新工科背景下大數(shù)據(jù)專業(yè)課程體系研究和實(shí)踐

尹波

摘? 要： 數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)是一門典型的新工科專業(yè)，課程體系是該專業(yè)建設(shè)的核心。文章分析了該專業(yè)建設(shè)存在的主要問題，針對目前該專業(yè)的課程體系缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀，依據(jù)新工科建設(shè)的要求，制定了該專業(yè)的課程體系。以長沙理工大學(xué)為例，著重介紹其在培養(yǎng)目標(biāo)、課程設(shè)置、培養(yǎng)方向、實(shí)踐教學(xué)等方面的教學(xué)改革和實(shí)踐，為數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)專業(yè)的建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞： 新工科; 大數(shù)據(jù); 課程體系; 實(shí)踐

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2021）07-98-03

Research and practice on the curriculum system of big data specialty in the

context of New Engineering Education

Yin Bo

（School of Computer and Communication Engineering，Changsha University of Science and Technology， Changsha， Hunan 410014， China）

Abstract： Data science and big data technology specialty is a typical specialty in New Engineering Education. The curriculum system is the core of the specialty construction. This paper analyzes the main problems existing in the construction of the specialty. Because the curriculum system of the specialty lacks unified standards currently， a curriculum system has been formulated according to the requirements of New Engineering Accreditation. Taking Changsha University of Science and Technology as an example， the teaching reform and practice on the training objectives， curriculum， training direction， and practical teaching are introduced in detail， which provides reference for the construction of data science and big data specialty.

Key words： New Engineering Education; big data; curriculum systems; practice

0 引言

大數(shù)據(jù)已經(jīng)成為國家的戰(zhàn)略資源和無形資產(chǎn)，已經(jīng)應(yīng)用于各行各業(yè)。大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)已成為戰(zhàn)略意義的前沿性、高端性新興產(chǎn)業(yè)，受到社會各界高度關(guān)注[1-2]。大數(shù)據(jù)相關(guān)人才的培養(yǎng)是我國成功實(shí)施國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略的關(guān)鍵。國家“十三五”規(guī)劃綱要中提出，要“實(shí)施國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，推進(jìn)數(shù)據(jù)資源開放共享”，在此背景下，大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)市場進(jìn)入新一輪高速增長，這對大數(shù)據(jù)相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)人才需求更加迫切。2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，新工科專業(yè)是主要指針對新興產(chǎn)業(yè)、新經(jīng)濟(jì)、和新服務(wù)需求的專業(yè)，以互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能為核心[3-4]。

數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)（以下簡稱“大數(shù)據(jù)專業(yè)”）是典型的新工科專業(yè)，專業(yè)代碼為080910T，學(xué)位授予門類為工學(xué)、理學(xué)。大數(shù)據(jù)專業(yè)以大數(shù)據(jù)為研究和分析對象，是以計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)作為基礎(chǔ)的多學(xué)科交叉融合專業(yè)，培養(yǎng)大數(shù)據(jù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的復(fù)合型人才。大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)對大數(shù)據(jù)人才的需求以及新工科專業(yè)建設(shè)背景，使得大數(shù)據(jù)專業(yè)建設(shè)在各高校如火如荼地開展，設(shè)立大數(shù)據(jù)專業(yè)的學(xué)校數(shù)量飛速增長。2016年北京大學(xué)、對外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)、中南大學(xué)這三所院校第一批試辦大數(shù)據(jù)專業(yè);2017到2019年分別新增32、250、196所高校獲批第二批到第四批大數(shù)據(jù)專業(yè)。2020年第五批新增138所高校。目前全國共有619所高校開設(shè)該專業(yè)，獲批高校呈井噴式增長并將持續(xù)下去，地方高校競相開設(shè)大數(shù)據(jù)專業(yè)。長沙理工大學(xué)依托計(jì)算機(jī)學(xué)院，于2019年第四批獲批開設(shè)大數(shù)據(jù)專業(yè)，從地方產(chǎn)業(yè)需求出發(fā)，為大數(shù)據(jù)所催生的新產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)培養(yǎng)具備扎實(shí)數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)建構(gòu)能力的高級技術(shù)人才。

課程體系是專業(yè)建設(shè)實(shí)施的關(guān)鍵，是當(dāng)前開辦大數(shù)據(jù)專業(yè)的高校都在思考和探討的問題。目前大數(shù)據(jù)專業(yè)課程體系缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，缺少適合教學(xué)的優(yōu)秀教材，實(shí)踐環(huán)節(jié)與企業(yè)需求脫鉤，師資力量也嚴(yán)重不足，這些問題使得大數(shù)據(jù)專業(yè)實(shí)踐和研究滯后于產(chǎn)業(yè)需求。新工科分類建設(shè)要求地方高校能夠主動對接地方經(jīng)濟(jì)與社會的發(fā)展需要，加強(qiáng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)。因此如何按照新工科對人才培養(yǎng)的要求，從專業(yè)特點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展的角度建設(shè)大數(shù)據(jù)專業(yè)值得探索和研究。

1 大數(shù)據(jù)專業(yè)建設(shè)現(xiàn)狀

缺少標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的課程體系 盡管開設(shè)大數(shù)據(jù)專業(yè)的高校數(shù)量急速增長，目前大數(shù)據(jù)專業(yè)建設(shè)還在探索和發(fā)展的過程，人才培養(yǎng)體系尚未健全;沒有形成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的課程體系，缺少成熟的案例和經(jīng)驗(yàn)參考[5]。高校根據(jù)自身特色和優(yōu)勢，選擇開設(shè)該專業(yè)的學(xué)院（主要是計(jì)算機(jī)學(xué)院、數(shù)學(xué)學(xué)院、以及經(jīng)管學(xué)院），開設(shè)的課程也會有一些差別。

缺少好的教材 大數(shù)據(jù)專業(yè)的教材建設(shè)處于起步階段，符合高校教學(xué)實(shí)施的教材較少，尤其缺少權(quán)威優(yōu)秀教材。任何成熟的專業(yè)都有1-2門系統(tǒng)闡述本專業(yè)基礎(chǔ)理論的課程，這些課程在內(nèi)容上有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，也有權(quán)威教材。但是目前大數(shù)據(jù)專業(yè)缺少這樣的課程和相應(yīng)的教材。

實(shí)踐平臺亟待建設(shè) 大數(shù)據(jù)專業(yè)具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，實(shí)踐平臺不僅要提供開發(fā)環(huán)境，還需要提供真實(shí)的行業(yè)數(shù)據(jù)供學(xué)生分析與操作[6]。目前平臺建設(shè)滯后于教學(xué)需求和產(chǎn)業(yè)需求，實(shí)踐課程缺少行業(yè)案例。許多院校尚未和企業(yè)建立有效的合作培養(yǎng)方式，不利于進(jìn)行工程實(shí)踐教學(xué)。

此外，大數(shù)據(jù)專業(yè)也存在師資力量不足的問題。大數(shù)據(jù)專業(yè)是一門多學(xué)科交叉融合的專業(yè)。大數(shù)據(jù)人才需要掌握大數(shù)據(jù)采集、存儲、分析、可視化的基礎(chǔ)理論和實(shí)踐技能。大數(shù)據(jù)專業(yè)教學(xué)難度大，對教師的要求較高，需要兼具理論知識和實(shí)踐能力的師資隊(duì)伍。目前新建院系還在發(fā)展中，缺少專業(yè)化的教師團(tuán)隊(duì)。主要以年輕教師為主，缺乏工程教育實(shí)踐經(jīng)驗(yàn);能夠指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)的教師不足。

2 大數(shù)據(jù)專業(yè)課程建設(shè)探索

2.1 培養(yǎng)目標(biāo)的設(shè)定

新工科旨在培養(yǎng)具有良好人文素養(yǎng)、協(xié)作精神、可持續(xù)發(fā)展、終身學(xué)習(xí)能力，以及實(shí)踐、創(chuàng)新能力強(qiáng)的高素質(zhì)復(fù)合型人才。長沙理工大學(xué)大數(shù)據(jù)專業(yè)，對接地方區(qū)域經(jīng)濟(jì)的需求，緊跟大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)需要，謀求“特色”“精準(zhǔn)”的人才培養(yǎng)模式，建設(shè)面向大數(shù)據(jù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的復(fù)合型人才培養(yǎng)體系。

大數(shù)據(jù)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是讓學(xué)生掌握面向大數(shù)據(jù)應(yīng)用的計(jì)算機(jī)科學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識，系統(tǒng)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析的基本理論方法和技能;同時具備自然科學(xué)和社會科學(xué)等領(lǐng)域中大數(shù)據(jù)的應(yīng)用分析技能。本專業(yè)學(xué)生在系統(tǒng)的專業(yè)技術(shù)訓(xùn)練基礎(chǔ)上，具備廣泛的數(shù)據(jù)應(yīng)用視野。學(xué)生畢業(yè)以后將能從事交通大數(shù)據(jù)、金融大數(shù)據(jù)、能源大數(shù)據(jù)等各類應(yīng)用領(lǐng)域大數(shù)據(jù)分析挖掘、大數(shù)據(jù)系統(tǒng)開發(fā)等技術(shù)工作。

2.2 課程體系的構(gòu)建

長沙理工大學(xué)大數(shù)據(jù)專業(yè)的課程體系，圍繞大數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲、分析四個方面，并且結(jié)合工程認(rèn)證的要求進(jìn)行課程設(shè)置。前兩年主要開設(shè)通識課程和計(jì)算機(jī)類基礎(chǔ)課程，保證學(xué)生能夠掌握計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用、程序設(shè)計(jì)能力和大數(shù)據(jù)初步處理技術(shù)，達(dá)到寬口徑目的。其中第一年按照信息大類進(jìn)行培養(yǎng)，夯實(shí)基礎(chǔ)，加強(qiáng)通識教育和數(shù)學(xué)知識學(xué)習(xí)。第二年進(jìn)行專業(yè)基礎(chǔ)能力的培養(yǎng)，包括統(tǒng)計(jì)學(xué)、大數(shù)據(jù)系統(tǒng)構(gòu)建、數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)知識和方法的學(xué)習(xí)。第三年強(qiáng)化專業(yè)能力，提升系統(tǒng)開發(fā)和大數(shù)據(jù)分析挖掘的能力，理論聯(lián)系實(shí)際，加強(qiáng)實(shí)習(xí)、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)等實(shí)踐教學(xué)。第四年問題驅(qū)動，圍繞大數(shù)據(jù)的整個生命周期，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力。為了培養(yǎng)學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力和算法思想，依托計(jì)算機(jī)學(xué)院的特色課程“程序設(shè)計(jì)算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”;該課程以C語言作為基本語言，結(jié)合面向?qū)ο缶幊蹋攸c(diǎn)講授算法思想;采用小班教學(xué)，跨度為三個學(xué)期。

大數(shù)據(jù)專業(yè)課程體系包含核心課程、選修課程、實(shí)踐環(huán)節(jié)三個方面（如圖1所示）。

⑴ 核心課程是本專業(yè)學(xué)生必修的重要課程，包括公共基礎(chǔ)課、學(xué)科基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)核心課四個部分，課程深度逐步遞進(jìn)。開課順序是從公共基礎(chǔ)課到專業(yè)核心課，公共基礎(chǔ)課和學(xué)科基礎(chǔ)課在大一和大二學(xué)年開設(shè)，專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)核心課在大三和大四學(xué)年開設(shè)。這個課程體系涵蓋大數(shù)據(jù)的獲取、存儲、管理、挖掘到可視化的整個生命周期的相關(guān)技術(shù)。

⑵ 實(shí)踐環(huán)節(jié)包含實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)，分為專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)踐、專業(yè)課程實(shí)踐、綜合實(shí)訓(xùn)、綜合應(yīng)用實(shí)踐四個部分。對于重要的專業(yè)課程，均開設(shè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)課程。專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)踐針對學(xué)科基礎(chǔ)課程;專業(yè)課程實(shí)踐針對專業(yè)課程，以培養(yǎng)學(xué)生搭建大數(shù)據(jù)平臺和進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析為主。綜合實(shí)訓(xùn)則是針對行業(yè)應(yīng)用的綜合性實(shí)踐，針對大數(shù)據(jù)平臺開發(fā)設(shè)置了“大數(shù)據(jù)系統(tǒng)能力綜合實(shí)訓(xùn)”課程，針對大數(shù)據(jù)分析設(shè)置了“數(shù)據(jù)挖掘與人工智能綜合應(yīng)用實(shí)訓(xùn)”課程。

⑶ 專業(yè)選修課用于擴(kuò)展學(xué)生的專業(yè)能力，專業(yè)選修課包括：“數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)基礎(chǔ)”、“數(shù)學(xué)建模”、“大數(shù)據(jù)可視化”、“虛擬化技術(shù)”、“地理信息大數(shù)據(jù)處理技術(shù)”、“ETL技術(shù)及應(yīng)用”、“數(shù)據(jù)科學(xué)新技術(shù)”等課程。大數(shù)據(jù)技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)、金融等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，大數(shù)據(jù)技術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域結(jié)合才能發(fā)揮出價值。因此，在課程體系中設(shè)置了“地理信息大數(shù)據(jù)處理”、“金融大數(shù)據(jù)”等領(lǐng)域選修課，從而培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用背景中分析和發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域問題，解決領(lǐng)域問題。

根據(jù)行業(yè)技術(shù)發(fā)展和企業(yè)崗位需求，設(shè)置了“大數(shù)據(jù)系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)”、“大數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)”兩個特色培養(yǎng)方向。“大數(shù)據(jù)系統(tǒng)開發(fā)”方向以構(gòu)建大數(shù)據(jù)系統(tǒng)為目標(biāo)，以Java作為主要的程序設(shè)計(jì)語言，以“大數(shù)據(jù)存儲與管理”、“并行與分布式計(jì)算”作為主要課程。“大數(shù)據(jù)處理與分析”方向以分析和挖掘大數(shù)據(jù)知識為目標(biāo)，以Python作為主要的程序設(shè)計(jì)語言，以統(tǒng)計(jì)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析理論作為基礎(chǔ)，以“機(jī)器學(xué)習(xí)”和“深度學(xué)習(xí)”作為主要課程。課程群包含的課程如下。

⑴ 大數(shù)據(jù)系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)：“操作系統(tǒng)”、“數(shù)據(jù)庫原理與技術(shù)”、“Linux操作系統(tǒng)”、“Java程序設(shè)計(jì)”、“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”、“數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理”、“大數(shù)據(jù)存儲與管理”、“并行與分布式計(jì)算”、“軟件工程概論”。

⑵ 大數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)：“Python程序設(shè)計(jì)”、“離散數(shù)學(xué)”、“程序設(shè)計(jì)算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”、“數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理”、“機(jī)器學(xué)習(xí)”、“深度學(xué)習(xí)”、“多元統(tǒng)計(jì)分析與R語言建模”、“行業(yè)大數(shù)據(jù)分析”、“應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)”。

2.3 重視實(shí)踐環(huán)節(jié)

搭建面向行業(yè)應(yīng)用的大數(shù)據(jù)實(shí)踐平臺，包括“計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)訓(xùn)練”、“大數(shù)據(jù)專業(yè)技能訓(xùn)練”、“企業(yè)工作實(shí)踐訓(xùn)練”、“科技創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練”四個模塊。以大學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力培養(yǎng)為核心，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)與教學(xué)的緊密結(jié)合、深度融合。整合學(xué)校優(yōu)勢與特色專業(yè)（如能源、交通、水利、金融等專業(yè)）的大數(shù)據(jù)資源至統(tǒng)一平臺，進(jìn)行開放共享。分析各個學(xué)科大數(shù)據(jù)特征，細(xì)化各個學(xué)科和對應(yīng)行業(yè)的大數(shù)據(jù)處理需求，培養(yǎng)學(xué)生面向能源、交通、水利、金融等行業(yè)的大數(shù)據(jù)處理和分析能力。

通過基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)、校企合作實(shí)訓(xùn)、畢業(yè)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，達(dá)到提高學(xué)生創(chuàng)新精神和綜合解決實(shí)際問題能力的目的。實(shí)訓(xùn)課程包括校內(nèi)外實(shí)訓(xùn)，從企業(yè)引進(jìn)具有大數(shù)據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的工程師參與實(shí)訓(xùn)教學(xué)，將真實(shí)的大數(shù)據(jù)案例進(jìn)行知識分解，讓學(xué)生進(jìn)行分組，分步驟合作進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)。選派教師到技術(shù)培訓(xùn)基地或者大數(shù)據(jù)企業(yè)進(jìn)行專業(yè)技能培訓(xùn)，組織教師到企業(yè)進(jìn)行專業(yè)實(shí)踐鍛煉，以提高大數(shù)據(jù)專業(yè)教師的項(xiàng)目實(shí)踐能力。實(shí)施問題驅(qū)動的畢業(yè)設(shè)計(jì)。組織實(shí)踐能力強(qiáng)的教師構(gòu)建創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，帶領(lǐng)學(xué)生參加大數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)賽等相關(guān)競賽。

3 總結(jié)與展望

大數(shù)據(jù)專業(yè)是新工科背景下的新建專業(yè)。大數(shù)據(jù)專業(yè)建設(shè)應(yīng)該根據(jù)新工科和工程認(rèn)證的需求，并結(jié)合學(xué)校特色和實(shí)際情況。本文以長沙理工大學(xué)大數(shù)據(jù)專業(yè)建設(shè)為例，從培養(yǎng)目標(biāo)、課程設(shè)置、培養(yǎng)方向、實(shí)踐教學(xué)等方面進(jìn)行探索和實(shí)踐，以“大數(shù)據(jù)系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)”、“大數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)”作為兩個特色培養(yǎng)方向，制定大數(shù)據(jù)專業(yè)課程體系。推進(jìn)教學(xué)與產(chǎn)業(yè)的緊密結(jié)合，通過校企合作、問題驅(qū)動的畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)和措施來提升學(xué)生的實(shí)踐能力。目前大數(shù)據(jù)專業(yè)還處于探索階段，需要精確定位行業(yè)需要，將產(chǎn)教融合落實(shí)到位，在教學(xué)實(shí)踐中積累經(jīng)驗(yàn)，反饋和完善課程體系，培養(yǎng)適應(yīng)時代需求的大數(shù)據(jù)人才。

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