唐國明，雷 軍，趙 翔，唐九陽，郭得科

（國防科技大學(xué) 系統(tǒng)工程學(xué)院 信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410073）

1 背 景

數(shù)據(jù)科學(xué)是利用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、概率論等工具對數(shù)據(jù)形式的信息進(jìn)行收集管理、分析處理以及統(tǒng)計(jì)推斷的一門應(yīng)用科學(xué)。隨著大數(shù)據(jù)和人工智能時(shí)代的到來，數(shù)據(jù)科學(xué)已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)學(xué)科以及眾多交叉領(lǐng)域?qū)W科的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)科學(xué)相關(guān)課程（如數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等）也相繼在國內(nèi)外眾多高校開設(shè)，如國外的哈佛大學(xué)、斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校等，國內(nèi)的人民大學(xué)、南京大學(xué)、國防科技大學(xué)等[1-2]。

數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論是數(shù)據(jù)科學(xué)系列課程的基礎(chǔ)先導(dǎo)課程，對數(shù)據(jù)科學(xué)問題從提出到解決的整個(gè)生命周期進(jìn)行系統(tǒng)性介紹。近年來，數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論課程在各大高校，尤其是北美的多所頂尖高校均有開設(shè)。從調(diào)研中可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論既可以作為大數(shù)據(jù)工程等專業(yè)本科生、研究生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，也可以作為通識課程為其他需要學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)科學(xué)方法和工具的交叉學(xué)科專業(yè)開設(shè)（如醫(yī)學(xué)和生物化學(xué)等）。通過該課程的學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生掌握利用數(shù)據(jù)科學(xué)工具（如Python）和技術(shù)（典型的機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘方法）解決大數(shù)據(jù)工程中具體問題的能力，同時(shí)為綜合運(yùn)用其他相關(guān)技術(shù)研究解決更為復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理問題打下理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

意識到數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論在塑造數(shù)據(jù)科學(xué)思維以及培養(yǎng)數(shù)據(jù)科學(xué)家等方面的重要作用，國內(nèi)高校開始嘗試開設(shè)數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論課程。國防科技大學(xué)于2018年開始增設(shè)數(shù)據(jù)科學(xué)系列課程，包括研究生選修課數(shù)據(jù)科學(xué)基礎(chǔ)和（針對軍事大數(shù)據(jù)工程專業(yè)）本科生專業(yè)必修課數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論。筆者有幸參與了數(shù)據(jù)科學(xué)系列課程的建設(shè)和教學(xué)，一方面為本課題組提供教學(xué)參考和指導(dǎo)，作為未來數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論課堂教學(xué)的嘗試方向；另一方面由于國內(nèi)外對數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論課堂教學(xué)環(huán)節(jié)的研究還比較少（對于課程內(nèi)容設(shè)置[2]、人才培養(yǎng)模式[3]等在先前工作中已有所探究，但是關(guān)于課堂教學(xué)設(shè)計(jì)目前還沒有可參考的工作），所以可供開設(shè)此（類）課程的高校同行參考借鑒。

2 數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論課程特點(diǎn)和授課挑戰(zhàn)

（1）學(xué)情復(fù)雜。在實(shí)際教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，即使是數(shù)據(jù)科學(xué)相關(guān)專業(yè)（如計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)據(jù)工程等）的學(xué)生，對于數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論預(yù)設(shè)課程知識掌握情況的差異也非常大，尤其是工具類的知識。比如說，數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論課程對于數(shù)據(jù)的操作全流程自始至終都要使用Python編程和工具包，通過學(xué)情調(diào)研發(fā)現(xiàn)，有一小部分學(xué)生對于Python編程已經(jīng)掌握得非常熟練，還有一小部分甚至沒有接觸過Python編程，大部分學(xué)生有一些Python編程基礎(chǔ)知識，但是達(dá)不到熟練運(yùn)用的程度。

對于非數(shù)據(jù)科學(xué)相關(guān)專業(yè)（如數(shù)理化、生物化學(xué)、生命科學(xué)等專業(yè)）的學(xué)生更是如此，其對數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論需要的前期基礎(chǔ)知識掌握程度差異更大。比如筆者所在學(xué)校面向全校研究生開設(shè)的數(shù)據(jù)科學(xué)基礎(chǔ)課上，絕大部分學(xué)生來自非計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)科學(xué)專業(yè)（但是其研究需要運(yùn)用數(shù)據(jù)科學(xué)相關(guān)的方法和工具），編程基礎(chǔ)普遍薄弱。所以，在充分調(diào)研和了解學(xué)情的基礎(chǔ)上，如何設(shè)計(jì)一種面向大多數(shù)學(xué)生的課程內(nèi)容設(shè)置方式顯得十分必要。

（2）知識結(jié)構(gòu)繁雜。數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論是一門內(nèi)容豐富龐雜的課程，僅主要內(nèi)容模塊就涵蓋數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析與模型應(yīng)用以及數(shù)據(jù)可視化等方面，如圖 1所示。其中每一個(gè)內(nèi)容模塊又包含若干個(gè)子模塊和眾多知識點(diǎn)。以數(shù)據(jù)獲取為例，包含從文本、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)頁、網(wǎng)站API四個(gè)源頭獲取所需的數(shù)據(jù)內(nèi)容；使用Python工具包從每個(gè)源頭獲取數(shù)據(jù)的方法又有多種，有的甚至多達(dá)十幾種。

如此繁雜的知識結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，對于授課老師自身的知識水平和授課水平是一種考驗(yàn)。照本宣科式地逐點(diǎn)教授會浪費(fèi)寶貴的課堂時(shí)間，是一種十分低效的授課方式；有選擇性地挑重點(diǎn)教授則十分考驗(yàn)老師的判斷能力和備課水平，尤其是在如此龐雜的內(nèi)容中甄別哪些是必要的、哪些是可選的，既耗費(fèi)精力又有遺漏的風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何在有限的課堂時(shí)間內(nèi)盡可能多地教授重點(diǎn)、難點(diǎn)知識，同時(shí)兼顧老師的精力消耗和授課水平，是數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論課程亟待解決的一個(gè)難題。

（3）傳統(tǒng)授課方式效果差。傳統(tǒng)的授課方式是以老師課堂教授為主，學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)為輔。在前期數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論/基礎(chǔ)等課程的授課過程中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)授課方式的效果并不理想。問卷調(diào)查結(jié)果顯示，在“本課程還需要改進(jìn)的地方”和“對本課程不滿意的地方”兩個(gè)問題的回答中，對授課方式直接或間接表達(dá)不滿的比例占到50%以上。

根據(jù)學(xué)生的反饋，絕大部分課中時(shí)間由老師控制，學(xué)生只能被動地接受知識，而對于數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論這種實(shí)操內(nèi)容豐富的課程來說，被動的知識接受方式讓學(xué)生興趣大失，動手操作的欲望得不到滿足。再考慮到課前預(yù)習(xí)的主動性不高，課后作業(yè)的工作量有限，學(xué)生很難做到對課堂知識的理解消化，更難做到熟練掌握。因此，如何提高學(xué)生在知識傳授過程中的主動性和主體性，使學(xué)生做到課前有效地預(yù)習(xí)、課中充分動手實(shí)操、課后加強(qiáng)鞏固，是提升數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論課教學(xué)成效的關(guān)鍵所在。

3 教育云平臺的優(yōu)勢分析及案例介紹

云計(jì)算自2009年進(jìn)入教育領(lǐng)域，催生了教育云平臺（又稱“教育云”）[4]。教育云平臺充分利用云計(jì)算的優(yōu)勢，以透明的方式為遠(yuǎn)程用戶提供所需要的計(jì)算、存儲和帶寬資源，理論上可以做到資源按需供應(yīng)而不受時(shí)空的限制。依托當(dāng)前的智能化教育信息管理平臺，國內(nèi)外的高校和企業(yè)都在打造屬于自己的智慧學(xué)習(xí)云平臺，一方面整合大量的教育資源并永久保存，另一方面將可用資源在受教育者之間（以無償或有償?shù)姆绞剑┻M(jìn)行分享。這種新的教育資源整合和共享模式極大地推動了教育教學(xué)模式的改革和進(jìn)步，慕課在國內(nèi)外教育機(jī)構(gòu)的盛行就主要得益于教育云平臺的建設(shè)和發(fā)展。

3.1 教育云平臺在數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論課程教學(xué)中的優(yōu)勢分析

圖1 數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論課程內(nèi)容模塊

（1）課程資源類型和數(shù)量豐富，方便學(xué)生按需進(jìn)行知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)。由于數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論課程的內(nèi)容繁雜，知識點(diǎn)眾多，授課老師可以將準(zhǔn)備的課程資源盡可能多地上傳到云平臺，資源的類型也盡可能多地提供，如PPT、視頻、音頻等，方便學(xué)生有針對性和選擇性地進(jìn)行學(xué)習(xí)。另外，由于課程資源的訪問不受時(shí)空的限制，云平臺可作為課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)的輔助手段。同時(shí)，正是由于云平臺的使用，才使用像翻轉(zhuǎn)課堂這樣的新型教學(xué)方式變得可行。

（2）云平臺提供的運(yùn)行環(huán)境對學(xué)生友好，避免了配置繁瑣和硬件差異帶來的問題。Python程序語言在數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論中要頻繁使用，而繁瑣的編程環(huán)境配置對于剛開始接觸編程的學(xué)生來說是一個(gè)比較頭疼的問題。使用云平臺提供的統(tǒng)一編程環(huán)境可以很好地解決這個(gè)問題，學(xué)生無需在自己的筆記本或臺式機(jī)上進(jìn)行編程環(huán)境配置，可以把更多的時(shí)間和精力投入到編程語言的學(xué)習(xí)上。另外，學(xué)生使用電腦的硬件差異也會產(chǎn)生各種奇怪的問題，而云平臺的使用再次避免了此類問題的發(fā)生，使學(xué)生和老師都能更好地專注于本職工作。

（3）后臺數(shù)據(jù)收集和分析功能為授課老師和學(xué)生提高教學(xué)和學(xué)習(xí)能力提供了重要的輔助手段。一方面通過精確到秒的學(xué)習(xí)行為監(jiān)控，可用進(jìn)行總體概況分析和內(nèi)容細(xì)節(jié)分析，幫助老師全面了解學(xué)生的學(xué)習(xí)效果；另一方面，學(xué)生可實(shí)時(shí)查看課程學(xué)習(xí)情況和進(jìn)行學(xué)習(xí)成效的檢測，便于學(xué)生隨時(shí)把握課程進(jìn)度、明確不足的知識點(diǎn)、激勵學(xué)生有針對性地學(xué)習(xí)。

（4）合理使用教育云平臺提供的智能服務(wù)可大大減輕授課老師的負(fù)擔(dān)。比如，教學(xué)資源一般支持跨課程調(diào)用，資源庫內(nèi)容也支持多次復(fù)用使用，從而避免了授課老師重復(fù)準(zhǔn)備授課材料；高級的教育云平臺可支持學(xué)生進(jìn)行作業(yè)互評，既解決了授課老師作業(yè)批改量密集、繁重的問題，又能調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的比較和分析能力。

通過上述4點(diǎn)優(yōu)勢的分析，可以初步判斷，使用教育云平臺將有效應(yīng)對數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論教學(xué)所面臨的學(xué)情復(fù)雜和知識結(jié)構(gòu)繁雜問題。對于傳統(tǒng)授課方式帶來的問題，我們將在第4章節(jié)中引入翻轉(zhuǎn)課堂這種新型授課方式予以解決。

3.2 使用教育云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論授課的案例介紹

目前，國內(nèi)外有很多商業(yè)公司提供教育云平臺服務(wù)，面向的群體和提供的服務(wù)類別可能各有差異，但是主要內(nèi)容和服務(wù)大同小異。我們以本教學(xué)課題組正在使用的高校邦教育云平臺為例進(jìn)行介紹。北京高校邦科技有限公司（www.gaoxiaobang.com）是慧科集團(tuán)的下屬子公司，專為中國高校打造智慧學(xué)習(xí)平臺，并致力于“重構(gòu)教學(xué)、智慧學(xué)習(xí)”。憑借對高校教學(xué)應(yīng)用的深刻理解，高校邦為不同類型的高校提供有針對性的平臺、服務(wù)方案以及一攬子的個(gè)性化解決方案。

高校邦下設(shè)多個(gè)內(nèi)容制作和供應(yīng)部門，其中海豚大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)室致力于數(shù)據(jù)科學(xué)方面的課程內(nèi)容建設(shè)和教育培訓(xùn)服務(wù)。具體地，我們以該實(shí)驗(yàn)室提供的“Tensorflow的介紹和應(yīng)用”一課為例進(jìn)行介紹。

（1）理論介紹部分：該部分學(xué)習(xí)內(nèi)容由授課老師帶領(lǐng)學(xué)生完成，以理論教授為主，介紹Tensorflow的工作原理、圖表構(gòu)建等內(nèi)容。通過理論介紹，學(xué)生可以了解該知識點(diǎn)背后蘊(yùn)含的基本原理，即“知其所以然”。

（2）實(shí)際操作部分：該部分學(xué)習(xí)內(nèi)容主要由學(xué)生通過編程練習(xí)來掌握，授課老師輔助講解；以實(shí)際操作為主，教會學(xué)生如何在Jupyter Notebook中導(dǎo)入Tensorflow模塊、創(chuàng)建圖表、操作圖標(biāo)等。通過實(shí)際操作部分的練習(xí)，學(xué)生可以基本掌握創(chuàng)建和使用Tensorflow的能力。

4 教育云平臺輔助下的翻轉(zhuǎn)課堂設(shè)計(jì)

在實(shí)際教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論課程如果仍然以“老師講、學(xué)生聽”的這種傳統(tǒng)授課方式進(jìn)行，教學(xué)效果將得不到保障。翻轉(zhuǎn)課堂作為一種全新的教學(xué)手段，把學(xué)生作為課堂教學(xué)的主體，強(qiáng)調(diào)知識的傳授通過信息技術(shù)等輔助在課外完成，而將知識內(nèi)化在課堂中由老師的幫助與同學(xué)的協(xié)助下完成。目前翻轉(zhuǎn)課堂已被廣泛應(yīng)用于中高等教育中，并在部分學(xué)科的教授中取得了明顯的成效[5]。我們主要從課前和課中兩個(gè)環(huán)節(jié)對課程內(nèi)容的傳授過程進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到學(xué)生在課外完成基本的知識點(diǎn)學(xué)習(xí)、課內(nèi)老師輔助學(xué)生鞏固提高的翻轉(zhuǎn)效果，以此提升數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論的授課效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

4.1 課前環(huán)節(jié)

課前環(huán)節(jié)主要包括老師準(zhǔn)備素材、在教育云平臺發(fā)布內(nèi)容和學(xué)生完成課前任務(wù)3個(gè)步驟。第一步，授課老師準(zhǔn)備課程內(nèi)容的素材，如演示操作過程的小視頻、包含重要知識點(diǎn)的PPT、輔助閱讀的參考文獻(xiàn)等；第二步，授課老師要確保在距離開課前足夠長的時(shí)間將內(nèi)容共享到教育云平臺上，并明確課前環(huán)節(jié)中學(xué)生需要預(yù)習(xí)的內(nèi)容以及對知識點(diǎn)的掌握程度；第三步，由學(xué)生在課前獨(dú)立完成，包括對各個(gè)知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)以及對學(xué)習(xí)效果的自測。

授課老師在此環(huán)節(jié)中有針對性地出測試題目，然后利用云平臺的統(tǒng)計(jì)分析功能評估學(xué)生的預(yù)習(xí)效果，判斷哪些是需要著重強(qiáng)調(diào)的知識點(diǎn)、哪些是學(xué)生容易犯錯誤的地方，為課中環(huán)節(jié)的實(shí)施提供直接的參考和指導(dǎo)。

4.2 課中環(huán)節(jié)

將課中教學(xué)部分分為情景引入、任務(wù)實(shí)施、知識點(diǎn)分析、拓展實(shí)訓(xùn)和疑難解析5個(gè)環(huán)節(jié)，如圖 2所示。

（1）情景引入：為提升學(xué)生對數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論學(xué)習(xí)的熱情，強(qiáng)化該課程與實(shí)際工作的關(guān)聯(lián)性，設(shè)定學(xué)生為某數(shù)據(jù)科學(xué)公司的實(shí)習(xí)生，需要在一個(gè)學(xué)期的實(shí)習(xí)期內(nèi)完成數(shù)據(jù)科學(xué)基本技能的培訓(xùn)，并完成培訓(xùn)主管賦予的各項(xiàng)實(shí)習(xí)任務(wù)，根據(jù)任務(wù)完成情況和考核結(jié)果決定是否留任。

（2）任務(wù)實(shí)施：針對本堂課所設(shè)定的教學(xué)目標(biāo)，授課老師將課前精心準(zhǔn)備的、具有代表性的訓(xùn)練題目分發(fā)給學(xué)生（可借助云平臺的任務(wù)發(fā)布功能），這些題目的解決一般需要利用課前預(yù)習(xí)的一個(gè)或多個(gè)知識點(diǎn)，需要學(xué)生花費(fèi)一定的時(shí)間來完成。在任務(wù)實(shí)施過程中，授課老師可以適時(shí)地為學(xué)生提供現(xiàn)場指導(dǎo)，也可以事先將學(xué)生分成多人的小組，以小組的形式一邊討論一邊完成任務(wù)。

（3）知識點(diǎn)分析：當(dāng)大部分學(xué)生或者小組已經(jīng)完成所發(fā)布的任務(wù)時(shí)，授課老師統(tǒng)一對任務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施方法和可能的其他實(shí)施方法進(jìn)行公布和講解。學(xué)生在這個(gè)階段來審查自己或者小組實(shí)施方案的正確性（為自己的方案打分），找出存在的問題并進(jìn)行記錄，為課后復(fù)習(xí)準(zhǔn)備。

（4）拓展實(shí)訓(xùn)：授課老師從實(shí)際需求中尋找合適的案例，發(fā)布給學(xué)生們?nèi)L試完成。通常這種實(shí)際案例的復(fù)雜度高、涉及知識點(diǎn)多，有可能還需要額外的知識才能完成，因此，學(xué)生在完成拓展實(shí)訓(xùn)題目的過程中可以進(jìn)一步提升對知識的綜合運(yùn)用能力。

（5）疑難解析：在課堂的間隙和最后，授課老師要及時(shí)對學(xué)生提出的疑惑和問題進(jìn)行答復(fù)和總結(jié)，并將這些問題進(jìn)行記錄，作為課后作業(yè)題發(fā)布給學(xué)生，也可以作為期末考題的候選題目。

5 可能遇到的問題及應(yīng)對策略

（1）教育云平臺的采購問題：在高校本科教學(xué)成為高等教育重點(diǎn)工作的大環(huán)境下，教育云平臺的使用和采購將越來越普遍。由此，一般高校均將有充足的教育教學(xué)財(cái)政預(yù)算用于本科（和研究生）教學(xué)的投入，對教育云平臺的采購也一般不會存在太大的爭議。

（2）授課老師對教育云平臺使用和培訓(xùn)問題：教育云平臺使用非常方便快捷，僅使用瀏覽器就可以完成基本的操作；對于某些特殊的功能需要，目前的云平臺都支持二次開發(fā)和定制化服務(wù)。某些教育云平臺還會組織人員對授課老師進(jìn)行培訓(xùn)，使得云平臺使用的門檻大大降低。

（3）如何提升學(xué)生參與翻轉(zhuǎn)課堂的積極性：一個(gè)有效的方式是完善考核形式，以測試能力為目標(biāo)，（選題出題）靈活、（考核方式）多元、（判卷評分）客觀為準(zhǔn)則；筆試與機(jī)試相結(jié)合，筆試部分少考甚至不考死記硬背的內(nèi)容，以考查數(shù)據(jù)科學(xué)思維能力為主；課程設(shè)計(jì)（大作業(yè)）占相當(dāng)比例，課程設(shè)計(jì)選題嚴(yán)格把關(guān)，對課程報(bào)告和評分標(biāo)準(zhǔn)的要求具體明確。

圖2 數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論翻轉(zhuǎn)課堂課中模塊設(shè)計(jì)

（4）如何盡可能提升課中環(huán)節(jié)的質(zhì)量：選擇具有代表性的案例與練習(xí)題，如解決過程中包含的知識點(diǎn)要豐富、具有一定的復(fù)雜度和難度、處理方法典型且常用的問題，以此提升有限課中時(shí)間的利用效率，并培養(yǎng)學(xué)生舉一反三的能力。

6 結(jié) 語

在未來的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)中，教育云平臺將發(fā)揮越來越大的作用，也將大大減輕授課老師的負(fù)擔(dān)、提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。翻轉(zhuǎn)課堂的引入，使得教育云平臺的使用和發(fā)揮作用變得更加自然。我們針對數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論課堂教學(xué)中存在的學(xué)情復(fù)雜、知識結(jié)構(gòu)繁雜以及傳統(tǒng)教學(xué)手段成效不顯著等問題，提出基于教育云平臺的數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論翻轉(zhuǎn)課堂設(shè)計(jì)方案，并給出該課程設(shè)計(jì)方案的具體實(shí)施細(xì)節(jié)，對數(shù)據(jù)科學(xué)系列課程（或類似性質(zhì)的其他課程）的設(shè)計(jì)和課堂教學(xué)具有一定指導(dǎo)意義。