新工科背景下數(shù)據(jù)挖掘課程綜合性實驗設(shè)計

衛(wèi)志華，孔思尹，丁志軍，趙才榮

（同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804）

0 引 言

21 世紀(jì)信息技術(shù)的發(fā)展使得萬物互聯(lián)成為可能，標(biāo)志著全面互聯(lián)時代的到來?；ヂ?lián)網(wǎng)時代全球數(shù)據(jù)量爆炸性增長，數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)的深度融合形成新的行業(yè)創(chuàng)新點不僅帶來了新的經(jīng)濟(jì)增長點，也使得數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)產(chǎn)生的價值受到越來越廣泛的關(guān)注。目前國內(nèi)高校人才培養(yǎng)仍然呈現(xiàn)出重基礎(chǔ)理論輕實踐的現(xiàn)狀[1]，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[2]。面對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的歷史性交匯帶來的新機遇以及國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新形態(tài)，傳統(tǒng)從事數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用的人才已經(jīng)難以適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)時代的新要求[3-4]，產(chǎn)業(yè)界迫切需要新興工科人才的支持。在新工科背景下，數(shù)據(jù)挖掘課程實驗應(yīng)當(dāng)以解決工業(yè)界實際問題為導(dǎo)向，摒棄傳統(tǒng)的以單一理論和算法為主的設(shè)計，增強學(xué)生綜合利用所學(xué)知識解決實際問題的能力，從而達(dá)到新型工科人才的培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)新工科背景下大數(shù)據(jù)人才的培養(yǎng)要求，結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘課程挑戰(zhàn)性[5]實驗的定位，重新設(shè)計綜合實驗的內(nèi)容、教學(xué)和評價體系。

1 實驗方案設(shè)計

綜合實驗的設(shè)計應(yīng)貫徹“以學(xué)生為本，以能力培養(yǎng)為核心”[1]的教學(xué)理念，從學(xué)生的興趣和互聯(lián)網(wǎng)實際應(yīng)用場景出發(fā)，選擇微博評論或話題的情感分析作為主題，由學(xué)生選擇他們關(guān)注的熱門評論或話題作為切入點，形成完整的從數(shù)據(jù)采集、存儲到分析并評價結(jié)果的流程。在實驗過程中始終遵循新工科人才的培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，在提升學(xué)生學(xué)習(xí)和思考等硬實力的同時，也要兼顧學(xué)生溝通和表達(dá)能力等軟實力的提升。綜上，實驗方案的總體設(shè)計見表1。

2 實驗內(nèi)容設(shè)計

實驗內(nèi)容設(shè)計需要兼顧完成度和挑戰(zhàn)性，循序漸進(jìn)，在提升學(xué)生自信心的同時，進(jìn)一步挖掘?qū)W生的潛力。在完成度方面，將綜合性實驗細(xì)化、拆分成3 個小實驗，引導(dǎo)學(xué)生思考并解決此類綜合性問題。在挑戰(zhàn)性方面，為每個小實驗都設(shè)置不同的進(jìn)階難度，并設(shè)置相應(yīng)的分?jǐn)?shù)值以及加分項，以激勵學(xué)生從不同的視角進(jìn)一步探索該問題，舉一反三。微博評論或話題的情感分析實驗內(nèi)容簡要總結(jié)見表2。

表1 綜合實驗方案總體設(shè)計

表2 微博評論或話題的情感分析（代碼部分共50 分，最高加10 分）

實驗3 是整個實驗的核心部分，按照不同的粒度對文本的情感做出分析，難度也有所不同。學(xué)生可結(jié)合自身情況選擇不同的分析粒度，采取不同的方式來完成數(shù)據(jù)分析，并嘗試改進(jìn)算法，提升實驗的準(zhǔn)確率。由于不同的方式均有不同的優(yōu)缺點和實現(xiàn)難度，挑戰(zhàn)也有所不同，因此在設(shè)計時把該部分單獨提出來，只進(jìn)行進(jìn)一步縱向區(qū)分實驗難度和挑戰(zhàn)性。該部分加分項的設(shè)計主要是考查學(xué)生對問題進(jìn)行迭代思考和解決的過程，不設(shè)立具體的加分點，鼓勵學(xué)生自由探索和嘗試。加分項遵循性能提升的準(zhǔn)則，加分的多少則視學(xué)生思考的深度和廣度而定。詞語級別的情感分析僅考慮文本中單個詞語的情感強度，以基于詞典的情感分析為例，主要統(tǒng)計文本中情感詞強度以及計算近似情感詞強度，其實驗內(nèi)容簡要總結(jié)如圖1 所示。

圖1 詞語級別的情感分析實驗內(nèi)容

句子級別的情感分析除考慮單個詞語情感強度外還需要考慮詞語之間的關(guān)系，以基于word2vec 的情感分析為例，主要就是通過詞向量進(jìn)一步細(xì)化程度副詞修飾下的情感詞強度，其實驗內(nèi)容簡要總結(jié)如圖2 所示。

篇章級別的情感分析需要確定一個整體情緒的方向性，綜合考慮詞語之間、句子之間的情感強度，以基于LSTM 情感分析為例，進(jìn)一步考慮句子之間的情感關(guān)系，其實驗內(nèi)容簡要總結(jié)如圖3 所示。

圖2 句子級別的情感分析實驗內(nèi)容

圖3 篇章級別的情感分析實驗內(nèi)容

基于詞典的情感分析鼓勵學(xué)生從詞語的層面出發(fā)，思考和改進(jìn)情感詞典構(gòu)建、新詞發(fā)現(xiàn)、語義相似度評估等[6]；基于word2vec 的情感分析鼓勵學(xué)生從句子層面出發(fā)，利用情感特征聚類、多特征融合、多種分類方式相輔助等[7]機器學(xué)習(xí)的方式去完善和改進(jìn)分析結(jié)果；基于LSTM 的情感分析則鼓勵學(xué)生從篇章角度出發(fā)，采用層次化、Attention 機制以及Bi-LSTM 等[8]深度學(xué)習(xí)的方式去優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)。三者的目的都是為了拋磚引玉，引導(dǎo)學(xué)生深入思考并發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新點。

3 教學(xué)手段設(shè)計

學(xué)生在綜合性實驗中的收獲很大程度上依賴教學(xué)手段，傳統(tǒng)教學(xué)模式主要是“聽中學(xué)”，學(xué)生很容易出現(xiàn)“一聽就懂，一用就錯”的情況，因此新工科背景下教學(xué)方式也應(yīng)當(dāng)進(jìn)行相應(yīng)改革，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力，真正實現(xiàn)“做中學(xué)”。此外，還可引入公共競賽機制，即學(xué)生采用同樣的數(shù)據(jù)集完成對比實驗，并將結(jié)果指標(biāo)作為評分依據(jù)之一，激勵學(xué)生進(jìn)一步探索解決問題的新方式。

在教學(xué)過程中，教師的職能從傳統(tǒng)的理論逐點講解轉(zhuǎn)變?yōu)閽伋鰡栴}、引導(dǎo)思考、答疑解惑，應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，促使學(xué)生能夠通過查閱資料、做實驗、與教師和同學(xué)討論等多種方式自主探索并解決問題[9]。在完成基礎(chǔ)性實驗的過程中，將實驗內(nèi)容進(jìn)行拆解，并給予一定的參考思路，培養(yǎng)學(xué)生對綜合性復(fù)雜問題進(jìn)行拆分和解決的能力。在完成挑戰(zhàn)性實驗的過程中，用加分的方式鼓勵學(xué)生對實驗結(jié)果做進(jìn)一步的思考和分析，探索現(xiàn)有方案存在的問題和可改進(jìn)的措施，迭代更新實驗方案，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性思考和解決問題的能力。教學(xué)實施方案如圖4 所示。

4 評價方式設(shè)計

在實驗評價過程中遵循多角度、全方位評價準(zhǔn)則，細(xì)化實驗評價指標(biāo)，在對學(xué)生進(jìn)行橫向比較的同時兼顧縱向評估。細(xì)化實驗評價指標(biāo)是指盡量做到每一步驟評分都有跡可循，在代碼實現(xiàn)方面強調(diào)學(xué)生的動手能力，表現(xiàn)為列出每一個完成項和挑戰(zhàn)項可得的相應(yīng)分?jǐn)?shù)；在報告和PPT 方面強調(diào)學(xué)生的思考和表達(dá)能力，闡明相應(yīng)的思路和觀點即可得到對應(yīng)的分?jǐn)?shù)。對學(xué)生進(jìn)行橫向比較是指在同樣的實驗條件下，對同一小組成員綜合實驗的完成情況作對比，作為整體實驗難度和指標(biāo)進(jìn)一步調(diào)整的依據(jù)，避免出現(xiàn)實驗太簡單沒有挑戰(zhàn)性或者是太難令學(xué)生喪失信心的情況。對學(xué)生進(jìn)行縱向比較則是根據(jù)學(xué)生個人能力和努力程度對分?jǐn)?shù)進(jìn)行微調(diào)，學(xué)生成長環(huán)境和個人經(jīng)歷有很大的差異，知識和能力的積累也有所不同，恰當(dāng)?shù)墓膭詈涂隙軌蚋玫卮龠M(jìn)學(xué)生的提升。綜上，實驗整體結(jié)果評價方式見表3。

圖4 教學(xué)手段實施方案

5 結(jié) 語

教師在授課過程中，強調(diào)以“學(xué)生為主，教師為輔”，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生完成探索和實踐，進(jìn)一步提高學(xué)生能力。首先，在選題方面考慮學(xué)生的興趣和互聯(lián)網(wǎng)中的真實場景，定為微博評論或話題的情感分析；其次，在實驗內(nèi)容方面考慮學(xué)生的完成度和挑戰(zhàn)度，將綜合實驗拆分成一系列由易到難的小實驗；然后，在實驗教學(xué)方法方面，考慮培養(yǎng)學(xué)生的自主性和解決實際問題的能力，用提供參考資料的方式取代完整的實驗指導(dǎo)書；最后，在實驗評價方面，考慮學(xué)生的縱向和橫向?qū)Ρ?，采用實驗報告、性能指?biāo)、答辯等成績的加權(quán)平均作為最終成績。該綜合性實驗以數(shù)據(jù)挖掘課程為切入點，積極發(fā)揮教師的鼓勵、啟發(fā)和引導(dǎo)作用，并且充分考慮了學(xué)生的主觀能動性，與新工科背景下計算機人才的培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)相契合，提升了學(xué)生幾方面的能力：①培養(yǎng)學(xué)生靈活運用數(shù)據(jù)挖掘課程中所學(xué)的各種算法和模型的能力；②在啟發(fā)式教學(xué)過程中提高學(xué)生對復(fù)雜的綜合性問題進(jìn)行拆分和逐步解決的能力；③在提升學(xué)生基于實驗方案正確編寫實驗代碼能力的同時，拓寬了學(xué)生的視野，使學(xué)生了解并在一定程度上掌握數(shù)據(jù)挖掘的各類工具；④培養(yǎng)學(xué)生查閱并利用參考資料的能力，在學(xué)習(xí)其他文獻(xiàn)的分析方法中針對自己的實驗作出獨立思考和分析，探索并改進(jìn)方案的缺陷；⑤提高學(xué)生溝通、表達(dá)以及團(tuán)隊協(xié)作的能力，在解決問題時做到事半功倍。

表3 實驗結(jié)果評價方式

挑戰(zhàn)性綜合實驗在課程的教學(xué)過程中反饋良好，整體上學(xué)生表示通過綜合性實驗?zāi)軌蛑鸩教嵘治龊徒鉀Q問題的能力，所學(xué)知識能夠真正與課本中的理論結(jié)合起來并運用在職業(yè)生涯中，但兩極分化現(xiàn)象仍然存在，有的學(xué)生在迭代分析改進(jìn)過程中能創(chuàng)新性地提出文獻(xiàn)中沒有的思路和解決方式，有的學(xué)生卻因為種種原因連最低要求都不能完成。因此，在教學(xué)過程中，教師在認(rèn)識到差距不能避免的同時，應(yīng)該盡量為學(xué)生提供幫助，避免學(xué)生因為求助無門而導(dǎo)致學(xué)習(xí)困難、任務(wù)無法完成的情況。