大數據背景下研究生公共課程《數據分析與統計軟件》改革探索的思考

戴君　杜江　謝俐　張忠占

摘? 要：隨著大數據時代的到來，數據分析能力受到各專業領域的重視，以大數據背景下培養和提高研究生數據分析能力作為目標，文章對研究生數理統計類公共課程的改革進行了分析和探討，從設計教學內容、創新教學模式和改革考核方式等方面提出了改革方案，為培養適應大數據時代發展的創新人才提供參考。

關鍵詞：大數據;數據分析能力;課程改革;創新能力;數據科學倫理

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2019）26-0133-03

Abstract： With the development of big data industry， the capability of analyzing data becomes a most important requirement for graduate students in various majors. To meet the requirement and focus the promotion of ability of understanding and analyzing data， in this article， we discuss the teaching reform of applied mathematical statistics， which has been a common course for most majors of graduate students in many universities. Suggestions on the design of instructional contents， teaching method and examination style have been proposed for the education of innovative talents in the Big Data Era.

Keywords： big data; ability of analyzing data; reform of course teaching; innovative ability; ethics of data science

一、問題的提出

2012年聯合國發布《大數據促發展：挑戰與機遇》報告提出，大數據時代已經到來，大數據的出現將會對社會各個領域產生深刻的影響。數據已經滲透到各行各業職能領域，成為重要的生產因素。2015年9月國務院發布《促進大數據發展行動綱要》，系統部署大數據發展工作，2016年3月《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》發布，“實施國家大數據戰略”一章提出把大數據作為國家基礎性戰略資源，全面實施促進大數據發展行動。

大數據的核心特征被概括為“4V”，即數據量大（Volume）、類型多樣（Variety）、價值密度低（Value）、高速高效（Velocity）[1]。大數據在各個領域都有廣闊的應用前景，利用海量數據構建模型，可以挖掘事物的變化規律，準確預測事物的發展趨勢，并進行及時有效的干預[2]。近年來，隨著各行業邁入大數據時代，數據分析實踐能力和數據科學思維驅動的創新能力受到各專業領域的重視，能熟練利用相關專業領域數據庫和數據分析軟件、具備大數據分析挖掘的能力，是大數據時代下必須具備的能力;而善于利用數據科學思維的洞察力成為新時代創新的重要驅動力。

2015年9月全球領導戰略峰會發布《全球研究生教育行動指南》，為大數據時代研究生教育的有效變革提供了指導框架[3]。將大數據的收集、加工、處理使用能力列入研究生培養目標體系，使之成為現代研究生的核心技能，在課程體系中增加數據分析技術，使研究生能快速高效地提供和使用數據[4]。人才培養的目標是培養符合大數據人才標準的研究生，提高研究生利用大數據進行跨學科研究的能力[4][5]。

從各專業研究生的發展和需求看，具備數據科學思維、掌握數據處理技術是適應、引領社會發展必備的能力之一。首先，在課程思政的要求下，科學道德和數據科學倫理的教育急需加強;其次，研究人員在數據科學指導下可以產生高水平的、深刻的創新成果;第三，大數據時代各行業都會涉及數據分析相關的工作，眾多專業的研究生未來所從事的工作離不開數據處理知識和統計軟件。面對新形勢新要求，傳統的數理統計研究生公共課需要相應時代的新要求。

另一方面，從課程本身來看，傳統的數理統計類課程普遍是作為數學類基礎課開設的，過度重視理論教學和數學邏輯推導，忽視了數學公式后面隱含的統計學思想，與實踐應用關聯較少，更不提用于指導實踐的統計學倫理，以期末考試成績作為考核指標。導致學生在學習過程中只注重考試分數，不能將所學知識與專業研究有機地聯系起來[5]。傳統的知識傳授型課程難以培養具有核心素質的創新型人才，迫切需要對課程做出相應的調整和改革[6]。

二、課程改革的基本思路

基于大數據時代對研究生能力培養的需求，我們對研究生的數理統計公共課程進行了改革。以時代需求的能力培養為核心，著重兩個能力和一種技術的教育，并把數據科學倫理貫穿始終：認識和理解統計學思想和原理的能力，應用統計學思想和原理分析收集和分析實際數據、解決實際問題的能力，熟練使用統計分析軟件的技術。

數據科學是統計學在信息時代的新發展。盡管現代統計學的歷史不長，但在長期的人類實踐中，形成了豐厚的統計學思想，如著名統計學家C.R.Rao所說，“在終極的分析中，一切知識都是歷史;在抽象的意義下，一切科學都是數學;在理性的世界里，所有的判斷都是統計學”[8]。統計學原理是指導數據收集和分析的基本原理，而統計學思想是從數據到發現和知識的指引。要達到大數據時代對人才的要求，就必須把公式后面的統計學思想和原理提到前臺。另一方面，隨著大數據產業的發展，原來比較潛在的統計學倫理，比如統計數據的客觀真實性、科學性要求，收集數據的倫理性要求等也急需面向廣大的領域，變得更加深遠和大眾化[9-10]。

三、課程改革的基本內容

新的課程以數據分析為主展開，結合數據分析方法和R軟件來講述如何正確有效地處理和分析實際數據問題，培養學生掌握現代統計方法，在研究實踐中正確應用統計方法，得出合理的統計結論，并能對所獲得的結論進行統計解釋。數據科學倫理和統計學思想、原理則是貫穿始終的主線。在為學校各專業研究生進行統計數據分析和統計模擬仿真提供必要知識和訓練的同時，加強統計學思想對學生的浸潤，并結合數據科學的倫理進行科學道德教育。

課程改革的內容具體包括教學內容、教學模式和考核方式等方面。

（一） 側重統計知識的應用——統計理論和案例應用相結合

新的《數據分析與統計軟件》課程要求研究生具備一定的概率論與數理統計基礎，本科的概率論與數理統計課程作為該課程的先修課程。為了能夠使研究生有足夠的能力適應大數據時代，我們將課程教學內容調整為多元分布及多元正態分布、回歸分析與變量選擇、試驗設計與方差分析、主成分分析與數據降維、因子分析與結構方程模型、聚類分析、判別分析與統計學習、相關分析與數據挖掘等。這些知識在自然科學和社會科學領域都有廣泛的應用，近年來有迅速的發展，教學時要結合現代數據分析的特點，融入新的數據分析技術和理念。比如試驗設計與因果推斷的關系、因子分析與結構方程模型的聯系，判別分析延伸到人工智能中的模式識別和統計學習等等。調整的教學內容基本涵蓋了統計學知識在工程和經濟管理等領域應用的基本內容，因此在教學方法上也做出了相應的調整。在課程教學過程中理論知識和實踐應用相結合，深入淺出，重點在統計思想和統計方法的運用， 既要強調統計思想的建立，又要在統計方法的操作步驟上進行嚴格地訓練，有針對性地滿足理工類、社科類人才的學習需要。參考國外優秀教材結合國內研究生培養需求，進一步加強課程的實用性，增加不同專業領域實際數據分析的案例教學。結合案例，講解統計學原理和統計學思想如何被用于解決實際問題，講解數據科學倫理對于科學研究的規范和指導作用，倡導實事求是的優良學風。

（二）提高統計軟件的應用能力——課程教學和上機

實踐相結合

傳統的課程要求學生記憶大量繁瑣的公式，進行大量的計算。隨著計算機技術的快速發展，統計軟件已經廣泛地應用到各領域，并且很好的解決統計計算問題。統計軟件的使用也使學生在短時間內掌握并應用復雜的統計方法。

在新的課程內容中重點介紹了R軟件的基本操作技能：包括R的基本語法;R軟件的基本統計分析功能;R軟件數據統計分析流程;R軟件統計模擬初步;統計分析方法的R軟件實現;實際數據的案例分析等，結合實例，增加了統計實踐教學和實驗，側重于數據的診斷、方法的對比、結果的解釋等方面的教學，使學生在熟悉統計軟件的過程中能夠更深入地學習統計方法。

結合課程教學，我們安排上機實踐課程以提高學生的統計軟件能力：1. 運用R軟件進行數據分析，調用函數、編寫復雜程序、仿真、模擬實驗等。2. 運用R軟件對統計理論進行驗證。一方面提高學生統計軟件的應用能力，另一方面加深學生對統計理論的理解。3. 研究生結合自己專業特點，搜集數據分析案例，匯集專業數據，進行統計軟件的應用交流活動。學生的軟件應用能力及數據分析水平在較短的時間內都得到了很大的提高。4. 考核方式包括限時完成的上機考試和大作業兩部分。上機考試涵蓋課程教學的核心內容;而大作業擬采用靈活的方式，要求研究生與自己專業相結合，編程建模分析，對所得結果給出合理的解釋。進一步布置較為開放性的命題，將學生分成若干組，要求結合自己的專業查找有關資料和數據，然后利用R軟件完成相關的統計分析。結合各組上交的作業情況和各組講解作業完成思路的表現綜合打分。

（三）充分利用在線教學平臺——課堂教學和網絡教

學相結合

目前該課程教學時數為54學時，僅靠課堂教學難以滿足要求。因此我們利用在線教學平臺來實現上述的教學目標。在線課程教學作為對傳統教學的重要補充，在教育上實現了傳統教學難以實現的開放、自由、平等和高效[11]。

在線教學課程不同于課堂教學部分，更加強調實際數據分析能力的提升，尤其是R軟件的學習和操作，更有針對性地介紹R軟件在數據分析方法中的應用。教學平臺可以包括課外閱讀材料，軟件知識講座，課后習題，實際案例分析，外部數據鏈接等。充分利用MOOC等在線教育資源，推薦學生選學有關課程。制作講課視頻，方便學生復習回顧或自學，分享教學內容。學習時間更加靈活，通過反復觀看，有利于鞏固學習內容，強化了學習效果。

在線教學能夠拓展老師和學生的交流方式。教師可以通過在線學習平臺更加充分的了解到學生的學習情況，找到學生的知識難點，可以根據這些難點進行針對性的教學，將課堂教學和在線學習充分結合。

四、課程改革中的挑戰及應對策略

《數據分析與統計軟件》作為研究生的公共課程，上述改革受到各個學科的歡迎，課程被納入很多學科學位課程，選修研究生大增，成為學校研究生創新能力培養的重要環節之一。但改革同時也遇到多個挑戰。

首先是對教師的挑戰。不僅需要的教師數量增加，同時對于教師的統計學和現代數據科學素養也有更高的要求。需要教師不斷學習統計學和機器學習的新理論、新方法、新算法，同時要結合案例講好統計學思想，就要摒棄傳統的數學講授習慣，增加知識面。對此，一是堅持集體備課和學習制度，二是建立教師進修制度，三是常時交流制度，把個人學習的新內容新認識隨時納入團隊。

其次是對研究生的挑戰。研究生需要改變把該課程作為一般數學基礎課學習的想法，不僅需要大量的課外練習，還需要大量的課外閱讀和思考，以提高對于數據科學的覺悟水平。這是學習方式的改變，研究生需要積極主動配合。教師從一開始就需要做好引導工作，師生共同利用好在線學習平臺，增加交互與交流，相互促進。

大數據背景下的《數據分析與統計軟件》課程教學，是新時代高層次創新人才培養的重要渠道。通過課程改革推動眾多學科研究生創新能力培養，提升研究生科學素養和對于科學研究倫理的認識，具有重要意義。本課程團隊基于多年的統計學研究和教學工作的積累，面向大數據時代發展需求，從設計教學內容、創新教學模式和改革考核方式等方面進行教學改革，收到了初步教學實效。今后還將在教學內容上進一步深化，發揮各種新媒體和網絡資源的作用，以適應多種專業類別研究生創新能力培養的需求。

參考文獻：

[1]Cate， F. H. The big data debate[J].Science，2014（11）：818.

[2]促進大數據發展行動綱要[EB/OL].（2015-09-05）. http：//www.go

v.cn/zhengce/content/2015-09-05/content_10137.htm.

[3]CGS. The implications of Big Data for graduate education. A proposal for further action developed by and for graduate institutions[EB/OL].http：//cgsnet.orgsckfinder/userfiles/files/Web Version_P

ractical_Actions_2015_final2.pdf.

[4]趙立瑩.大數據時代我國研究生教育的變革路徑——基于《全球研究生教育行動指南》[J].學位與研究生教育，2016（9）：65-68.

[5]方岱寧.“雙一流”背景下研究生教育改革的創新探索[J].北京教育：高教版，2018（1）：43-45.

[6]馬建軍，張玉春.工科研究生數理統計課程教學改革的探索[J].高教學刊，2018（1）：119-121.

[7]教育部啟動實施“卓越工程師教育培養計劃”[EB/OL].中華人民共和國教育部網站，http：//old.moe.gov.cn//publicfiles/business/htmlfiles/moe/moe_745/201006/89996.html.

[8]勞，C. R.. 統計與真理[M].科學出版社，2004.

[9]全國工程專業學位研究生教育指導委員會.《關于制訂工程類碩士專業學位研究生培養方案的指導意見》的說明.關于轉發《關于制訂工程類碩士專業學位研究生培養方案的指導意見》及說明的通知[Z].學位辦〔2018〕14號.

[10]張忠占.統計的教育與統計的道德[J].數據，2010（12）（增刊）： 19.

[11]肖義平.大數據時代創新人才培養教學改革探索[J].高教學刊， 2016（1）：67-68.