(chuàng)新意識、創(chuàng)造力方面的創(chuàng)新實踐能力。計算思維、數(shù)據(jù)思維、工程思維和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)理念貫穿在整個大數(shù)據(jù)專業(yè)的實踐體系中。

2.2 混合思維能力培養(yǎng)的實踐教學模式的實施

2.2.1 計算思維：培養(yǎng)編程與算法能力

計算思維是大數(shù)據(jù)專業(yè)學生的基礎能力之一。通過編程和算法的學習，可以培養(yǎng)學生分析問題、設計算法并實現(xiàn)解決方案的能力。例如，引入“C語言程序設計基礎”“面向對象程序設計”“Python程序設計”“數(shù)據(jù)結構”“算法分析與設計”等編程類和算法類課程，教授學生編程思維和算法思維，讓他們能夠利用計算思維來自主發(fā)現(xiàn)問題、分析問題與解決問題，從而提升學生的編程與算法能力。

2.2.2 數(shù)據(jù)思維：培養(yǎng)數(shù)據(jù)分析與解釋能力

數(shù)據(jù)思維是大數(shù)據(jù)專業(yè)學生必備的核心能力之一。在教學中，可以通過真實數(shù)據(jù)集的分析案例，引導學生掌握數(shù)據(jù)清洗、可視化、模型建立等技能，培養(yǎng)他們對數(shù)據(jù)的敏感性和分析能力。例如，引導學生分析社交媒體數(shù)據(jù)，從中深入發(fā)現(xiàn)和挖掘數(shù)據(jù)背后的價值，以培養(yǎng)他們具備跨領域數(shù)據(jù)的分析與解釋能力。

2.2.3 工程思維：培養(yǎng)工程實踐能力

工程思維強調實際問題的解決和應用。通過企業(yè)項目實踐來驅動學習，可以使學生將理論知識應用于實際工程項目中，鍛煉他們從問題定義到解決方案實現(xiàn)的全過程能力。例如在“大數(shù)據(jù)分析與應用”課程中，組織學生跨領域合作完成“電商產品評論數(shù)據(jù)情感分析”大數(shù)據(jù)項目，要求學生運用工程思維，從數(shù)據(jù)采集與清洗、情感分析與應用等角度解決工程問題。

2.2.4 創(chuàng)新思維：建立創(chuàng)新意識與激發(fā)創(chuàng)造力

創(chuàng)新思維在大數(shù)據(jù)領域中同樣不可或缺。通過項目導向的教學方法，讓學生建立創(chuàng)新意識，培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問題、提出新穎解決方案的能力。例如，鼓勵學生在學科競賽中尋找大數(shù)據(jù)新的應用場景，設計創(chuàng)新的數(shù)據(jù)分析方法，培養(yǎng)他們獨立思考和解決問題的能力。在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目中，鼓勵學生提出創(chuàng)新的大數(shù)據(jù)應用方案。通過數(shù)據(jù)智能工作室和研究所引入企業(yè)橫向課題和教師科研項目，讓學生了解和接觸真實的大數(shù)據(jù)項目，從而為他們提供更加豐富的創(chuàng)新思路和激發(fā)他們的創(chuàng)造力。

3. 混合思維能力培養(yǎng)的實踐教學案例與方法

3.1 計算思維訓練：實現(xiàn)大數(shù)據(jù)處理工具及算法解析

在“算法分析與設計”課程中，學生將接受計算思維的訓練，通過實現(xiàn)大數(shù)據(jù)處理工具并解析算法，培養(yǎng)他們在解決實際問題時的計算思維能力。學生將實現(xiàn)一個具有數(shù)據(jù)讀取、清洗、處理和分析功能，能用于處理大規(guī)模數(shù)據(jù)集的工具。該工具在處理較大數(shù)據(jù)集時，使用數(shù)據(jù)結構和算法來優(yōu)化性能。具體的教學方法：（1）學生選擇合適的數(shù)據(jù)處理算法，分析其適用場景和性能特點，并實現(xiàn)所設計的算法；（2）學生使用編程語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理工作的數(shù)據(jù)讀取、清洗和分析功能；（3）當數(shù)據(jù)量較大時，學生使用并行計算或內存管理技術優(yōu)化工具的性能，并比較和分析不同算法在不同數(shù)據(jù)規(guī)模下的性能表現(xiàn)與優(yōu)缺點。

3.2 數(shù)據(jù)思維培養(yǎng)：航空公司客戶行為分析

在“大數(shù)據(jù)分析與應用”課程中，使用來自航空公司的客戶行為數(shù)據(jù)，要求學生綜合運用數(shù)據(jù)分析技術如數(shù)據(jù)清洗、特征工程和機器學習算法來分析客戶的特征和購票行為，同時理解航空運營和市場需求。學生基于分析結果，提出改善航空公司客戶關系管理建議與措施，旨在培養(yǎng)他們數(shù)據(jù)思維的能力。具體的教學方法：（1）教師提供脫敏后的航空公司真實客戶數(shù)據(jù)集，學生了解數(shù)據(jù)的結構和含義，進行數(shù)據(jù)預處理；（2）學生運用數(shù)據(jù)分析技術對數(shù)據(jù)進行清洗、探索性分析和特征提取，教師引導學生選擇機器學習算法進行客戶行為預測；（3）學生分析模型結果，解釋客戶行為的關鍵特征和影響因素，并基于分析結果，提出改善客戶滿意度的策略，如優(yōu)化機票定價、航班排班等。

3.3 工程思維實踐：電商產品評論數(shù)據(jù)情感分析系統(tǒng)

在“數(shù)據(jù)采集技術”和“大數(shù)據(jù)分析與應用”兩門課程中，通過引入跨學科團隊合作項目來培養(yǎng)學生的工程思維和團隊合作能力。讓大數(shù)據(jù)與電商專業(yè)的學生合作設計“電商產品評論數(shù)據(jù)情感分析系統(tǒng)”，該系統(tǒng)通過采集電商平臺中某產品的評論數(shù)據(jù)，從分析產品的用戶情感傾向出發(fā)挖掘該產品的優(yōu)點與不足，以提升對應商家的競爭力。具體的教學方法： （1）學生分為不同專業(yè)背景的團隊，模擬實際跨學科合作環(huán)境；（2）學生利用數(shù)據(jù)采集技術獲取產品評論數(shù)據(jù)與清洗合并數(shù)據(jù)；（3）學生運用數(shù)據(jù)分析技術的文本挖掘分詞算法和LDA主題模型識別客戶情感傾向；（4）學生團隊成員在班級上展示項目成果。

3.4 創(chuàng)新思維激發(fā)：健康數(shù)據(jù)個性化管理

在“大數(shù)據(jù)分析與應用”課程中鼓勵學生設計創(chuàng)新的大數(shù)據(jù)應用，如設計個性化的健康管理應用，用于實時監(jiān)測用戶的健康數(shù)據(jù)并提供健康管理與建議，以建立學生創(chuàng)新意識和激發(fā)創(chuàng)新思維。具體的教學方法：（1）學生探討現(xiàn)實生活中的健康問題，提出可能的創(chuàng)新應用方案，如基于智能手環(huán)的心率監(jiān)測；（2）采集用戶步數(shù)、心率等健康數(shù)據(jù)，處理、清洗與整合數(shù)據(jù)；（3）學生運用機器學習算法，建立健康數(shù)據(jù)分析模型，根據(jù)模型分析結果為用戶提供個性化的健康建議，如運動計劃、飲食建議等。

結語

本文基于新工科背景下，針對大數(shù)據(jù)專業(yè)學生混合思維能力培養(yǎng)的需求，設計多層次、遞進式的實踐教學模式。從計算思維、數(shù)據(jù)思維、工程思維和創(chuàng)新思維四個維度出發(fā)，在“大數(shù)據(jù)分析與應用”“數(shù)據(jù)采集技術”和“算法分析與設計”三門課程中設計教學案例和開展教學實踐，讓學生通過實踐來深入理解數(shù)據(jù)分析、工程設計、創(chuàng)新應用和算法實現(xiàn)等內容，從而讓大數(shù)據(jù)專業(yè)的學生在綜合素質和混合思維能力方面得到較為全面的提高。

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作者簡介：葉麗珠，在讀博士，副教授，研究方向：數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)與人工智能應用。

基金項目：廣州商學院2021年校級科研項目——新工科背景下混合思維能力培養(yǎng)的大數(shù)據(jù)專業(yè)實踐教學模式研究（編號：2021XJYB07）；廣東省2022年本科高校教學質量與教學改革工程建設項目（編號：2022SJJXGG992）；廣州商學院2021年高等職業(yè)教育教學改革研究與實踐項目（編號：2021GZJG05）；廣州商學院2022年優(yōu)秀課程建設項目（編號：XJYXKC202219）。