范玉雷

摘要：學(xué)生工程教育培養(yǎng)的核心問題是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。解決該問題，首先要準(zhǔn)確理解和把握復(fù)雜工程問題的本質(zhì)，其次要針對(duì)該目標(biāo)采取有針對(duì)性的教學(xué)方法和手段。因此，本文從解讀和闡述復(fù)雜性工程問題入手，以“大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘”課程為例，分析該課程特點(diǎn)以及現(xiàn)有問題，并針對(duì)上述培養(yǎng)目標(biāo)，給出適應(yīng)該課程的一系列教學(xué)方法和改革措施，包括產(chǎn)學(xué)合作、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、“多師”授課、翻轉(zhuǎn)課堂和綜合評(píng)價(jià)等策略。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜工程問題;大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘;產(chǎn)學(xué)合作;項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2019）10-0106-04

引言

近幾年，我國(guó)高等教育正在大力開展工程教育認(rèn)證。工程教育認(rèn)證是一項(xiàng)國(guó)際通行的合格性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量提供基本標(biāo)準(zhǔn)，即依照行業(yè)提出的基本質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求完成工科專業(yè)人才培養(yǎng)。工程教育認(rèn)證推進(jìn)工程教育改革，與工程師制度緊密銜接，增強(qiáng)培養(yǎng)出來的人才對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的適應(yīng)性，同時(shí)大大提升了我國(guó)工程技術(shù)人才的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

本文以“大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘”課程為例分析和討論如何運(yùn)用產(chǎn)學(xué)合作和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)等教學(xué)策略培養(yǎng)學(xué)生的復(fù)雜工程問題解決能力。首先，建立產(chǎn)學(xué)深入合作以獲取更切合實(shí)際的復(fù)雜工程問題——大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)挖掘問題;其次，確定合適的大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘項(xiàng)目，學(xué)生自由組隊(duì)實(shí)施項(xiàng)目;最后，通過翻轉(zhuǎn)課堂讓學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目答辯，通過教師、學(xué)生和企業(yè)三方給出學(xué)生綜合評(píng)價(jià)。

“復(fù)雜工程問題”的解讀

國(guó)際公認(rèn)的具有權(quán)威性和影響力的《華盛頓協(xié)議》指出“工程”是包括數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程知識(shí)、技術(shù)和技能整體的、有目的性的應(yīng)用?！皬?fù)雜工程問題”的核心特征是必須運(yùn)用深入的工程原理進(jìn)行分析才能得到解決，特別要強(qiáng)調(diào)的是復(fù)雜工程問題并不等同于高難度且工作量大的問題?？梢姡莆展こ淘淼姆治龊瓦\(yùn)用是學(xué)生具備解決復(fù)雜工程問題能力的基本技能。分析工程原理需要深入，運(yùn)用工程原理需要經(jīng)過分析以后解決問題?！皬?fù)雜工程問題”除了上面的核心特征以外，還具有以下6個(gè)選擇性特征：①涉及多方面技術(shù)、工程和其他因素，且相互之間可能存在沖突;②需要通過創(chuàng)造性地建立合適的抽象模型才能解決;③僅靠常用方法是不能完全解決的;④涉及的因素可能沒辦法完全被專業(yè)工程實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范所包含;⑤相關(guān)各方利益不完全一致;⑥具有較高的綜合性，包含若干相互關(guān)聯(lián)的子問題。具備核心特征和6個(gè)選擇性特征中一項(xiàng)或多項(xiàng)的工程問題都屬于復(fù)雜工程問題。

“大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘”課程特點(diǎn)和問題

作為數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)的必修課程和核心課程，同時(shí)亦為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程等專業(yè)的選修課程和專業(yè)課程，大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘是在完成離散數(shù)學(xué)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)與概率論、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫(kù)原理及應(yīng)用等基礎(chǔ)課程之后開設(shè)的，目的是讓學(xué)生更深入了解大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘的基礎(chǔ)理論知識(shí)、應(yīng)用前景與發(fā)展方向，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維以及動(dòng)手實(shí)踐能力。所以，提高“大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘”課程的教學(xué)效果對(duì)學(xué)生的今后學(xué)習(xí)與就業(yè)都有十分重要的意義。

1.“大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘”課程特點(diǎn)

大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用背景面向的就是復(fù)雜工程問題，以下分別從系統(tǒng)性、交叉性、豐富性以及倫理性四個(gè)方面對(duì)大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘的復(fù)雜性進(jìn)行解讀。

（1）系統(tǒng)性

大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘描述的是一整套以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化等，不但要描述大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘所涉及的方法、技術(shù)、模型和理論，還要闡述大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘中涉及到的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和倫理道德等方面。

（2）交叉性

大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘具有多學(xué)科多領(lǐng)域交叉的特征，涉及數(shù)學(xué)、數(shù)據(jù)庫(kù)、可視化、信息科學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)、高性能計(jì)算等，所涉及的方法、技術(shù)、模型和理論具有廣泛性。同時(shí)，數(shù)據(jù)來自應(yīng)用領(lǐng)域，使得大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用領(lǐng)域及領(lǐng)域知識(shí)密切相關(guān)。

（3）豐富性

因其涉及的學(xué)科和領(lǐng)域很多，大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘所涉及的方法、技術(shù)、模型或理論甚多，任何一個(gè)方面都可以有豐富的現(xiàn)有的資源可以使用，任何一個(gè)方面都值得去深入研究創(chuàng)新，更可以通過研究創(chuàng)新以解決大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘方面的復(fù)雜工程問題。

（4）倫理性

大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用的目的是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，造福人類，同時(shí)也應(yīng)該考慮大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用可能帶來的不良影響，因此要有風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)。同時(shí)，大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘更增強(qiáng)了社會(huì)大眾對(duì)數(shù)據(jù)隱私的保護(hù)意識(shí)，因此要有數(shù)據(jù)隱私保護(hù)意識(shí)。

2.“大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘”課程問題

大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘是數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)、計(jì)算機(jī)專業(yè)和軟件工程專業(yè)中一門綜合性以及實(shí)踐性非常強(qiáng)的專業(yè)課程，采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法可能會(huì)導(dǎo)致課堂氛圍非?？菰?。因此，教學(xué)過程中要注重教學(xué)內(nèi)容的復(fù)雜工程應(yīng)用性、實(shí)踐性、針對(duì)性和專業(yè)性?！按髷?shù)據(jù)和數(shù)據(jù)挖掘”課程教學(xué)現(xiàn)在普遍存在如下問題，亟待改革。

第一，部分內(nèi)容理論比較抽象且內(nèi)容過多，尤其是數(shù)據(jù)清洗所涉及到的數(shù)學(xué)公式和數(shù)學(xué)知識(shí)點(diǎn)比較多，數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)數(shù)據(jù)模型相對(duì)較抽象，難以理解，數(shù)據(jù)挖掘算法也包含很多理論支撐，所以學(xué)生在學(xué)習(xí)中極易產(chǎn)生枯燥、乏味的感覺。

第二，內(nèi)容理論多于實(shí)際，該課程內(nèi)容包括數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和數(shù)據(jù)挖掘，這就需要用足夠的課時(shí)來教授學(xué)生各部分的知識(shí)點(diǎn)，盡量使學(xué)生在大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘方面有個(gè)完整的知識(shí)體系，但目前很少有具體項(xiàng)目來貫穿整個(gè)課程。

第三，任課教師本身缺乏大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘的完整知識(shí)體系，使得教師在講授理論時(shí)不能很好地結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活實(shí)踐，即不能將當(dāng)前實(shí)際項(xiàng)目案例和該課程教學(xué)有機(jī)地結(jié)合在一起，與實(shí)際的大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘?qū)嵺`有明顯的差距。

第四，“雙師”型教師嚴(yán)重匱乏，大部分高校教師只專注于科研而少有在公司或者企業(yè)工作過的經(jīng)歷，且在培養(yǎng)本科生的科研能力方面沒有真正地深入，僅通過簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，所以他們常常在授課過程中忽視學(xué)生的項(xiàng)目實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

第五，該課程實(shí)驗(yàn)側(cè)重于傳統(tǒng)動(dòng)手編程能力的培養(yǎng)，而缺少數(shù)據(jù)思維的培養(yǎng)，即教師很少談及數(shù)據(jù)思維，甚至側(cè)重程序驗(yàn)收而不是強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)采集—管理—分析的整個(gè)過程，并且缺少適合實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和項(xiàng)目資料，使學(xué)生不能將所學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際。

“大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘”課程教學(xué)改革措施

1.理論知識(shí)：結(jié)合項(xiàng)目傳統(tǒng)授課和“多師”授課

理論部分教學(xué)仍采用教師授課為主的模式，但需要以大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘項(xiàng)目案例去形象化闡述理論。教師授課以向?qū)W生講述大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘的基本理論為主，內(nèi)容力求少而精，同時(shí)借助大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘項(xiàng)目案例，以通俗易懂的接受方式講授給學(xué)生，目的是在較短時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生了解現(xiàn)階段最廣泛使用的大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的理論知識(shí)，為下一步的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，考慮到大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘知識(shí)體系的完整性，保留數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和數(shù)據(jù)挖掘授課內(nèi)容。由于存在教師科研方向問題以及項(xiàng)目案例缺乏等問題，引入“多師”授課方式，即不同部分由不同教師，甚至可以外聘企業(yè)人員來校授課，但是在授課前一定要協(xié)商好上課內(nèi)容，保證授課內(nèi)容的前后銜接和有機(jī)結(jié)合，以培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)思維為主，培養(yǎng)學(xué)生在大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘方面的興趣愛好，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，使學(xué)生平穩(wěn)過渡到深入研發(fā)階段。

2.應(yīng)用技術(shù)：從項(xiàng)目出發(fā)和“用中學(xué)”

大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘與其他計(jì)算機(jī)課程不同，學(xué)生需要面對(duì)的不是單一的軟件工具和編程語(yǔ)言，而是一組軟件工具組成的軟件支持環(huán)境。為了增強(qiáng)大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘課的真實(shí)性，可選用一組業(yè)內(nèi)流行的大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘工具和編程語(yǔ)言，如ETL、Hive和Python等，營(yíng)造一個(gè)適合“大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘”課程的項(xiàng)目實(shí)踐環(huán)境?？紤]到相關(guān)工具和編程語(yǔ)言的復(fù)雜性，為避免學(xué)生陷入單純學(xué)習(xí)軟件功能和編程語(yǔ)言的誤區(qū)，要堅(jiān)持“用中學(xué)”的方針，不要求學(xué)生面面俱到掌握軟件功能和編程語(yǔ)言，而是從實(shí)用角度出發(fā)，以完成項(xiàng)目為目的，掌握軟件常用功能和編程語(yǔ)言基本語(yǔ)法等。同時(shí)，圍繞項(xiàng)目可以布置一些課外任務(wù)，以鞏固學(xué)生對(duì)大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘所涉及應(yīng)用技術(shù)的熟練程度，同時(shí)拓寬學(xué)生對(duì)應(yīng)用技術(shù)的擴(kuò)展學(xué)習(xí)。

3.項(xiàng)目實(shí)踐

通過項(xiàng)目實(shí)踐完成情況可以考察學(xué)生對(duì)大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘的方法和技術(shù)的掌握和運(yùn)用情況。

（1）項(xiàng)目遴選

項(xiàng)目的選取遵循“生產(chǎn)性、相關(guān)性、發(fā)展性和可操作性”四大原則，選擇的項(xiàng)目要和學(xué)生的生活學(xué)習(xí)相關(guān)，同時(shí)要是他們熟悉的，要有一定業(yè)務(wù)流程，能滿足學(xué)生今后可持續(xù)發(fā)展的需要，便于課堂開展教學(xué)實(shí)施，如氣象實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)測(cè)、交通實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)測(cè)。要想使學(xué)生在大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘的各知識(shí)點(diǎn)均有練習(xí)，最好的方式是通過產(chǎn)學(xué)合作的方式與相關(guān)企業(yè)或政府部門建立起長(zhǎng)期合作，由企業(yè)或政府部門提出復(fù)雜工程問題，選擇其中一個(gè)作為授課用，并把該復(fù)雜工程問題對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目（授課用項(xiàng)目）貫穿到整門課的教學(xué)包括理論教學(xué)和應(yīng)用技術(shù)教學(xué)的過程中。

（2）項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)

大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘理論較抽象，且所需基礎(chǔ)理論知識(shí)繁多，學(xué)生不宜理解和掌握，可以借助企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目（授課用項(xiàng)目），將實(shí)際和理論相結(jié)合，這就需要教師具有工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和解決復(fù)雜工程問題的能力，并能夠很好地將理論和實(shí)際結(jié)合在一起進(jìn)行授課，即把實(shí)際真正解決復(fù)雜工程問題的過程、方法、理論和技術(shù)融入到理論授課過程中。理論授課需要項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘?qū)嵺`更需要數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型項(xiàng)目，真實(shí)項(xiàng)目不但可以讓學(xué)生通過項(xiàng)目感受和掌握大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘的理論、方法和技術(shù)等，更能帶動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和實(shí)際動(dòng)手的積極性。

（3）團(tuán)隊(duì)協(xié)作

根據(jù)大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘?qū)嵺`過程分析并確定團(tuán)隊(duì)協(xié)作人員人數(shù)，并根據(jù)學(xué)生的能力和水平，進(jìn)行合理有效的分工，明確學(xué)生的學(xué)習(xí)任務(wù)和角色，尤其是大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘?qū)嵺`過程中的角色以及相應(yīng)的任務(wù)，如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)管理（文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)等）、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化等以及細(xì)分項(xiàng)。值得一提的是，為了更好地幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘各個(gè)環(huán)節(jié)和各個(gè)角色的重要性，需要約束和規(guī)范學(xué)生定期進(jìn)行小組討論并做會(huì)議記錄，按時(shí)提交相應(yīng)會(huì)議記錄——進(jìn)度、問題及解決辦法等;同時(shí)，約束和規(guī)范學(xué)生撰寫項(xiàng)目文檔，并按期提交，但要在理論、方法和技術(shù)方面給學(xué)生發(fā)揮的空間。為了更好地把大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘項(xiàng)目開展下去，可以為每個(gè)團(tuán)隊(duì)配備一名教師和一名企業(yè)人員，以幫助學(xué)生解決遇到的無法解決的復(fù)雜工程問題。

（4）翻轉(zhuǎn)課堂

在大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘項(xiàng)目實(shí)施過程中，設(shè)定若干階段性成果匯報(bào)和最終答辯環(huán)節(jié)，由學(xué)生準(zhǔn)備素材設(shè)計(jì)PPT，并由學(xué)生在講臺(tái)上講述階段性成果和所遇到的已經(jīng)解決的和未解決的問題，這樣不但可以培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)能力，還可以培養(yǎng)學(xué)生材料搜集整理的能力，同時(shí)更凸顯團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力。

（5）綜合評(píng)價(jià)

傳統(tǒng)教學(xué)模式中主要由授課教師來完成最終成績(jī)包括平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)的評(píng)定。為了能夠更好地衡量學(xué)生團(tuán)隊(duì)在大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘項(xiàng)目進(jìn)行過程中的表現(xiàn)，在階段性成果匯報(bào)和最終成果答辯過程中，可由教師、學(xué)生和企業(yè)人員共同參與答辯評(píng)審，并且對(duì)學(xué)生團(tuán)隊(duì)內(nèi)的每一個(gè)人都可以提問，以保證團(tuán)隊(duì)內(nèi)的每一個(gè)學(xué)生已熟悉和掌握軟件開發(fā)過程中應(yīng)知必會(huì)的知識(shí)。

結(jié)語(yǔ)

解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工作，同時(shí)也是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、循序漸進(jìn)的工作，貫穿整個(gè)教學(xué)過程。只有準(zhǔn)確理解和把握復(fù)雜工程問題，才能有針對(duì)性地開展教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)活動(dòng)。本文探討了“大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘”課程教學(xué)改革措施，結(jié)合實(shí)際大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘項(xiàng)目給出了復(fù)雜問題教學(xué)實(shí)施方法，如項(xiàng)目遴選、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、翻轉(zhuǎn)課堂、綜合評(píng)價(jià)等，希望對(duì)其他涉及復(fù)雜工程問題的課程教學(xué)有一定的啟發(fā)。

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基金項(xiàng)目：浙江工業(yè)大學(xué)專業(yè)核心課程建設(shè)項(xiàng)目“數(shù)據(jù)挖掘”。