新工科背景下大數(shù)據(jù)專業(yè)課程建設(shè)

周黎鳴 林英豪 李征 陳小潘

摘? 要： 為完善數(shù)據(jù)科學與大數(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，提出了能力導向和案例驅(qū)動相結(jié)合的教學方法并闡述了該教學方法的設(shè)計。

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

中圖分類號：G642????????? 文獻標識碼：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)）是一個新興專業(yè)，2016年2月，北京大學、對外經(jīng)貿(mào)大學、中南大學三所大學首次成功申請;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所學校獲批大數(shù)據(jù)專業(yè)辦學資格[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)《促進大數(shù)據(jù)發(fā)展行動綱要》，系統(tǒng)地指導我國大數(shù)據(jù)發(fā)展的國家頂層設(shè)計和總體部署大數(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)展具有很強的促進作用，這些使得大數(shù)據(jù)方面的技術(shù)人才成為當前社會需求的熱點。全球頂尖管理咨詢公司麥肯錫（McKinsey）出具的一份詳細分析報告預(yù)計大數(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

新工科既要求建立綜合性、交叉性的學科，又要求培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型人才，其中在實踐應(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生的綜合能力，讓學生適應(yīng)新時代社會的需要[5]。

目前，大數(shù)據(jù)技術(shù)在各個領(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

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

⑴ 培養(yǎng)數(shù)據(jù)科學與大數(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 掌握自然科學和人文社科基本知識，具有良好的科學素養(yǎng)、職業(yè)道德和社會責任心。

⑶ 掌握計算機科學、數(shù)據(jù)科學及大數(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、實踐課程組成?；A(chǔ)課程包括與數(shù)學、統(tǒng)計學和計算科學相關(guān)的課程，主要培養(yǎng)學生基礎(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)學生的大數(shù)據(jù)應(yīng)用與開發(fā)能力;實踐課程包括數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化、Web編程等課程，主要培養(yǎng)學生的實踐動手能力。數(shù)據(jù)科學與大數(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設(shè)計

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)計分析、scikit-learn等基礎(chǔ)內(nèi)容，學習聚類、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、理論與實踐相結(jié)合的教學方式。通過學習，使學生掌握利用Python進行數(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 教學方法

⑴ 課前知識預(yù)習

為了提升學生的學習興趣和自學能力，每次課前，教師在超星學習通平臺上發(fā)布學習要求和相關(guān)內(nèi)容，包括PPT、教學內(nèi)容、學習視頻、數(shù)據(jù)集、課堂實驗、實踐項目、課后作業(yè)。學生可以根據(jù)所學知識掌握情況，提前預(yù)習所學內(nèi)容，并把學習中遇到的問題提交到學習通上。根據(jù)學生提出的問題，教師有針對性的準備授課內(nèi)容，并提供更多的實踐項目，讓學生掌握所學的知識點。

⑵ 課堂教學

通過課前預(yù)習，學生已經(jīng)了解課堂要講的知識點。為了更好地讓學生學以致用，課堂教學環(huán)節(jié)安排在機房授課，這樣既可以讓學生掌握理論知識，又能進行實際操作，從而達到理論與實踐相結(jié)合的目的。通過機房授課，學生帶著問題聽課，可以起到事半功倍的效果，也進一步增加了學生的自學能力和解決問題的能力。同時，教師通過代碼演示和講解，也能讓學生更深地理解相關(guān)知識點。此外，在機房上課時，如果學生在實踐操作中有問題，教師可以及時為學生講解并尋找解決問題的辦法。學生把理論知識運用到實踐操作中，可以起到復(fù)習和鞏固的效果。

⑶ 課后反饋

除了課堂教學外，該課程還組織課后交流討論環(huán)節(jié)，學生可以通過學習通平臺發(fā)起討論主題或者通過QQ群提問等方式，與老師和同學進行問題討論。通過學習交流，學生把學習中遇到的問題反饋給教師，教師可以及時調(diào)整教學方法和教學內(nèi)容，通過讓學生參與到教學的各個環(huán)節(jié)，從而激發(fā)學生的學習熱情，讓學生在輕松愉快地氛圍中掌握知識。

3.2 實驗內(nèi)容設(shè)計

為了讓學生更好地掌握理論知識，本課程設(shè)置9個實驗項目，每個實驗項目中包含了對應(yīng)知識點的實驗，學生既可以通過實驗來檢驗理論知識的掌握情況，又能在實踐中積累解決問題的思想與方法，從而為實踐項目打下堅實的基礎(chǔ)。通過實驗，不僅可以培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，還可以幫助學生建立自信，增強學生的學習興趣。

在實驗項目類型上，本課程分為設(shè)計性實驗和綜合性實驗。設(shè)計性實驗包括Anaconda環(huán)境搭建、Jupyter Notebook使用、Numpy數(shù)值計算、Matplotlib數(shù)據(jù)可視化、pandas統(tǒng)計分析與數(shù)據(jù)預(yù)處理、scikit-learn模型構(gòu)建。設(shè)計性實驗主要考察學生的理論知識，讓學生在“練中學、學中練”，從而增強學生的動手能力和邏輯思維能力。綜合性實驗包括航空公司客戶價值分析、財政收入預(yù)測分析、家用熱水器用戶行為分析與事件識別。綜合性實驗主要考察學生的實際運用能力，通過與實際問題相結(jié)合，用所學知識和數(shù)據(jù)分析方法來解決實際問題，從而幫助學生理解如何進行數(shù)據(jù)分析和可視化展示。本課程設(shè)置9個實驗項目，如表3所示。

3.3 課外實踐

⑴ 實訓平臺

為了幫助學生掌握所學知識，本課程利用大數(shù)據(jù)實訓平臺進行輔助教學，如圖1所示，實訓平臺中，每個實驗任務(wù)有詳細的實驗要求和步驟，學生根據(jù)知識掌握情況進行課下學習。同時，學生在實訓平臺上還能與其他同學進行交流與分享。教師在后臺管理系統(tǒng)中，能隨時掌握學生的學習進度以及出現(xiàn)的問題，教師把問題整理后，再以案例形式給學生進行講解，從而幫助學生掌握知識點。

⑵ 綜合實踐項目

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

3.4 評價方式

本課程采用過程性評價方式，注重學生動手能力培養(yǎng)，把評價方式貫穿于整個教學過程。其中，學期綜合成績包括平時成績和期末成績，分別占比70%和30%，平時成績包括作業(yè)20%、實驗報告20%、階段性考試30%。通過過程性評價考核，可以促進學生注重平時學習的積累，防止學生期末突擊復(fù)習，進而提高學習質(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艱巨任務(wù)。數(shù)據(jù)分析與可視化課程注重培養(yǎng)學生的動手能力和邏輯思維能力、解決實際問題的能力，注重理論與實踐相結(jié)合，需要通過理論講解、機房實驗、實訓平臺、綜合實踐相結(jié)合的方式，幫助學生理解并掌握相關(guān)知識點。為了培養(yǎng)高素質(zhì)大數(shù)據(jù)人才，在今后的教學與實踐中，本課程還需不斷探索和借鑒新的教學理念與教學方法，進一步豐富并完善本課程教學內(nèi)容。

參考文獻（References）：

[1] 汪中，施培蓓，數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)建設(shè)研究[J].安慶師范大學學報（自然科學版），2019.1：117-120

[2] 劉翔，石蘊玉，方志軍，等，以新工科思維建設(shè)數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)[J].教育現(xiàn)代化，2019.86：169-170

[3] 王萌，王曉榮，韋璐，數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)建設(shè)實踐與思考[J].高教論壇，2019.8：35-38，87

[4] 肖大薇，姜立秋，李彤，新工科背景下應(yīng)用型大數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)路徑探究[J].計算機教育，2019.4：89-92

[5] 張勝男，牛連強，張志佳等.能力導向的應(yīng)用型本科大數(shù)據(jù)專業(yè)課程群建設(shè)研究[J].計算機教育，2019.5：142-145

[6] 數(shù)據(jù)科學與工程專業(yè)建設(shè)協(xié)作組著.數(shù)據(jù)科學與工程專業(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

基金項目：河南大學教學改革研究與實踐項目“面向工程實踐與能力培養(yǎng)的《Java程序設(shè)計》實踐教學改革（HDXJJG2018-48）”; “面向新工科的《Java Web程序設(shè)計》課程改革與實踐探索（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)。