周黎鳴 林英豪 李征 陳小潘

摘? 要： 為完善數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)課程體系的建設(shè)，滿足新工科背景下對大數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)的要求，以數(shù)據(jù)分析與可視化課程為例，提出了能力導(dǎo)向和案例驅(qū)動相結(jié)合的教學(xué)方法并闡述了該教學(xué)方法的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞： 新工科; 數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù); 課程建設(shè); 數(shù)據(jù)分析與可視化; 教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號：G642????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A???? 文章編號：1006-8228（2021）01-102-04

Construction of curriculum for big data specialty in context

of New Engineering Education

Zhou Liming， Lin Yinghao， Li Zheng， Chen Xiaopan

（School of Computer and Information Engineering， Henan University， Kaifeng， Henan 475004， China）

Abstract： In order to improve the construction of curriculum system for the data science and big data technology specialty， and satisfy the requirements of big data talent training in context of New Engineering Education， taking the data analysis and visualization course as an example， this paper puts forward a teaching method combining ability oriented and case driven， and expounds the design of the teaching method.

Key words： New Engineering Education; data science and big data technology; curriculum construction; data analysis and visualization; teaching design

0 引言

數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)本科專業(yè)（簡稱大數(shù)據(jù)專業(yè)）是一個(gè)新興專業(yè)，2016年2月，北京大學(xué)、對外經(jīng)貿(mào)大學(xué)、中南大學(xué)三所大學(xué)首次成功申請;2017年3月，32所高校申請大數(shù)據(jù)專業(yè)并獲批;2018年3月，教育部公布的高校新增專業(yè)名單中，250所學(xué)校獲批大數(shù)據(jù)專業(yè)辦學(xué)資格[1]。

鑒于大數(shù)據(jù)行業(yè)的迅猛發(fā)展及其對社會經(jīng)濟(jì)的全面帶動，2015年我國首次提出推行國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，提倡發(fā)展大數(shù)據(jù)技術(shù)并發(fā)展下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。2015年9月國務(wù)院印發(fā)《促進(jìn)大數(shù)據(jù)發(fā)展行動綱要》，系統(tǒng)地指導(dǎo)我國大數(shù)據(jù)發(fā)展的國家頂層設(shè)計(jì)和總體部署大數(shù)據(jù)發(fā)展工作[2]。在《大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》中，提出了大力發(fā)展大數(shù)據(jù)技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)，從而為國家發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供技術(shù)支撐。

1 大數(shù)據(jù)人才需求

隨著國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對大數(shù)據(jù)技術(shù)的迫切需求，大數(shù)據(jù)專業(yè)也迎來了快速發(fā)展的階段。大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)作為一門新興產(chǎn)業(yè)，對其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有很強(qiáng)的促進(jìn)作用，這些使得大數(shù)據(jù)方面的技術(shù)人才成為當(dāng)前社會需求的熱點(diǎn)。全球頂尖管理咨詢公司麥肯錫（McKinsey）出具的一份詳細(xì)分析報(bào)告預(yù)計(jì)大數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)工作者的崗位需求將激增，大數(shù)據(jù)技術(shù)相關(guān)人才出現(xiàn)短缺，對懂得如何利用大數(shù)據(jù)做決策的分析師和工程師的崗位缺口則將達(dá)到150萬[3]。

目前，大數(shù)據(jù)人才崗位大致分為大數(shù)據(jù)架構(gòu)師、數(shù)據(jù)科學(xué)家、數(shù)據(jù)分析師、大數(shù)據(jù)應(yīng)用開發(fā)工程師、大數(shù)據(jù)運(yùn)維工程師等，不同的崗位需要具備不同的知識和能力，如表1所示。

2 新工科背景下大數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)

2.1 培養(yǎng)特點(diǎn)

新工科既要求建立綜合性、交叉性的學(xué)科，又要求培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型人才，其中在實(shí)踐應(yīng)用、創(chuàng)新能力等方面要具有競爭力，要能夠引領(lǐng)未來技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展[4]。新工科背景下培養(yǎng)大數(shù)據(jù)人才，應(yīng)采用新的培養(yǎng)方式、新的課程體系來提升學(xué)生的綜合能力，讓學(xué)生適應(yīng)新時(shí)代社會的需要[5]。

目前，大數(shù)據(jù)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域快速得到應(yīng)用，如醫(yī)療衛(wèi)生、商業(yè)分析、國家安全、食品安全、金融安全等。大數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)不僅要注重理論知識，還要注重應(yīng)用能力的培養(yǎng)，這樣才能滿足社會的需要，為國家“新基建”戰(zhàn)略的提供復(fù)合型人才。

2.2 培養(yǎng)目標(biāo)

大數(shù)據(jù)專業(yè)立足國家和地區(qū)經(jīng)濟(jì)文化發(fā)展需要，圍繞河南大學(xué)總體發(fā)展規(guī)劃和“雙一流”建設(shè)，以“厚基礎(chǔ)、寬口徑、重實(shí)踐、勇創(chuàng)新、大視野、有情懷”人才培養(yǎng)為指導(dǎo)，參照結(jié)合計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院發(fā)展定位與招生學(xué)生情況，廣泛參考其他高校的培養(yǎng)模式，制定出符合計(jì)算機(jī)學(xué)科特征、滿足行業(yè)技能要求的專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)。具體培養(yǎng)目標(biāo)如下。

⑴ 培養(yǎng)數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)工程領(lǐng)域復(fù)合型高級技術(shù)人才，德、智、體全面發(fā)展。

⑵ 掌握自然科學(xué)和人文社科基本知識，具有良好的科學(xué)素養(yǎng)、職業(yè)道德和社會責(zé)任心。

⑶ 掌握計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)據(jù)科學(xué)及大數(shù)據(jù)技術(shù)的基本知識、基本理論和基本技能，能在企事業(yè)單位以及科研部門從事大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、軟件研發(fā)、系統(tǒng)集成等工作。

2.3 課程體系

在新工科背景下，培養(yǎng)復(fù)合型大數(shù)據(jù)人才需要構(gòu)建相應(yīng)的課程體系[6]，其由基礎(chǔ)課程、專業(yè)課程、實(shí)踐課程組成?；A(chǔ)課程包括與數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)和計(jì)算科學(xué)相關(guān)的課程，主要培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)知識能力;專業(yè)課程包括與專業(yè)核心課、大數(shù)據(jù)應(yīng)用、程序開發(fā)相關(guān)的課程，主要培養(yǎng)學(xué)生的大數(shù)據(jù)應(yīng)用與開發(fā)能力;實(shí)踐課程包括數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化、Web編程等課程，主要培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動手能力。數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)課程體系，如表2所示。

3 數(shù)據(jù)分析與可視化課程教學(xué)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)分析與可視化課程是大數(shù)據(jù)專業(yè)的必修課程，課程定位為使用Python語言進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖形化展示，課程內(nèi)容全面覆蓋Python數(shù)據(jù)分析與可視化技術(shù)，包括Numpy、Matplotlib、pandas統(tǒng)計(jì)分析、scikit-learn等基礎(chǔ)內(nèi)容，學(xué)習(xí)聚類、回歸、應(yīng)用數(shù)據(jù)案例。

數(shù)據(jù)分析與可視化課程采用線上與線下相結(jié)合、理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式。通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握利用Python進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與可視化開發(fā)的基本方法和技巧，理解Python進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的基本工作原理，了解主流數(shù)據(jù)分析和可視化的設(shè)計(jì)理念并掌握基本的使用方法，開拓視野和提升技能，為畢業(yè)后工作和繼續(xù)深造提供良好的發(fā)展基礎(chǔ)。

3.1 教學(xué)方法

⑴ 課前知識預(yù)習(xí)

為了提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自學(xué)能力，每次課前，教師在超星學(xué)習(xí)通平臺上發(fā)布學(xué)習(xí)要求和相關(guān)內(nèi)容，包括PPT、教學(xué)內(nèi)容、學(xué)習(xí)視頻、數(shù)據(jù)集、課堂實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐項(xiàng)目、課后作業(yè)。學(xué)生可以根據(jù)所學(xué)知識掌握情況，提前預(yù)習(xí)所學(xué)內(nèi)容，并把學(xué)習(xí)中遇到的問題提交到學(xué)習(xí)通上。根據(jù)學(xué)生提出的問題，教師有針對性的準(zhǔn)備授課內(nèi)容，并提供更多的實(shí)踐項(xiàng)目，讓學(xué)生掌握所學(xué)的知識點(diǎn)。

⑵ 課堂教學(xué)

通過課前預(yù)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)了解課堂要講的知識點(diǎn)。為了更好地讓學(xué)生學(xué)以致用，課堂教學(xué)環(huán)節(jié)安排在機(jī)房授課，這樣既可以讓學(xué)生掌握理論知識，又能進(jìn)行實(shí)際操作，從而達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合的目的。通過機(jī)房授課，學(xué)生帶著問題聽課，可以起到事半功倍的效果，也進(jìn)一步增加了學(xué)生的自學(xué)能力和解決問題的能力。同時(shí)，教師通過代碼演示和講解，也能讓學(xué)生更深地理解相關(guān)知識點(diǎn)。此外，在機(jī)房上課時(shí)，如果學(xué)生在實(shí)踐操作中有問題，教師可以及時(shí)為學(xué)生講解并尋找解決問題的辦法。學(xué)生把理論知識運(yùn)用到實(shí)踐操作中，可以起到復(fù)習(xí)和鞏固的效果。

⑶ 課后反饋

除了課堂教學(xué)外，該課程還組織課后交流討論環(huán)節(jié)，學(xué)生可以通過學(xué)習(xí)通平臺發(fā)起討論主題或者通過QQ群提問等方式，與老師和同學(xué)進(jìn)行問題討論。通過學(xué)習(xí)交流，學(xué)生把學(xué)習(xí)中遇到的問題反饋給教師，教師可以及時(shí)調(diào)整教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容，通過讓學(xué)生參與到教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，讓學(xué)生在輕松愉快地氛圍中掌握知識。

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

為了讓學(xué)生更好地掌握理論知識，本課程設(shè)置9個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中包含了對應(yīng)知識點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生既可以通過實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)理論知識的掌握情況，又能在實(shí)踐中積累解決問題的思想與方法，從而為實(shí)踐項(xiàng)目打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過實(shí)驗(yàn)，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，還可以幫助學(xué)生建立自信，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類型上，本課程分為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)包括Anaconda環(huán)境搭建、Jupyter Notebook使用、Numpy數(shù)值計(jì)算、Matplotlib數(shù)據(jù)可視化、pandas統(tǒng)計(jì)分析與數(shù)據(jù)預(yù)處理、scikit-learn模型構(gòu)建。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)主要考察學(xué)生的理論知識，讓學(xué)生在“練中學(xué)、學(xué)中練”，從而增強(qiáng)學(xué)生的動手能力和邏輯思維能力。綜合性實(shí)驗(yàn)包括航空公司客戶價(jià)值分析、財(cái)政收入預(yù)測分析、家用熱水器用戶行為分析與事件識別。綜合性實(shí)驗(yàn)主要考察學(xué)生的實(shí)際運(yùn)用能力，通過與實(shí)際問題相結(jié)合，用所學(xué)知識和數(shù)據(jù)分析方法來解決實(shí)際問題，從而幫助學(xué)生理解如何進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和可視化展示。本課程設(shè)置9個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如表3所示。

3.3 課外實(shí)踐

⑴ 實(shí)訓(xùn)平臺

為了幫助學(xué)生掌握所學(xué)知識，本課程利用大數(shù)據(jù)實(shí)訓(xùn)平臺進(jìn)行輔助教學(xué)，如圖1所示，實(shí)訓(xùn)平臺中，每個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)有詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)要求和步驟，學(xué)生根據(jù)知識掌握情況進(jìn)行課下學(xué)習(xí)。同時(shí)，學(xué)生在實(shí)訓(xùn)平臺上還能與其他同學(xué)進(jìn)行交流與分享。教師在后臺管理系統(tǒng)中，能隨時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度以及出現(xiàn)的問題，教師把問題整理后，再以案例形式給學(xué)生進(jìn)行講解，從而幫助學(xué)生掌握知識點(diǎn)。

⑵ 綜合實(shí)踐項(xiàng)目

為了給學(xué)生提供更多的數(shù)據(jù)分析案例，本課程為學(xué)生提供了9個(gè)綜合實(shí)踐項(xiàng)目，這些綜合實(shí)踐項(xiàng)目是任課教師從課外教學(xué)資源中精心挑選并結(jié)合所學(xué)內(nèi)容整理出來的。綜合實(shí)踐項(xiàng)目主要考察學(xué)生對數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)可視化等知識的運(yùn)用，以案例為驅(qū)動，激發(fā)學(xué)生對數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化的興趣，提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。本課程設(shè)置9個(gè)綜合實(shí)踐項(xiàng)目，如表4所示。

3.4 評價(jià)方式

本課程采用過程性評價(jià)方式，注重學(xué)生動手能力培養(yǎng)，把評價(jià)方式貫穿于整個(gè)教學(xué)過程。其中，學(xué)期綜合成績包括平時(shí)成績和期末成績，分別占比70%和30%，平時(shí)成績包括作業(yè)20%、實(shí)驗(yàn)報(bào)告20%、階段性考試30%。通過過程性評價(jià)考核，可以促進(jìn)學(xué)生注重平時(shí)學(xué)習(xí)的積累，防止學(xué)生期末突擊復(fù)習(xí)，進(jìn)而提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。

4 結(jié)束語

在新工科背景下，如何更好地培養(yǎng)大數(shù)據(jù)人才和搞好專業(yè)建設(shè)，是擺在教育工作者面前的一個(gè)艱巨任務(wù)。數(shù)據(jù)分析與可視化課程注重培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和邏輯思維能力、解決實(shí)際問題的能力，注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，需要通過理論講解、機(jī)房實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)平臺、綜合實(shí)踐相結(jié)合的方式，幫助學(xué)生理解并掌握相關(guān)知識點(diǎn)。為了培養(yǎng)高素質(zhì)大數(shù)據(jù)人才，在今后的教學(xué)與實(shí)踐中，本課程還需不斷探索和借鑒新的教學(xué)理念與教學(xué)方法，進(jìn)一步豐富并完善本課程教學(xué)內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)（References）：

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[6] 數(shù)據(jù)科學(xué)與工程專業(yè)建設(shè)協(xié)作組著.數(shù)據(jù)科學(xué)與工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案與核心課程體系[M].高等教育出版社，2020.

收稿日期：2020-08-26

基金項(xiàng)目：河南大學(xué)教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“面向工程實(shí)踐與能力培養(yǎng)的《Java程序設(shè)計(jì)》實(shí)踐教學(xué)改革（HDXJJG2018-48）”; “面向新工科的《Java Web程序設(shè)計(jì)》課程改革與實(shí)踐探索（HDXJJG2019-58）”

作者簡介：周黎鳴（1985-），男，河南開封人，博士，副教授，主要研究方向：大數(shù)據(jù)安全、目標(biāo)識別。

通訊作者：林英豪（1987-），女，河南開封人，博士，副教授，主要研究方向：遙感大數(shù)據(jù)。