面向綜合素養培育的數據可視化課程教學改革與實踐

朱 敏，溫嘯林，甘啟宏

（1.四川大學計算機學院；2.四川大學 信息化建設與管理辦公室，四川 成都 610065）

0 引言

在教育體制改革總體部署中，《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020 年）》第一次提出了人才培養體制改革和人才培養模式創新的任務。《關于科學編制國家教育事業發展“十四五”規劃的建議》中亦倡導探索基于學科的課程綜合化教學，以全面培養更多高素質人才。培養具備綜合科研素養的優秀人才已成為國家教育事業發展的迫切需求，因此探究如何改革專業課程以適應培育綜合素養的目標成為當前“雙一流”大學構建創新型人才培養體系的關鍵環節。本文以數據可視化課程為例，從內容設置、評價方式等方面提出教學改革思路，并在創新實踐中總結經驗以供參考。

1 數據可視化課程現狀分析

“可視化”一詞自2013 年以來，連續數年出現在“大數據十大發展趨勢預測”中。數據可視化研究的是如何利用優美的圖形、清晰的界面對海量、復雜、枯燥的數據與文字進行表達，同時提供直觀的、具有良好用戶體驗的交互手段，使人們能快速獲取信息、發現異常或潛在規律并作出相應決策。數據可視化已被廣泛應用于商務智能、區塊鏈、社交媒體、數據挖掘和機器學習等多個領域。

數據可視化課程從數據的獲取、處理與分析入手，重點探討如何建立有效的數據可視化方法。國外多所高校已開設相關課程，如美國的猶他大學、加拿大的英屬哥倫比亞大學、澳大利亞的拉籌伯大學、日本的東京大學等；國內也有知名大學的團隊相繼開設該類課程，如北京大學的袁曉如團隊、浙江大學的陳為團隊、同濟大學的曹楠團隊、香港科技大學的屈華民團隊等。

現有可視化課程教學的基本思路主要包括兩個步驟：第一步介紹人類的感知和可視化設計原理等理論知識；第二步講解ECharts 和D3 等可視化工具庫并要求學生應用所學知識創建可視化圖表。傳統數據可視化課程主要面向學生的數字素養進行培育，雖然課程內容能基本滿足數據可視化人員的入門要求，但遠未能達到具備專業知識、工程能力、創新意識的綜合型人才培育目標。目前，可視化課程教學主要存在以下兩個問題：①內容設置局限于數據可視化理論知識方面，未考慮對學生研讀論文、撰寫文檔、講解報告等科研素質的培養；②學業評價方式不能充分調動學生動手實踐的積極性，無法全面有效地驗證學生在上課過程中對綜合素養的鍛煉與提升情況。

2 面向綜合素質培育的課程教學改革思路與實踐

基于可視化課程教學現狀，本文提出面向綜合素質培育的教學改革思路。該思路主要分為課程內容的拓展創新與評價方式的創新設計兩部分，共同促進學生綜合素質的培育。

2.1 課程內容拓展創新

為實現創建數據可視化課程的初衷，課程內容設置應以數據可視化理論知識與可視化項目實踐教學為內核，并在此基礎上進行創新拓展。教學內容拓展的具體實施手段包括教學內容與教學團隊兩個方面的資源導入。

2.1.1 教學內容的資源導入

教學內容的資源導入是指將可視化領域學術資源帶入課堂，幫助學生充分了解課程內容與科研的內在聯系，培養學生的科研素養。頂刊和頂會學術論文中研究的問題很有價值，對于研究意義的表述更為具體，文章所用方法與技術先進且流程規范。引入可視化領域的頂刊、頂會等學術信息，在考核體系中對于主動分享學術論文的學生設立加分項。基礎理論知識學習過程中可穿插科學文獻的研讀，有助于學生理解該領域解決問題的方法，規范可視化設計與開發流程，凝練出更有價值的研究點。

介紹可視化領域主要專業競賽，允許學生將參賽題目作為課程項目選題，并提供競賽指導與支持。專業競賽是鍛煉學生綜合素養的最佳途徑之一，競賽題目一般切合實際應用場景的需求，可視化目標與任務明確。以競賽題目作為可視化項目選題有助于學生深刻感受數據可視化的應用價值，理解如何將實際問題轉化為具體的可視化任務與目標。同時，競賽題目可以節省尋找問題、收集數據、清洗數據等復雜工作流程耗時，幫助學生將更多精力投入到可視化技術學習中。

介紹國內外具有代表性的可視化課程網站、實驗室團隊，鼓勵學生跟蹤了解，并積極申請相關實驗室的參觀與實習。了解可視化領域的學術研究動態可以開闊視野，削弱學生參與科研的界限，為其科研能力培養提供廣泛支持。

2.1.2 教學團隊的資源導入

僅從可視化教學內容角度推動綜合科研素養的培育往往不夠全面，合理利用外部教學資源能彌補這一不足，因此需要調整教學團隊的結構，引入課程外與可視化高度相關的教學資源，為學生提供多元化的知識輸入，從而達到提升其綜合能力的目標。實施方式主要為邀請可視化領域專家從不同角度進行經驗交流與學術分享。具體操作為：邀請高校高水平科研團隊中有代表性的老師入駐課程，從數據可視化教學角度分享經驗，如浙江大學可視化領域專家陳為（優青、教授、博導）；邀請行業領域專家講述可視化的應用，開拓學生眼界，如邀請四川日報MORE 大數據工作室負責人高敬講述數據新聞；邀請研究生、上屆選課學生圍繞項目選題、數據獲取與處理、團隊合作模式、進度控制、資源獲取與使用、報告撰寫等多個角度進行信息分享；邀請深造的同學圍繞推免、夏令營、境外深造、考研、研究生學習等進行深度分享與持續資源支持。

教學團隊的資源導入不同于只有師生的傳統課堂教學模式，豐富的教學內容使其不僅僅局限于理論知識的傳授與實踐能力的培養。其可從科研視野、未來規劃、學習方法、技術路線等多個方面培育學生的綜合素養，從而達到更好的教學效果。

2.2 評價方式創新設計

傳統學業評價方式主要是學生基于課程中學到的知識完成可視化項目的設計與實現，同時將平時出勤情況與可視化實現效果作為成績評價的主要參考依據。該考核方式難以充分調動學生積極性，容易將學習重心放在最終項目的技術實現上，在課程學習過程中缺少參與感。此外，雖然項目式教學能有效提升學生的動手實踐能力，但僅以可視化項目實施結果判斷學生在課程中的收獲較為片面，無法全面有效地對學生的科學素養、工程意識、研究探索意識、持續學習能力以及運用專業知識解決實際問題等綜合能力的提升情況進行判斷，因此需要一種更具綜合性、靈活性、實踐性的考核體系。

本文提出“分組教學+過程化”的非標準化考核方式，有效結合過程性評價與總結性評價。非標準化考核是指采用多元化考核方式與多維度評價體系，避免出現傳統考核體系方式單一、內容僵化及目標功利化等問題。每個學生的考核內容包括課堂表現與參與、項目小組匯報、個人課程報告3個部分，后兩部分共占90%的比重，且與以小組為單位的項目有關。分組教學和考核過程的具體實施方法為：

（1）分組教學。學生以小組為單位完成可視化項目、論文研讀分享等任務。小組教學已被證實在計算機教學中具有顯著成效，能有效促進學生交流，營造濃厚的課堂研討與活躍的教學互動氛圍。與個人完成相比，分組完成的好處在于小組成員可以發揮各自優勢并在合作過程中彌補自身不足，促進共同進步。課程要求小組成員以合作的方式完成題目擬定、數據解讀、任務定義、視圖選擇、設計與實現、分析與改進等任務，既是對專業能力的綜合訓練，也是對思維、表達、合作、創新能力的全面訓練。

（2）過程化考核。將考核貫穿教學的全過程，分階段考察學生的學習效果。具體考核體系如圖1 所示。

Fig.1 Assessment system of data visualization course圖1 數據可視化課程考核體系

過程化考核分為小組考核與個人考核兩部分。小組成員需要協作完成論文研讀分享與可視化項目兩個主要任務。論文研讀分享項目要求小組成員從課上介紹的可視化領域頂會和頂刊中選擇感興趣的文章，綜合考慮文章發表團隊、發表時間、主題、貢獻、研究領域、技術與方法等因素，形成論文選擇建議文檔，交由教師審核。審核通過后，小組成員需研讀所選文章，使用幻燈片將理解與收獲在課上進行分享。可視化項目的考核遵循軟件開發全流程，項目初期根據選題廣泛調研國內外研究現狀，確定研究問題，定義可視化分析任務，設計預期系統界面并形成項目建議書；項目中期需要以幻燈片的形式對組內分工、研究進展、所遇問題及解決方案等進行匯報，及時督促進展緩慢的小組；項目終期要求實現可即時訪問的在線可視化項目，完整匯報項目研究意義、技術路線、實現流程、最終效果，總結項目實施過程中存在的不足與收獲，撰寫完整的項目文檔并提交存檔。個人考核除平時出勤考核外，可將課堂提問與發言以及課后個人課程報告作為額外加分項目，用于提升學生課堂參與感，調動其學習積極性。

3 課程改革與創新效果分析

3.1 課程教學情況

2017-2020 年，學生對數據可視化課程的選課積極性較高，具體實施效果如表1 所示。選課人數累計254 人，每年選課人數穩定維持在50 人以上。在成果產出方面，共形成課程項目案例67個，其中1個課程案例在四川大學課堂教學質量綜合評價研討會上進行了分享展示，2個課程案例入選川大e 教務系統。此外，教學改革基于課程項目案例、實驗室學位論文案例、行業案例建設了可視化課程案例庫，用于后續教學并開放共享。部分課程項目案例見圖2。

Table 1 Implementation effect of data visualization course表1 數據可視化課程實施效果

3.2 綜合素養培育情況

通過教學改革，理論教學與實踐教學深度融合，課堂吸引力增強，學生課堂探討氛圍濃厚、教學互動活躍。全過程、多維度的學業評價體系增強了學業挑戰度，使學生課下團隊協作意識增強。非標準答案的課程項目更是激發了學生的創新意識，獲得了“四川大學2018 年非標準答案考試”試題優秀獎。

在以課程項目為主體的分組教學方面，學生完成的項目報告和個人課程報告能充分體現其課程收獲與看法，是收集學生課后反饋并進一步改進課程設置的重要途徑。報告中學生對于課程收獲的描述主要體現在科研素養訓練和專業能力提升兩方面。科研素養包括對提交時間節點的遵守、對文檔規范性的認知、對項目團隊組建與分工的知曉、對項目進行綜合報告的訓練等；專業能力既包含發現問題、定義問題、分析問題、解決問題的能力，也包含網絡爬蟲、數據庫搭建、前后端框架實現、視圖編碼與交互設計等技術能力。學生的反饋情況有效證明了數據可視化課程創新改革在綜合素養培育方面取得了顯著成效。

3.3 科研人才培養情況

除綜合素養培育外，數據可視化課程教學對學生產生了其他深遠的影響。例如，《基于氣象數據的自然分區可視分析系統》和《探究EOS 共識機制效能的可視分析系統》兩個可視化項目的負責人均以數據可視化研究作為畢業論文選題，在課程項目的基礎上進行了延續性工作。前者畢業設計榮獲“四川大學優秀本科畢業設計（論文）一等獎”，且二者均已將項目成功轉化為軟件著作權、發明專利和學術論文等學術成果。

Fig.2 Implementation effect of some course project cases圖2 部分課程項目案例實現效果

數據可視化課程使學生對數據科學產生興趣，在引導和鼓勵其深造方面成效顯著。目前，選課學生中已有169名畢業，其中66 名學生于清華大學、北京大學、北京航空航天大學、中科院、國防科技大學、浙江大學、四川大學等國內知名高校及研究機構繼續深造，16 名學生于新加坡國立大學、日本東京大學、英國帝國理工學院等國外知名高校繼續深造，總占比高達48.6%，且多名學生選擇了數據分析研究方向。

4 結語

以綜合素養培育為導向的人才培養模式是推進國家教育事業發展的重要途徑。本文對數據可視化課程的教學內容與考核方式進行了改革與實踐。實踐證明，將科研資源導入課堂教學能有效激發學生的科研興趣，弱化學生與學術研究的壁壘；“分組教學+過程化”的考核方式能全面鍛煉學生的科研素養與專業能力，進一步實現綜合素養培育的最終目標。教學改革方案已在四川大學數據可視化課程中開展實踐，在綜合素質培育、人才培養和資源建設等多個方面取得了良好成效。