大數據時代基于計算思維的IT專業實踐教學改革

肖克輝

（華南農業大學 數學與信息學院，廣東 廣州 510640）

0 引言

隨著大數據技術及其行業應用的快速和廣泛發展，對于作為人才培養主要基地的高校來說，亟須對IT相關專業的培養目標和教學模式進行改革與創新，以滿足社會發展對創新型人才的實際需要[1]。2010年發布的“九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明”[2]提出，把“計算思維能力的培養”作為計算機基礎教學的核心任務。ACM/IEEE CS2013工作組對全球高校計算機系主任進行問卷調查，收到的反饋表明：關于計算機專業核心知識，排名前三的是計算思維、程序設計基礎和數據結構[3]。計算思維能力是高校IT專業人才培養的主要目標之一，良好的計算思維能力可以為解決各種大數據技術及行業應用問題提供有效的智力保障，而實踐教學是培養和深化IT專業人才計算思維能力的主要途徑，因此，在實踐教學過程中結合大數據技術及行業應用的實際需求來培養IT專業人才計算思維能力，是高校IT專業實踐教學改革和發展的首要任務。

1 計算思維、大數據與IT實踐教學

1.1 計算思維與IT專業實踐教學

計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學廣度的一系列思維活動[4]。計算思維在海量信息處理分析、復雜裝置與系統設計、大型工程組織、自然現象與人類社會行為模擬等領域發揮著重要的作用和意義[5]。

（1）培養計算思維是IT專業實踐教學的重要目標。實踐教學是將課堂內外理論技術知識轉化為實際操作技能的主要途徑，也是高校人才培養的重要手段。實踐教學中，學生根據實踐教學內容安排和自身學習特點，在理論和技術知識的基礎上完成各種實踐實驗教學任務，不斷拓展對計算思維的理解和認識，在分析問題和解決問題的實踐過程中培養計算思維能力，形成計算思維方式。

（2）計算思維是確保學生創新能力的動力和源泉。計算思維是創新的基礎，在信息技術快速普及和大數據行業應用不斷發展的形勢下，運用計算機科學解決問題是達到科技創新的主要手段。高等教育實施過程中，通過課程教育與實踐教學，有目的、有意識地培養學生的計算思維能力，有助于學生創新思維的發展和創新能力的提高。

（3）以計算思維方式應對大數據行業實際應用。大數據行業實際應用問題呈現出明顯的計算機科學特征，分析和解決這些問題需要具有良好的計算思維能力。IT專業實踐教學內容以大數據行業實際應用需求為背景，通過實驗、案例和項目的階梯式實踐教學編排，鞏固和深化計算思維方式，提高以計算思維方式分析和解決實際問題的能力。

1.2 大數據行業應用與IT專業實踐教學

（1）大數據行業應用為IT專業實踐教學指明改革方向。IT專業實踐教學必須順應社會發展趨勢，以大數據技術及其行業應用需求為指導，對教學體系及內容進行改革和創新，著重通過培養計算思維方式提高IT專業人才分析和解決大數據行業實際應用問題的能力。

（2）大數據行業應用為IT專業實踐教學提供案例素材。大數據作為一種重要的戰略資源，已經滲透到每個行業領域和部門，如工業控制、精細農業、社交購物、交通物流、醫療服務等。大數據技術在這些行業中的應用，為IT專業實踐教學提供了大量的實驗素材和真實案例，通過基于這些素材和案例的實踐教學，可以系統性地培養IT專業人才的大數據技術及其應用問題解決能力。

（3）大數據行業應用為IT專業實踐教學提供檢驗標準。IT專業實踐教學以大數據技術和物聯網技術的行業應用為背景[6]，引導學生建立計算思維方式，培養學生分析和解決問題的能力。實踐教學效果的優劣通過大數據行業應用進行檢驗，檢驗結果反饋于實踐教學過程中，以實現大數據行業應用和實踐教學的雙贏發展。

2 IT專業實踐教學改革

立足于大數據時代對IT專業創新人才知識結構、能力結構以及整體素質的要求，順應國際上基于計算思維的教育趨勢，借鑒國際上主流的專業課程體系，對IT專業實踐教學的指導思想、課程體系、實施模式等環節進行綜合改革。

2.1 實踐教學指導思想改革

針對大數據行業實際應用需求，在理論課程體系基礎上，以網絡技術、嵌入式技術、大數據技術等為IT專業實踐教學內容的主要技術方向；在基礎課程的理論和實踐教學過程中引導學生培養計算思維意識，在專業課程的理論和實踐教學過程中訓練和強化學生的計算思維能力。

根據教育部“卓越工程師培養計劃”精神[7]，按照人才培養及其發展的層次化結構，適應大數據行業應用需要，通過實踐教學培養具備堅實“大數據科學”基礎、較強“大數據處理”實踐應用能力與計算思維能力的梯隊式IT專業人才（如圖1所示），以形成具有鮮明計算思維特色的新型IT專業人才培養模式。

圖1 梯隊式IT專業人才

2.2 實踐教學課程體系改革

參照ACM/IEEE CS2013課程指導，在IT專業實踐教學課程體系中，以大數據技術相關課程為基礎（如數據挖掘、SAS統計分析、Hadoop大數據處理技術、NoSQL數據管理技術、云計算技術等），結合物聯網技術相關課程（如嵌入式系統開發技術、無線傳感器網絡、射頻識別技術、物聯網技術等）開展實踐教學，培養學生計算思維，提高學生實踐技能。

通過大數據技術相關課程的實踐教學，培養“軟”基礎，加深學生對IT專業理論知識的理解和掌握，鞏固學生對編程語言、開發工具及環境的熟練使用。通過物聯網技術相關課程的實踐教學，培養“硬”技能，幫助學生了解底層硬件的組成結構及功能原理，掌握嵌入式軟硬件開發技術，具備軟硬件系統集成設計與開發能力。通過對實踐教學課程體系進行改革，可從思維意識和操作技能方面培養和提高學生的綜合素質。

2.3 實踐教學實施模式改革

根據實踐教學的指導思想和課程體系，形成基于課程實驗、案例重現、課程設計、項目訓練、專業競賽、企業實訓的階梯式IT專業實踐教學模式（如圖2所示），循序漸進地培養學生的計算思維意識，以達到使學生具備系統性的計算思維能力的IT專業實踐教學目標。

圖2 階梯式IT專業實踐教學模式

在階梯式IT專業實踐教學模式實施過程中，課程實驗以理論知識為基礎，針對專業技術知識點各個擊破，提高理論聯系實際的操作技能；案例重現以行業應用真實案例為依據，引導學生以計算思維方式思考和分析問題，進而以重做案例的方式解決問題；課程設計以專業課程內容為依據，綜合利用所學課程知識進行系統性的課程實踐，鞏固專業理論知識和實踐技能；項目訓練以導師制或項目制運行，采用學生自薦、綜合考核、導師選拔等方式，在教師教學科研項目、大學生創新創業訓練計劃等項目的實施過程中拓展實踐教學；專業競賽以興趣團隊形式運行，采用知識技能考核、專業技能訓練等方式選拔人才并組成競賽團隊，通過參加國內外各種專業知識競賽和行業技能競賽深化實踐教學；企業實訓以畢業設計或畢業論文方式進行，按照專業培養計劃對實訓內容及時間進行統一編排，通過企業實訓完善學生專業綜合技能，提高學生個人綜合素質，以滿足“即插即用”的行業工作崗位需要。

3 實踐教學平臺建設

基于IT專業實踐教學的指導思想、課程體系及其實施模式，在以大數據技術及其行業應用為主線的實踐教學實施過程中，建立以大數據技術和物聯網技術為基礎的實踐教學平臺，從軟件和硬件兩方面為IT專業人才培養提供良好的實踐教學環境[8-9]。

3.1 大數據實驗平臺

以大數據技術相關課程的理論和實驗教學內容為基礎，建立大數據技術實踐教學平臺，為IT專業實踐教學提供軟件環境支撐。大數據實驗平臺按照數據挖掘、大數據平臺與算法、行業實戰數據分析3個層次構建，實踐教學內容從易到難分為演示性實驗、操作性實驗、開發性實驗和大數據開放性實驗。通過典型的算法展示、算法實現、結合大數據分析的應用場景與案例，對學生進行大數據技術方面的綜合訓練，實現IT專業實踐教學從理論到應用的涵蓋原理驗證、綜合應用、創新設計的多層次實踐體系（如圖3所示）。

圖3 大數據實驗平臺

大數據實驗平臺采用基于瀏覽器/服務器架構的集中化管理方式。學生可以根據實驗內容需要，運行服務器中的虛擬機環境以完成數據分析或者系統搭建。數據挖掘算法執行環境用于實現常見的數據挖掘算法，為學生提供數據挖掘展示實驗結果以及基本的數據挖掘算法執行環境。Hadoop集群為學生提供大數據分析和執行環境，包括基于HIVE的數據訪問以及MapReduce程序執行。

大數據實驗平臺按照由易到難的程度劃分多個實驗模塊及實驗項目，主要包括數據處理基礎、統計與建模方法、數據挖掘方法、數據抓取、SAS編程基礎、SAS統計建模與數據挖掘、Hadoop大數據分析、自然語言處理、大數據分析綜合應用等。本平臺為大數據技術實踐教學提供一個完整的、一體化的綜合實驗環境，從而打造全方位的IT專業大數據技術及應用實驗室。

3.2 物聯網實驗平臺

以物聯網技術相關課程的理論和實驗教學內容為基礎，建立物聯網技術實踐教學平臺，為IT專業實踐教學提供硬件環境支撐。物聯網實驗平臺以與物聯網技術關聯的硬件資源為核心，輔以嵌入式軟件開發環境及上位機管理系統等軟件資源，形成一個“結構耦合、功能聚合、硬件集成、軟件支撐”的實踐教學環境，培養學生學會“自頂向下、自底向上、融會貫通”的問題解決方法，以系統性地提高學生的計算思維能力。

基于物聯網行業應用，如精細農業、智能家居、環境監控等，建立物聯網實驗平臺（如圖4所示），集成WinCE/Linux/Android等嵌入式操作系統平臺，通過模塊化設計實現IT專業實踐教學與物聯網、無線傳感器網絡及RFID等技術的無縫結合。按照物聯網感知層、網絡層和應用層的3層體系結構，物聯網實驗平臺涉及感知層的傳感器開發、單片機開發、嵌入式操作系統接口及驅動程序等底層開發技術，實現不同物理特性的信息采集；網絡層的ZigBee、Bluetooth、WiFi、NRF、RFID等無線網絡技術，實現各種采集數據的網絡傳輸功能；應用層的C/S和B/S架構軟件、ARM嵌入式終端、Android手持終端、云服務管理端等應用軟件開發技術，實現數據分析處理及上層應用程序開發。

圖4 物聯網實驗平臺

根據物聯網的層次化體系結構，物聯網實驗平臺提供多種實驗項目，主要包括ZigBee實驗、Bluetooth 4.0實驗、無線通訊實驗、WiFi實驗、傳感器實驗、TinyOS實驗、RFID實訓項目、物聯網應用實驗等。

4 結語

結合當前大數據相關行業實際應用需求，基于大數據技術和計算思維思想，我們對高校信息技術相關專業實踐教學從指導思想、課程體系、教學模式等方面進行改革和創新嘗試。實踐表明，構建以大數據和物聯網技術為基礎的實踐教學平臺，實施梯隊式人才培養模式及“軟”基礎和“硬”技能結合的課程體系，能夠提高IT專業人才的計算思維能力及實踐操作技能。在IT專業實踐教學過程中，需要根據實踐教學指導思想對課程體系、教學模式等進行不斷細化和拓展，并對大數據實驗平臺和物聯網實驗平臺進行適時地軟硬件配置更新。