新工科背景下課程建設(shè)研究
——以開源開放推動數(shù)據(jù)分析技術(shù)課程的教學(xué)探索

郝慧珍, 耿 鵬

(南京工程學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院，南京 211167)

一、引言

近年來，以云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)為基礎(chǔ)的新經(jīng)濟、新產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，迫切需要加快高等教育轉(zhuǎn)型發(fā)展，提高工程教育效率和教學(xué)效果，培養(yǎng)適應(yīng)新業(yè)態(tài)的創(chuàng)新型工程科技人才。為應(yīng)對新的科技和產(chǎn)業(yè)革命挑戰(zhàn)，教育部積極推動新工科建設(shè)，并從國家視角、全球視野和未來角度，提煉新工科人才培養(yǎng)的核心目標(biāo)是為我國工程教育發(fā)展提出新理念和新思路(《教育部辦公廳關(guān)于推薦新工科研究與實踐項目的通知》)。其內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才[1]。

為實現(xiàn)新工科建設(shè)的目標(biāo)，2016年教育部批準(zhǔn)北京大學(xué)等3所高校開設(shè)“數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)專業(yè)”，2017年批準(zhǔn)的高校增至35所，2018年更是猛增至248所。數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)專業(yè)課程建設(shè)的目標(biāo)是以新工科理念為依據(jù)，應(yīng)用創(chuàng)新多元化的教學(xué)手段，更新前沿實用的教學(xué)內(nèi)容，切實提高教學(xué)效果，培養(yǎng)具備創(chuàng)新精神和實踐能力并且能夠適應(yīng)新時代、新環(huán)境、新業(yè)態(tài)的專業(yè)人才[2-3]。雖然不同高校根據(jù)自身教學(xué)資源與辦學(xué)條件制訂相應(yīng)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，但總體上數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)專業(yè)主要培養(yǎng)具有信息科學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計和數(shù)據(jù)科學(xué)等基礎(chǔ)知識與基本技能，掌握數(shù)據(jù)采集和處理、模型創(chuàng)建、模型評估、結(jié)果的可視化展示和模型部署等技術(shù)的數(shù)據(jù)科學(xué)人才(見圖1)[4]。數(shù)據(jù)生命周期中的每一步都是至關(guān)重要的，并且每一個步驟都涉及各自的理論、工具和技術(shù)，都需要數(shù)據(jù)專業(yè)的學(xué)生去深入學(xué)習(xí)。由于數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)專業(yè)定位于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，尤其注重培養(yǎng)數(shù)據(jù)分析師和應(yīng)用型數(shù)據(jù)科學(xué)家[5-6]，數(shù)據(jù)分析技術(shù)課程進一步抽象了數(shù)據(jù)科學(xué)中的技術(shù)問題，融合了數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)、計算機科學(xué)、可視化技術(shù)和領(lǐng)域概念，為數(shù)據(jù)科學(xué)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

圖1 數(shù)據(jù)科學(xué)生命周期

開源開放是指全方位采用開源開放共享核心框架、模型、數(shù)據(jù)、平臺、服務(wù)，是當(dāng)前技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要模式。Github的活躍代碼倉庫和用戶高速增長，2020年的增長率分別為35.3%和21.2%；Gitee的代碼倉庫與用戶數(shù)的增長速度更為驚人，分別為192%和162%[7]。2021年工業(yè)和信息化部信息技術(shù)發(fā)展司發(fā)布了《“十四五”軟件和信息技術(shù)服務(wù)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，開源領(lǐng)域開始起飛。通過開放平臺的發(fā)展趨勢和信息產(chǎn)業(yè)政策的發(fā)布，可以看出開源開放成為當(dāng)前信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新和發(fā)展的重要途徑，這就對當(dāng)前信息技術(shù)人才的教育包括開源文化教育、開源意識教育和開源技能教育提出了更為廣闊的需求[8]。目前已有工作從硬件編程[9]、編譯原理[10]、軟件開發(fā)[11]和應(yīng)用軟件應(yīng)用[12]等方向總結(jié)了基于開源生態(tài)的教學(xué)改革與實踐，開啟了基于開源開放方法進行計算機和軟件工程專業(yè)教學(xué)的新趨勢，這也表明開源開放方法已經(jīng)是新工科建設(shè)形勢下信息科學(xué)領(lǐng)域可行的課程建設(shè)方式，甚至有助于非信息科學(xué)領(lǐng)域的課程建設(shè)[13]。數(shù)據(jù)分析技術(shù)課程需要公開數(shù)據(jù)和分析工具的支持，因此采用開源社區(qū)中的開源軟件和開放數(shù)據(jù)進行課程建設(shè)成為必然之路。

二、數(shù)據(jù)分析技術(shù)課程

新工科教育中的“新”可以從理念新、目標(biāo)新、內(nèi)容新、方法新等多個層面來理解[14]，因此，新工科背景下數(shù)據(jù)分析技術(shù)課程建設(shè)主要從以下四個方面考慮。

(一)教學(xué)理念與目標(biāo)

理念是行動的先導(dǎo)，新工科課程建設(shè)應(yīng)以新理念帶動專業(yè)教育的創(chuàng)新發(fā)展。數(shù)據(jù)科學(xué)專業(yè)是為數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)人才，目的是培養(yǎng)學(xué)生使用數(shù)據(jù)為各個行業(yè)的業(yè)務(wù)賦能。因此數(shù)據(jù)分析技術(shù)課程的新理念是以應(yīng)用驅(qū)動創(chuàng)新，培養(yǎng)跨專業(yè)復(fù)合型應(yīng)用人才。數(shù)據(jù)思維是對數(shù)據(jù)進行挖掘、分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)價值，解決問題的思維方式，包括提升對數(shù)據(jù)的敏感度，養(yǎng)成數(shù)據(jù)分析習(xí)慣，熟悉多種數(shù)據(jù)分析模型并進行可視化展示。同時，課程建設(shè)依托工科學(xué)校與應(yīng)用接軌的資源優(yōu)勢，結(jié)合理論基礎(chǔ)、基本技術(shù)與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用進行系統(tǒng)化培養(yǎng)，鼓勵學(xué)生輔修與數(shù)據(jù)分析技術(shù)交叉的應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)課程，熟悉領(lǐng)域應(yīng)用場景，培養(yǎng)領(lǐng)域知識與數(shù)據(jù)思維高度結(jié)合的多能型應(yīng)用人才。新工科背景下數(shù)據(jù)分析技術(shù)課程培養(yǎng)目標(biāo)主要包括以下三個方面。

1．?dāng)?shù)據(jù)分析能力培養(yǎng)

數(shù)據(jù)分析能力由數(shù)據(jù)認知能力、數(shù)據(jù)收集能力、數(shù)據(jù)整理能力、數(shù)據(jù)表述能力及數(shù)據(jù)探究能力構(gòu)成。專業(yè)數(shù)據(jù)分析能力培養(yǎng)主要側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生的研究設(shè)計、數(shù)據(jù)清洗、存儲與檢索、挖掘與探索、數(shù)據(jù)可視化、道德與隱私、數(shù)據(jù)分析、溝通與呈現(xiàn)的能力，使得學(xué)生具備一定的數(shù)據(jù)分析實踐能力。

2．實踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)

實踐和創(chuàng)新能力是新工科理念下工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)中很重要的一項能力，主要是分析行業(yè)業(yè)務(wù)邏輯，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動業(yè)務(wù)進行工程實踐和創(chuàng)新[13]。實踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)將實踐應(yīng)用類課程作為研究對象，對課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式等進行創(chuàng)新改革，不僅可以提高學(xué)生對于課程知識的工程實踐和應(yīng)用創(chuàng)新能力，而且可以為課程體系建設(shè)總結(jié)經(jīng)驗，提供有價值的參考依據(jù)和改革模式。

3．實際應(yīng)用能力培養(yǎng)

充分利用企業(yè)和行業(yè)力量，提升課程實用性，由企業(yè)兼職教師單獨或與專職教師聯(lián)合講授，突出應(yīng)用場景抽象、問題建模、案例分析、原型系統(tǒng)搭建、結(jié)果評測等環(huán)節(jié)的教學(xué)，將學(xué)生所學(xué)的基礎(chǔ)理論和方法與應(yīng)用聯(lián)系起來，并認真總結(jié)在應(yīng)用實踐中積累起來的豐富經(jīng)驗與素材，深化對應(yīng)用問題的認識，完善問題解決方案，使得學(xué)生具備在應(yīng)用系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)問題、獨立分析問題和解決問題的工程實踐能力。

(二)教學(xué)內(nèi)容

1.課程知識點

數(shù)據(jù)科學(xué)的目標(biāo)是使得學(xué)生畢業(yè)后能在金融、商業(yè)、電信、能源和制造等相關(guān)產(chǎn)業(yè)從事數(shù)據(jù)科學(xué)研究，大數(shù)據(jù)相關(guān)工程分析開發(fā)、測試、運維、管理和咨詢等工作。針對數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，以開源開放共享為方式，對教學(xué)內(nèi)容進行了知識重構(gòu)，培養(yǎng)面向數(shù)據(jù)科學(xué)的系統(tǒng)設(shè)計、數(shù)據(jù)清理、存儲與檢索、交流與溝通、統(tǒng)計分析、道德與隱私、數(shù)據(jù)可視化以及數(shù)據(jù)挖掘與探索等關(guān)鍵技能。具體課程知識點及要求見表1。

表1 數(shù)據(jù)分析技術(shù)課程內(nèi)容

2.教學(xué)資源

在數(shù)據(jù)驅(qū)動的生產(chǎn)方式下，數(shù)據(jù)成為重要的生產(chǎn)因素，數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的根本目的也是用數(shù)據(jù)去為各個行業(yè)賦能[5]。在數(shù)據(jù)分析課程教學(xué)過程中，需要各行各業(yè)的數(shù)據(jù)作為教學(xué)資源，開源開放為數(shù)據(jù)科學(xué)課程教學(xué)資源的收集提供了新的途徑，為課程建設(shè)提供了直接可用的數(shù)據(jù)、軟件、工具和技術(shù)支持，具體教學(xué)資源見表2。

表2 教學(xué)資源

(三)教學(xué)方法

1.通過開源平臺，實時動態(tài)進行課程進程管理

開源開放的本質(zhì)理念為開放、共享、協(xié)同。為了理解開源開放的理念，教學(xué)采用開放平臺如MOOC、騰訊云、阿里云等，讓學(xué)生完成相關(guān)網(wǎng)絡(luò)課程的預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)。在理論教學(xué)過程中，主要針對具體問題進行分析講解，將課程重心放在邏輯思維、數(shù)據(jù)分析與結(jié)果展示等實踐過程。在實踐教學(xué)過程中，采用開放數(shù)據(jù)、開源工具和工具包進行實證實驗，鼓勵同學(xué)在開源社區(qū)對需要解決的問題進行學(xué)習(xí)與討論，并通過開放平臺記錄學(xué)生學(xué)習(xí)情況，進行實時跟蹤、反饋、調(diào)整學(xué)生學(xué)習(xí)過程。

2.基于開放項目，面向行業(yè)應(yīng)用進行實例分析

強調(diào)實踐操作能力培養(yǎng)，在課程中引入來自現(xiàn)實世界的實際問題作為例題和主要關(guān)注點。項目秉持“應(yīng)用驅(qū)動創(chuàng)新”理念，積極對接金融、商業(yè)、能源等傳統(tǒng)領(lǐng)域轉(zhuǎn)型升級以及快速發(fā)展的文本、圖像、地圖等新興領(lǐng)域?qū)Ψ闲鹿た铺卣鞯臄?shù)據(jù)人才的需求，積極引入社會資源，通過校企聯(lián)合實驗室，獲得實踐素材和內(nèi)容，構(gòu)建學(xué)生實踐基地，邀請企業(yè)專家參與專業(yè)建設(shè)，通過獲得企業(yè)捐贈云平臺資源，彌補專業(yè)硬件資源的不足。通過基于開放項目的教學(xué)方式，讓學(xué)生能夠在實踐環(huán)節(jié)接觸、分析、參與開源開放項目，并鼓勵學(xué)生自己組隊，自主完成項目的選題、研究設(shè)計和研究過程等工作，綜合運用多種不同的工具和方法來解決復(fù)雜問題，側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生對大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理能力，洞見數(shù)據(jù)的能力以及交流分享的能力。

3.構(gòu)建學(xué)習(xí)社區(qū)，構(gòu)建開源開放學(xué)習(xí)方法

將學(xué)生分組，按小組建立學(xué)習(xí)群，擔(dān)任助教同學(xué)擔(dān)任小組長，對學(xué)生平時作業(yè)進行檢查、批改，任課老師與各組長進行定期交流，掌握學(xué)生學(xué)習(xí)和作業(yè)情況；布置學(xué)習(xí)、討論項目實踐任務(wù)，營造良好的學(xué)習(xí)氛圍，同學(xué)之間既有競爭的激勵，也有同伴的鼓勵。利用開源共享鼓勵學(xué)生參與并貢獻開源軟件與數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生建立起開源理念，學(xué)習(xí)開源方法，掌握開源工具，理解開源生態(tài)。

(四)課后實踐

課后實踐是數(shù)據(jù)分析課程的一個重要環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生掌握程序設(shè)計的方法、步驟，鞏固課堂教學(xué)中所學(xué)知識。該課程的課后實踐環(huán)節(jié)共分為以下三個部分：

(1)線上作業(yè)。線上作業(yè)主要采用學(xué)堂在線課程布置作業(yè)，重點是知識點的鞏固練習(xí)。該部分作業(yè)包括視頻學(xué)習(xí)、課后知識點練習(xí)。通過學(xué)堂在線后臺管理，教師可以及時掌握學(xué)生學(xué)習(xí)進度、作業(yè)完成情況、知識點掌握程度。

(2)上機實驗。上機實驗采用開源共享平臺，老師布置隨堂程序設(shè)計練習(xí)，學(xué)生在線提交，由助教學(xué)生和老師共同完成作業(yè)批改。大作業(yè)是小組共同完成的項目設(shè)計作業(yè)，一學(xué)期開展兩次，分別將一段時間內(nèi)所學(xué)知識點融入項目課題中，由小組進行討論，分工完成，形成項目報告并進行現(xiàn)場演示講解。

(3)項目實踐。教師介紹與項目密切相關(guān)的現(xiàn)有產(chǎn)品或案例，給出小項目的具體功能設(shè)計和技術(shù)實現(xiàn)要求。根據(jù)小項目所涉及的知識點，分別進行講解或演示，并由學(xué)生根據(jù)任務(wù)安排組成不同的項目組，設(shè)計實現(xiàn)方案并結(jié)合自己的設(shè)計創(chuàng)意添加新功能，完成項目任務(wù)并提交至網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺。教師通過在線實訓(xùn)平臺對項目的完成過程和情況進行綜合性總結(jié)，主要包括解析實踐過程中普遍遇到的問題、重述重點或難點知識、講授相關(guān)的工程實踐經(jīng)驗和技巧等。學(xué)生根據(jù)項目反饋意見對項目進行迭代，最終完成項目任務(wù)，并在教師驗收項目后進行總結(jié)展示。

課后實踐借助新技術(shù)形成規(guī)?；碌膫€性化新工科人才培養(yǎng)模式專業(yè)，從條件保障和內(nèi)容建設(shè)兩方面支撐工程實踐能力培養(yǎng)，構(gòu)建由學(xué)生自有設(shè)備、服務(wù)器、云計算資源組成的三位一體在線實踐訓(xùn)練平臺?；趯υ朴嬎闫脚_的設(shè)計開發(fā)，學(xué)生作業(yè)、實驗、實踐普遍實現(xiàn)“云化”，為實踐能力培養(yǎng)提供條件保障。項目實踐過程見圖2。

圖2 項目實踐過程

三、課程特色

(一)堅持應(yīng)用驅(qū)動創(chuàng)新理念，通過實訓(xùn)平臺建設(shè)實現(xiàn)校企合作，產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同育人

堅持應(yīng)用驅(qū)動，在教學(xué)內(nèi)容上積極對接行業(yè)應(yīng)用，培養(yǎng)方案設(shè)計、課程設(shè)置、實踐基地設(shè)立、實踐案例的撰寫、教材編寫等工作都圍繞傳統(tǒng)領(lǐng)域升級轉(zhuǎn)型和新興領(lǐng)域發(fā)展等新經(jīng)濟的需求開展。在培養(yǎng)方式積極引入來自應(yīng)用端的資源，做到理念和實施緊密結(jié)合。

(二)踐行個性化數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)，云平臺記錄學(xué)習(xí)情況，跟蹤、反饋、調(diào)整學(xué)習(xí)過程

基于學(xué)生在云平臺上留下的實踐學(xué)習(xí)數(shù)字軌跡，項目進一步探索個性化指導(dǎo)、個性化教學(xué)、個性化培養(yǎng)方法，在實現(xiàn)新工科培養(yǎng)規(guī)?；耐瑫r，通過云計算、大數(shù)據(jù)、機器學(xué)習(xí)等手段，實現(xiàn)人才培養(yǎng)的個性化。逐步培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性與興趣，提高學(xué)生專業(yè)知識水平和工程實踐能力，幫助學(xué)生克服在枯燥而艱難的工科知識學(xué)習(xí)中遇到的各種挑戰(zhàn)，同時為行業(yè)輸送具有系統(tǒng)而扎實理論基礎(chǔ)和綜合動手實踐能力的研究型人才隊伍。

(三)面向?qū)嶋H應(yīng)用，探索培養(yǎng)綜合型、創(chuàng)新型人才

面向?qū)嶋H應(yīng)用，培養(yǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)師和數(shù)據(jù)科學(xué)家，充分利用云平臺和開源社區(qū)的資源，強調(diào)實用價值的同時，注重知識和能力的先進性，滿足新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)，實踐對“度身定制”信息化系統(tǒng)的人才需求，為學(xué)生從事創(chuàng)新性工作奠定基礎(chǔ)。

四、結(jié)語

數(shù)據(jù)分析技術(shù)課程由常規(guī)教學(xué)方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐蚤_源開放的項目開發(fā)為基礎(chǔ)，基于云平臺探索學(xué)生的個性化培養(yǎng)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與學(xué)習(xí)興趣，產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐與創(chuàng)新能力，為新工科專業(yè)建設(shè)和新業(yè)態(tài)創(chuàng)新型工程人才培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。