基于項(xiàng)目沉浸式的數(shù)據(jù)分析類課程教學(xué)研究

趙衛(wèi)東　趙洪博

摘 要：分析數(shù)據(jù)分析類課程的教學(xué)背景，闡述項(xiàng)目沉浸式教學(xué)的內(nèi)容、過程和存在的問題。

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目；沉浸式教學(xué)；實(shí)踐；專業(yè)課程

1 項(xiàng)目沉浸式教學(xué)的背景

目前，高校專業(yè)課程教學(xué)方式大多以“知識點(diǎn)”為核心組織教學(xué)，學(xué)生主要以學(xué)習(xí)知識為主，工程應(yīng)用實(shí)踐機(jī)會較少。項(xiàng)目沉浸式教學(xué)就是讓學(xué)生參與到企業(yè)的實(shí)際項(xiàng)目，將所學(xué)的知識在完成實(shí)際項(xiàng)目的過程中，在企業(yè)導(dǎo)師的指導(dǎo)下和同伴交流中進(jìn)行應(yīng)用、整合和重構(gòu)，其實(shí)質(zhì)就是一種結(jié)合構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論和情境學(xué)習(xí)理論的探究性學(xué)習(xí)模式。目前國際上相關(guān)的項(xiàng)目式教學(xué)理論還有CDIO和POPBL[1-2]，其中CDIO代表構(gòu)思、設(shè)計、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作，該理念是以麻省理工學(xué)院為主的大學(xué)在2000年創(chuàng)立的，旨在通過以完整的工程項(xiàng)目為載體，將傳統(tǒng)的課程教學(xué)與企業(yè)工程項(xiàng)目緊密結(jié)合；POPBL表示面向項(xiàng)目和基于問題的學(xué)習(xí)方式，是基于問題的學(xué)習(xí)方式PBL的進(jìn)一步提升，不但通過問題引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，還通過實(shí)際項(xiàng)目鍛煉學(xué)生的思維能力和實(shí)踐能力。這幾種理念在現(xiàn)實(shí)教學(xué)中的應(yīng)用都存在一定的局限性。

在國內(nèi)，清華大學(xué)、大連理工大學(xué)等也都采納CDIO的教學(xué)理念進(jìn)行教學(xué)改革。其中，清華大學(xué)工業(yè)工程系通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理等必修基礎(chǔ)課程進(jìn)行實(shí)踐，提煉出一個以院系整體為單位的知識傳播和創(chuàng)新模式[3]。大連理工大學(xué)努力探索構(gòu)建CDIO與創(chuàng)新教育融合的新體系，從課程體系、教育模式等多方面入手，以達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新型工程科技人才的目的[4]。盡管如此，這些基礎(chǔ)課程的實(shí)踐與工程實(shí)際的要求還有一定的距離。為此，達(dá)內(nèi)等培訓(xùn)公司要求其師資需要有多年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，在基本的知識授課結(jié)束后指導(dǎo)學(xué)生到合作企業(yè)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，這在一定程度上可以解決項(xiàng)目沉浸式教學(xué)，但作為一個培訓(xùn)項(xiàng)目，知識的系統(tǒng)性還有一定的改進(jìn)空間。IBM公司最近幾年與一些大學(xué)商（管理）學(xué)院合作的A100計劃，鼓勵高校專業(yè)教師與企業(yè)合作，帶領(lǐng)學(xué)生深入企業(yè)，利用比較成熟的數(shù)據(jù)分析工具幫助企業(yè)解決實(shí)際問題，但這種方法對指導(dǎo)教師的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、時間投入等都有較高的要求，一般大學(xué)的專業(yè)師資難以滿足。

數(shù)據(jù)分析類課程包括商務(wù)智能、大數(shù)據(jù)核心技術(shù)、客戶智能等較多的理論知識，且有一定難度，這些知識在實(shí)際應(yīng)用中有一定的技巧，需要大量的實(shí)踐才能掌握其中的精髓。實(shí)施項(xiàng)目沉浸式教學(xué)，為減少前期學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，通過學(xué)習(xí)已經(jīng)完成的項(xiàng)目文檔，通過實(shí)驗(yàn)方式了解項(xiàng)目需要的知識和技能，并利用仿真型的項(xiàng)目練習(xí)。在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)入真實(shí)企業(yè)項(xiàng)目，摸索數(shù)據(jù)分析全過程中遇到的問題以及解決技巧，從而增強(qiáng)學(xué)生解決數(shù)據(jù)分析問題的能力。

隨著社會對數(shù)據(jù)分析類人才的需求增加，很多高校都開設(shè)了數(shù)據(jù)分析類的課程，培養(yǎng)數(shù)據(jù)分析師或數(shù)據(jù)挖掘工程師，因此選擇數(shù)據(jù)分析類課程進(jìn)行教學(xué)改革，有一定的代表性和前沿性。

2 項(xiàng)目沉浸式教學(xué)的內(nèi)涵

如何克服傳統(tǒng)專業(yè)課程教學(xué)脫離企業(yè)所需能力的培養(yǎng)疼點(diǎn)，傳統(tǒng)的產(chǎn)學(xué)結(jié)合方式受到了挑戰(zhàn)。項(xiàng)目沉浸式教學(xué)方法結(jié)合高校教學(xué)與達(dá)內(nèi)等企業(yè)培訓(xùn)兩者的優(yōu)點(diǎn)，深入到企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目，把企業(yè)真實(shí)的項(xiàng)目實(shí)施過程融入教學(xué)情境，大大增強(qiáng)了教學(xué)的實(shí)戰(zhàn)性，使學(xué)生適應(yīng)企業(yè)的需求，創(chuàng)新能力有實(shí)質(zhì)性的提高。

項(xiàng)目沉浸式教學(xué)的主要目的是通過企業(yè)項(xiàng)目培養(yǎng)學(xué)生的技能，近年來一些教學(xué)改革的措施等大多在一定程度上改善了知識傳授的問題，而如何培養(yǎng)使用這些知識解決實(shí)際問題的技能卻是學(xué)校難以解決的。有些高校老師推出第二課堂，組織學(xué)生自發(fā)研究科研問題，這在一定程度上增強(qiáng)了學(xué)生對問題的深入思考和創(chuàng)新能力，但這些問題多是實(shí)際問題的簡單抽象，比較適合做理論研究。項(xiàng)目沉浸式教學(xué)就是通過課程指導(dǎo)教師與企業(yè)合作，利用掌握的專業(yè)知識解決企業(yè)的實(shí)際問題，然后與企業(yè)專家一起指導(dǎo)學(xué)生浸入實(shí)際項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生掌握解決數(shù)據(jù)分析實(shí)際問題的必要技能和思維方法。

項(xiàng)目沉浸式教學(xué)與項(xiàng)目（project）教學(xué)法還是有一定的區(qū)別。項(xiàng)目教學(xué)法中的項(xiàng)目是教師虛擬的實(shí)際問題，是實(shí)際問題的抽象和簡化，無論是數(shù)據(jù)以及分析數(shù)據(jù)的要求都與實(shí)際項(xiàng)目不同。在一般的項(xiàng)目教學(xué)法中，學(xué)生學(xué)習(xí)知識的方式主要是通過完成課程內(nèi)布置的課程項(xiàng)目的要求，最終的評估也是由任課老師進(jìn)行。一般來說，課程項(xiàng)目需求明確，考慮的因素較少且理想化，背景相對比較簡單，用到的知識也基本是課內(nèi)所學(xué)，很少涉及通過多次試錯得到的技能。項(xiàng)目沉浸式教學(xué)需要圍繞客戶的問題，對龐雜的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到輔助用戶決策的有用知識。在此復(fù)雜的訓(xùn)練過程中，無論數(shù)據(jù)的選擇、數(shù)據(jù)的凈化以及有效分析方法的選擇都沒有現(xiàn)成的答案，需要學(xué)生在掌握堅實(shí)的理論知識基礎(chǔ)上，通過多次比較、探索和討論才能得到有價值的知識，并最終解決用戶的問題，而不是僅僅應(yīng)對課程考核。

與一般的項(xiàng)目教學(xué)相比，項(xiàng)目沉浸式教學(xué)面對的項(xiàng)目是要解決企業(yè)實(shí)際業(yè)務(wù)遇到的問題。相對于課程練習(xí)，學(xué)院與企業(yè)合作的項(xiàng)目應(yīng)用背景更加復(fù)雜，不確定因素更多，而且需要用到的知識不僅是課內(nèi)學(xué)習(xí)的知識，還需要解決具體問題的經(jīng)驗(yàn)技能。數(shù)據(jù)分析項(xiàng)目需要經(jīng)過以下幾個階段：提出問題、獲取并清洗數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)建模、評價與部署。在這4個階段中，各個階段都沒有固定的解決方法可以簡單套用，學(xué)生需要以現(xiàn)有知識為基礎(chǔ)，通過模仿學(xué)習(xí)、試錯、反復(fù)實(shí)驗(yàn)，才能積累其中必要的技能。

項(xiàng)目沉浸式教學(xué)偏重于實(shí)踐，在訓(xùn)練學(xué)生技能的同時，也要對學(xué)生的思維方法進(jìn)行訓(xùn)練。在數(shù)據(jù)分析的過程中，為了保證數(shù)據(jù)分析的質(zhì)量，有些思維方法是必要的，通過指導(dǎo)教師對實(shí)際問題的示范講解，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目的沉浸式教學(xué)，學(xué)生需要深刻地領(lǐng)會這些思維方法并靈活應(yīng)用，從而使學(xué)生能與企業(yè)的需求接軌[5]。

3 實(shí)施項(xiàng)目沉浸式教學(xué)的條件

在項(xiàng)目沉浸式教學(xué)中，學(xué)生在項(xiàng)目中是主角，指導(dǎo)教師和企業(yè)的專家也會在項(xiàng)目開展過程中對總體方案以及具體步驟進(jìn)行指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行合理的分工、思考、討論和具體問題求解，他們更多地起到示范、引導(dǎo)和評判的作用。

項(xiàng)目沉浸式的教學(xué)方式在復(fù)旦大學(xué)軟件學(xué)院已經(jīng)嘗試多年，結(jié)合學(xué)院卓越工程師的人才培養(yǎng)，實(shí)踐檢驗(yàn)表明這種教學(xué)改革對于培養(yǎng)動手能力強(qiáng)的創(chuàng)新人才是非常有效的。我們與多個企業(yè)合作過數(shù)據(jù)分析項(xiàng)目，與主流的業(yè)界企業(yè)有多年的合作，了解實(shí)際項(xiàng)目的開展過程以及所需的能力，熟悉項(xiàng)目沉浸式教學(xué)的基本過程和技巧。

校內(nèi)的指導(dǎo)教師需要有一定的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，在學(xué)生完成項(xiàng)目的過程中，給予正確的指導(dǎo)，幫助學(xué)生完成項(xiàng)目。我們與多個企業(yè)合作過數(shù)據(jù)分析項(xiàng)目，與主流的業(yè)界企業(yè)有多年的合作，了解實(shí)際項(xiàng)目的開展過程以及所需的能力，熟悉項(xiàng)目沉浸式教學(xué)的基本過程和技巧。對于數(shù)據(jù)分析項(xiàng)目來說，在識別項(xiàng)目需求和目的、數(shù)據(jù)收集與處理、對比多種分析模型、評估調(diào)整優(yōu)化和部署等階段，每個階段都需要有相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)、技巧和思維方法。指導(dǎo)教師的職責(zé)就是在每個階段給予學(xué)生適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，能在學(xué)生遇到難題時給與實(shí)例、啟發(fā)和思路的指導(dǎo)，對分析結(jié)果給與合適的評價，而不是直接提供答案。

對學(xué)生來說，項(xiàng)目沉浸式教學(xué)對自學(xué)能力、敢于挑戰(zhàn)困難以及對數(shù)據(jù)分析具有較強(qiáng)的興趣更加看重。這個學(xué)習(xí)過程需要耗費(fèi)很多的時間和精力，對有功利心和速成思想的同學(xué)將是一個挑戰(zhàn)。此外，數(shù)據(jù)分析項(xiàng)目一般都需要學(xué)生以小組為單位完成，因此學(xué)生之間的協(xié)作能力也非常重要。團(tuán)隊之間的交流意識也會使學(xué)生盡快適應(yīng)數(shù)據(jù)分析項(xiàng)目的不同角色。

對合作企業(yè)的專家來說，由于他們有實(shí)施分析型項(xiàng)目豐富的經(jīng)驗(yàn)，對各類數(shù)據(jù)的處理針對特定的分析需求有實(shí)戰(zhàn)性的思路和技能，但這些經(jīng)驗(yàn)很難直接表達(dá)清楚。他們可以針對學(xué)生的問題，結(jié)合實(shí)際背景給出可行的建議，能夠從指導(dǎo)教師不同的角度引導(dǎo)學(xué)生，在一定程度上彌補(bǔ)指導(dǎo)教師經(jīng)驗(yàn)不足的短板，幫助學(xué)生在完成實(shí)際項(xiàng)目的過程中，綜合考慮多種因素，選擇最合適的解決方案。

綜合來說，項(xiàng)目沉浸式教學(xué)的重點(diǎn)還是培養(yǎng)學(xué)生完成項(xiàng)目，對所學(xué)的知識能夠活學(xué)活用。因此，相較于其他教學(xué)方式，項(xiàng)目沉浸式教學(xué)對學(xué)生的要求更高，需要指導(dǎo)教師、企業(yè)導(dǎo)師和學(xué)生緊密配合。

4 項(xiàng)目沉浸式教學(xué)的過程

項(xiàng)目沉浸式教學(xué)的重點(diǎn)是通過項(xiàng)目實(shí)踐培養(yǎng)學(xué)生技能，通過項(xiàng)目提高學(xué)生應(yīng)用知識的能力。對于數(shù)據(jù)分析類等應(yīng)用能力要求很高的課程，項(xiàng)目沉浸式教學(xué)的實(shí)施過程主要分為項(xiàng)目預(yù)熱、項(xiàng)目實(shí)施和項(xiàng)目總結(jié)等3個階段。

（1）項(xiàng)目預(yù)熱。項(xiàng)目啟動階段對于項(xiàng)目沉浸式教學(xué)的開展具有重要意義，在專業(yè)知識學(xué)習(xí)結(jié)束后，可以把以前指導(dǎo)教師做過的項(xiàng)目整理成案例和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，由指導(dǎo)教師示范整個項(xiàng)目的開展過程，突出項(xiàng)目過程中的問題以及解決關(guān)鍵所在。然后把數(shù)據(jù)提供給學(xué)生，根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的要點(diǎn)由學(xué)生模仿數(shù)據(jù)分析的過程。這個階段學(xué)生遇到的問題會比較少，主要是熟悉數(shù)據(jù)分析項(xiàng)目思路。

這個階段也可以用企業(yè)專家提供項(xiàng)目案例和相關(guān)資料，啟發(fā)學(xué)生補(bǔ)充學(xué)習(xí)課堂教學(xué)忽略的知識，并通過項(xiàng)目資料的學(xué)習(xí)和練習(xí)，初步了解數(shù)據(jù)分析項(xiàng)目常用的思維方法以及處理過程常見的問題。

（2）項(xiàng)目實(shí)施。項(xiàng)目實(shí)施過程是整個教學(xué)中最重要的環(huán)節(jié)。在該過程中，學(xué)生對于已經(jīng)掌握的知識在實(shí)際問題中加深理解。還需要學(xué)習(xí)項(xiàng)目分析過程遇到的新知識和新工具，這就要求學(xué)生有足夠強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力。例如，學(xué)生在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時，需要根據(jù)已學(xué)算法基礎(chǔ)或者學(xué)習(xí)新算法，選擇合適的數(shù)據(jù)分析算法，建立合適的數(shù)據(jù)分析模型，通過對比分析，不斷完善改進(jìn)問題的結(jié)果。此時導(dǎo)師就需要根據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生對問題的理解、數(shù)據(jù)的預(yù)處理、建模優(yōu)化以及評估等階段的處理。學(xué)生在完成項(xiàng)目的過程中，需要將項(xiàng)目中新用到的知識、技能進(jìn)行整合，構(gòu)建自己的知識網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目深入理解、鞏固和提高。

對于學(xué)生來說，項(xiàng)目實(shí)施是一個探索的過程。學(xué)生在完成項(xiàng)目的過程中，會遇到具體業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)預(yù)處理、比較選擇合適的分析算法等很多實(shí)際問題，而這些問題的解決方法在課堂上、書本上沒有講授，或者根本沒有明確的答案，需要學(xué)生不斷地進(jìn)行探索、思考，這個過程是積累寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)實(shí)踐能力的過程。

（3）項(xiàng)目總結(jié)。項(xiàng)目總結(jié)階段是一個不可缺少的環(huán)節(jié)，起到提煉、強(qiáng)化技能，擴(kuò)展知識體系的作用。這個階段可以幫助學(xué)生對整個項(xiàng)目進(jìn)行總結(jié)回顧、理清的過程，突出項(xiàng)目中遇到的問題和求解方法，從而作為新的案例和實(shí)驗(yàn)素材。

上述項(xiàng)目沉浸式的教學(xué)過程是一個反復(fù)的過程，每次順利地完成一個項(xiàng)目，指導(dǎo)教師也會增強(qiáng)對實(shí)際項(xiàng)目的理解，并積累更多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；而學(xué)生順利地完成項(xiàng)目，會增強(qiáng)對業(yè)務(wù)的認(rèn)識并強(qiáng)化數(shù)據(jù)分析的技能。

這里以我們與IBM合作的SUR項(xiàng)目“基于Spark的文件傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計以及負(fù)載優(yōu)化研究”為例，簡要說明項(xiàng)目沉浸式的教學(xué)過程。這個項(xiàng)目首先由IBM研究院的專家根據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出，目的是優(yōu)化文件傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，在工程實(shí)際有一定的應(yīng)用需求。針對這個需求，我們與IBM專家一起，組建了由3名復(fù)旦大學(xué)軟件學(xué)院高年級本科生組成的項(xiàng)目小組，通過多次磋商，進(jìn)一步細(xì)化了文件傳輸網(wǎng)絡(luò)的功能需求。然后通過對實(shí)際文件傳輸網(wǎng)絡(luò)的分析，摸索其中節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流向和流量，抽象出便于分析的文件傳輸網(wǎng)絡(luò)模型。通過仿真分析，研究這個模型的特點(diǎn)和參數(shù)設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，從多種分析方法中，通過比較發(fā)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)比較適合預(yù)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間文件傳輸網(wǎng)絡(luò)流量的預(yù)測，并利用Spark實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高速訓(xùn)練和計算。有關(guān)深度學(xué)習(xí)、Spark等知識都需要學(xué)生自學(xué)，并用Python語言實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄟ^多次比較調(diào)優(yōu)。這個過程歷經(jīng)數(shù)月，師生共同努力，多次修改設(shè)計，其中IBM專家提供了相關(guān)的資料，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對每個階段的工作提出了建議，最后得到比較可行的方案。

5 項(xiàng)目沉浸式教學(xué)建設(shè)存在的問題

項(xiàng)目沉浸式教學(xué)的理念對教師和學(xué)生都有較高的要求，目前在高校的專業(yè)課程教學(xué)中還存在一些需要解決的問題。

（1）專業(yè)知識的教學(xué)問題。項(xiàng)目沉浸式教學(xué)對于學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)知識和動手能力有一定的要求。當(dāng)前很多高校的專業(yè)課程注重基礎(chǔ)知識的培養(yǎng)，脫離了實(shí)際應(yīng)用背景，而這些知識的掌握只有實(shí)際應(yīng)用才可以深入理解。這就要求指導(dǎo)教師能根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用的需要，梳理相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析知識體系，幫助學(xué)生對于實(shí)際問題的分析奠定比較扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識。

（2）學(xué)生時間的協(xié)調(diào)問題。學(xué)生在完成實(shí)際項(xiàng)目的過程中，需要結(jié)合所學(xué)多門專業(yè)課程的知識，因此項(xiàng)目沉浸式教學(xué)需要學(xué)生能拿出一定的時間，自學(xué)項(xiàng)目要求的額外知識，并通過反復(fù)試錯完成項(xiàng)目。我們建議項(xiàng)目沉浸式教學(xué)與學(xué)校的各種科創(chuàng)項(xiàng)目結(jié)合起來，根據(jù)學(xué)生做項(xiàng)目的成果，滿足一定的條件就給予一定的學(xué)分，以便進(jìn)一步調(diào)動學(xué)生的積極性。

（3）項(xiàng)目風(fēng)險管理問題。由于學(xué)生缺乏實(shí)際項(xiàng)目的研究經(jīng)驗(yàn)，因此學(xué)生參與企業(yè)的實(shí)際分析項(xiàng)目具有一定的風(fēng)險。指導(dǎo)教師與企業(yè)專家合作，吸引有一定實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的員工參與項(xiàng)目，承擔(dān)項(xiàng)目關(guān)鍵問題，學(xué)生剛開始介入項(xiàng)目時可以根據(jù)分工承擔(dān)相對容易的工作，并逐步承擔(dān)有難度的數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)，培養(yǎng)數(shù)據(jù)分析在各個崗位和階段需要的基本技能。

6 結(jié) 語

國內(nèi)高校專業(yè)課的教學(xué)多偏重理論知識的傳授，學(xué)生的動手能力、分析與解決實(shí)際問題能力以及創(chuàng)新能力還存在很多提高的空間。在很多高校的專業(yè)課程中大多是人工整理或過度加工形成的案例，這些案例與實(shí)際項(xiàng)目情況相差較大。針對傳統(tǒng)專業(yè)課程教學(xué)與企業(yè)實(shí)際應(yīng)用能力脫節(jié)的問題，探索面向企業(yè)需求，在教學(xué)過程中沉浸真實(shí)項(xiàng)目的課程改革方法。

項(xiàng)目沉浸式教學(xué)是一種縮小企業(yè)分析人才需求與高校培養(yǎng)差距的教學(xué)方式，通過指導(dǎo)教師與企業(yè)導(dǎo)師的引導(dǎo)，把課堂學(xué)習(xí)的理論知識貫穿到實(shí)際的項(xiàng)目中，這不僅可以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識的能力，也大大地減少學(xué)生畢業(yè)后適應(yīng)企業(yè)崗位的時間。

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（編輯：郭田珍）