荀亞玲 牛雪瑩 陳 鑫 劉愛琴

（太原科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030024）

1 引言

大數(shù)據(jù)時代來臨，數(shù)據(jù)已成為新時代重要的生產(chǎn)要素和國家基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源，其對社會各領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)生態(tài)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。尤其是疫情發(fā)生以來，“數(shù)據(jù)要素”的概念逐漸深入人心。數(shù)據(jù)顯示，“十三五”時期，大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)規(guī)模年均復(fù)合增長率超過30%。近年來國家又相繼發(fā)布了《“十四五”大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》等大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)方面的規(guī)劃，把大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)提到了新的戰(zhàn)略高度。為加快推進(jìn)科技創(chuàng)新，推動大數(shù)據(jù)、人工智能與實體經(jīng)濟(jì)的深入融合，大數(shù)據(jù)人才的需求日益增長。然而，從目前現(xiàn)狀來看，大數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)顯然在數(shù)量和質(zhì)量上都遠(yuǎn)未達(dá)到實際需求，因此，如何培養(yǎng)“新工科”背景下的大數(shù)據(jù)人才成為高等院校面臨的新挑戰(zhàn)[1]。

為適應(yīng)大數(shù)據(jù)時代新工科建設(shè)人才培養(yǎng)需求，各大高校不論在本科教育還是研究教育階段均相繼開設(shè)了大數(shù)據(jù)類的前沿課程，如大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、大數(shù)據(jù)技術(shù)與應(yīng)用、云計算與大數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)實時分析等，增設(shè)了大數(shù)據(jù)相關(guān)專業(yè)，或成立了大數(shù)據(jù)學(xué)院。然而，這些大數(shù)據(jù)類課程不同于傳統(tǒng)基礎(chǔ)課和專業(yè)課，其具有以下特征：內(nèi)容更新速度快，大數(shù)據(jù)技術(shù)隨著相關(guān)應(yīng)用和學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展而快速更迭，具有較強(qiáng)的時效性；學(xué)習(xí)難度大，大數(shù)據(jù)類課程綜合了信息論、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、統(tǒng)計學(xué)等多學(xué)科知識，使得學(xué)習(xí)難度加大；更強(qiáng)調(diào)工程能力，大數(shù)據(jù)需要與實體產(chǎn)業(yè)進(jìn)行深入融合才能發(fā)揮作用，工程能力的培養(yǎng)至關(guān)重要。然而，目前國內(nèi)大數(shù)據(jù)類前沿課程的教學(xué)仍不同程度地沿用傳統(tǒng)的教學(xué)理念和教學(xué)方法，在課程教學(xué)過程中仍表現(xiàn)出以下問題：

（1）教學(xué)理念陳舊，不能適應(yīng)大數(shù)據(jù)類的前沿課程

雖然目前已有一些對前沿類課程的教學(xué)改革探索，但仍普遍存在注重理論教學(xué)而輕視實踐教學(xué)的情況，教師教學(xué)依然采用以知識傳授為主的教學(xué)方式。然而，對于學(xué)生，知識的簡單積累并沒有辦法構(gòu)建工程能力，從以往的學(xué)生考生考核中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對知識的綜合應(yīng)用能力差，因此，教師應(yīng)從根本上改變傳統(tǒng)教學(xué)理念，不能“把技能當(dāng)作知識來教”，這樣培養(yǎng)出的學(xué)生很難成為具有高階系統(tǒng)能力的復(fù)合型人才，工程化程度明顯不足，限制了學(xué)生分析和解決復(fù)雜問題的能力。

（2）教學(xué)內(nèi)容有待進(jìn)一步優(yōu)化，難以兼顧先進(jìn)性和全面性

大數(shù)據(jù)類課程技術(shù)內(nèi)容豐富，以目前我校智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)開設(shè)的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)課程為例，該課程涵蓋了數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、分布式存儲、數(shù)據(jù)管理、分布式處理、數(shù)據(jù)可視化以及大數(shù)據(jù)應(yīng)用等龐雜的內(nèi)容，如果按照教材按部就班地講，很容易導(dǎo)致每個知識點只知皮毛，流于形式。如何能在有限的課時內(nèi)，合理組織和規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生既能開闊視野，又能兼顧深度，是極具挑戰(zhàn)性的。

（3）資源建設(shè)不足，難以適應(yīng)高階系統(tǒng)能力人才培養(yǎng)的需要

資源建設(shè)包括教材建設(shè)、實踐案例資源庫建設(shè)和師資隊伍建設(shè)。大數(shù)據(jù)技術(shù)蓬勃發(fā)展，相關(guān)前沿課程的教材應(yīng)兼顧實用性和先進(jìn)性，甚至要求包含一些輔助實踐教學(xué)的教輔材料，選擇或編寫高質(zhì)量的教材是一項迫切性的基礎(chǔ)工作。大數(shù)據(jù)類前沿課程強(qiáng)調(diào)與企業(yè)和實際領(lǐng)域的融合，為提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力，在理論教學(xué)過程中融合一些實際案例和項目至關(guān)重要。另外，前沿類課程對教師也出了更高的要求，教師知識、能力和素質(zhì)也需要持續(xù)更新與提升，如何打造一支雙師型教學(xué)團(tuán)隊任重而道遠(yuǎn)。

2 以O(shè)BE理念為導(dǎo)向的教學(xué)改革模型

OBE（Outcome-based Education），即基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出（成果導(dǎo)向）的教育模式，是我國工程教育認(rèn)證的核心理念之一，其強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，更關(guān)心“學(xué)生學(xué)到了什么”和“是否成功”[2]，也就是說，課程內(nèi)容與教學(xué)實施須基于成果導(dǎo)向的理念，使學(xué)生在修完課程后最終能達(dá)成相應(yīng)的學(xué)習(xí)目標(biāo)?；贠BE 理念的教學(xué)設(shè)計不同于傳統(tǒng)的教材—教學(xué)內(nèi)容—教學(xué)目標(biāo)的正向教學(xué)設(shè)計模式，其遵循自頂向下的反向設(shè)計規(guī)則，這里的“頂”當(dāng)然是指學(xué)生預(yù)期學(xué)習(xí)成果，由該頂層出發(fā)設(shè)計其下各層的需求目標(biāo)。以大數(shù)據(jù)處理技術(shù)課程為例，基于OBE 理念的教學(xué)模型如圖1 所示。通過四個課程目標(biāo)（G1.4，G2.4，G3.3，G5.2）定義學(xué)生學(xué)習(xí)成果，更具體的大數(shù)據(jù)技術(shù)知識、能力、素質(zhì)要求要素包括大數(shù)據(jù)獲取能力、大數(shù)據(jù)存儲和管理能力、大數(shù)據(jù)處理和分析能力、大數(shù)據(jù)可視化能力以及大數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用能力。在實現(xiàn)上述課程目標(biāo)的過程中，合理的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，教學(xué)方式改革以及資源庫建設(shè)成為關(guān)鍵。最終，要以學(xué)生為出發(fā)點，設(shè)計差異性的評價方法，并及時發(fā)現(xiàn)問題對教學(xué)過程實施干預(yù)形成閉環(huán)以達(dá)到持續(xù)改進(jìn)的效果。以下以大數(shù)據(jù)處理技術(shù)課程為例討論了以O(shè)BE理念為導(dǎo)向的教學(xué)改革實踐及效果。

圖1 以O(shè)BE理念為導(dǎo)向的教學(xué)改革模型

3 以O(shè)BE理念為導(dǎo)向的教學(xué)改革實踐

3.1 以O(shè)BE理念為導(dǎo)向的課程目標(biāo)

大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展迅速，在各行業(yè)領(lǐng)域呈現(xiàn)持續(xù)融合和滲透的態(tài)勢，崗位需求量極大且類型越來越豐富，因此，通過該門課程的學(xué)習(xí)，旨在使學(xué)生熟悉數(shù)據(jù)存儲和分析技術(shù)，熟練掌握知識發(fā)掘方法，具有初步的分布式并行實踐和行業(yè)應(yīng)用能力，并能持續(xù)追蹤領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢和新技術(shù)。在教學(xué)過程中引入OBE理念，最終確定本課程的教學(xué)目標(biāo)為：

目標(biāo)1（G1.4）：掌握各種大數(shù)據(jù)架構(gòu)的工作原理，并深入理解其存儲和計算模式適用的應(yīng)用領(lǐng)域以及局限性，并能對大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的解決方案進(jìn)行評估、比較和綜合。

目標(biāo)2（G2.4）：能夠掌握各種大數(shù)據(jù)平臺的設(shè)計原則及實現(xiàn)細(xì)節(jié)，并進(jìn)行對比分析，使得學(xué)生在具體實踐應(yīng)用中，能結(jié)合自己所學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ｉT知識，對企業(yè)智能化過程中的影響因素進(jìn)行分析，并獲得有效結(jié)論。

目標(biāo)3（G3.3）：了解國內(nèi)外大數(shù)據(jù)發(fā)展的現(xiàn)狀和大數(shù)據(jù)主要的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是作為技術(shù)引領(lǐng)的各大互聯(lián)網(wǎng)公司的大數(shù)據(jù)處理架構(gòu)，了解信息技術(shù)領(lǐng)域國內(nèi)外發(fā)展趨勢和研究熱點，在企業(yè)智能化過程中能引入大數(shù)據(jù)新技術(shù)和新方法，對系統(tǒng)設(shè)計方案進(jìn)行改進(jìn)。

目標(biāo)4（G5.2）：通過對該前沿課程的學(xué)習(xí)及探索，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，能夠追蹤信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展動態(tài)和計算機(jī)新技術(shù)，并應(yīng)用針對企業(yè)智能化過程中的人工智能領(lǐng)域復(fù)雜工程問題。

3.2 以O(shè)BE理念為導(dǎo)向的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

大數(shù)據(jù)處理技術(shù)課程內(nèi)容龐雜，且技術(shù)在不斷更新迭代，同時，大數(shù)據(jù)的到來給人們的思維方式產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，“全樣而非抽樣、效率而非精確、相關(guān)而非因果”的以大數(shù)據(jù)驅(qū)動決策和解決問題的特征，顛覆了人們的傳統(tǒng)思維方式[3]。因此，在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計上，采用注重大數(shù)據(jù)思維培養(yǎng)，全面性和先進(jìn)性兼顧的原則，以到達(dá)掌握基本原理方法、開闊視野的同時，提升學(xué)生的終身學(xué)習(xí)能力等課程目標(biāo)。具體教學(xué)內(nèi)容設(shè)計如下：

模塊1：大數(shù)據(jù)技術(shù)基礎(chǔ)。該模塊包括大數(shù)據(jù)的基本概念、大數(shù)據(jù)影響、大數(shù)據(jù)的計算模式和大數(shù)據(jù)獲取技術(shù)等內(nèi)容，以及與其他先進(jìn)技術(shù)間的關(guān)系。通過對大數(shù)據(jù)的基本介紹使學(xué)生對大數(shù)據(jù)形成初步認(rèn)識，引導(dǎo)學(xué)生建立初步的大數(shù)據(jù)思維觀念，以達(dá)成課程目標(biāo)3和4。

模塊2：大數(shù)據(jù)存儲和管理。該模塊包括大數(shù)據(jù)分布式存儲HDFS和HBase、NOSQL 數(shù)據(jù)庫以及云數(shù)據(jù)庫等。旨在使學(xué)生理解大數(shù)據(jù)的存儲架構(gòu)和原理，使大數(shù)據(jù)思維觀念得到強(qiáng)化，以達(dá)成課程目標(biāo)1、2、3和4。

模塊3：大數(shù)據(jù)處理與分析。該模塊主要對目前主流的大數(shù)據(jù)處理框架MapReduce、Spark 和流處理框架Storm 以及大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)進(jìn)行介紹。旨在使學(xué)生理解大數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)的思路，并掌握簡單的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，培養(yǎng)解決實際問題的能力，以達(dá)成課程目標(biāo)1、2、3和4。

模塊4：大數(shù)據(jù)應(yīng)用。該模塊通過精選一些應(yīng)用案例，使學(xué)生深刻領(lǐng)會利用大數(shù)據(jù)解決實際應(yīng)用問題的大數(shù)據(jù)思維方式、感悟大數(shù)據(jù)思維的內(nèi)涵，以達(dá)成課程目標(biāo)1和4。

上述4個模塊在兼顧全面性的同時，要注意對知識大數(shù)據(jù)思維的深入理解培養(yǎng)，比如在模塊2中，對行式存儲、列式存儲及其他存儲架構(gòu)在存儲結(jié)構(gòu)、特點、使用場景等方面進(jìn)行對比分析，在模塊3中涉及多種處理模型，也要進(jìn)行模型間的橫向?qū)Ρ龋箤W(xué)生在面對實際任務(wù)時知道從哪些角度進(jìn)行分析并選擇合適的存儲和處理模型，并具備獨立的系統(tǒng)設(shè)計和進(jìn)一步的自主學(xué)習(xí)能力。

3.3 以O(shè)BE理念為導(dǎo)向的教學(xué)方式改革

3.3.1 項目介入的教學(xué)方式

傳統(tǒng)只基于教材內(nèi)容的就事論事的授課方式，不足以支撐達(dá)成以上的課程目標(biāo)，OBE 理念特別強(qiáng)調(diào)教學(xué)過程的輸出，教師在教授理論知識的同時，更要注重學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力的培養(yǎng)，讓學(xué)生將知識內(nèi)化，在學(xué)習(xí)過程中鍛煉能力和培養(yǎng)大數(shù)據(jù)思維。因此，在講授知識的同時針對不同知識點結(jié)合大量的項目案例，通過啟發(fā)式教學(xué)，在教學(xué)過程中有意識地設(shè)計問題，在課堂上引導(dǎo)學(xué)生排除問題，并在實驗過程中進(jìn)行驗證[4]，這樣既可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又可以培養(yǎng)學(xué)生工程思維方法及解決問題的能力。

優(yōu)質(zhì)的項目案例當(dāng)然至關(guān)重要，因此教師應(yīng)在教學(xué)過程中應(yīng)注重項目案例資源的積累，并建立相應(yīng)的資源庫，具體將在第3.4節(jié)做詳細(xì)介紹。這里需要強(qiáng)調(diào)開源項目的有效利用。大多數(shù)學(xué)生會認(rèn)為開源項目難度大，不敢去嘗試，其實開源并不是高不可攀，經(jīng)調(diào)研顯示開源項目的參與者中有很大一部分是大學(xué)在校生，大學(xué)生參與開源項目具有以下幾個優(yōu)勢：（1）大學(xué)生相對而言時間比較充裕，甚至有些開源項目專門針對學(xué)生假期設(shè)計，如：每年的開源之夏活動；（2）可以選擇自己感興趣的領(lǐng)域，更加靈活；（3）有助于將理論知識應(yīng)用到真實場景中，反過來又可加深對理論的理解。甚至在開源社區(qū)中，還可得到相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业闹笇?dǎo)。大數(shù)據(jù)類課程有其獨特的開放性和先進(jìn)性，因此開源項目的有效利用對最終教學(xué)目標(biāo)達(dá)成會起到極為關(guān)鍵的作用。

3.3.2 開展線上線下混合式教學(xué)授課

線上線下混合教學(xué)可以有效延伸課堂教學(xué)的時間和空間維度，達(dá)到“1+1>2”的效果。2019年疫情以來，線上教學(xué)資源得到了極大的豐富，包括教學(xué)課件、教學(xué)視頻、模塊測驗、項目案例庫、大數(shù)據(jù)有關(guān)的前沿技術(shù)資料等。此外，針對性更強(qiáng)、短小精干的微課視頻，也被用來為師生之間溝通架設(shè)更為良好的互動教學(xué)環(huán)境，調(diào)動學(xué)習(xí)積極性，并形成多樣化的交流機(jī)制。線上教學(xué)資源可以讓學(xué)生做到課前預(yù)習(xí)，課后查缺補(bǔ)漏、作業(yè)完成［5］。同時也方便教師觀察學(xué)生狀態(tài)，及時調(diào)整課堂講授內(nèi)容，達(dá)到對課堂時間的有效延伸。線上線下混合教學(xué)示意圖見圖2。

圖2 線上線下混合教學(xué)示意圖

3.4 優(yōu)質(zhì)資源庫建設(shè)

教材是教學(xué)內(nèi)容的載體，大數(shù)據(jù)類課程發(fā)展較晚、知識更迭快、知識范疇廣，更注重能力培養(yǎng)，致使教材的選擇至關(guān)重要。教材的選擇要兼顧先進(jìn)性和實用性，當(dāng)下該類教材編寫也百花齊放，但不管怎樣，必須杜絕“閉門造車”。任課教師可以綜合各類教材優(yōu)勢形成自己的教案，甚至編寫合適的教材。此外，包含豐富課程實驗和項目案例的教輔材料也成為教材資料建設(shè)的關(guān)鍵部分。

從以O(shè)BE理念為導(dǎo)向制定的課程目標(biāo)可以看出，大數(shù)據(jù)類的前沿課程更注重實踐和行業(yè)基礎(chǔ)，即工程能力的培養(yǎng)，以案例為依托進(jìn)行研討室教學(xué)和實踐教學(xué)是達(dá)成學(xué)習(xí)成果的有效途徑[6]。因此，優(yōu)質(zhì)的項目案例庫建設(shè)至關(guān)重要。我們一般采用以下策略應(yīng)對：將教師的科研項目引入教學(xué)；教師積極到企業(yè)考察、調(diào)研、參與實際項目；教師團(tuán)隊自發(fā)設(shè)計的教學(xué)案例；探索適合教學(xué)的開源項目等。

另外，打造一支與時俱進(jìn)的專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊對新興人才的培養(yǎng)非常關(guān)鍵。為契合新工科人才培養(yǎng)，應(yīng)加大雙師型教師的培養(yǎng)。目前教師團(tuán)隊建設(shè)面臨的一大問題是絕大多數(shù)教師都是從學(xué)校到學(xué)校，缺乏實踐經(jīng)驗，因此，我們考慮從兩方面入手。一方面在引進(jìn)具有相關(guān)教育與科研背景的教師基礎(chǔ)上，組織教師通過參加相關(guān)的師資培訓(xùn)班，或者借助MOOC、學(xué)習(xí)通等平臺學(xué)習(xí)以實現(xiàn)教師自身知識、能力和素質(zhì)的持續(xù)提升。另一方面充分吸納具有碩士及以上學(xué)歷并有豐富企業(yè)經(jīng)驗的工程師作為專業(yè)教師，對現(xiàn)有教師隊伍進(jìn)行有效補(bǔ)充。

3.5 多元評價體系

OBE理念承認(rèn)學(xué)生之間的差異，應(yīng)依據(jù)每個學(xué)生的個體差異采用多元化的課程目標(biāo)達(dá)成度評價方式。課程目標(biāo)包含知識和能力兩方面學(xué)習(xí)成果評價，設(shè)計了如表1所示的多元化評價方式。期末考試采用閉卷考試形式，重點考查學(xué)生對基礎(chǔ)知識和原理架構(gòu)的掌握情況。優(yōu)化后的評價方式將平時學(xué)生的學(xué)習(xí)討論情況納入考核范圍，使學(xué)生在課堂上有更深的參與度，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

表1 多元化學(xué)習(xí)成果評價

4 總結(jié)與思考

大數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)驅(qū)動的具備高階系統(tǒng)能力的復(fù)合型人才培養(yǎng)仍處于探索階段。在大數(shù)據(jù)類前沿課程的教學(xué)改革中，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方式，完善教學(xué)資源，建設(shè)評價機(jī)制，逐步構(gòu)建與大數(shù)據(jù)行業(yè)需求相適應(yīng)的課程體系和培養(yǎng)方式，才能跟上時代發(fā)展的腳步。

然而，在專業(yè)知識和能力培養(yǎng)的同時，始終要堅持立德樹人為根本，充分挖掘思政元素，在課堂中植入愛國主義精神、社會責(zé)任、科學(xué)素養(yǎng)、團(tuán)隊協(xié)作、思辨精神等元素，使知識傳授與價值觀培養(yǎng)達(dá)到同頻共振，培養(yǎng)出適合時代發(fā)展的新型人才。