金蒼宏 吳明暉 顏暉

摘? 要： 大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展變化快，綜合應(yīng)用性強(qiáng)，而大數(shù)據(jù)計(jì)算技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容偏重理論，脫離實(shí)際工程應(yīng)用，培養(yǎng)的學(xué)生實(shí)踐能力弱，無法適應(yīng)企業(yè)的實(shí)際需求。依據(jù)新工科培養(yǎng)思路和OBE理念，提出構(gòu)建基于綜合案例的大數(shù)據(jù)計(jì)算技術(shù)的課程內(nèi)容;設(shè)計(jì)貫穿整個(gè)課程體系的綜合案例，激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)探索的積極性，提高其實(shí)踐能力;結(jié)合產(chǎn)學(xué)合作模式，形成更加客觀的課程評(píng)價(jià)體系，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量提升。

關(guān)鍵詞： 案例驅(qū)動(dòng); 學(xué)習(xí)產(chǎn)出教育; 大數(shù)據(jù)計(jì)算技術(shù)

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1006-8228（2021）04-95-03

Abstract： In current days， the big data technology is developing rapidly and strongly connecting with comprehensive application. However， the teaching content of big data computing technology focuses on theory and is divorced from practical engineering application. The students' practical ability is weak and cannot adapt to the actual needs of enterprises. According to the training ideas of New Engineering Education and OBE concept， this paper proposes to construct the curriculum content of big data computing technology based on comprehensive cases; to design the comprehensive cases throughout the whole curriculum system to stimulate students' initiative to explore， and improve their practical ability; with the industry university cooperation mode， to form a more objective curriculum evaluation system to promote the improvement of teaching quality.

Key words： case driven; outcomes-based education; big data computing technology

1 大數(shù)據(jù)計(jì)算技術(shù)課程現(xiàn)狀和改革方向

工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)是計(jì)算機(jī)專業(yè)應(yīng)用型、 創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的核心內(nèi)容，也是社會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的現(xiàn)實(shí)需求[1]。以新工科理念建設(shè)一流本科專業(yè)的要求，地方理工科高校大有可為，可以主動(dòng)對(duì)接地方經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)需求和行業(yè)方法趨勢[2]?；趯W(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式（Outcomes-based Education，縮寫為OBE）實(shí)現(xiàn)學(xué)生特定學(xué)習(xí)產(chǎn)出來設(shè)計(jì)教學(xué)模式，采用教育結(jié)構(gòu)和課程等手段進(jìn)行教育設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)專業(yè)作為較典型的工程類課程，非常適合新工科教學(xué)理念。把新工科思想結(jié)合項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式CDIO[3]和OBE模式[5]，以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向和目標(biāo)、多學(xué)科交叉融合、綜合全面創(chuàng)新為依托，把教師角色由知識(shí)的教育者轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)者，而學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)變成了積極參與，可以有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。在課程教學(xué)過程中，注重培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，讓學(xué)生在學(xué)中做，做中學(xué)，明確學(xué)習(xí)方向和職業(yè)發(fā)展方向。

以大數(shù)據(jù)計(jì)算技術(shù)課程為例，其課程內(nèi)容主要聚焦于計(jì)算技術(shù)本身，包括大數(shù)據(jù)基本組件如HDFS、Hive、HBase的概念和設(shè)計(jì)原理，大數(shù)據(jù)操作環(huán)境搭建，編程API接口等。前期教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)單個(gè)知識(shí)點(diǎn)的綜合應(yīng)用能力較差，模仿驗(yàn)證，分析應(yīng)用和創(chuàng)新能力較弱，應(yīng)付期末考試為主，實(shí)際主動(dòng)學(xué)習(xí)動(dòng)力差。

課程改革的主要方向設(shè)計(jì)中，利用產(chǎn)學(xué)研服務(wù)的實(shí)際案例項(xiàng)目，引入較為完整的實(shí)際場景的教學(xué)案例，從教學(xué)內(nèi)容改革入手，學(xué)習(xí)參與企業(yè)解決該類問題的傳統(tǒng)思路，把一個(gè)實(shí)際的工程項(xiàng)目通過分割成許多小的步驟，對(duì)應(yīng)不同的教學(xué)進(jìn)度。調(diào)整理論課和實(shí)踐課體系，保證大數(shù)據(jù)應(yīng)用設(shè)計(jì)和開發(fā)學(xué)習(xí)過程的漸進(jìn)性和連續(xù)性，把實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和短學(xué)期實(shí)訓(xùn)等各個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)有效地銜接起來。

2 基于OBE的大數(shù)據(jù)課程設(shè)計(jì)

以2018年大數(shù)據(jù)計(jì)算技術(shù)課程為例，所涉及的學(xué)生主要為計(jì)算機(jī)和軟件工程專業(yè)大三學(xué)生，共分兩個(gè)班教學(xué)。選課學(xué)生已經(jīng)具備一定的開發(fā)基礎(chǔ)，基本掌握數(shù)據(jù)庫原理和設(shè)計(jì)，Java開發(fā)，Linux基本操作等，部分學(xué)生選修過數(shù)據(jù)挖掘等課程。

基于學(xué)生水平和階段，適當(dāng)調(diào)整課程內(nèi)容，除介紹大數(shù)據(jù)相關(guān)概念和框架外，重點(diǎn)介紹大數(shù)據(jù)解決實(shí)際問題的步驟和方法，同時(shí)拋出結(jié)合企業(yè)實(shí)際案例的課程綜合實(shí)踐。通過OBE課程設(shè)計(jì)，讓學(xué)生提前把握課程全貌，并確立明確目標(biāo)。修改課程評(píng)價(jià)，把學(xué)生綜合解決問題的思路和能力看成重要的評(píng)價(jià)內(nèi)容，而適當(dāng)減弱概念，命令和程序本身的正確性。

如圖1所示，大數(shù)據(jù)計(jì)算技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容包括大數(shù)據(jù)基本概念，大數(shù)據(jù)環(huán)境安裝，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和操作，MapReduce計(jì)算模型介紹，Hive和HBase使用等。針對(duì)上述教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)產(chǎn)學(xué)研相關(guān)項(xiàng)目，選擇基于手機(jī)信號(hào)的城市人群軌跡分析作為整個(gè)大數(shù)據(jù)課程的綜合案例場景。

綜合案例場景依托于2017年的企業(yè)政府合作項(xiàng)目“基于WiFi傳感信號(hào)的人群分析”，通過校企合作，前期已經(jīng)獲得了海量的數(shù)據(jù)信息，并構(gòu)了大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，為2018年大數(shù)據(jù)課程提供了場景基礎(chǔ)和計(jì)算數(shù)據(jù)。在案例背景介紹時(shí)，為了讓學(xué)生更有感，選擇學(xué)校所在地區(qū)杭州市2018年某一周的人群活動(dòng)的信息作為原始數(shù)據(jù)，共涉及到近100萬個(gè)手機(jī)信號(hào)和超過20億條數(shù)據(jù)，形成超過500G的大數(shù)據(jù)樣本。在數(shù)據(jù)的質(zhì)量方面，為了體現(xiàn)實(shí)際項(xiàng)目中真實(shí)的數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，只對(duì)數(shù)據(jù)做了一些模糊化處理，去掉唯一標(biāo)識(shí)等敏感性字段，但基本保留了原始數(shù)據(jù)中的重復(fù)、缺失、亂序等問題。在課程實(shí)踐成果檢查上，對(duì)項(xiàng)目的目標(biāo)沒有給出明確的要求，給學(xué)生一定的發(fā)揮空間。

把課程內(nèi)容分為五個(gè)階段，以綜合案例為一條線穿在一起（圖1），在每個(gè)階段都融入綜合案例中的某一個(gè)處理步驟，通過對(duì)整體項(xiàng)目的分解，使得學(xué)生在對(duì)單一知識(shí)點(diǎn)的把握上更有整體概念，培養(yǎng)學(xué)生的硬實(shí)力和軟實(shí)力[4]。如表1所示，把課程教學(xué)內(nèi)容分成五個(gè)部分，根據(jù)不同教學(xué)內(nèi)容的特征，把軌跡分析綜合案例也分為五個(gè)部分，根據(jù)教學(xué)進(jìn)度，把案例中的不同步驟融合到這門課程的章節(jié)教學(xué)當(dāng)中。

具體教學(xué)實(shí)施，把實(shí)際大數(shù)據(jù)工程場景中的數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)質(zhì)量低、預(yù)處理操作繁瑣、海量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析困難、數(shù)據(jù)有效解讀和展示等問題，通過和大數(shù)據(jù)計(jì)算這門課程內(nèi)容相結(jié)合，課程中除了介紹大數(shù)據(jù)組件的基本概念和原理外，穿插介紹案例中的具體任務(wù)（如表2），使學(xué)生即不會(huì)感覺千頭萬緒，無從下手，也不會(huì)感覺單個(gè)案例過分簡單而失去學(xué)習(xí)動(dòng)力，能持續(xù)激發(fā)學(xué)生挑戰(zhàn)能力和成就感。

課程實(shí)驗(yàn)環(huán)境為分為兩個(gè)階段，在表1的二，三，四部分，學(xué)生主要以掌握某個(gè)具體的組件使用為主，只需要調(diào)用部分?jǐn)?shù)據(jù)集，實(shí)驗(yàn)可以在機(jī)房單機(jī)中運(yùn)行，以個(gè)人提交作業(yè)為考核對(duì)象進(jìn)行打分。期末綜合大作業(yè)由團(tuán)隊(duì)為單位完成，可基于全部數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，學(xué)生利用所學(xué)的大數(shù)據(jù)相關(guān)技能自主設(shè)計(jì)場景，由于學(xué)生數(shù)量眾多，由老師對(duì)每個(gè)組的設(shè)想進(jìn)行評(píng)價(jià)，從場景設(shè)計(jì)開始盡量保證不同小組作業(yè)的多樣性和完整性，鼓勵(lì)學(xué)生通過租用學(xué)生云服務(wù)的方式進(jìn)行平臺(tái)搭建，小組成員各自申請(qǐng)一臺(tái)云服務(wù)器，組成三個(gè)節(jié)點(diǎn)的大數(shù)據(jù)平臺(tái)。學(xué)校提供包含6個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，部分創(chuàng)意較好，已經(jīng)完成基本開發(fā)代碼的學(xué)生，也可以申請(qǐng)使用學(xué)校的大數(shù)據(jù)集群資源處理數(shù)據(jù)。

3 具體教學(xué)方法實(shí)踐介紹

基于表1設(shè)計(jì)的教學(xué)模式，把綜合案例融入到大數(shù)據(jù)計(jì)算教學(xué)的各個(gè)章節(jié)中，以HBase操作教學(xué)為例，具體介紹課程教學(xué)方法實(shí)踐。

教學(xué)難點(diǎn)：HBase章節(jié)教學(xué)包括三個(gè)主要內(nèi)容。要點(diǎn)一講解HBase列數(shù)據(jù)庫和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的差異;要點(diǎn)二列族、列和行鍵設(shè)計(jì);要點(diǎn)三HBase的基本查詢語句和API調(diào)用。

場景設(shè)計(jì)：利用HBase數(shù)據(jù)庫在人群畫像中的廣泛應(yīng)用，綜合案例在本章節(jié)的內(nèi)容為在人群軌跡分析中，當(dāng)使用MapReduce處理完基本軌跡數(shù)據(jù)后，按不同時(shí)間顆粒度對(duì)每個(gè)人的出行習(xí)慣進(jìn)行特征提取，獲得每個(gè)人的出行習(xí)慣，例如對(duì)區(qū)域的訪問偏好，對(duì)場所的訪問等。

在實(shí)踐環(huán)節(jié)中，我們?cè)O(shè)計(jì)六個(gè)步驟如表2所示。

4 課程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)修改

因?yàn)槿诤狭司C合案例，因此我們?cè)诔煽冊(cè)u(píng)定拋棄了原先的期末一次性評(píng)價(jià)的方案，采用多角度過程性評(píng)價(jià)。大數(shù)據(jù)計(jì)算技術(shù)課程由考試方式改為考察方式，具體分?jǐn)?shù)占比為平時(shí)實(shí)驗(yàn)情況占40%，期末匯報(bào)占50%，考勤占10%?？疾靸?nèi)容依據(jù)軟件項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)和大數(shù)據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)，主要從系統(tǒng)的完整性、場景設(shè)計(jì)能力、可視化展示等方面進(jìn)行考察。此外，對(duì)項(xiàng)目完成實(shí)踐、項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)構(gòu)成等也作為一個(gè)重要的指標(biāo)。從2018年看，選修大數(shù)據(jù)計(jì)算技術(shù)這門課的86名學(xué)生的統(tǒng)計(jì)，可以獲得如下數(shù)據(jù)，如圖2所示。

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，單人組的學(xué)生或很優(yōu)秀，或比較差，三人組的學(xué)生成績多為良好和中等;優(yōu)秀學(xué)生的主動(dòng)性比較強(qiáng)，完成時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于普通學(xué)生;大部分學(xué)生通過案例的分解和場景組織，能在中間檢查點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的幫助下基本完成任務(wù)，對(duì)大數(shù)據(jù)應(yīng)用的整體開發(fā)流程有所掌握。由此可見，融入綜合案例，可以使部分優(yōu)秀學(xué)生較早的從班級(jí)中脫穎出來，并且鎖定掌握程度較差的學(xué)生，便于老師分層教學(xué)。

最后，課程產(chǎn)出的部分模型和可視化內(nèi)容，融入到產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目中，估計(jì)學(xué)生申請(qǐng)國創(chuàng)計(jì)劃和浙江省青苗計(jì)劃。2018年基于課程實(shí)踐，共申請(qǐng)發(fā)明專利兩項(xiàng)，指導(dǎo)發(fā)表SCI論文多篇。同時(shí)，部分學(xué)生根據(jù)該課程的理論與實(shí)踐內(nèi)容選擇課題作為畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容。

5 結(jié)束語

針對(duì)大數(shù)據(jù)課程的特點(diǎn)，為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)際學(xué)習(xí)效果， 培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，我們嘗試采用新工科工程教育模式和OBE模式對(duì)課程進(jìn)行改革和實(shí)踐。走出舊思維，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)發(fā)展、學(xué)校和企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)、產(chǎn)業(yè)評(píng)價(jià)為主體，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)更貼近實(shí)際。通過課程內(nèi)容改革，使得學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)比較明確。對(duì)學(xué)習(xí)過程進(jìn)行分步管理也促使學(xué)生在課堂之外花更多的時(shí)間自我學(xué)習(xí)，符合該門課程的特點(diǎn)和要求。該課程改革提高了學(xué)生的工程實(shí)踐意識(shí)和工程實(shí)踐能力，取得了一定成效。

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