基于大數據實驗室的數學類本科生實驗教學培養模式改革

（東北石油大學數學與統計學院 黑龍江·大慶 163318）

大數據時代已經來臨，對傳統的數學類專業的本科生培養提出了更高的挑戰和需求。如何培養適應當今時代發展需求的“合格”本科生，已經成為擺在高校普遍存在的問題。

1 數學類本科生實驗教學培養的現狀分析

現有的數學教學思想觀念老舊，僅重視基礎教學、缺少數學實踐與應用；教學內容晦澀難懂，教學中更重視計算的結果，輕了數學思維的培養；數學的體系結構一成不變，與專業內容結合甚少；師資工程實踐能力弱化，數學教師缺少專業背景。尤其，培養“新工科”是大學教育的當務之急。在“新工科”的培養方案中，數學是基礎必修課程，在“新工科”學生的核心能力中，數學又是知識能力的核心，應用數學、科學和工程的知識來解決問題是培養本科生的關鍵技能。

現有的數學類課程體系包括：數值分析、數學模型、數學建模、最優化方法、算法與數據結構、MySQL數據庫、數據挖掘案例分析、C++程序設計、Java高級程序設計、抽樣調查、時間序列分析、非參數統計等課程。其配套的各個實驗課程中演示或驗證實驗數量比例過高，占到總實驗數量的60-80%，而綜合或設計性實驗比例過低，占到20-30%。課程中總實驗數量的綜合或設計性實驗總數量不足40%。這嚴重影響和耽誤數學類本科生實驗教學培養創新型人才的目標，成為實驗教學中最為薄弱的環節。

數學類人才的培養模式，基于傳統的“機房式”的實驗教學氛圍，以“演示性”、“驗證性”的算法案例為主，通過多個案例實驗，讓學生熟系算法的實現環節。現有的數學類實驗教學，仍然以教師演示程序，學生隨堂演練為主要形式。教師指導學生在臺式機上實現算法和實例。例如：《數據挖掘》此類數值計算的課程，一般都是驗證教材上的源程序，實現例題。一般上課班級超過2個班級時，60人以上，教師不能及時解決每一個學生的問題，甚至于共性問題同樣需要反復講練，不能保證實驗教學效果，實際學習效果較差。

這已經遠遠不適合當今數據時代的發展，也未能培養學生實踐性的創新思想，不能彌補數學理論教學的抽象、晦澀的教學不足，難以提高學生的理解力和想象力，更不能激發學生學習數學的興趣，需要對此實驗教學環境進行系列的改革。

2 大數據教學實驗室的管理系統

大數據教學實驗室，包含硬件服務器、網絡設備和實驗管理系統、云平臺及大數據集群監控系統。其中，云平臺技術在一體機部署可以提供超過300臺虛擬機，在實際教學過程中滿足實驗教學的環境需求。

（1）大數據實驗管理系統旨在提供統一的平臺管理所有的課程教學資料、講義、實驗指導手冊、實驗數據集、實驗作業、實驗報告書、實驗成績管理、用戶管理（學生花名冊管理、教師信息管理）；

（2）大數據實驗管理系統采用B/S結構，可以讓學生在任何時間和地點做實驗，不受環境和時間的限制。老師也可以在任何時間和地點進行實驗文檔的相關工作；

（3）教師根據教務的開課計劃，可以進行典型的實驗課程庫的維護、安排實驗、查看學生實驗進度，手工批改實驗結果及實驗報告，統計并發布實驗成績等功能；

（4）基礎實驗課程包涵蓋：數據采集、數據存儲、數據計算、數據挖掘、數據可視化等多個方面的實驗內容輔助教學，通過原理驗證、實訓應用、綜合分析及自主設計等多層次的實驗操作，為大數據教學及科研提供一個完整的、一體化的實驗教學體系。

同時，大數據實驗室可以提供大量真實的項目案例，包括農業（農產品價格數據分析項目）、運營商在線服務大數據平臺、新三板掛牌企業分析系統、汽車之家用戶評論分析系統等案例內容及數據描述等。

在實驗教學過程中，可以大大提高學生學習質量，并對教師的教學和科研項目帶來新的啟發，達到鍛煉學生的創新思維的目的，并且促進真正的校企融合。

3 大數據教學實驗室的培養模式方案

本科生數學教育的核心內容就是應用數學的思想、方法和技巧解決實際問題，培養創新精神和實踐動手能力。作為核心內容的重要補充，數學類本科生實驗課程讓本科生動手實現數值模擬實例，不限時間地點，培養學生自主學習的習慣和能力，實踐數學推導和數值計算的過程，改變實驗教學環境，具有重要而深遠的實踐教育意義。

以高校《數據挖掘》課程為例，針對學員實際應用能力差這一教學弱點設計開發的一系列教學模塊。在大數據教學實驗室搭建的“實驗平臺”中，結合老師講解數據挖掘的算法理論，通過實用的建模工具來模擬實際應用案例，在實驗室環境下體驗實際應用，由此彌補學員實踐經驗的不足。

在教學過程中，強化應用和動手，做到理論與實踐的有機結合，使學生受益，老師授課方便。同時，此類模式可以推廣到其他的數學類課程中，例如：數值分析、數學建模、統計分析等，均可采用此類模式，實現“引導實踐型”的實驗教學環境。

以此為基礎，針對數學類本科生開展基于計算機現代技術的實踐創新型拔尖人才培養項目，以科技創新項目為驅動，利用現代流行人工智能和機器學習的創新性科技訓練，側重于提高和強化學生的創新實踐能力的培養，具有明顯的引領作用。

4 結論和展望

在信息化、數字化、智能化新形勢和建設“新工科”的背景下，數學實驗教學作為工科教育的基礎學科也必須做出及時的改變來滿足專業的需求與人才的培養。及時、深入的研究大學本科生在數學知識和能力方面應有的變化，探索大學數學課程體系的重構和教學內容的改革，成為了“新工科”人才培養的基石。從而，數學類課程的實驗教學改革與實踐研究勢在必行。

以此為基礎建設實驗室，形成公共課和專業課一體化實驗教學中心，改善數學實驗及實踐教學的條件，不但滿足全校工科數學課程實驗教學、大學生各類數學相關創新性競賽及培訓等方面需要，更要滿足本院專業實驗課程教學需要和發展。

總之，基于大數據教學實驗室的管理系統，將傳統的“機房式”實驗教學，改變成“引導實踐型”實驗教學環境，以提高本科生操作能力為教學目的，建設數學類實驗課程群，形成一體化培養創新精神和實踐能力的實驗教學新模式，實現本科生適應數據科學的發展和時代的需求。繼續以提高教學質量為核心，大力發展科學研究和教育教學研究活動，推動數理金融、數據挖掘應用統計和科學工程計算等相關方向的快速發展，形成立足地方經濟建設，面向全國相關行業，培養具有開拓創新精神、較強基礎和專業思想、較強實踐能力和自我發展潛能的創新型人才，使得本科生在創新能力和動手操作能力方面都有大幅度提高，能在對外培訓及服務中為地方政府及企業提供人才培養的基本實驗手段，創造更多的社會效益。