大數(shù)據(jù)背景下數(shù)據(jù)分析課程教學(xué)改革探索研究

茹慧英 李超 閆海琴

摘?要：隨著人工智能的不斷發(fā)展，加強(qiáng)了對(duì)數(shù)據(jù)分析的需求，對(duì)信息與應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)也提出了更高的要求，數(shù)據(jù)分析課程教學(xué)理念與方法亟待改革與創(chuàng)新。在總結(jié)數(shù)據(jù)分析經(jīng)典課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合大數(shù)據(jù)時(shí)代背景特點(diǎn)以及當(dāng)代學(xué)生的學(xué)習(xí)特征，提出了增加學(xué)生參與度的“理論講授+編程實(shí)踐+工程實(shí)踐”的教學(xué)實(shí)踐模式。近兩年的教學(xué)實(shí)踐探索研究證明，該教學(xué)模式具有創(chuàng)新性和有效性，能夠培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，提高學(xué)生大數(shù)據(jù)分析能力和數(shù)據(jù)挖掘能力，為數(shù)據(jù)分析課程的教學(xué)提供了新思路和新方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)分析；大數(shù)據(jù)；教學(xué)實(shí)踐；機(jī)器學(xué)習(xí)；人工智能；數(shù)據(jù)挖掘

1?概述

近年來(lái)，隨著人工智能及大數(shù)據(jù)的發(fā)展，各行各業(yè)都充斥著大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)一般會(huì)呈現(xiàn)數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)維數(shù)大、數(shù)據(jù)變化快、隱藏價(jià)值高等特點(diǎn)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也從起初的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榘虢Y(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，海量的數(shù)據(jù)中所蘊(yùn)含的潛在價(jià)值成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，許多傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)方法已無(wú)法處理當(dāng)下信息豐富的數(shù)據(jù)，因此各行各業(yè)都急需一些具有較強(qiáng)數(shù)據(jù)分析能力的人才，這也是對(duì)信息和應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)專業(yè)的學(xué)生提出的新要求。對(duì)于信息與應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)專業(yè)學(xué)生來(lái)說，數(shù)據(jù)分析課程的學(xué)習(xí)及應(yīng)用顯得尤為重要。因此，基于信息和應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)專業(yè)數(shù)據(jù)分析課程的教學(xué)理念與實(shí)踐方法[1]進(jìn)行探索改革，以期讓學(xué)生在深度掌握數(shù)據(jù)分析理論基礎(chǔ)的前提下，能夠更好的將數(shù)據(jù)分析知識(shí)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，為我國(guó)的數(shù)據(jù)分析與人工智能領(lǐng)域增磚添瓦，也為今后數(shù)據(jù)分析課程的教學(xué)方式和教學(xué)理念提供參考。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外高校教師對(duì)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)分析課程的教與學(xué)進(jìn)行了不同的探索與實(shí)踐。孔莉群[2]將統(tǒng)計(jì)與概率、數(shù)學(xué)建模，函數(shù)等數(shù)學(xué)知識(shí)融合在一起，探討通過現(xiàn)象教學(xué)提升數(shù)據(jù)分析核心素養(yǎng)。王婧娟等[3]為提升該課程教學(xué)水平，探討了數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化的能力培養(yǎng)，研究如何將信息技術(shù)數(shù)據(jù)分析課程的設(shè)計(jì)和教學(xué)中。徐小茹[4]在闡述數(shù)字媒體課程思政教學(xué)要素與現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出基于數(shù)據(jù)分析課程的教改策略，包括強(qiáng)化教師思政能力和意識(shí)，構(gòu)建信息化教學(xué)平臺(tái)，深化思政教育內(nèi)容等，以期為各大院校數(shù)字媒體課程思政教改提供借鑒。現(xiàn)階段數(shù)據(jù)分析課程仍以傳統(tǒng)的教師傳授為主，教學(xué)方法與手段落后，教學(xué)內(nèi)容陳舊[5，6]。另外還存在：課程講授內(nèi)容充斥枯燥理論，數(shù)據(jù)分析技術(shù)難度相對(duì)較高，學(xué)習(xí)過程中學(xué)生的實(shí)際參與程度不高，且由此導(dǎo)致的學(xué)習(xí)積極性比較低落等問題。作為一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，在理論教學(xué)完成后，最大的問題是針對(duì)所教授學(xué)生缺少系統(tǒng)、科學(xué)、合理的數(shù)據(jù)分析實(shí)戰(zhàn)環(huán)節(jié)[7]，導(dǎo)致課程理論與實(shí)踐嚴(yán)重脫節(jié)。針對(duì)上述問題，本研究將從理論教學(xué)方法，編程實(shí)戰(zhàn)，工程應(yīng)用三個(gè)方面對(duì)數(shù)據(jù)分析課程的教學(xué)理念和方法進(jìn)行改革探索，結(jié)合大數(shù)據(jù)時(shí)代的數(shù)據(jù)特點(diǎn)[8]，圍繞信息和應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)方案、本科人才培養(yǎng)模式、社會(huì)人才需求等，充分利用該專業(yè)學(xué)生具有的深厚數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及當(dāng)下流行的網(wǎng)絡(luò)爬蟲、人工智能算法、Python數(shù)據(jù)分析、可視化分析等技術(shù)，深度挖掘數(shù)據(jù)分析技術(shù)在不同研究領(lǐng)域的應(yīng)用前景及應(yīng)用價(jià)值，使學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)到數(shù)據(jù)分析在生活中的重要性，體會(huì)數(shù)據(jù)分析技術(shù)在人工智能領(lǐng)域中的重要價(jià)值，并鍛煉和提升所教授學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力和實(shí)踐能力，從而使學(xué)生掌握數(shù)據(jù)分析方面的一技之長(zhǎng)，以更好的適應(yīng)社會(huì)的需求，為祖國(guó)的人工智能領(lǐng)域做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

2主體教學(xué)改革框架

本教學(xué)改革研究所針對(duì)課程為數(shù)據(jù)分析及其相關(guān)方向課程，在大數(shù)據(jù)和人工智能背景下，根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容，基于不同地區(qū)、不同行業(yè)領(lǐng)域?qū)嶓w數(shù)據(jù)，進(jìn)行教學(xué)改革研究，以期形成具有差異性和層次性的教學(xué)模式，為學(xué)生搭建基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)分析框架，在實(shí)踐的教學(xué)中學(xué)生充分掌握數(shù)據(jù)分析方法，為后期的機(jī)器學(xué)習(xí)等課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。

各模塊詳細(xì)說明與分析：

前期調(diào)研及分析。根據(jù)前期各年級(jí)學(xué)生的數(shù)據(jù)分析課程的成績(jī)，分析學(xué)生的成績(jī)分布，針對(duì)具有典型性、代表性的學(xué)生采用“德爾菲”問卷調(diào)查法，以獲取學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)體會(huì)和對(duì)課程的期望教學(xué)方式，挖掘影響成績(jī)分布的主客觀原因，從而為該課程的改革提供思路。

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。針對(duì)數(shù)據(jù)分析課程的某一方法或算法的不同應(yīng)用，選取某一研究領(lǐng)域，利用Python爬取或者通過Skleam庫(kù)直接導(dǎo)入相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要包括數(shù)據(jù)清洗，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，去除重復(fù)值，空值處理，異常值處理，連續(xù)數(shù)據(jù)離散化處理，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化處理等，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的可視化分析和描述性統(tǒng)計(jì)。

數(shù)據(jù)挖掘與分析。針對(duì)工程實(shí)踐中的具體數(shù)據(jù)，采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析方法，進(jìn)行知識(shí)挖掘和分析。可采用的具體方法包括主成分分析法、層次分析法、上下文相關(guān)性分析法、特征提取與訓(xùn)練法、聚類與分類法等傳統(tǒng)與前沿技術(shù)相結(jié)合方法等。

決策分析與總結(jié)。利用Python中的可視化模塊或可視化工具，對(duì)數(shù)據(jù)挖掘和分析的結(jié)果進(jìn)行可視化展示，針對(duì)不同領(lǐng)域數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際分析，在數(shù)據(jù)形態(tài)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上制訂出相應(yīng)的決策方案，在實(shí)施的過程中同時(shí)進(jìn)行方案適用性、可行性等比較評(píng)價(jià)。

3?教學(xué)研究改革思路與創(chuàng)新

本次教學(xué)研究改革的目的和任務(wù)在于根據(jù)數(shù)據(jù)處理分析、實(shí)體大數(shù)據(jù)知識(shí)挖掘技術(shù)及應(yīng)用等[9]，激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生積極參與課堂教學(xué)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中從被動(dòng)接受轉(zhuǎn)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，在掌握基本數(shù)據(jù)分析與處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的數(shù)據(jù)思維能力，能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)應(yīng)用于具體研究領(lǐng)域，掌握解決實(shí)際問題的能力。教學(xué)研究改革的總體思路圍繞“理論”“編程”“實(shí)踐”三方面進(jìn)行，緊扣大數(shù)據(jù)和人工智能時(shí)代數(shù)據(jù)分析研究熱點(diǎn)。

3.1?理論教學(xué)方式改革

教學(xué)方式的改革是教學(xué)改革的重中之重，每章節(jié)課程在不同的應(yīng)用場(chǎng)景的教學(xué)當(dāng)中，根據(jù)學(xué)生個(gè)性、學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力等方面的差異，在保證總體教學(xué)質(zhì)量的條件下，采取因材施教的方式，設(shè)置學(xué)生教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生充當(dāng)課堂主體，讓學(xué)生在講授知識(shí)的過程中深刻理解知識(shí)，做到學(xué)以致用，促使學(xué)生能夠主動(dòng)地思考問題，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題能力和創(chuàng)新能力。

3.2?理論教學(xué)與編程實(shí)踐相融合

通過將理論教學(xué)與編程實(shí)踐相融合的方式，提升學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)分析的重要技術(shù)——編程的認(rèn)知和熱愛程度，每個(gè)數(shù)據(jù)分析方法都設(shè)置相應(yīng)的編程練習(xí)，使學(xué)生在編程的過程中充分理解并掌握數(shù)據(jù)分析方法的正在內(nèi)涵，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維和發(fā)散思維，通過大量接近生活且有趣的實(shí)驗(yàn)，在增強(qiáng)學(xué)生代碼編寫能力的同時(shí)，增強(qiáng)學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力，從而可以更好的適應(yīng)社會(huì)市場(chǎng)的需求。

3.3?理論講解與工程實(shí)踐相結(jié)合

拋棄傳統(tǒng)的枯燥理論講解，將理論講解與工程實(shí)踐相結(jié)合，最終目的是提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的數(shù)據(jù)思維能力。整個(gè)課程圍繞數(shù)據(jù)分析課程的理論知識(shí)在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用，課程包括5次上機(jī)實(shí)驗(yàn)（學(xué)生獨(dú)立完成）和一周的課程設(shè)計(jì)（分組完成）。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簢@大數(shù)據(jù)時(shí)代特色及要求，讓學(xué)生理解并掌握數(shù)據(jù)分析基本流程和方法，包括數(shù)據(jù)爬取，數(shù)據(jù)預(yù)處理，數(shù)據(jù)特征提取，數(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)可視化分析，數(shù)據(jù)分析模型建立、訓(xùn)練、預(yù)測(cè)等大數(shù)據(jù)思維模式。充分結(jié)合產(chǎn)學(xué)研一體化教學(xué)模式布置實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)[10]，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的數(shù)據(jù)思維能力，為學(xué)生在大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的實(shí)戰(zhàn)基礎(chǔ)。

課程的核心知識(shí)：Python數(shù)據(jù)爬取。通過Python數(shù)據(jù)爬取包爬取研究領(lǐng)域需要的數(shù)據(jù)集，并進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)清洗，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等工作。數(shù)據(jù)預(yù)處理知識(shí)。利用Python實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的空缺值處理，無(wú)效數(shù)據(jù)處理，重復(fù)值刪除，標(biāo)準(zhǔn)化處理等。

數(shù)據(jù)挖掘知識(shí)：涉及有PCA主成分分析，判別分析，聚類分析，回歸分析，LDA主題分析、方差分析、參數(shù)檢驗(yàn)等。

3.4??工程實(shí)戰(zhàn)和編程能力的相互促進(jìn)

通過工程實(shí)戰(zhàn)和編程實(shí)戰(zhàn)相結(jié)合的模式，促進(jìn)學(xué)生獨(dú)立應(yīng)用數(shù)據(jù)分析技術(shù)解決實(shí)際問題的能力。

整個(gè)課程實(shí)驗(yàn)部分包括5次上機(jī)實(shí)驗(yàn)和1周課程設(shè)計(jì)。其中，課程設(shè)計(jì)要求各小組同學(xué)應(yīng)用Python數(shù)據(jù)分析工具，自行選擇某一問題進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，搭建合適模型，訓(xùn)練模型，對(duì)目標(biāo)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)并給出相應(yīng)的決策方案。具體過程為“問題需要分析——相關(guān)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)爬取——所收集數(shù)據(jù)預(yù)處理（正則化、規(guī)范化）——特征數(shù)據(jù)挖掘——大數(shù)據(jù)分析與處理——典型數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)”等。在完成數(shù)據(jù)分析技術(shù)性環(huán)節(jié)后并未結(jié)束，而是要求學(xué)生進(jìn)行PPT分享報(bào)告并撰寫形成完善的課程論文。

結(jié)語(yǔ)

在大數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)據(jù)已成為日常生活必不可少的寶貴財(cái)富，數(shù)據(jù)分析成為快速發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)內(nèi)部潛在的價(jià)值實(shí)現(xiàn)人工智能的重要手段。其中重要的教學(xué)研究改革方式方法是大膽縮減傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分析課程中枯燥的理論推導(dǎo)環(huán)節(jié)，因其已經(jīng)不再能夠滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代數(shù)據(jù)分析課程的教學(xué)目標(biāo)要求，亟需進(jìn)行相應(yīng)改革。與其他計(jì)算機(jī)課程相比，數(shù)據(jù)分析課程具有很強(qiáng)的實(shí)用性，且貫穿到生活的各行各業(yè)，因此數(shù)據(jù)分析課程以成為信息和應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)專業(yè)的核心課程。本文在大數(shù)據(jù)和人工智能時(shí)代背景下，針對(duì)數(shù)據(jù)分析及相關(guān)課程在現(xiàn)階段存在的問題進(jìn)行了教學(xué)改革研究，具體是對(duì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式進(jìn)行了改革，建立了“理論——編程——工程實(shí)戰(zhàn)”三位一體的教學(xué)模式，并探索了采用多元化教學(xué)方式的融合機(jī)制，以期能夠讓學(xué)生積極主動(dòng)接受數(shù)據(jù)分析課程的新知識(shí)、新技術(shù)、新方法，掌握大數(shù)據(jù)時(shí)代數(shù)據(jù)分析的前沿理論，如數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)處理、人工智能編程技術(shù)等，并完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，培養(yǎng)科學(xué)思維，進(jìn)而提高該課程的教學(xué)效果。

本文在課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方面緊扣了大數(shù)據(jù)和人工智能的時(shí)代特點(diǎn)，使學(xué)生理解和掌握了當(dāng)今時(shí)代數(shù)據(jù)分析的基本技術(shù)與方法流程。針對(duì)具體行業(yè)領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)分析需求，本文應(yīng)用了“相關(guān)軟件+大數(shù)據(jù)挖掘+大數(shù)據(jù)分析處理+可視化實(shí)現(xiàn)”的實(shí)驗(yàn)技術(shù)流程，讓學(xué)生學(xué)會(huì)挖掘行業(yè)數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值，完成搭建具體產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)分析的學(xué)習(xí)橋梁。通過這種“產(chǎn)—學(xué)—研”相結(jié)合的數(shù)據(jù)分析實(shí)戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，能夠提高學(xué)生的數(shù)據(jù)分析與實(shí)踐挖掘能力，為學(xué)生奠定未來(lái)從事相關(guān)大數(shù)據(jù)行業(yè)崗位的從業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了一種創(chuàng)新的數(shù)據(jù)分析思維培養(yǎng)模式。

由于課程教學(xué)改革的實(shí)驗(yàn)部分以青年教師為主，存在教學(xué)經(jīng)驗(yàn)不足等問題，期望今后能夠在教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的教師指導(dǎo)下得以改進(jìn)，以豐富充實(shí)教學(xué)改革研究能力。

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基金項(xiàng)目：2021年河北省高等教育學(xué)會(huì)高等教育科學(xué)研究“十四五”規(guī)劃課題“大數(shù)據(jù)背景下《數(shù)據(jù)分析》課程教學(xué)理念與方法探索研究”（GJXH2021-105）

作者簡(jiǎn)介：茹慧英（1987—??），女，漢族，河北張家口人，碩士，講師，研究方向：數(shù)據(jù)挖掘；閆海琴（1991—??），女，漢族，河北張家口人，碩士研究生，中級(jí)會(huì)計(jì)師，研究方向：政府會(huì)計(jì)，會(huì)計(jì)信息化。

*通訊作者：李超（1984—??），男，漢族，遼寧阜新人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：人工智能。