高校數據科學教育生態系統建構
——以美國普渡大學為例

楊習超, 張煒

（1.杭州電子科技大學外國語學院 浙江杭州 310018； 2.浙江大學科教發展戰略研究中心 浙江杭州 310027）

全球科技創新已進入空前密集活躍的時期，以大數據、物聯網為代表的新一代信息技術加速應用，推動自然科學與人文社會科學日益呈現交叉融合趨勢，傳統高校學科組織模式正面臨著重大挑戰。在德國提出“工業4.0”之后，日本于2016年提出了“社會5.0”概念，其未來圖景是智慧公民、科技創新、認知與決策自動化、社會技術生態融合、在線社區與物理互動、生活智能化與數據驅動的“超智能社會”。[1]數據科學通過信息媒介連接原本分離的學科、社區和用戶，運用信息分析技能從各個領域生產的數據中提取有力的見解，將在理、工、農、醫、公共健康及人文社會科學等領域實現新的革命，為傳統高等教育注入新的元素，改變高等教育的供給方式、管理模式和實現范式。數據素養涉及批判性理解數據如何為科學問題提供信息及如何有效傳播科學故事。[2]2020年初以來，全球蔓延的新冠肺炎疫情凸顯了公共治理過程中對提升數據素養的需求。信息技術在教育中的全方位滲透與應用，使實施計算思維教育有了更加多元的選擇，所有師生和學科也都將參與到計算思維教育之中。在幫助學生掌握學科基本技能之外，還要引導他們解決開放式科學、工程和技術問題。[3]本文選取普渡大學數據科學首倡計劃作為教育創新案例，從數據科學核心理念、戰略目標、組織架構、跨學科課程體系、學科會聚研究、服務性學習社區、產教融合等方面梳理和分析其一體化數據科學教育生態系統的建構過程。

一、普渡大學數據科學首倡計劃的生態設計

普渡大學創設于1869年，現有教職工6000多人，在校生4.5萬余人，工科、農科實力雄厚，有“美國航空航天之母”的美譽，美國登月第一人尼爾·奧爾登·阿姆斯特朗（Neil Alden Armstrong）、我國“兩彈元勛”鄧稼先是其知名校友。普渡大學是美國首個成立計算機系的大學，其主持的網絡安全項目多次位列美國高校排名之首，在美國公立研究型大學中頒發的科學、技術、工程和數學（STEM）學位數量位列第三。2018年3月，普渡大學啟動了一體化數據科學首倡計劃（Integrative Data Science Initiative，以下簡稱IDSI)，旨在通過數據科學研究，解決迫切的、根本性的相關社會問題，建立本校特色的數據科學教育生態系統，培養學生適應未來迅速發展的、數據驅動的知識經濟社會的能力。

（一）核心理念與戰略目標

普渡大學IDSI 計劃由負責學術事務與多樣化發展的副校長兼教務長杰·阿克里奇（Jay Akridge）和負責研究與合作事務的常務副校長蘇雷什·加利梅拉（Suresh Garimella）共同領導。該計劃的核心理念是培育全體普渡大學學生的數據素養，以適應數字經濟時代對信息化創新人才的需求。阿克里奇教授指出，數據科學作為重大的跨學科挑戰，通過高級分析從大數據中挖掘新的知識，為普渡大學提供了戰略轉型機會，將增強和擴大普渡大學在STEM等領域的卓越聲望。加利梅拉教授也強調說，現代社會對數據的需求是驚人的，培養勞動力的數據素養是IDSI的重要目標。

IDSI 計劃的戰略目標是：在數據科學理論、基礎知識、驅動探索與應用等方面開展結構系統的研究工作；創立數據實體格局，通過學科融合與互動促進多學科創新性合作；建立一體化數據科學教育生態系統，保障所有學生獲得專業的數據科學技能。該計劃結合普渡大學的學科特色，支持學生充分參與數據驅動的世界，滿足師生的數據研究需求和學術興趣，強化數據科學對經濟發展的潛力，推動學科業態的戰略性變革。

（二）跨學科組織架構

IDSI的組織架構包括教務長辦公室、IDSI指導委員會（Steering Committee for IDSI）、跨學科數據科學團隊、創新發現園（Discovery Park）、校園數據科學服務中心等。2018年2月26 日，副校長加利梅拉召集成立了普渡大學IDSI指導委員會，由理學院統計與計算機科學教授帕特里克·沃爾夫（Patrick Wolfe）擔任主席，委員會成員包括綜合理工學院、工學院、文學院、藥學院、農學院、獸醫學院、克蘭納特管理學院、理學院、健康與人類學院、榮譽學院、教育學院、圖書館等多學科專家，以及常務副校長辦公室首席新聞官格里·邁卡特尼（Gerry McCartney）。創新發現園作為普渡大學的科教園，聚集了大批醫學、生物科技、納米技術等高科技企業與研究所，為普渡大學教學研究一體化提供了實踐平臺，并主持了一批IDSI數據科學研究項目，主要解決能源、安全等全球挑戰性問題，由首席科學家托馬斯·迪亞斯·盧比亞（Tomás Diáz Rubia）擔任執行主任。

（三）體現教學、科研、資源與社會服務統一的運行模式

IDSI的運行模式體現了教學、科研、資源與社會服務的統一。第一，IDSI指導委員會的頂層設計強調從學科組織結構上會聚普渡大學各院系及圖書館等機構，確立了數據科學的跨學科歸屬。第二，為跨學科數據科學課程、學位項目搭建起學科交叉平臺，引導不同的專業與數據科學融合，為多學科嵌入數據科學提供了系統入口。第三，創新發現園主導的數據科學研究課題與課程提案為跨學科數據研究團隊提供了可持續的人力資源，形成了普渡大學數據化戰略的核心力量。第四，數據科學工作坊和數據挖掘社區打造了彰顯本校學科優勢的主題工作坊與師生深度協作的校園數據文化社區。第五，微軟公司、數字農業、數字地球等知名數據企業參與并支持普渡大學數據科學產教融合平臺的建設，拓展了傳統校園的教育模式。數據科學教育創新的最大化發展是把整個校園各學科師生及教育管理人員吸納進來，形成了一個多項數據科學活動的中心樞紐。校園數據科學咨詢、檢索計算、數據管理、統計咨詢、研究智庫以及圖書館研究數據等服務中心，為每一位參與數據科學研究與學習的普渡大學師生提供數據算法、統計基礎、深層學習和實踐應用等全方位的專業服務保障。

二、一體化數據科學教育生態系統的建構過程

大數據、物聯網和人工智能技術的發展提高了信息共享的效率，也為傳統自然科學和人文社會科學的多學科深層融合帶來了歷史機遇。教育生態系統是以個體、教育環境和教育活動為載體，以促進學生在不同學習階段的可持續性發展為目的而形成的開放性結構。[4]普渡大學的IDSI 計劃力圖建立校園全覆蓋的一體化數據科學教育生態系統（Integrative Data Science Education Ecosystem），由助理副教務長珍娜·麗卡斯（Jenna Rickus）負責，旨在培養學生創新，使數據科學成為每一位學生在普渡大學學習經驗的組成部分，在他們所選擇的領域獲得數據科學基本原理的知識，畢業時具備扎實深厚的數據分析技能，從而為數據驅動型經濟培養創新人才。該系統為多學科的師生、教育管理者提供了便利的數據科學入口，將有力地提升該群體的數據素養和學科品質。該教育生態系統主要由四個部分構成：跨學科學位項目與學科交叉課程、學科會聚研究計劃與研究團隊、基于服務性學習的數據科學社區與主題工作坊、面向產教融合的數據科學校企合作模式。

（一）跨學科學位項目與學科交叉課程體系

為培養數據科學相關領域的人才，普渡大學設立了一批跨學科數據科學學位，包括理學院計算機系和統計學系聯合培養的數據科學學士學位，地球、大氣與行星科學系培養的專業地理數據科學碩士學位，綜合理工學院計算機圖形技術系的數據可視化學士學位，克蘭納特管理學院的商業分析與信息管理碩士學位等。同時，舉辦了與計算機工程、網絡安全、教育、電氣工程、工業工程、數學和統計學等數據科學相關的學位項目，為多學科學生搭建特色鮮明的學術研究平臺，引導他們進入數據專業領域，將他們培養成為未來的數據工程師。

圍繞數據科學學位項目，各學院發起了一批面向實際數據科學學術問題的教育提案，為校園數據科學教學研究提供課程支持。2018年，創新發現園主導了首批9項特色數據科學教育提案，2019年又新增第二批5項提案，入圍的團隊重視多專業與多學科性，引導特定學科與數據科學的交叉融合，促進學科組織模式的創新。例如，農學院布魯斯·埃里克森（Bruce Erickson）教授負責的“數據科學融合應用數字農業”課程組，由來自農藝學、動物學、農業與生物工程、農業經濟學、食品科學、昆蟲學、林業與自然資源等7個學科的10位教師構成；佩蒂·帕斯科茨（Pete Pascuzzi）教授主持的“構建數據科學教育生態系統資源庫”課程組吸收了檢索計算、統計學、圖書館信息學等3個學科的4 位教師；羅薩莉·克勞森（Rosalee Clawson）教授領銜的“數據科學建設區塊：從倫理到探索”的5位團隊成員分別來自政治學、統計學、哲學及克蘭納特管理學院等4個學科（見表1）。

各專業學院也開設了相應的數據科學課程，為本學院學生提供數據科學與所學專業融合的課程支持，以提升本學科的數據流暢性和師生的數據素養。全校數據科學課程分布為：農學院 86 項，教育學院 19項，工學院4項，健康與人類科學學院2項，理學院12項，研究生院35項，教務長辦公室 5項，綜合理工學院14項，克蘭納特管理學院37項。代表性的課程有農業學院的“遺傳學與社會”，工學院的“機器學習與模式識別”，研究生院的“組織數據的管理”，綜合理工學院的“交互性數據可視化”，健康與人類學院的“心理學數據理解與分析”，管理學院的“數字市場數據驅動決策”，理學院的“數據科學統計”等。

（二）學科會聚研究計劃與研究團隊

跨學科團隊是申報創新發現園資助的數據科學研究項目的必要條件。2018 年3 月18日，創新發現園、教務長辦公室以及研究與合作辦公室聯合發布公告，號召教授們圍繞數據科學在生命健康、倫理、社會和政策等領域，以及數據基礎原理、方法與算法（fundamentals, methods and algorithms）等方面提交課題報告。來自全校10 個學院48 個系部的172 位教師組成的52個團隊提交了申報書，其中8個團隊入選了IDSI基金支持。教務長辦公室在全校范圍內征集數據科學教育生態體系的建議,來自10個學院22個系部的37位教師提交了42個跨學科教育計劃，其中9項獲得了資助。前計算機系主任蘇尼爾·普拉巴卡爾（Sunil Prabhakar）教授出任IDSI 項目主任，生物學教授凱瑟琳·希爾(Catherine Hill)和統計學教授馬克·沃德（Mark Ward）為副主任。

表1 代表性普渡大學特色數據課程提案

圍繞數據收集與使用倫理、分析方法與組織管理，跨學院教師團隊積極開展交叉學科課程建設。政治學、統計學、工業工程和哲學的教師合作編寫了倫理、數據整合和數據分析模塊內容；電氣工程系、圖書館和哲學系教師在工程數據思維方面合作開發模塊課程。這些模塊課程具有極大的靈活性，便于學生把課程內容融入本專業課程體系中。英語語言教師與數據科學家合作，指導學生在專業寫作語境中撰寫、詮釋數據內容；分子微生物群落等模塊課程幫助選修營養課程的學生接觸、分析和解讀國民營養數據組。數據可視化、商務分析等系列項目也在不斷增長，吸收更多師生參與，共同推進普渡大學數據科學的發展。

（三）服務性學習的數據科學社區和工作坊

IDSI大力扶持服務性校園社區建設。2018年秋季，數據科學多學科領域實地研究工作的校園數據挖掘開始運行，首批100名實驗組學生入住希倫布蘭德舍（Hillenbrand Hall），2019年秋季增長到800名學生，50多位教師加入，由統計學的沃德教授領導。學生在數據挖掘社區的合作環境中學習、研究，通過思維實踐的挑戰提高交流能力、解決問題技能和決策能力。多學院學生參與合作教育項目，跨學院教師組織共享課程，學生有機會向一流學者、研究者學習，并且可以與他們進行合作。作為數據科學的基石，數據挖掘培養學生從事需求管理、規劃和分析大數據集合知識的研究與實習。每年秋、春學期各開設一門1學分的數據挖掘討論課程，幫助學生開闊眼界，了解未來研究生階段開展的研究或者數據驅動領域就業的多種可能性。

由于傳統分化的學科無法滿足21 世紀技能培育要求，美國課程改革重視超學科整合策略的采用，希望通過超學科整合來彌補傳統學科的不足，構建適合核心素養轉化的課程框架。超學科整合又叫“主題教學”，即通過開放的主題整合不同學科及相關知識與技能。[5]IDSI 特色主題工作坊圍繞“數據核心素養”開展工作，對全校師生開放，鼓勵相關人員注冊并加入任一感興趣的工作坊，目的是通過課堂和實驗活動、本科生研究機會和數據科學社團，幫助本科生在數據科學社團中開展協作研習，獲得數據科學技能。創新發現園開設了4個目標主題數據科學研究工作坊（Targeted Data Science Research Workshops）（見表2）。

表2 目標主題數據科學研究工作坊

（四）產教融合驅動的校企合作模式

普渡大學通過系列數據主題講座與知名數據公司交流，在數據農業、數據社會等領域開展校企合作，把數據科學理論的思想領導者和數據科學基本知識與應用以及數據驅動的社會探索活動引入校園，拓寬了數據科學教育平臺。

2019 年，先后有索林技術（Solfintec）公司的丹尼爾·帕德朗(Daniel Padrao)、伊納里（Inari） 公司的馬克·斯托瓦斯(Mark Stowers)、微軟公司的蘭威爾·錢德拉（Ranveer Chandra）、數字地球（Digital Globe）公司的馬爾·納烏魯爾(Kumar Navulur)、農能數字農業（Agrible）公司的保羅·米勒（Paul Miller）等數據科學專家出席普渡大學數據科學和數字農科講習會等論壇，就數字農業與農業數據科學的特定主題做專業演講?！禤BS新聞一小時》（PBS News Hour）欄目科學記者邁爾斯·奧布萊恩（Miles O’Brien）和麻省科技媒體實驗室首席研究員、開放農業創新計劃主任凱萊布·哈珀（Caleb Harper）也多次在普渡大學數字技術與農業食品發展研討會上與師生就食品的數字化、農業與自然資源系統的應用等問題展開深入交流和創新思考。2019年3月4日，“女性與數據科學”會議在創新發現園伯頓·摩根企業家文化研究中心召開，支持女性在數據科學教育領域的發展。2019年5月10日，普渡大學農學院組織了國家科學基金和農業部食品與農業國家實驗室團隊建設會議，應對數字農業的挑戰。2019年9月25日，開展“普渡大學2050——未來的會議”，討論普渡大學參與建設數字的、可持續的地方社區，推動了普渡大學數據科學研究與社會服務的結合。

三、一體化數據科學教育生態系統的核心特征

多元化服務創新的教育教學理念、多學科會聚創新的學術組織結構和產學研融合創新的知識生產方式構成了普渡大學一體化數據科學教育生態系統的典型特征。

（一）“多元化”服務創新的教育教學理念

隨著大數據時代的來臨，學習的智能化、個性化、社區化已成為必然趨勢，教育學習生態正朝多元化、聚集化發展。[6]教育創新需要有與之匹配的教學實踐環境，普渡大學的IDSI項目調動多學科教師參與數據項目研究和數據課程建設，大力培育數據“學習社區”（Learning Community），塑造了鮮明的多元服務性校園數據文化和師生合作氛圍，為學生嵌入多學科視角的研究主題搭建了數據科學平臺，為每一位學生提供了以數據科學為中心的一體化教育生態系統入口。不同主體在多樣化互動中帶來的物質、信息、思想等，推動了學習系統的運轉。而社會互動的數量和質量直接決定學習生態系統的活力。[7]普渡大學數據科學教育生態系統體現了多元化服務的教育教學目標，從四個方面著手培育校園數據素養。一是在全校范圍設置數據科學專業，為各個專業領域培養多樣化的卓越數據工程師提供支持；二是把數據科學嵌入專業領域課程，幫助多學科學生在未來職業中運用數據科學信息技術開展工作、領導和決策，使他們擁有解決真實數據科學問題的經驗；三是全面培育普渡大學學生的數據素養(data literacy)和數據流暢性（data fluency）能力，并對數據素養、數據流暢性作出定義，規劃設計相關數據科學課程、教育內容和經驗實踐；四是在整個校園建立數據思維，確保從2020屆開始，畢業生須擁有在數據科學基礎學習、實踐和應用方面的特定經歷。

（二）“多學科”會聚創新的學術組織結構

智能社會和數字經濟要求未來所有職業須融入新一代信息技術和數據科學。從學科進化視角來看，數據科學將根本性地重塑數據驅動的科學、技術、工程等學科領域，也將重塑非數據驅動的學科領域，如歷史學、政治學、經濟學、教育學等人文社會科學。這種范式轉換不僅僅是數據本身驅動的，也是在理解、探索和運用數據過程中持續推動概念創新或思維轉型實現的。[8]數據科學教育生態系統是普渡大學應對人工智能技術與智慧社會發展的重大戰略行動，這次變革由普渡大學計算機系主導，依托于計算機科學、信息統計學以及相關STEM學科，并由教務長辦公室、跨學科團隊、創新發現園、數據工作坊、數據社區以及社會數據企業等多方攜手組成普渡大學數據科學共同體。密歇根州立大學教授羅伯特·格里福爾（Robert J. Griffore）指出，“大數據無所不在，且極具變革力”，但很多傳統學科仍未意識到數據科學以及數據素養將會影響到它們的生存。[9]普渡大學數據科學教育生態系統將整個校園轉變為信息技術驅動的、多學科會聚的數據科學共同體，展現了卓越的戰略視野。該共同體以數據思維核心素養與跨學科教學理念，帶動所有學院打開智能化變革的想象空間，開啟了數據+工科、數據+農科、數據+醫科、數據+文科等學科會聚創新模式；強化數據交叉課程和跨學科專業建設，培養具備數據流暢性能力的多元化人才；依托各學科研究基礎，開設主題工作坊，促進學科會聚和研究創新，驅動數據科學規則在不同學科范式間的良性轉換。

（三）“產學研”融合創新的知識生產方式

除了傳統課程和實驗室活動以外，該教育生態系統強調通過跨學科學習社團、本科生研究機會、課程外機會、卓越客座講師指導等多種形式輸入數據科學知識，引導學生開展能力試驗與應用實踐。創新發現園作為數據科學教育生態系統中的重要一環，秉承教研相長、產教融合的教育理念，利用普渡大學的學科優勢，組建教研團隊與工作坊，開展全球安全、健康以及可持續發展等主題研究，豐富了數據科學教育活動，拓展了傳統課堂教學的方式。校園數據科學主題社區為師生開展數據化研習活動和職業能力成長打造了良好的實踐空間與文化氛圍。在這樣的共享社區，他們可以有效地獲取數據科學基礎知識、數據驅動應用等經歷。與微軟、數字地球和數字農業等知名數據公司進行廣泛合作的產教融合模式帶來了實用化的產業經驗，拓寬了多學科數據人才的學科視野和知識結構。“信息+專業”“數據+應用”的產教融合，推動了校企間的經驗共享與成果轉化，深化了高等教育變革與數據經濟驅動的有機結合。這種校企協同創新模式有效驅動了大學學術組織的變革，突破了“學科驅動”的象牙塔模式，加快了數據科學、自然科學和人文社會科學向社會應用服務的延伸，實現了高等教育組織的知識經濟價值。

四、結語

普渡大學一體化數據科學首倡計劃旨在實施大學學術組織的跨學科戰略變革，通過數據科學會聚多個學科，實現跨學科人才培養、科學研究和社會服務，以期提升大學生數據素養并適應智慧化社會的需求。高校學術組織應當借鑒普渡大學的經驗，以“數據+”的新思維引導“數據+工科”“數據+理科”“數據+文科”“數據+農科”“數據+醫科”多學科會聚模式，有效推進跨學科組織變革與文化變革，形成數據科學與傳統學科深度融合的新型多學科模態轉換，構建精準化、細分化和整合化的數據科學教育生態系統，實現院校特色化發展。高等教育新工科、新農科、新醫科和新文科建設，不僅需要大力培育數據驅動、知識共享、學科交叉的教學研究團隊，同時要構建基于真實問題的情境化、社區化和服務性校園文化，打造教學體系、科研團隊、實踐平臺、社會服務多位一體的教育服務共同體。高校組織變革也應當大力拓展外部資源空間，廣泛培育校外學科發展戰略合作伙伴，確立產教融合的市場著力點，將教學研究、師生團隊和企業創新等活動融入“教育質量革命”的共同體，形成路徑鮮明的協同育人機制，實現高等教育“核心素養”的“質量革命”。