新工科背景下大數(shù)據(jù)通識(shí)課程建設(shè)探索

張兆民，付維方，張偉綱，劉 博

（中國(guó)民航大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院 天津 300300）

新工科（Emerging Engineering Education,3E）是基于國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)新形勢(shì)、立德樹人新要求提出的我國(guó)工程教育改革方向[1]。教育部先后出臺(tái)了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》等通知，要求推進(jìn) “新工科” 建設(shè)。新工科背景下，要不斷豐富教學(xué)形式，完善教學(xué)質(zhì)量保障機(jī)制，以學(xué)生為中心，樹立 “產(chǎn)學(xué)研用” 的工程理念[2-3]。隨著新工科建設(shè)逐步推進(jìn)，圍繞大數(shù)據(jù)與其他工科專業(yè)交叉融合，復(fù)合型專業(yè)人才培養(yǎng)受到了廣泛的重視。但是，對(duì)于非計(jì)算機(jī)的其他工科專業(yè)，開展大數(shù)據(jù)通識(shí)課程建設(shè)仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。

1 ADDIE拓展模型概述

ADDIE（Analysis-Design-Development-Implementat ion-Evaluation）模型作為一種通用教學(xué)設(shè)計(jì)模型，包括分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)、實(shí)施、評(píng)價(jià)，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的循環(huán)結(jié)構(gòu)[4-5]。五個(gè)環(huán)節(jié)組成了既相互獨(dú)立，又相互銜接的非線性系統(tǒng)。ADDIE拓展模型是在ADDIE模型的基礎(chǔ)上，將整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)模型系統(tǒng)分為資源層面、運(yùn)行層面和目標(biāo)層面三個(gè)層次[6]。

2 課程建設(shè)目標(biāo)層與資源層分析

2.1 課程目標(biāo)層建設(shè)

首先，要建立畢業(yè)要求與課程目標(biāo)的關(guān)系。 “大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用基礎(chǔ)” 課程滿足新工科建設(shè)要求，具有較強(qiáng)的民航維修特色，畢業(yè)要求需要滿足學(xué)生的培養(yǎng)方案。基于此，需要建立畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)與課程目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

其次，對(duì)課程目標(biāo)進(jìn)行分解，主要包括以下課程目標(biāo)：①了解大數(shù)據(jù)基本概念與大數(shù)據(jù)思維等基礎(chǔ)知識(shí)；②掌握大數(shù)據(jù)分析的全流程；③掌握大數(shù)據(jù)管理基本技術(shù)，了解大數(shù)據(jù)的典型應(yīng)用。

2.2 課程資源層建設(shè)

課程資源層分析是課程建設(shè)的重要內(nèi)容，是保證教學(xué)活動(dòng)開展的前提與保障。 “大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用基礎(chǔ)” 課程在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，形成了教材類資源、線上公開課資源、公開數(shù)據(jù)資源和實(shí)驗(yàn)室資源等多方面的立體化課程資源。其中，教材類資源包括通識(shí)類、基礎(chǔ)類、實(shí)訓(xùn)類和專題類四種教材資源。

3 課程運(yùn)行層建設(shè)

3.1 分析階段

課程分析階段包括四個(gè)方面的分析，分別是學(xué)習(xí)需求分析、學(xué)習(xí)者特征分析、學(xué)習(xí)內(nèi)容分析以及資源和約束條件分析。

3.1.1 學(xué)習(xí)需求分析

課程改革之初，教師采用問(wèn)卷形式對(duì)參與課程學(xué)習(xí)的92名同學(xué)對(duì)本次課程的學(xué)習(xí)需求進(jìn)行調(diào)查，得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：①對(duì)于操作類的學(xué)習(xí)需求較多， “實(shí)驗(yàn)” “軟件” “動(dòng)手” “實(shí)際操作” 等詞匯出現(xiàn)較多。② “數(shù)據(jù)處理” “理論” 和 “處理過(guò)程” 等關(guān)鍵詞，主要體現(xiàn)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和大數(shù)據(jù)分析的理論學(xué)習(xí)需求。③對(duì)于基礎(chǔ)性的編程語(yǔ)言具有學(xué)習(xí)需求，學(xué)生的基礎(chǔ)較為薄弱，出現(xiàn) “編程語(yǔ)言” 和 “基礎(chǔ)薄弱” 等關(guān)鍵詞。因此，以上問(wèn)卷的分析結(jié)果，對(duì)于課程內(nèi)容設(shè)計(jì)，尤其是課程課時(shí)分配、拓展資料的選擇、課程模塊設(shè)置等提供了重要的參考。

3.1.2 學(xué)習(xí)者特征分析

針對(duì)授課對(duì)象的學(xué)習(xí)起點(diǎn)、專業(yè)特點(diǎn)、年齡和認(rèn)知水平等進(jìn)行分析，為教學(xué)策略和教學(xué)內(nèi)容的選擇提供參考。由于大數(shù)據(jù)課程需要一定的編程語(yǔ)言基礎(chǔ)，重點(diǎn)對(duì)授課學(xué)生群體的編程基礎(chǔ)進(jìn)行問(wèn)卷分析。從問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果可以看出：60.47%的學(xué)生具有C語(yǔ)言的編程基礎(chǔ)；48.84%的學(xué)生具有C++的編程語(yǔ)言基礎(chǔ)；此外，Python、JAVA和Linux操作系統(tǒng)操作語(yǔ)言等其他語(yǔ)言，部分學(xué)生具有一定的基礎(chǔ)。由此可見，具有一定的編程基礎(chǔ)，但是并不具備大數(shù)據(jù)課程需要的Linux操作系統(tǒng)操作語(yǔ)言基礎(chǔ)，因而在課程內(nèi)容設(shè)置中需要對(duì)Linux操作系統(tǒng)的操作語(yǔ)言進(jìn)行重點(diǎn)授課。

3.1.3 學(xué)習(xí)內(nèi)容分析

“大數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用基礎(chǔ)” 具有多學(xué)科交叉特色，主要關(guān)注大數(shù)據(jù)在民航領(lǐng)域的應(yīng)用。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，不但能使學(xué)生具備良好的大數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)，同時(shí)還能培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力以及應(yīng)用的能力。因此，考慮到民航特色、行業(yè)特點(diǎn)和大數(shù)據(jù)的學(xué)科特點(diǎn)，課程的任務(wù)主要包括以下幾方面：①向?qū)W生闡述大數(shù)據(jù)分析的基本概念和相關(guān)理論，以及利用Hadoop等相關(guān)軟件實(shí)現(xiàn)基本的大數(shù)據(jù)分析。②關(guān)注大數(shù)據(jù)在民航領(lǐng)域的應(yīng)用。③使學(xué)生理解大數(shù)據(jù)的基本概念、大數(shù)據(jù)的分析方法以及了解大數(shù)據(jù)的關(guān)鍵技術(shù)等，注重知識(shí)的綜合分析和應(yīng)用，為學(xué)生工作后對(duì)大數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.1.4 資源和約束條件分析

資源和約束條件分析主要包括：時(shí)間、人員、工具、輔助資源等。由于大數(shù)據(jù)課程要求學(xué)生具備一定的操作動(dòng)手能力，因此，本課程在目前 “數(shù)字化維修實(shí)驗(yàn)室” 的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室資源開發(fā)，為課程提供實(shí)驗(yàn)室條件。同時(shí)，在資源方面，為學(xué)生提供了教材選擇、線上公開課、公開數(shù)據(jù)集和相關(guān)競(jìng)賽等課程資料。在約束條件方面，為保障授課效果，課程內(nèi)容需要增加大數(shù)據(jù)軟件安裝課程內(nèi)容，讓學(xué)生在自己的計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝軟件，以保障實(shí)驗(yàn)效果。

3.2 設(shè)計(jì)階段

課程設(shè)計(jì)階段主要包括確定教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)和制訂教學(xué)策略等內(nèi)容。

3.2.1 確定教學(xué)目標(biāo)

從大數(shù)據(jù)素養(yǎng)、大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)知識(shí)和大數(shù)據(jù)能力三個(gè)方面進(jìn)行培養(yǎng)：①大數(shù)據(jù)素養(yǎng)培養(yǎng)方面，需要培養(yǎng)學(xué)生的家國(guó)情懷、民航精神、科學(xué)精神、大數(shù)據(jù)思維、大數(shù)據(jù)安全和大數(shù)據(jù)倫理等方面的素養(yǎng)與情懷。②大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)知識(shí)方面，主要包括兩部分內(nèi)容，分別是素養(yǎng)類和技術(shù)類。其中，素養(yǎng)類知識(shí)包括大數(shù)據(jù)基本概念、大數(shù)據(jù)思維、大數(shù)據(jù)安全和大數(shù)據(jù)倫理；技術(shù)類知識(shí)，主要圍繞大數(shù)據(jù)的生命周期開展，包括大數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、大數(shù)據(jù)分析與計(jì)算和數(shù)據(jù)可視化。③大數(shù)據(jù)能力培養(yǎng)方面，需要培養(yǎng)學(xué)生的文獻(xiàn)查閱能力、編程能力、民航領(lǐng)域應(yīng)用創(chuàng)新能力、大數(shù)據(jù)與本專業(yè)融合的綜合能力。

3.2.2 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

在確定教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，開展了課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，共36學(xué)時(shí)，主要包括以下三部分內(nèi)容模塊。其中，理論部分24學(xué)時(shí)，包括素養(yǎng)類理論和技術(shù)類理論；實(shí)驗(yàn)部分8學(xué)時(shí)，包括基礎(chǔ)操作、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析；第四課堂4學(xué)時(shí)，包括大數(shù)據(jù)軟件安裝和課程資料學(xué)習(xí)。

3.2.3 制訂教學(xué)策略

結(jié)合上述教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容等，制訂了 “線下為主，開展理論教學(xué)；實(shí)驗(yàn)為主，開展實(shí)踐教學(xué)；線上資源輔助，開展第四課堂學(xué)習(xí)” 的教學(xué)策略。并根據(jù)課程知識(shí)體系中的難點(diǎn)和重點(diǎn)，以及學(xué)生課前、課中、課后的學(xué)習(xí)情況，制訂對(duì)應(yīng)的教學(xué)策略。

3.3 開發(fā)階段

課程開發(fā)階段包括教學(xué)資源制作和實(shí)驗(yàn)室資源開發(fā)兩部分內(nèi)容。

3.3.1 教學(xué)資源制作

該課程以《大數(shù)據(jù)導(dǎo)論》（林子雨主編，人民郵電出版社）為基礎(chǔ)，依托課程資源層教材、線上公開課和公開數(shù)據(jù)資源，開發(fā)多媒體課件、視頻、題庫(kù)、考核方案、電子教案和參考資料庫(kù)等多方位立體化教學(xué)資源，為教學(xué)活動(dòng)和學(xué)生學(xué)習(xí)提供保障。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)室資源開發(fā)

為保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)安裝了Linux操作系統(tǒng)、Hadoop和Spark等軟件，該實(shí)驗(yàn)室資源能夠支持學(xué)生完成Linux操作和Hadoop操作實(shí)驗(yàn)、HDFS操作實(shí)驗(yàn)、Hbase操作實(shí)驗(yàn)、MapReduce操作實(shí)驗(yàn)以及Spark操作等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

3.4 實(shí)施階段

本階段對(duì) “大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用基礎(chǔ)” 開展課程建設(shè)的初步試驗(yàn)，在2020―2021第1學(xué)期對(duì)工業(yè)工程專業(yè)兩個(gè)班級(jí)開展教學(xué)，后期在其余學(xué)期進(jìn)行不斷更新和完善。在課程實(shí)施階段，要通過(guò)實(shí)施發(fā)現(xiàn)課程設(shè)計(jì)的不足之處，并進(jìn)行完善和更新。主要包括以下三方面內(nèi)容：首先，要準(zhǔn)確把握教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，與學(xué)生充分溝通，并不斷完善和更新教學(xué)計(jì)劃。其次，要根據(jù)時(shí)代的發(fā)展，不斷更新課程資源、課程思政內(nèi)容等。最后，要注重課外學(xué)習(xí)，鼓勵(lì)學(xué)生參加和關(guān)注大數(shù)據(jù)相關(guān)的知識(shí)競(jìng)賽，拓寬學(xué)生的視角。

3.5 評(píng)價(jià)階段

評(píng)價(jià)階段，在課程開始、中期和課程結(jié)束后，采用問(wèn)卷調(diào)查的方式對(duì)課程進(jìn)行整體評(píng)價(jià)，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，改進(jìn)和完善課程。

3.5.1 學(xué)生課程收獲自評(píng)情況

學(xué)生根據(jù)課程學(xué)習(xí)情況進(jìn)行自我評(píng)價(jià)。通過(guò)課程學(xué)習(xí)，學(xué)生自評(píng)收獲主要包括如下三方面：①學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)部分的收獲較多，尤其是 “軟件” “Hadoop” “實(shí)驗(yàn)” 等關(guān)鍵詞出現(xiàn)較多；②對(duì)于 “數(shù)據(jù)處理” “數(shù)據(jù)分析” 和 “專業(yè)知識(shí)” 的結(jié)合方面，具有一定的收獲；③提升了學(xué)生的數(shù)據(jù)素養(yǎng)， “思維” “視野” “認(rèn)知” 和 “時(shí)代” 等關(guān)鍵詞較多。

3.5.2 課程內(nèi)容評(píng)價(jià)情況

對(duì)于課程內(nèi)容和課程安排方面。對(duì)于課程內(nèi)容，主要包括以下兩個(gè)方面：①課程理論內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)課相結(jié)合，課程內(nèi)容充實(shí)， “理論” “實(shí)驗(yàn)課” “理論知識(shí)” “理論課” 等關(guān)鍵詞較多。②課程內(nèi)容較為充實(shí)，并能夠引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對(duì)于基礎(chǔ)概念的講解較為生動(dòng)。 “充實(shí)” “緊湊” “詳細(xì)” “生動(dòng)” 和 “深度” 等關(guān)鍵詞較多。

4 結(jié)語(yǔ)

新工科背景下，圍繞大數(shù)據(jù)與其他工科專業(yè)的交叉融合，復(fù)合型專業(yè)人才培養(yǎng)受到了廣泛的重視。但是，非計(jì)算機(jī)的其他工科專業(yè)在開展大數(shù)據(jù)通識(shí)課程建設(shè)時(shí)，在課程培養(yǎng)目標(biāo)、課程資源和課程運(yùn)行層面仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

本文以新工科背景下 “大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用基礎(chǔ)” 通識(shí)課程建設(shè)為例，提出了基于ADDIE拓展模型的課程建設(shè)方法。從課程目標(biāo)層、課程資源層和課程運(yùn)行層三個(gè)方面進(jìn)行了課程建設(shè)分析，建立了 “目標(biāo)層―運(yùn)行層―資源層” 的大數(shù)據(jù)通識(shí)課程建設(shè)方法。提出的基于ADDIE拓展模型的課程建設(shè)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)課程教學(xué)設(shè)計(jì)與持續(xù)優(yōu)化，能夠?yàn)樾鹿た票尘跋路怯?jì)算機(jī)專業(yè)的大數(shù)據(jù)通識(shí)課程建設(shè)提供思路，為復(fù)合型人才培養(yǎng)所需的多學(xué)科交叉課程建設(shè)提供方法借鑒。