羅躍逸，袁修貴，朱小玉（.中南大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，長(zhǎng)沙 40083；.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙　40083）

大數(shù)據(jù)環(huán)境下數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合體系建設(shè)與改革探索

羅躍逸1，袁修貴1，朱小玉2
（1.中南大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；2.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410083）

0　引言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的崛起，全球數(shù)據(jù)呈爆炸性增長(zhǎng)。目前全球90%以上的數(shù)據(jù)是近幾年產(chǎn)生的，數(shù)據(jù)規(guī)模大約每?jī)赡攴环祟?lèi)已進(jìn)入信息化和大數(shù)據(jù)時(shí)代。為推動(dòng)大數(shù)據(jù)的學(xué)科發(fā)展，2009年，聯(lián)合國(guó)啟動(dòng)“全球脈動(dòng)計(jì)劃”，借大數(shù)據(jù)推動(dòng)落后地區(qū)發(fā)展。2011年以來(lái)，中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)、中國(guó)通信學(xué)會(huì)先后成立了大數(shù)據(jù)委員會(huì)，研究大數(shù)據(jù)中的科學(xué)與工程問(wèn)題，科技部的《中國(guó)云科技發(fā)展“十二五”專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》把大數(shù)據(jù)技術(shù)作為一項(xiàng)重點(diǎn)予以支持。對(duì)于大數(shù)據(jù)的收集、處理、分析，以及大數(shù)據(jù)的科學(xué)研究和人才培養(yǎng)已經(jīng)成為政府統(tǒng)計(jì)和高等統(tǒng)計(jì)教育工作面臨的重要課題［1-2］，傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和研究方法已不能完全適應(yīng)新形勢(shì)下數(shù)學(xué)學(xué)科建設(shè)的需要［3］。針對(duì)大數(shù)據(jù)在現(xiàn)今各領(lǐng)域中的重要性以及它所帶來(lái)的諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn)，則應(yīng)該從高校課程設(shè)置的層面作考慮，建立并完善適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的人才培養(yǎng)體系?，F(xiàn)在，美國(guó)的高校已經(jīng)開(kāi)設(shè)相關(guān)課程，例如，大數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)、大數(shù)據(jù)分布式計(jì)算、大數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)等。國(guó)內(nèi)一些高校也正在嘗試開(kāi)設(shè)大數(shù)據(jù)課程［4］，幫助學(xué)生了解大數(shù)據(jù)，學(xué)習(xí)大數(shù)據(jù)分析。大數(shù)據(jù)是一門(mén)綜合多學(xué)科專(zhuān)業(yè)知識(shí)、密切聯(lián)系市場(chǎng)實(shí)際的交叉學(xué)科，學(xué)生不僅要對(duì)分布式計(jì)算、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)知識(shí)有較深入的理解和掌握，還需要大數(shù)據(jù)背景下數(shù)據(jù)的管理、分析與挖掘的技能與方法的研究技能，需要數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合。因此，在大數(shù)據(jù)背景下的數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合體系的研究、建立與完善是十分有必要的，是信息技術(shù)發(fā)展的需要。

1　數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)體系的教學(xué)現(xiàn)狀

在大數(shù)據(jù)背景下，數(shù)學(xué)學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)課程已經(jīng)不能滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代的需求，存在如下問(wèn)題：

（1）數(shù)學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)理論課的教學(xué)中，理論教學(xué)課時(shí)占比偏重，實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)占比較輕。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程主要包含過(guò)程演示和理論驗(yàn)證這兩類(lèi)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)脫離社會(huì)人才需求，學(xué)生興趣不足，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)的預(yù)期目標(biāo)。

（2）在高校的教學(xué)課程里，呈碎片化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)貫穿其中，容易對(duì)學(xué)生連貫的獲取整合知識(shí)造成不良影響。數(shù)學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生不能只具備理論證明的能力，也需要擁有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理及分析能力。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)影響學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，導(dǎo)致教學(xué)效果不理想。

（3）實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師在大數(shù)據(jù)課程的實(shí)踐教學(xué)方面缺乏經(jīng)驗(yàn)，不能及時(shí)更新實(shí)驗(yàn)課程并指導(dǎo)學(xué)生整合知識(shí)結(jié)構(gòu)，數(shù)學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)與社會(huì)實(shí)際需求結(jié)合不夠緊密，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐環(huán)節(jié)中缺少聯(lián)合實(shí)際的工程實(shí)踐課程設(shè)計(jì)，數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中缺乏從上到下、綜合有效的控制手段。

2　大數(shù)據(jù)背景下的數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)探討

大數(shù)據(jù)具有體量巨大、速度極快、類(lèi)型眾多、價(jià)值巨大的特點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)采集、分析、管理、存儲(chǔ)提出了前所未有的新要求。目前大多數(shù)高校通過(guò)信息化建設(shè)，已經(jīng)具備了良好的軟、硬件條件，但同時(shí)存在服務(wù)器大量閑置的問(wèn)題。因此，如果能在現(xiàn)有服務(wù)器上直接進(jìn)行大數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)資源共享平臺(tái)建設(shè)，既可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教育，又能讓原本閑置的服務(wù)器重新盤(pán)活、充分利用，可謂一舉多得。

圍繞數(shù)學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，轉(zhuǎn)變教育觀念，改革教學(xué)方法，調(diào)整和重構(gòu)課程體系，瞄準(zhǔn)社會(huì)人才需求，結(jié)合數(shù)學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)和特點(diǎn)，將數(shù)學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)課程分為數(shù)學(xué)理論、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析三類(lèi)實(shí)驗(yàn)課程，不斷探索改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)手段，從而使實(shí)驗(yàn)課程體系更加優(yōu)化，更加有利于培養(yǎng)適合企業(yè)需要的計(jì)算機(jī)應(yīng)用型高級(jí)人才。

（1）數(shù)學(xué)理論

數(shù)學(xué)理論實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)針對(duì)數(shù)學(xué)理論與實(shí)踐結(jié)合不夠緊密的問(wèn)題，設(shè)計(jì)與數(shù)學(xué)類(lèi)各專(zhuān)業(yè)理論課程相匹配的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，包括數(shù)值分析、理論建模、最優(yōu)化方法、微分方程數(shù)值解、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)等課程。數(shù)學(xué)理論實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)針對(duì)實(shí)驗(yàn)課程占比偏輕的問(wèn)題，設(shè)計(jì)與理論課程聯(lián)系緊密的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，學(xué)生經(jīng)由實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)溫習(xí)并鞏固理論知識(shí)，促使學(xué)生真正融合知識(shí)與技能，培養(yǎng)獨(dú)立學(xué)習(xí)意識(shí)，結(jié)合數(shù)學(xué)理論和實(shí)踐技能解決實(shí)際生活中的問(wèn)題。

（2）計(jì)算機(jī)應(yīng)用

計(jì)算機(jī)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)針對(duì)實(shí)踐教學(xué)對(duì)專(zhuān)業(yè)素質(zhì)專(zhuān)注不足的問(wèn)題，設(shè)計(jì)拓展專(zhuān)業(yè)素質(zhì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，對(duì)數(shù)學(xué)理論的深度掌握提供便利。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包含一些計(jì)算數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)課程的綜合實(shí)驗(yàn)，如數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)安全、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)等課程。開(kāi)設(shè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用課程的目的是通過(guò)計(jì)算機(jī)程序來(lái)驗(yàn)證學(xué)習(xí)的數(shù)學(xué)理論知識(shí)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，提升學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技能和解決實(shí)際問(wèn)題的水平。

（3）大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)精準(zhǔn)定位到數(shù)據(jù)分析，設(shè)計(jì)提高大數(shù)據(jù)分析能力的實(shí)驗(yàn)課程，包括MapReduce、Hadoop+HDFS、NoSQL、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等課程，是對(duì)計(jì)算應(yīng)用類(lèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的提升?；诖髷?shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、分析、共享的數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，綜合利用應(yīng)用統(tǒng)計(jì)理論與方法，精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，為學(xué)生提供開(kāi)放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)踐強(qiáng)化對(duì)大數(shù)據(jù)分析的能力，全面培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能以及綜合分析、發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題的能力。

3　數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合體系建設(shè)方案

圍繞數(shù)學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合科研和行業(yè)前沿，建設(shè)促進(jìn)人才培養(yǎng)的數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合體系，其中主要包括核心功能系統(tǒng)、保障系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)三部分，為高校提供實(shí)驗(yàn)資源管理與共享服務(wù)，圖1為數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合體系建設(shè)方案。

圖1　數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合體系建設(shè)方案

（1）支撐系統(tǒng)

大數(shù)據(jù)平臺(tái)是數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合體系的支撐系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，光有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)往往是不行的，還應(yīng)該有便捷的數(shù)據(jù)處理過(guò)程。結(jié)合現(xiàn)有的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，如Hadoop、HBase等開(kāi)源技術(shù)，構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開(kāi)放大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為海量數(shù)據(jù)的快速處理提供支撐。

（2）保障系統(tǒng)

保障系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)、數(shù)據(jù)管理平臺(tái)、數(shù)據(jù)分析平臺(tái)以及共享服務(wù)平臺(tái)?；诖髷?shù)據(jù)平臺(tái)搭建實(shí)驗(yàn)資源存儲(chǔ)、管理、分析、共享體系，為核心功能系統(tǒng)提供支持?；诖髷?shù)據(jù)的保障系統(tǒng)。從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)共享，系統(tǒng)將利用信息技術(shù)的便捷性實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)更多、類(lèi)型更多且分析更準(zhǔn)的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，對(duì)實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)行計(jì)算、處理及分析，從而充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)資源管理中的重要作用。

（3）核心功能系統(tǒng)

數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合體系是實(shí)現(xiàn)以實(shí)驗(yàn)資源為主要內(nèi)容的網(wǎng)絡(luò)資源共享與管理服務(wù)的體系架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和運(yùn)營(yíng)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)資源主要包括采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)實(shí)例庫(kù)。核心功能系統(tǒng)通過(guò)采集數(shù)學(xué)專(zhuān)業(yè)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如海量的金融數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)圖像數(shù)據(jù)等資源庫(kù)，利用網(wǎng)絡(luò)化與信息化建設(shè)整合優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享。經(jīng)由校園網(wǎng)，向不同類(lèi)型的用戶以同步或異步的方式發(fā)布、共享并管理實(shí)驗(yàn)資源，為高校的實(shí)驗(yàn)管理與共享提供服務(wù)。

4　結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要分析大數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)提出的新的要求，探討了現(xiàn)有的數(shù)學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題，并結(jié)合大數(shù)據(jù)提出了大數(shù)據(jù)背景下的數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)課程改革和創(chuàng)新內(nèi)容，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)提出構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合體系。

［1］孟小峰，慈祥.大數(shù)據(jù)管理：概念、技術(shù)與挑戰(zhàn)［J］.計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2013，50（1）：146-169.

［2］李國(guó)杰，程學(xué)旗.大數(shù)據(jù)研究：未來(lái)科技及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重大戰(zhàn)略領(lǐng)域——大數(shù)據(jù)的研究現(xiàn)狀與科學(xué)思考［J］.中國(guó)科學(xué)院院刊，2012，27（6）.

［3］黃介武.淺析大數(shù)據(jù)環(huán)境下的統(tǒng)計(jì)學(xué)課程教學(xué)［J］.課程教育研究，2014，（22）：235-235.

［4］李鴻健.大數(shù)據(jù)時(shí)代計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究［J］.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)：專(zhuān)業(yè)版，2013，（13）：29-31.

Big Data；Mathematical Environment；Reformation Plan

The Comprehensive Mathematical Experimental System Construction and Reformation in Big Data Environment

LUO Yue-yi1，YUAN Xiu-gui1，ZHU Xiao-yu2
（1.Department of Mathematics and Statistics，Central South University，Changsha 410083；
2.Department of Information Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083）

1007-1423（2015）23-0065-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.23.016

羅躍逸（1986-），男，廣西柳州人，博士研究生，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)檐浖こ膛c信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)資源管理與服務(wù)

袁修貴（1964-），男，湖北薊春人，教授，研究方向?yàn)樽顑?yōu)化算法

2015-08-01

2015-08-10

社會(huì)已進(jìn)入信息化和大數(shù)據(jù)時(shí)代，為適應(yīng)大數(shù)據(jù)時(shí)代的變革，針對(duì)大數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)體系建設(shè)的要求，對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代下數(shù)學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)改革進(jìn)行探索，并基于大數(shù)據(jù)技術(shù)提出一種數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合體系建設(shè)方案。

大數(shù)據(jù)；數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)；改革方案

朱小玉（1989-2），女，湖北廣水人，博士研究生，研究方向?yàn)樵朴?jì)算安全與隱私保護(hù)

Society has entered the era of information and big data.In order to adapt to the change of the ig data era，explores the experimental courses construction and reformation plan of the mathematics specialty，which regards to the needs of big data to mathematical experimental system construction，then comes up with a comprehensive mathematical experimental construction plan.