學(xué)習(xí)產(chǎn)出驅(qū)動的大數(shù)據(jù)課程教學(xué)探索與實踐

金蒼宏 吳明暉 顏暉

摘? 要： 大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展變化快，綜合應(yīng)用性強，而大數(shù)據(jù)計算技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容偏重理論，脫離實際工程應(yīng)用，培養(yǎng)的學(xué)生實踐能力弱，無法適應(yīng)企業(yè)的實際需求。依據(jù)新工科培養(yǎng)思路和OBE理念，提出構(gòu)建基于綜合案例的大數(shù)據(jù)計算技術(shù)的課程內(nèi)容;設(shè)計貫穿整個課程體系的綜合案例，激發(fā)學(xué)生的主動探索的積極性，提高其實踐能力;結(jié)合產(chǎn)學(xué)合作模式，形成更加客觀的課程評價體系，促進教學(xué)質(zhì)量提升。

關(guān)鍵詞： 案例驅(qū)動; 學(xué)習(xí)產(chǎn)出教育; 大數(shù)據(jù)計算技術(shù)

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1006-8228（2021）04-95-03

Abstract： In current days， the big data technology is developing rapidly and strongly connecting with comprehensive application. However， the teaching content of big data computing technology focuses on theory and is divorced from practical engineering application. The students' practical ability is weak and cannot adapt to the actual needs of enterprises. According to the training ideas of New Engineering Education and OBE concept， this paper proposes to construct the curriculum content of big data computing technology based on comprehensive cases; to design the comprehensive cases throughout the whole curriculum system to stimulate students' initiative to explore， and improve their practical ability; with the industry university cooperation mode， to form a more objective curriculum evaluation system to promote the improvement of teaching quality.

Key words： case driven; outcomes-based education; big data computing technology

1 大數(shù)據(jù)計算技術(shù)課程現(xiàn)狀和改革方向

工程實踐能力的培養(yǎng)是計算機專業(yè)應(yīng)用型、 創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的核心內(nèi)容，也是社會對計算機專業(yè)人才的現(xiàn)實需求[1]。以新工科理念建設(shè)一流本科專業(yè)的要求，地方理工科高校大有可為，可以主動對接地方經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)需求和行業(yè)方法趨勢[2]。基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式（Outcomes-based Education，縮寫為OBE）實現(xiàn)學(xué)生特定學(xué)習(xí)產(chǎn)出來設(shè)計教學(xué)模式，采用教育結(jié)構(gòu)和課程等手段進行教育設(shè)計。計算機專業(yè)作為較典型的工程類課程，非常適合新工科教學(xué)理念。把新工科思想結(jié)合項目驅(qū)動教學(xué)模式CDIO[3]和OBE模式[5]，以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向和目標(biāo)、多學(xué)科交叉融合、綜合全面創(chuàng)新為依托，把教師角色由知識的教育者轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)者，而學(xué)生由被動學(xué)習(xí)變成了積極參與，可以有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。在課程教學(xué)過程中，注重培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，讓學(xué)生在學(xué)中做，做中學(xué)，明確學(xué)習(xí)方向和職業(yè)發(fā)展方向。

以大數(shù)據(jù)計算技術(shù)課程為例，其課程內(nèi)容主要聚焦于計算技術(shù)本身，包括大數(shù)據(jù)基本組件如HDFS、Hive、HBase的概念和設(shè)計原理，大數(shù)據(jù)操作環(huán)境搭建，編程API接口等。前期教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對單個知識點的綜合應(yīng)用能力較差，模仿驗證，分析應(yīng)用和創(chuàng)新能力較弱，應(yīng)付期末考試為主，實際主動學(xué)習(xí)動力差。

課程改革的主要方向設(shè)計中，利用產(chǎn)學(xué)研服務(wù)的實際案例項目，引入較為完整的實際場景的教學(xué)案例，從教學(xué)內(nèi)容改革入手，學(xué)習(xí)參與企業(yè)解決該類問題的傳統(tǒng)思路，把一個實際的工程項目通過分割成許多小的步驟，對應(yīng)不同的教學(xué)進度。調(diào)整理論課和實踐課體系，保證大數(shù)據(jù)應(yīng)用設(shè)計和開發(fā)學(xué)習(xí)過程的漸進性和連續(xù)性，把實驗、課程設(shè)計和短學(xué)期實訓(xùn)等各個實踐環(huán)節(jié)有效地銜接起來。

2 基于OBE的大數(shù)據(jù)課程設(shè)計

以2018年大數(shù)據(jù)計算技術(shù)課程為例，所涉及的學(xué)生主要為計算機和軟件工程專業(yè)大三學(xué)生，共分兩個班教學(xué)。選課學(xué)生已經(jīng)具備一定的開發(fā)基礎(chǔ)，基本掌握數(shù)據(jù)庫原理和設(shè)計，Java開發(fā)，Linux基本操作等，部分學(xué)生選修過數(shù)據(jù)挖掘等課程。

基于學(xué)生水平和階段，適當(dāng)調(diào)整課程內(nèi)容，除介紹大數(shù)據(jù)相關(guān)概念和框架外，重點介紹大數(shù)據(jù)解決實際問題的步驟和方法，同時拋出結(jié)合企業(yè)實際案例的課程綜合實踐。通過OBE課程設(shè)計，讓學(xué)生提前把握課程全貌，并確立明確目標(biāo)。修改課程評價，把學(xué)生綜合解決問題的思路和能力看成重要的評價內(nèi)容，而適當(dāng)減弱概念，命令和程序本身的正確性。

如圖1所示，大數(shù)據(jù)計算技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容包括大數(shù)據(jù)基本概念，大數(shù)據(jù)環(huán)境安裝，數(shù)據(jù)存儲和操作，MapReduce計算模型介紹，Hive和HBase使用等。針對上述教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)產(chǎn)學(xué)研相關(guān)項目，選擇基于手機信號的城市人群軌跡分析作為整個大數(shù)據(jù)課程的綜合案例場景。

綜合案例場景依托于2017年的企業(yè)政府合作項目“基于WiFi傳感信號的人群分析”，通過校企合作，前期已經(jīng)獲得了海量的數(shù)據(jù)信息，并構(gòu)了大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，為2018年大數(shù)據(jù)課程提供了場景基礎(chǔ)和計算數(shù)據(jù)。在案例背景介紹時，為了讓學(xué)生更有感，選擇學(xué)校所在地區(qū)杭州市2018年某一周的人群活動的信息作為原始數(shù)據(jù)，共涉及到近100萬個手機信號和超過20億條數(shù)據(jù)，形成超過500G的大數(shù)據(jù)樣本。在數(shù)據(jù)的質(zhì)量方面，為了體現(xiàn)實際項目中真實的數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，只對數(shù)據(jù)做了一些模糊化處理，去掉唯一標(biāo)識等敏感性字段，但基本保留了原始數(shù)據(jù)中的重復(fù)、缺失、亂序等問題。在課程實踐成果檢查上，對項目的目標(biāo)沒有給出明確的要求，給學(xué)生一定的發(fā)揮空間。

把課程內(nèi)容分為五個階段，以綜合案例為一條線穿在一起（圖1），在每個階段都融入綜合案例中的某一個處理步驟，通過對整體項目的分解，使得學(xué)生在對單一知識點的把握上更有整體概念，培養(yǎng)學(xué)生的硬實力和軟實力[4]。如表1所示，把課程教學(xué)內(nèi)容分成五個部分，根據(jù)不同教學(xué)內(nèi)容的特征，把軌跡分析綜合案例也分為五個部分，根據(jù)教學(xué)進度，把案例中的不同步驟融合到這門課程的章節(jié)教學(xué)當(dāng)中。

具體教學(xué)實施，把實際大數(shù)據(jù)工程場景中的數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)質(zhì)量低、預(yù)處理操作繁瑣、海量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析困難、數(shù)據(jù)有效解讀和展示等問題，通過和大數(shù)據(jù)計算這門課程內(nèi)容相結(jié)合，課程中除了介紹大數(shù)據(jù)組件的基本概念和原理外，穿插介紹案例中的具體任務(wù)（如表2），使學(xué)生即不會感覺千頭萬緒，無從下手，也不會感覺單個案例過分簡單而失去學(xué)習(xí)動力，能持續(xù)激發(fā)學(xué)生挑戰(zhàn)能力和成就感。

課程實驗環(huán)境為分為兩個階段，在表1的二，三，四部分，學(xué)生主要以掌握某個具體的組件使用為主，只需要調(diào)用部分數(shù)據(jù)集，實驗可以在機房單機中運行，以個人提交作業(yè)為考核對象進行打分。期末綜合大作業(yè)由團隊為單位完成，可基于全部數(shù)據(jù)進行分析，學(xué)生利用所學(xué)的大數(shù)據(jù)相關(guān)技能自主設(shè)計場景，由于學(xué)生數(shù)量眾多，由老師對每個組的設(shè)想進行評價，從場景設(shè)計開始盡量保證不同小組作業(yè)的多樣性和完整性，鼓勵學(xué)生通過租用學(xué)生云服務(wù)的方式進行平臺搭建，小組成員各自申請一臺云服務(wù)器，組成三個節(jié)點的大數(shù)據(jù)平臺。學(xué)校提供包含6個節(jié)點的實驗平臺，部分創(chuàng)意較好，已經(jīng)完成基本開發(fā)代碼的學(xué)生，也可以申請使用學(xué)校的大數(shù)據(jù)集群資源處理數(shù)據(jù)。

3 具體教學(xué)方法實踐介紹

基于表1設(shè)計的教學(xué)模式，把綜合案例融入到大數(shù)據(jù)計算教學(xué)的各個章節(jié)中，以HBase操作教學(xué)為例，具體介紹課程教學(xué)方法實踐。

教學(xué)難點：HBase章節(jié)教學(xué)包括三個主要內(nèi)容。要點一講解HBase列數(shù)據(jù)庫和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的差異;要點二列族、列和行鍵設(shè)計;要點三HBase的基本查詢語句和API調(diào)用。

場景設(shè)計：利用HBase數(shù)據(jù)庫在人群畫像中的廣泛應(yīng)用，綜合案例在本章節(jié)的內(nèi)容為在人群軌跡分析中，當(dāng)使用MapReduce處理完基本軌跡數(shù)據(jù)后，按不同時間顆粒度對每個人的出行習(xí)慣進行特征提取，獲得每個人的出行習(xí)慣，例如對區(qū)域的訪問偏好，對場所的訪問等。

在實踐環(huán)節(jié)中，我們設(shè)計六個步驟如表2所示。

4 課程評價標(biāo)準(zhǔn)修改

因為融合了綜合案例，因此我們在成績評定拋棄了原先的期末一次性評價的方案，采用多角度過程性評價。大數(shù)據(jù)計算技術(shù)課程由考試方式改為考察方式，具體分數(shù)占比為平時實驗情況占40%，期末匯報占50%，考勤占10%。考察內(nèi)容依據(jù)軟件項目評價指標(biāo)和大數(shù)據(jù)項目的特點，主要從系統(tǒng)的完整性、場景設(shè)計能力、可視化展示等方面進行考察。此外，對項目完成實踐、項目團隊構(gòu)成等也作為一個重要的指標(biāo)。從2018年看，選修大數(shù)據(jù)計算技術(shù)這門課的86名學(xué)生的統(tǒng)計，可以獲得如下數(shù)據(jù)，如圖2所示。

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，單人組的學(xué)生或很優(yōu)秀，或比較差，三人組的學(xué)生成績多為良好和中等;優(yōu)秀學(xué)生的主動性比較強，完成時間遠遠早于普通學(xué)生;大部分學(xué)生通過案例的分解和場景組織，能在中間檢查點節(jié)點的幫助下基本完成任務(wù)，對大數(shù)據(jù)應(yīng)用的整體開發(fā)流程有所掌握。由此可見，融入綜合案例，可以使部分優(yōu)秀學(xué)生較早的從班級中脫穎出來，并且鎖定掌握程度較差的學(xué)生，便于老師分層教學(xué)。

最后，課程產(chǎn)出的部分模型和可視化內(nèi)容，融入到產(chǎn)學(xué)研合作項目中，估計學(xué)生申請國創(chuàng)計劃和浙江省青苗計劃。2018年基于課程實踐，共申請發(fā)明專利兩項，指導(dǎo)發(fā)表SCI論文多篇。同時，部分學(xué)生根據(jù)該課程的理論與實踐內(nèi)容選擇課題作為畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容。

5 結(jié)束語

針對大數(shù)據(jù)課程的特點，為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實際學(xué)習(xí)效果， 培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，我們嘗試采用新工科工程教育模式和OBE模式對課程進行改革和實踐。走出舊思維，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)發(fā)展、學(xué)校和企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)、產(chǎn)業(yè)評價為主體，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)更貼近實際。通過課程內(nèi)容改革，使得學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)比較明確。對學(xué)習(xí)過程進行分步管理也促使學(xué)生在課堂之外花更多的時間自我學(xué)習(xí)，符合該門課程的特點和要求。該課程改革提高了學(xué)生的工程實踐意識和工程實踐能力，取得了一定成效。

參考文獻（References）：

[1] 周靜，劉全菊，張青.新工科背景下實踐教學(xué)模式的改革與構(gòu)建[J].實驗技術(shù)與管理，2018.3：165-176

[2] 古天龍，魏銀霞.以新工科理念推動地方高校建設(shè)一流本科教育[J].中國大學(xué)教學(xué)，2018.2：32-35

[3] 覃忠臺.項目驅(qū)動教學(xué)法在 PHP 程序設(shè)計課程中的應(yīng)用[J].計算機教育，2019.7：93-96

[4] 鄭靈華，周珂珂，琚小明.項目驅(qū)動下圍繞知識點模塊的安卓教學(xué)[J].計算機教育，2017.3：129-132

[5] 付繼林，劉鴻宇.基于OBE理念的通用學(xué)術(shù)英語（EGAP）課程改革[J].教學(xué)研究，2019.42：103-107