面向綜合素養(yǎng)培育的數(shù)據(jù)可視化課程教學(xué)改革與實(shí)踐

朱 敏，溫嘯林，甘啟宏

（1.四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院；2.四川大學(xué) 信息化建設(shè)與管理辦公室，四川 成都 610065）

0 引言

在教育體制改革總體部署中，《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020 年）》第一次提出了人才培養(yǎng)體制改革和人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新的任務(wù)?！蛾P(guān)于科學(xué)編制國家教育事業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃的建議》中亦倡導(dǎo)探索基于學(xué)科的課程綜合化教學(xué)，以全面培養(yǎng)更多高素質(zhì)人才。培養(yǎng)具備綜合科研素養(yǎng)的優(yōu)秀人才已成為國家教育事業(yè)發(fā)展的迫切需求，因此探究如何改革專業(yè)課程以適應(yīng)培育綜合素養(yǎng)的目標(biāo)成為當(dāng)前“雙一流”大學(xué)構(gòu)建創(chuàng)新型人才培養(yǎng)體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文以數(shù)據(jù)可視化課程為例，從內(nèi)容設(shè)置、評價(jià)方式等方面提出教學(xué)改革思路，并在創(chuàng)新實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)以供參考。

1 數(shù)據(jù)可視化課程現(xiàn)狀分析

“可視化”一詞自2013 年以來，連續(xù)數(shù)年出現(xiàn)在“大數(shù)據(jù)十大發(fā)展趨勢預(yù)測”中。數(shù)據(jù)可視化研究的是如何利用優(yōu)美的圖形、清晰的界面對海量、復(fù)雜、枯燥的數(shù)據(jù)與文字進(jìn)行表達(dá)，同時(shí)提供直觀的、具有良好用戶體驗(yàn)的交互手段，使人們能快速獲取信息、發(fā)現(xiàn)異?；驖撛谝?guī)律并作出相應(yīng)決策。數(shù)據(jù)可視化已被廣泛應(yīng)用于商務(wù)智能、區(qū)塊鏈、社交媒體、數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)等多個(gè)領(lǐng)域。

數(shù)據(jù)可視化課程從數(shù)據(jù)的獲取、處理與分析入手，重點(diǎn)探討如何建立有效的數(shù)據(jù)可視化方法。國外多所高校已開設(shè)相關(guān)課程，如美國的猶他大學(xué)、加拿大的英屬哥倫比亞大學(xué)、澳大利亞的拉籌伯大學(xué)、日本的東京大學(xué)等；國內(nèi)也有知名大學(xué)的團(tuán)隊(duì)相繼開設(shè)該類課程，如北京大學(xué)的袁曉如團(tuán)隊(duì)、浙江大學(xué)的陳為團(tuán)隊(duì)、同濟(jì)大學(xué)的曹楠團(tuán)隊(duì)、香港科技大學(xué)的屈華民團(tuán)隊(duì)等。

現(xiàn)有可視化課程教學(xué)的基本思路主要包括兩個(gè)步驟：第一步介紹人類的感知和可視化設(shè)計(jì)原理等理論知識；第二步講解ECharts 和D3 等可視化工具庫并要求學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識創(chuàng)建可視化圖表。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化課程主要面向?qū)W生的數(shù)字素養(yǎng)進(jìn)行培育，雖然課程內(nèi)容能基本滿足數(shù)據(jù)可視化人員的入門要求，但遠(yuǎn)未能達(dá)到具備專業(yè)知識、工程能力、創(chuàng)新意識的綜合型人才培育目標(biāo)。目前，可視化課程教學(xué)主要存在以下兩個(gè)問題：①內(nèi)容設(shè)置局限于數(shù)據(jù)可視化理論知識方面，未考慮對學(xué)生研讀論文、撰寫文檔、講解報(bào)告等科研素質(zhì)的培養(yǎng)；②學(xué)業(yè)評價(jià)方式不能充分調(diào)動學(xué)生動手實(shí)踐的積極性，無法全面有效地驗(yàn)證學(xué)生在上課過程中對綜合素養(yǎng)的鍛煉與提升情況。

2 面向綜合素質(zhì)培育的課程教學(xué)改革思路與實(shí)踐

基于可視化課程教學(xué)現(xiàn)狀，本文提出面向綜合素質(zhì)培育的教學(xué)改革思路。該思路主要分為課程內(nèi)容的拓展創(chuàng)新與評價(jià)方式的創(chuàng)新設(shè)計(jì)兩部分，共同促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的培育。

2.1 課程內(nèi)容拓展創(chuàng)新

為實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建數(shù)據(jù)可視化課程的初衷，課程內(nèi)容設(shè)置應(yīng)以數(shù)據(jù)可視化理論知識與可視化項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)為內(nèi)核，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新拓展。教學(xué)內(nèi)容拓展的具體實(shí)施手段包括教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)團(tuán)隊(duì)兩個(gè)方面的資源導(dǎo)入。

2.1.1 教學(xué)內(nèi)容的資源導(dǎo)入

教學(xué)內(nèi)容的資源導(dǎo)入是指將可視化領(lǐng)域?qū)W術(shù)資源帶入課堂，幫助學(xué)生充分了解課程內(nèi)容與科研的內(nèi)在聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)。頂刊和頂會學(xué)術(shù)論文中研究的問題很有價(jià)值，對于研究意義的表述更為具體，文章所用方法與技術(shù)先進(jìn)且流程規(guī)范。引入可視化領(lǐng)域的頂刊、頂會等學(xué)術(shù)信息，在考核體系中對于主動分享學(xué)術(shù)論文的學(xué)生設(shè)立加分項(xiàng)?；A(chǔ)理論知識學(xué)習(xí)過程中可穿插科學(xué)文獻(xiàn)的研讀，有助于學(xué)生理解該領(lǐng)域解決問題的方法，規(guī)范可視化設(shè)計(jì)與開發(fā)流程，凝練出更有價(jià)值的研究點(diǎn)。

介紹可視化領(lǐng)域主要專業(yè)競賽，允許學(xué)生將參賽題目作為課程項(xiàng)目選題，并提供競賽指導(dǎo)與支持。專業(yè)競賽是鍛煉學(xué)生綜合素養(yǎng)的最佳途徑之一，競賽題目一般切合實(shí)際應(yīng)用場景的需求，可視化目標(biāo)與任務(wù)明確。以競賽題目作為可視化項(xiàng)目選題有助于學(xué)生深刻感受數(shù)據(jù)可視化的應(yīng)用價(jià)值，理解如何將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為具體的可視化任務(wù)與目標(biāo)。同時(shí)，競賽題目可以節(jié)省尋找問題、收集數(shù)據(jù)、清洗數(shù)據(jù)等復(fù)雜工作流程耗時(shí)，幫助學(xué)生將更多精力投入到可視化技術(shù)學(xué)習(xí)中。

介紹國內(nèi)外具有代表性的可視化課程網(wǎng)站、實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)，鼓勵(lì)學(xué)生跟蹤了解，并積極申請相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的參觀與實(shí)習(xí)。了解可視化領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究動態(tài)可以開闊視野，削弱學(xué)生參與科研的界限，為其科研能力培養(yǎng)提供廣泛支持。

2.1.2 教學(xué)團(tuán)隊(duì)的資源導(dǎo)入

僅從可視化教學(xué)內(nèi)容角度推動綜合科研素養(yǎng)的培育往往不夠全面，合理利用外部教學(xué)資源能彌補(bǔ)這一不足，因此需要調(diào)整教學(xué)團(tuán)隊(duì)的結(jié)構(gòu)，引入課程外與可視化高度相關(guān)的教學(xué)資源，為學(xué)生提供多元化的知識輸入，從而達(dá)到提升其綜合能力的目標(biāo)。實(shí)施方式主要為邀請可視化領(lǐng)域?qū)＜覐牟煌嵌冗M(jìn)行經(jīng)驗(yàn)交流與學(xué)術(shù)分享。具體操作為：邀請高校高水平科研團(tuán)隊(duì)中有代表性的老師入駐課程，從數(shù)據(jù)可視化教學(xué)角度分享經(jīng)驗(yàn)，如浙江大學(xué)可視化領(lǐng)域?qū)＜谊悶椋▋?yōu)青、教授、博導(dǎo)）；邀請行業(yè)領(lǐng)域?qū)＜抑v述可視化的應(yīng)用，開拓學(xué)生眼界，如邀請四川日報(bào)MORE 大數(shù)據(jù)工作室負(fù)責(zé)人高敬講述數(shù)據(jù)新聞；邀請研究生、上屆選課學(xué)生圍繞項(xiàng)目選題、數(shù)據(jù)獲取與處理、團(tuán)隊(duì)合作模式、進(jìn)度控制、資源獲取與使用、報(bào)告撰寫等多個(gè)角度進(jìn)行信息分享；邀請深造的同學(xué)圍繞推免、夏令營、境外深造、考研、研究生學(xué)習(xí)等進(jìn)行深度分享與持續(xù)資源支持。

教學(xué)團(tuán)隊(duì)的資源導(dǎo)入不同于只有師生的傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式，豐富的教學(xué)內(nèi)容使其不僅僅局限于理論知識的傳授與實(shí)踐能力的培養(yǎng)。其可從科研視野、未來規(guī)劃、學(xué)習(xí)方法、技術(shù)路線等多個(gè)方面培育學(xué)生的綜合素養(yǎng)，從而達(dá)到更好的教學(xué)效果。

2.2 評價(jià)方式創(chuàng)新設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)學(xué)業(yè)評價(jià)方式主要是學(xué)生基于課程中學(xué)到的知識完成可視化項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，同時(shí)將平時(shí)出勤情況與可視化實(shí)現(xiàn)效果作為成績評價(jià)的主要參考依據(jù)。該考核方式難以充分調(diào)動學(xué)生積極性，容易將學(xué)習(xí)重心放在最終項(xiàng)目的技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，在課程學(xué)習(xí)過程中缺少參與感。此外，雖然項(xiàng)目式教學(xué)能有效提升學(xué)生的動手實(shí)踐能力，但僅以可視化項(xiàng)目實(shí)施結(jié)果判斷學(xué)生在課程中的收獲較為片面，無法全面有效地對學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、工程意識、研究探索意識、持續(xù)學(xué)習(xí)能力以及運(yùn)用專業(yè)知識解決實(shí)際問題等綜合能力的提升情況進(jìn)行判斷，因此需要一種更具綜合性、靈活性、實(shí)踐性的考核體系。

本文提出“分組教學(xué)+過程化”的非標(biāo)準(zhǔn)化考核方式，有效結(jié)合過程性評價(jià)與總結(jié)性評價(jià)。非標(biāo)準(zhǔn)化考核是指采用多元化考核方式與多維度評價(jià)體系，避免出現(xiàn)傳統(tǒng)考核體系方式單一、內(nèi)容僵化及目標(biāo)功利化等問題。每個(gè)學(xué)生的考核內(nèi)容包括課堂表現(xiàn)與參與、項(xiàng)目小組匯報(bào)、個(gè)人課程報(bào)告3個(gè)部分，后兩部分共占90%的比重，且與以小組為單位的項(xiàng)目有關(guān)。分組教學(xué)和考核過程的具體實(shí)施方法為：

（1）分組教學(xué)。學(xué)生以小組為單位完成可視化項(xiàng)目、論文研讀分享等任務(wù)。小組教學(xué)已被證實(shí)在計(jì)算機(jī)教學(xué)中具有顯著成效，能有效促進(jìn)學(xué)生交流，營造濃厚的課堂研討與活躍的教學(xué)互動氛圍。與個(gè)人完成相比，分組完成的好處在于小組成員可以發(fā)揮各自優(yōu)勢并在合作過程中彌補(bǔ)自身不足，促進(jìn)共同進(jìn)步。課程要求小組成員以合作的方式完成題目擬定、數(shù)據(jù)解讀、任務(wù)定義、視圖選擇、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、分析與改進(jìn)等任務(wù)，既是對專業(yè)能力的綜合訓(xùn)練，也是對思維、表達(dá)、合作、創(chuàng)新能力的全面訓(xùn)練。

（2）過程化考核。將考核貫穿教學(xué)的全過程，分階段考察學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。具體考核體系如圖1 所示。

Fig.1 Assessment system of data visualization course圖1 數(shù)據(jù)可視化課程考核體系

過程化考核分為小組考核與個(gè)人考核兩部分。小組成員需要協(xié)作完成論文研讀分享與可視化項(xiàng)目兩個(gè)主要任務(wù)。論文研讀分享項(xiàng)目要求小組成員從課上介紹的可視化領(lǐng)域頂會和頂刊中選擇感興趣的文章，綜合考慮文章發(fā)表團(tuán)隊(duì)、發(fā)表時(shí)間、主題、貢獻(xiàn)、研究領(lǐng)域、技術(shù)與方法等因素，形成論文選擇建議文檔，交由教師審核。審核通過后，小組成員需研讀所選文章，使用幻燈片將理解與收獲在課上進(jìn)行分享?？梢暬?xiàng)目的考核遵循軟件開發(fā)全流程，項(xiàng)目初期根據(jù)選題廣泛調(diào)研國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，確定研究問題，定義可視化分析任務(wù)，設(shè)計(jì)預(yù)期系統(tǒng)界面并形成項(xiàng)目建議書；項(xiàng)目中期需要以幻燈片的形式對組內(nèi)分工、研究進(jìn)展、所遇問題及解決方案等進(jìn)行匯報(bào)，及時(shí)督促進(jìn)展緩慢的小組；項(xiàng)目終期要求實(shí)現(xiàn)可即時(shí)訪問的在線可視化項(xiàng)目，完整匯報(bào)項(xiàng)目研究意義、技術(shù)路線、實(shí)現(xiàn)流程、最終效果，總結(jié)項(xiàng)目實(shí)施過程中存在的不足與收獲，撰寫完整的項(xiàng)目文檔并提交存檔。個(gè)人考核除平時(shí)出勤考核外，可將課堂提問與發(fā)言以及課后個(gè)人課程報(bào)告作為額外加分項(xiàng)目，用于提升學(xué)生課堂參與感，調(diào)動其學(xué)習(xí)積極性。

3 課程改革與創(chuàng)新效果分析

3.1 課程教學(xué)情況

2017-2020 年，學(xué)生對數(shù)據(jù)可視化課程的選課積極性較高，具體實(shí)施效果如表1 所示。選課人數(shù)累計(jì)254 人，每年選課人數(shù)穩(wěn)定維持在50 人以上。在成果產(chǎn)出方面，共形成課程項(xiàng)目案例67個(gè)，其中1個(gè)課程案例在四川大學(xué)課堂教學(xué)質(zhì)量綜合評價(jià)研討會上進(jìn)行了分享展示，2個(gè)課程案例入選川大e 教務(wù)系統(tǒng)。此外，教學(xué)改革基于課程項(xiàng)目案例、實(shí)驗(yàn)室學(xué)位論文案例、行業(yè)案例建設(shè)了可視化課程案例庫，用于后續(xù)教學(xué)并開放共享。部分課程項(xiàng)目案例見圖2。

Table 1 Implementation effect of data visualization course表1 數(shù)據(jù)可視化課程實(shí)施效果

3.2 綜合素養(yǎng)培育情況

通過教學(xué)改革，理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)深度融合，課堂吸引力增強(qiáng)，學(xué)生課堂探討氛圍濃厚、教學(xué)互動活躍。全過程、多維度的學(xué)業(yè)評價(jià)體系增強(qiáng)了學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度，使學(xué)生課下團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識增強(qiáng)。非標(biāo)準(zhǔn)答案的課程項(xiàng)目更是激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識，獲得了“四川大學(xué)2018 年非標(biāo)準(zhǔn)答案考試”試題優(yōu)秀獎(jiǎng)。

在以課程項(xiàng)目為主體的分組教學(xué)方面，學(xué)生完成的項(xiàng)目報(bào)告和個(gè)人課程報(bào)告能充分體現(xiàn)其課程收獲與看法，是收集學(xué)生課后反饋并進(jìn)一步改進(jìn)課程設(shè)置的重要途徑。報(bào)告中學(xué)生對于課程收獲的描述主要體現(xiàn)在科研素養(yǎng)訓(xùn)練和專業(yè)能力提升兩方面?？蒲兴仞B(yǎng)包括對提交時(shí)間節(jié)點(diǎn)的遵守、對文檔規(guī)范性的認(rèn)知、對項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)組建與分工的知曉、對項(xiàng)目進(jìn)行綜合報(bào)告的訓(xùn)練等；專業(yè)能力既包含發(fā)現(xiàn)問題、定義問題、分析問題、解決問題的能力，也包含網(wǎng)絡(luò)爬蟲、數(shù)據(jù)庫搭建、前后端框架實(shí)現(xiàn)、視圖編碼與交互設(shè)計(jì)等技術(shù)能力。學(xué)生的反饋情況有效證明了數(shù)據(jù)可視化課程創(chuàng)新改革在綜合素養(yǎng)培育方面取得了顯著成效。

3.3 科研人才培養(yǎng)情況

除綜合素養(yǎng)培育外，數(shù)據(jù)可視化課程教學(xué)對學(xué)生產(chǎn)生了其他深遠(yuǎn)的影響。例如，《基于氣象數(shù)據(jù)的自然分區(qū)可視分析系統(tǒng)》和《探究EOS 共識機(jī)制效能的可視分析系統(tǒng)》兩個(gè)可視化項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人均以數(shù)據(jù)可視化研究作為畢業(yè)論文選題，在課程項(xiàng)目的基礎(chǔ)上進(jìn)行了延續(xù)性工作。前者畢業(yè)設(shè)計(jì)榮獲“四川大學(xué)優(yōu)秀本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）一等獎(jiǎng)”，且二者均已將項(xiàng)目成功轉(zhuǎn)化為軟件著作權(quán)、發(fā)明專利和學(xué)術(shù)論文等學(xué)術(shù)成果。

Fig.2 Implementation effect of some course project cases圖2 部分課程項(xiàng)目案例實(shí)現(xiàn)效果

數(shù)據(jù)可視化課程使學(xué)生對數(shù)據(jù)科學(xué)產(chǎn)生興趣，在引導(dǎo)和鼓勵(lì)其深造方面成效顯著。目前，選課學(xué)生中已有169名畢業(yè)，其中66 名學(xué)生于清華大學(xué)、北京大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中科院、國防科技大學(xué)、浙江大學(xué)、四川大學(xué)等國內(nèi)知名高校及研究機(jī)構(gòu)繼續(xù)深造，16 名學(xué)生于新加坡國立大學(xué)、日本東京大學(xué)、英國帝國理工學(xué)院等國外知名高校繼續(xù)深造，總占比高達(dá)48.6%，且多名學(xué)生選擇了數(shù)據(jù)分析研究方向。

4 結(jié)語

以綜合素養(yǎng)培育為導(dǎo)向的人才培養(yǎng)模式是推進(jìn)國家教育事業(yè)發(fā)展的重要途徑。本文對數(shù)據(jù)可視化課程的教學(xué)內(nèi)容與考核方式進(jìn)行了改革與實(shí)踐。實(shí)踐證明，將科研資源導(dǎo)入課堂教學(xué)能有效激發(fā)學(xué)生的科研興趣，弱化學(xué)生與學(xué)術(shù)研究的壁壘；“分組教學(xué)+過程化”的考核方式能全面鍛煉學(xué)生的科研素養(yǎng)與專業(yè)能力，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)綜合素養(yǎng)培育的最終目標(biāo)。教學(xué)改革方案已在四川大學(xué)數(shù)據(jù)可視化課程中開展實(shí)踐，在綜合素質(zhì)培育、人才培養(yǎng)和資源建設(shè)等多個(gè)方面取得了良好成效。