工程教育背景下《大數(shù)據(jù)采集與分析》課程教學(xué)設(shè)計

仲兆滿，管燕

（江蘇海洋大學(xué)計算機(jī)工程學(xué)院，江蘇 連云港）

工程教育認(rèn)證是檢驗高等學(xué)校工科專業(yè)的教育質(zhì)量，是實現(xiàn)工程教育國際互認(rèn)和工程師資格國際互認(rèn)的基礎(chǔ)。2016 年6 月，我國正式成為《華盛頓協(xié)議》成員，標(biāo)志著我國的工程教育已與國際水平同步，對提升我國工程教育的國際競爭力具有重要意義。

2016 年開始，為培養(yǎng)更多的大數(shù)據(jù)領(lǐng)域相關(guān)人才，教育部啟動了“數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)”專業(yè)建設(shè)計劃。2016 年有3 所高校獲批，2017 年有32 所高校獲批，2018 年有248 所高校獲批，獲批數(shù)量呈井噴式發(fā)展，反映出國家對大數(shù)據(jù)專業(yè)的重視程度。數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)專業(yè)已成為我國現(xiàn)階段高等教育的熱點問題之一。

但是，數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)建設(shè)時間短，人才培養(yǎng)目標(biāo)、課程設(shè)置體系、課程教學(xué)內(nèi)容、課程考核評估等方面都很不成熟。在工程教育認(rèn)證背景下，如何建設(shè)數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)是各高校面臨的普遍問題。

專業(yè)工程認(rèn)證以具體課程為支撐，課程的教學(xué)改革是專業(yè)工程認(rèn)證的基礎(chǔ)。“大數(shù)數(shù)據(jù)采集與分析”是我校申辦數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)的核心課程，具有較強(qiáng)的理論和實踐操作性。通過該課程的教學(xué)，使學(xué)生打下數(shù)據(jù)采集與處理的理論和技術(shù)基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生大數(shù)據(jù)采集、分析、行業(yè)大數(shù)據(jù)解決方案編寫的能力。目前，該課程已經(jīng)在計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的大三第二學(xué)期上課，共 48 個學(xué)時，其中理論36 學(xué)時，實驗12 學(xué)時。 依據(jù)工程教育認(rèn)證的理念和標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)該課程教學(xué)存在以下問題：(1)理論課時偏多、實踐動手不足，這不符合工程教育認(rèn)證以成果為導(dǎo)向的教育理念；(2)教學(xué)內(nèi)容對畢業(yè)要求指標(biāo)點的支撐不夠，導(dǎo)致培養(yǎng)的學(xué)生能力不足；（3）課程考核方式仍然采用傳統(tǒng)的平時成績加期末考核的方式，不能滿足工程教育認(rèn)證過程考核和復(fù)雜工程問題解決能力的培養(yǎng)要求。

本文針對“大數(shù)據(jù)采集與分析”課程存在的問題，研究了工程教育認(rèn)證背景下的課程改革探索，包括課程教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、課程考核方式等內(nèi)容，以期使得本門課程更符合工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，同時對專業(yè)認(rèn)證體系中的其他課程教學(xué)改革提供參考。

一 相關(guān)研究

工程認(rèn)證要求課程設(shè)置要服務(wù)于專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)、滿足預(yù)期的畢業(yè)生能力要求[1]。工程認(rèn)證的核心理念之一是以學(xué)生為中心,指在課程體系、師資隊伍、支撐條件、質(zhì)量保障制度等方面都根據(jù)有利于學(xué)生達(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求來設(shè)置[2]。

當(dāng)前，有些學(xué)者圍繞專業(yè)工程教育認(rèn)證進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。蔡志平等[3]探索了網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)工程教育認(rèn)證的思路和做法，涉及修訂培養(yǎng)目標(biāo)、修訂畢業(yè)要求、設(shè)計畢業(yè)要求支撐權(quán)重矩陣、修訂課程標(biāo)準(zhǔn)、開展教學(xué)活動、課程考核和歸檔、評價畢業(yè)要求達(dá)成度等內(nèi)容。張貞凱等[4]以電子信息工程專業(yè)為依托，設(shè)計了模擬電子技術(shù)的教學(xué)目標(biāo)，及其畢業(yè)要求的支撐度。王紅軍[5]建立了畢業(yè)要求和支撐課程矩陣，并對對機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)學(xué)生的畢業(yè)要求達(dá)成度進(jìn)行了定性和定量評價。言十[6]探討了新工科建設(shè)背景下“新”的含義，分析“新”時代的特征、面臨的“新”問題及解決方法。

一些學(xué)者圍繞數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)的課程體系建設(shè)進(jìn)行了初步探索。曹耀欽[7]指出了當(dāng)前應(yīng)用型智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)大數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)中存在的問題，分析了大數(shù)據(jù)應(yīng)用開發(fā)人才的崗位需求及知識結(jié)構(gòu)，提出了基于崗位目標(biāo)的大數(shù)據(jù)課程群的概念。桂勁松等[8]探討了新工科背景下數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)建設(shè)問題，包括培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求、課程體系、培養(yǎng)模式構(gòu)建與實施、協(xié)同育人、質(zhì)量監(jiān)控與評價等方面。朝樂門等[9]調(diào)研了世界一流大學(xué)的8 所高校數(shù)據(jù)科學(xué)專業(yè)的建設(shè)現(xiàn)狀，提出了數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)這一新專業(yè)應(yīng)重視的10 門特色課程，并分析了現(xiàn)階段我國數(shù)據(jù)科學(xué)教育中普遍存在的8種曲解現(xiàn)象及對策建議。

少數(shù)學(xué)者對數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)的具體課程進(jìn)行了改革探索。覃雄派等[10]介紹了“數(shù)據(jù)科學(xué)”課程群中的“數(shù)據(jù)科學(xué)導(dǎo)論”課程的目標(biāo)和定位、內(nèi)容安排、教學(xué)計劃、考核方法以及實踐環(huán)節(jié)設(shè)計。同樣圍繞大數(shù)據(jù)專業(yè)導(dǎo)論課程，張祖平[11]論述了專業(yè)導(dǎo)論的教材準(zhǔn)備、課程定位及具體教學(xué)內(nèi)容，在其提出的大數(shù)據(jù)技能體系中，強(qiáng)調(diào)了數(shù)據(jù)采集與分析的重要性。

二 大數(shù)據(jù)采集與分析課程教學(xué)目標(biāo)

工程教育認(rèn)證以學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)為三大教育理念，其中的產(chǎn)出導(dǎo)向核心是培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求。培養(yǎng)目標(biāo)是對畢業(yè)生畢業(yè)5 年左右能夠達(dá)到的職業(yè)和專業(yè)成就的總體描述，畢業(yè)要求是對學(xué)生畢業(yè)時所應(yīng)該掌握的知識和能力的具體描述。

“大數(shù)據(jù)采集與分析”課程旨在為學(xué)生打下數(shù)據(jù)采集與處理的理論和技術(shù)基礎(chǔ)，主要包括大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、大數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)分析、行業(yè)大數(shù)據(jù)解決方案等相關(guān)知識，培養(yǎng)學(xué)生大數(shù)據(jù)獲取、大數(shù)據(jù)分析以及行業(yè)解決方案編寫的能力。工程認(rèn)證畢業(yè)要求包括工程知識、問題分析、設(shè)計/開發(fā)解決方案、研究、現(xiàn)代工具使用、工程與社會、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展、職業(yè)規(guī)范、個人和團(tuán)隊、溝通、項目管理、終身學(xué)習(xí)共計12 個大的指標(biāo)點。本文設(shè)計的大數(shù)據(jù)采集與分析課程教學(xué)目標(biāo)對畢業(yè)要求指標(biāo)點的支撐關(guān)系如表1 所示。

表1 課程教學(xué)目標(biāo)對畢業(yè)要求指標(biāo)點的支撐關(guān)系

三 大數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

（一）課程教學(xué)內(nèi)容總體結(jié)構(gòu)

依據(jù)“大數(shù)據(jù)采集與分析”課程教學(xué)目標(biāo)，本文設(shè)計的大數(shù)據(jù)采集與分析課程教學(xué)內(nèi)容總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 所示的“大數(shù)據(jù)采集與分析”課程教學(xué)內(nèi)容體系共包括4 個模塊：大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)模塊，是后期大數(shù)據(jù)采集與分析的技術(shù)基礎(chǔ)；大數(shù)據(jù)采集模塊，為大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支撐；大數(shù)據(jù)分析模塊，是面向不同應(yīng)用場景的具體分析技術(shù)；行業(yè)大數(shù)據(jù)采集與分析解決方案，最終面向不同行業(yè)，在掌握的大數(shù)據(jù)采集與分析的基礎(chǔ)上，提出合理的解決方案。

具體的教學(xué)模塊的組成，可以根據(jù)學(xué)生前期掌握的知識內(nèi)容進(jìn)行微調(diào)。比如，學(xué)生已經(jīng)開設(shè)過“大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)技術(shù)”課程后，在本門課程中可以刪除大數(shù)據(jù)技術(shù)簡介、Hadoop 開發(fā)環(huán)境搭建、HDFS 分布式文件系統(tǒng)、MapReduce 編程技術(shù)、Hbase 分布式數(shù)據(jù)庫等知識點，直接給學(xué)生講授大數(shù)據(jù)采集、分析和行業(yè)解決方案三個知識模塊。

（二）課程教學(xué)模塊內(nèi)容

1.大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)模塊

大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)模塊教學(xué)內(nèi)容包括五個部分，（1）大數(shù)據(jù)技術(shù)簡介：大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展、Hadoop 簡介、MapReduce 簡 介、Hbase 簡 介；（2）Hadoop 開 發(fā) 環(huán) 境搭建：單機(jī)和偽分布式開發(fā)環(huán)境搭建、完全分布式開發(fā)環(huán)境搭建；（3）HDFS 分布式文件系統(tǒng)：HDFS 簡介、HDFS 工作原理、HDFS 操作命令、HDFS 編程實例；（4）MapReduce 編程技術(shù)：MapReduce 框架、MapReduce 工作原理、基于MapReduce 編程方法；（5）Hbase 分布式數(shù)據(jù)庫：Hbase 簡介、Hbase 工作原理、Hbase 操作簡介、Hbase 編程實例。

2.大數(shù)據(jù)采集模塊

大數(shù)據(jù)采集模塊教學(xué)內(nèi)容包括兩個部分，（1）大數(shù)據(jù)模板采集：信息采集方法與技術(shù)、模板采集的原理、模板配置實例、模板采集調(diào)度實例；（2）大數(shù)據(jù)搜索采集：搜索采集的原理、搜索采集調(diào)度實例。

3.大數(shù)據(jù)分析模塊

大數(shù)據(jù)分析模塊教學(xué)內(nèi)容包括五個部分，（1）文本相似度計算：單詞統(tǒng)計、關(guān)鍵詞提取、頻繁項挖掘、文本表示、文本相似度計算；（2）文本聚類：文本聚類方法介紹、基于K-means 算法的文本聚類實例、基于K-MEDOIDS 算法的文本聚類實例；（3）文本分類：文本分類方法介紹、基于KNN 的文本分類、基于貝葉斯的文本分類；（4）信息檢索：信息檢索方法介紹、Lucene 索引檢索實例、基于hadoop 的Lucene 索引檢索實例；（5）社交網(wǎng)絡(luò)分析：社交網(wǎng)絡(luò)簡介、用戶話題提取實例、用戶相似度計算實例、基于Map/Reduce 的用戶關(guān)聯(lián)強(qiáng)度計算實例、用戶相似度繪制。

4.行業(yè)大數(shù)據(jù)采集與分析解決方案

行業(yè)大數(shù)據(jù)采集與分析解決方案教學(xué)內(nèi)容包括四個部分，（1）國際國內(nèi)大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)政策：國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)政策及發(fā)展趨勢、國內(nèi)大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)政策及發(fā)展趨勢；（2）大數(shù)據(jù)采集與分析知識檢索：數(shù)字圖書館的使用、搜索引擎的使用；（3）行業(yè)大數(shù)據(jù)采集解決方案：互聯(lián)網(wǎng)輿情監(jiān)測行業(yè)大數(shù)據(jù)采集解決方案、社交網(wǎng)絡(luò)分析行業(yè)大數(shù)據(jù)采集解決方案、電子商務(wù)行業(yè)大數(shù)據(jù)采集解決方案；（4）行業(yè)大數(shù)據(jù)分析解決方案：互聯(lián)網(wǎng)輿情監(jiān)測行業(yè)大數(shù)據(jù)分析解決方案、社交網(wǎng)絡(luò)分析行業(yè)大數(shù)據(jù)分析解決方案、電子商務(wù)行業(yè)大數(shù)據(jù)分析解決方案。

（三）課程教學(xué)內(nèi)容學(xué)時分配

本課程教學(xué)內(nèi)容共計包括16 個部分，分別是大數(shù)據(jù)技術(shù)簡介、Hadoop 開發(fā)環(huán)境搭建、HDFS 分布式文件系統(tǒng)、MapReduce 編程技術(shù)、Hbase 分布式數(shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)模板采集、大數(shù)據(jù)搜索采集、文本相似度計算、文本聚類、文本分類、信息檢索、社交網(wǎng)絡(luò)分析、國際國內(nèi)大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)政策、大數(shù)據(jù)采集與分析知識檢索、行業(yè)大數(shù)據(jù)采集解決方案、行業(yè)大數(shù)據(jù)分析解決方案。

課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)節(jié)和課程教學(xué)目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系設(shè)計如表2 所示。

表2 課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)節(jié)和課程教學(xué)目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系設(shè)計

四 課程教學(xué)考核方式

“大數(shù)據(jù)采集與分析”課程考核形式與教學(xué)目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系如下表3 所示。

表3 課程考核形式與教學(xué)目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系

表3 中，“大數(shù)據(jù)采集與分析”課程考核由平時作業(yè)、翻轉(zhuǎn)課堂、實驗、行業(yè)解決方案四部分組成，分別占20%、20%、30%和30%。翻轉(zhuǎn)課堂集中詮釋了“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，顛覆了傳統(tǒng)的教學(xué)模式[12]，因此，本課程的考核方式也應(yīng)圍繞學(xué)生的“學(xué)”進(jìn)行設(shè)計。

五 小結(jié)

“大數(shù)據(jù)采集與分析”課程系統(tǒng)地講授基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的信息采集與分析技術(shù)，能夠從不同的視角培養(yǎng)學(xué)生多方面的能力，實現(xiàn)對工程教育認(rèn)證畢業(yè)要求指標(biāo)點的強(qiáng)力支撐。本課程可以作為數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、網(wǎng)絡(luò)工程、計算數(shù)學(xué)、信息管理、統(tǒng)計學(xué)等專業(yè)的必須或者選修課程，根據(jù)對畢業(yè)要求指標(biāo)點支撐的多少及強(qiáng)弱進(jìn)行指標(biāo)點的增刪和權(quán)重調(diào)整即可。下一步，根據(jù)本課程的教學(xué)設(shè)計在實踐教學(xué)中應(yīng)用檢驗，不斷改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容、優(yōu)化考核方式，達(dá)到工程教育認(rèn)證的“持續(xù)改進(jìn)”的教育理念。