大數據環境下數學實驗綜合體系建設與改革探索

羅躍逸，袁修貴，朱小玉（.中南大學數學與統計學院，長沙 40083；.中南大學信息科學與工程學院，長沙　40083）

大數據環境下數學實驗綜合體系建設與改革探索

羅躍逸1，袁修貴1，朱小玉2
（1.中南大學數學與統計學院，長沙 410083；2.中南大學信息科學與工程學院，長沙410083）

0　引言

隨著移動互聯網的崛起，全球數據呈爆炸性增長。目前全球90%以上的數據是近幾年產生的，數據規模大約每兩年翻一番，人類已進入信息化和大數據時代。為推動大數據的學科發展，2009年，聯合國啟動“全球脈動計劃”，借大數據推動落后地區發展。2011年以來，中國計算機學會、中國通信學會先后成立了大數據委員會，研究大數據中的科學與工程問題，科技部的《中國云科技發展“十二五”專項規劃》把大數據技術作為一項重點予以支持。對于大數據的收集、處理、分析，以及大數據的科學研究和人才培養已經成為政府統計和高等統計教育工作面臨的重要課題［1-2］，傳統的教學內容和研究方法已不能完全適應新形勢下數學學科建設的需要［3］。針對大數據在現今各領域中的重要性以及它所帶來的諸多問題和挑戰，則應該從高校課程設置的層面作考慮，建立并完善適應時代發展的人才培養體系。現在，美國的高校已經開設相關課程，例如，大數據分析統計基礎、大數據分布式計算、大數據挖掘和機器學習等。國內一些高校也正在嘗試開設大數據課程［4］，幫助學生了解大數據，學習大數據分析。大數據是一門綜合多學科專業知識、密切聯系市場實際的交叉學科，學生不僅要對分布式計算、數據庫技術、網絡技術等計算機專業知識有較深入的理解和掌握，還需要大數據背景下數據的管理、分析與挖掘的技能與方法的研究技能，需要數學、統計、計算機技術的結合。因此，在大數據背景下的數學實驗綜合體系的研究、建立與完善是十分有必要的，是信息技術發展的需要。

1　數學實驗體系的教學現狀

在大數據背景下，數學學科的實驗教學面臨了嚴峻的挑戰。傳統的數學實驗課程已經不能滿足大數據時代的需求，存在如下問題：

（1）數學類專業理論課的教學中，理論教學課時占比偏重，實驗教學課時占比較輕。傳統的實驗教學課程主要包含過程演示和理論驗證這兩類的實驗，實驗設計脫離社會人才需求，學生興趣不足，導致實驗教學無法實現人才培養的預期目標。

（2）在高校的教學課程里，呈碎片化的實驗教學貫穿其中，容易對學生連貫的獲取整合知識造成不良影響。數學類專業學生不能只具備理論證明的能力，也需要擁有數據存儲、處理及分析能力。傳統的實驗教學影響學生綜合能力的培養，導致教學效果不理想。

（3）實驗指導教師在大數據課程的實踐教學方面缺乏經驗，不能及時更新實驗課程并指導學生整合知識結構，數學類專業與社會實際需求結合不夠緊密，在實驗教學的實踐環節中缺少聯合實際的工程實踐課程設計，數學實驗教學體系中缺乏從上到下、綜合有效的控制手段。

2　大數據背景下的數學實驗課程建設探討

大數據具有體量巨大、速度極快、類型眾多、價值巨大的特點，對數據采集、分析、管理、存儲提出了前所未有的新要求。目前大多數高校通過信息化建設，已經具備了良好的軟、硬件條件，但同時存在服務器大量閑置的問題。因此，如果能在現有服務器上直接進行大數據數學實驗資源共享平臺建設，既可以實現網絡教育，又能讓原本閑置的服務器重新盤活、充分利用，可謂一舉多得。

圍繞數學類專業特點設計實驗教學內容，轉變教育觀念，改革教學方法，調整和重構課程體系，瞄準社會人才需求，結合數學類專業的人才培養目標和特點，將數學類專業實踐教學課程分為數學理論、計算機應用、大數據統計分析三類實驗課程，不斷探索改革實驗教學內容和實驗手段，從而使實驗課程體系更加優化，更加有利于培養適合企業需要的計算機應用型高級人才。

（1）數學理論

數學理論實驗環節針對數學理論與實踐結合不夠緊密的問題，設計與數學類各專業理論課程相匹配的實驗教學課程，包括數值分析、理論建模、最優化方法、微分方程數值解、數據倉庫等課程。數學理論實驗環節針對實驗課程占比偏輕的問題，設計與理論課程聯系緊密的實驗教學課程，學生經由實驗教學來溫習并鞏固理論知識，促使學生真正融合知識與技能，培養獨立學習意識，結合數學理論和實踐技能解決實際生活中的問題。

（2）計算機應用

計算機應用實驗環節針對實踐教學對專業素質專注不足的問題，設計拓展專業素質的實驗教學課程，對數學理論的深度掌握提供便利。實驗內容主要包含一些計算數學與計算機技術課程的綜合實驗，如數據分析、數據結構、數據安全、面向對象程序設計等課程。開設計算機應用課程的目的是通過計算機程序來驗證學習的數學理論知識，提高學生的動手能力和創新能力，提升學生的計算機應用技能和解決實際問題的水平。

（3）大數據統計分析

大數據統計分析實驗環節精準定位到數據分析，設計提高大數據分析能力的實驗課程，包括MapReduce、Hadoop+HDFS、NoSQL、數據分析、數據挖掘等課程，是對計算應用類實驗環節的提升。基于大數據技術構建數據存儲、管理、分析、共享的數學實驗教學平臺，綜合利用應用統計理論與方法，精心設計實驗內容，為學生提供開放實驗平臺，通過實踐強化對大數據分析的能力，全面培養學生實驗技能以及綜合分析、發現和解決問題的能力。

3　數學實驗綜合體系建設方案

圍繞數學類專業特點設計實驗教學內容，結合科研和行業前沿，建設促進人才培養的數學實驗綜合體系，其中主要包括核心功能系統、保障系統和支撐系統三部分，為高校提供實驗資源管理與共享服務，圖1為數學實驗綜合體系建設方案。

圖1　數學實驗綜合體系建設方案

（1）支撐系統

大數據平臺是數學實驗綜合體系的支撐系統，在實驗過程中，光有實驗數據往往是不行的，還應該有便捷的數據處理過程。結合現有的大數據處理技術，如Hadoop、HBase等開源技術，構建基于網絡技術的開放大數據實驗平臺，為海量數據的快速處理提供支撐。

（2）保障系統

保障系統包括數據存儲平臺、數據管理平臺、數據分析平臺以及共享服務平臺。基于大數據平臺搭建實驗資源存儲、管理、分析、共享體系，為核心功能系統提供支持。基于大數據的保障系統。從數據存儲到數據共享，系統將利用信息技術的便捷性實現存儲數據更多、類型更多且分析更準的大數據平臺，對實驗資源進行計算、處理及分析，從而充分發揮大數據在實驗資源管理中的重要作用。

（3）核心功能系統

數學實驗綜合體系是實現以實驗資源為主要內容的網絡資源共享與管理服務的體系架構、網絡設施和運營環境。實驗資源主要包括采集的實驗數據以及設計的實驗實例庫。核心功能系統通過采集數學專業相關的實驗數據，如海量的金融數據、數據圖像數據等資源庫，利用網絡化與信息化建設整合優質教學資源，實現優質教學資源共享。經由校園網，向不同類型的用戶以同步或異步的方式發布、共享并管理實驗資源，為高校的實驗管理與共享提供服務。

4　結語

本文簡要分析大數據對數學類專業提出的新的要求，探討了現有的數學類專業實驗存在的問題，并結合大數據提出了大數據背景下的數學實驗課程改革和創新內容，結合大數據技術提出構建基于大數據技術的數學實驗綜合體系。

［1］孟小峰，慈祥.大數據管理：概念、技術與挑戰［J］.計算機研究與發展，2013，50（1）：146-169.

［2］李國杰，程學旗.大數據研究：未來科技及經濟社會發展的重大戰略領域——大數據的研究現狀與科學思考［J］.中國科學院院刊，2012，27（6）.

［3］黃介武.淺析大數據環境下的統計學課程教學［J］.課程教育研究，2014，（22）：235-235.

［4］李鴻健.大數據時代計算機專業實驗教學改革研究［J］.現代計算機：專業版，2013，（13）：29-31.

Big Data；Mathematical Environment；Reformation Plan

The Comprehensive Mathematical Experimental System Construction and Reformation in Big Data Environment

LUO Yue-yi1，YUAN Xiu-gui1，ZHU Xiao-yu2
（1.Department of Mathematics and Statistics，Central South University，Changsha 410083；
2.Department of Information Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083）

1007-1423（2015）23-0065-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.23.016

羅躍逸（1986-），男，廣西柳州人，博士研究生，實驗師，研究方向為軟件工程與信息系統、網絡資源管理與服務

袁修貴（1964-），男，湖北薊春人，教授，研究方向為最優化算法

2015-08-01

2015-08-10

社會已進入信息化和大數據時代，為適應大數據時代的變革，針對大數據對數學實驗體系建設的要求，對大數據時代下數學類專業的實驗課程建設改革進行探索，并基于大數據技術提出一種數學實驗綜合體系建設方案。

大數據；數學實驗；改革方案

朱小玉（1989-2），女，湖北廣水人，博士研究生，研究方向為云計算安全與隱私保護

Society has entered the era of information and big data.In order to adapt to the change of the ig data era，explores the experimental courses construction and reformation plan of the mathematics specialty，which regards to the needs of big data to mathematical experimental system construction，then comes up with a comprehensive mathematical experimental construction plan.