面向綜合素養(yǎng)培育的數(shù)據(jù)可視化課程教學(xué)改革與實踐

朱 敏，溫嘯林，甘啟宏

（1.四川大學(xué)計算機學(xué)院；2.四川大學(xué) 信息化建設(shè)與管理辦公室，四川 成都 610065）

0 引言

在教育體制改革總體部署中，《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020 年）》第一次提出了人才培養(yǎng)體制改革和人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新的任務(wù)。《關(guān)于科學(xué)編制國家教育事業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃的建議》中亦倡導(dǎo)探索基于學(xué)科的課程綜合化教學(xué)，以全面培養(yǎng)更多高素質(zhì)人才。培養(yǎng)具備綜合科研素養(yǎng)的優(yōu)秀人才已成為國家教育事業(yè)發(fā)展的迫切需求，因此探究如何改革專業(yè)課程以適應(yīng)培育綜合素養(yǎng)的目標成為當前“雙一流”大學(xué)構(gòu)建創(chuàng)新型人才培養(yǎng)體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文以數(shù)據(jù)可視化課程為例，從內(nèi)容設(shè)置、評價方式等方面提出教學(xué)改革思路，并在創(chuàng)新實踐中總結(jié)經(jīng)驗以供參考。

1 數(shù)據(jù)可視化課程現(xiàn)狀分析

“可視化”一詞自2013 年以來，連續(xù)數(shù)年出現(xiàn)在“大數(shù)據(jù)十大發(fā)展趨勢預(yù)測”中。數(shù)據(jù)可視化研究的是如何利用優(yōu)美的圖形、清晰的界面對海量、復(fù)雜、枯燥的數(shù)據(jù)與文字進行表達，同時提供直觀的、具有良好用戶體驗的交互手段，使人們能快速獲取信息、發(fā)現(xiàn)異常或潛在規(guī)律并作出相應(yīng)決策。數(shù)據(jù)可視化已被廣泛應(yīng)用于商務(wù)智能、區(qū)塊鏈、社交媒體、數(shù)據(jù)挖掘和機器學(xué)習(xí)等多個領(lǐng)域。

數(shù)據(jù)可視化課程從數(shù)據(jù)的獲取、處理與分析入手，重點探討如何建立有效的數(shù)據(jù)可視化方法。國外多所高校已開設(shè)相關(guān)課程，如美國的猶他大學(xué)、加拿大的英屬哥倫比亞大學(xué)、澳大利亞的拉籌伯大學(xué)、日本的東京大學(xué)等；國內(nèi)也有知名大學(xué)的團隊相繼開設(shè)該類課程，如北京大學(xué)的袁曉如團隊、浙江大學(xué)的陳為團隊、同濟大學(xué)的曹楠團隊、香港科技大學(xué)的屈華民團隊等。

現(xiàn)有可視化課程教學(xué)的基本思路主要包括兩個步驟：第一步介紹人類的感知和可視化設(shè)計原理等理論知識；第二步講解ECharts 和D3 等可視化工具庫并要求學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識創(chuàng)建可視化圖表。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化課程主要面向?qū)W生的數(shù)字素養(yǎng)進行培育，雖然課程內(nèi)容能基本滿足數(shù)據(jù)可視化人員的入門要求，但遠未能達到具備專業(yè)知識、工程能力、創(chuàng)新意識的綜合型人才培育目標。目前，可視化課程教學(xué)主要存在以下兩個問題：①內(nèi)容設(shè)置局限于數(shù)據(jù)可視化理論知識方面，未考慮對學(xué)生研讀論文、撰寫文檔、講解報告等科研素質(zhì)的培養(yǎng)；②學(xué)業(yè)評價方式不能充分調(diào)動學(xué)生動手實踐的積極性，無法全面有效地驗證學(xué)生在上課過程中對綜合素養(yǎng)的鍛煉與提升情況。

2 面向綜合素質(zhì)培育的課程教學(xué)改革思路與實踐

基于可視化課程教學(xué)現(xiàn)狀，本文提出面向綜合素質(zhì)培育的教學(xué)改革思路。該思路主要分為課程內(nèi)容的拓展創(chuàng)新與評價方式的創(chuàng)新設(shè)計兩部分，共同促進學(xué)生綜合素質(zhì)的培育。

2.1 課程內(nèi)容拓展創(chuàng)新

為實現(xiàn)創(chuàng)建數(shù)據(jù)可視化課程的初衷，課程內(nèi)容設(shè)置應(yīng)以數(shù)據(jù)可視化理論知識與可視化項目實踐教學(xué)為內(nèi)核，并在此基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新拓展。教學(xué)內(nèi)容拓展的具體實施手段包括教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)團隊兩個方面的資源導(dǎo)入。

2.1.1 教學(xué)內(nèi)容的資源導(dǎo)入

教學(xué)內(nèi)容的資源導(dǎo)入是指將可視化領(lǐng)域?qū)W術(shù)資源帶入課堂，幫助學(xué)生充分了解課程內(nèi)容與科研的內(nèi)在聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)。頂刊和頂會學(xué)術(shù)論文中研究的問題很有價值，對于研究意義的表述更為具體，文章所用方法與技術(shù)先進且流程規(guī)范。引入可視化領(lǐng)域的頂刊、頂會等學(xué)術(shù)信息，在考核體系中對于主動分享學(xué)術(shù)論文的學(xué)生設(shè)立加分項。基礎(chǔ)理論知識學(xué)習(xí)過程中可穿插科學(xué)文獻的研讀，有助于學(xué)生理解該領(lǐng)域解決問題的方法，規(guī)范可視化設(shè)計與開發(fā)流程，凝練出更有價值的研究點。

介紹可視化領(lǐng)域主要專業(yè)競賽，允許學(xué)生將參賽題目作為課程項目選題，并提供競賽指導(dǎo)與支持。專業(yè)競賽是鍛煉學(xué)生綜合素養(yǎng)的最佳途徑之一，競賽題目一般切合實際應(yīng)用場景的需求，可視化目標與任務(wù)明確。以競賽題目作為可視化項目選題有助于學(xué)生深刻感受數(shù)據(jù)可視化的應(yīng)用價值，理解如何將實際問題轉(zhuǎn)化為具體的可視化任務(wù)與目標。同時，競賽題目可以節(jié)省尋找問題、收集數(shù)據(jù)、清洗數(shù)據(jù)等復(fù)雜工作流程耗時，幫助學(xué)生將更多精力投入到可視化技術(shù)學(xué)習(xí)中。

介紹國內(nèi)外具有代表性的可視化課程網(wǎng)站、實驗室團隊，鼓勵學(xué)生跟蹤了解，并積極申請相關(guān)實驗室的參觀與實習(xí)。了解可視化領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究動態(tài)可以開闊視野，削弱學(xué)生參與科研的界限，為其科研能力培養(yǎng)提供廣泛支持。

2.1.2 教學(xué)團隊的資源導(dǎo)入

僅從可視化教學(xué)內(nèi)容角度推動綜合科研素養(yǎng)的培育往往不夠全面，合理利用外部教學(xué)資源能彌補這一不足，因此需要調(diào)整教學(xué)團隊的結(jié)構(gòu)，引入課程外與可視化高度相關(guān)的教學(xué)資源，為學(xué)生提供多元化的知識輸入，從而達到提升其綜合能力的目標。實施方式主要為邀請可視化領(lǐng)域?qū)＜覐牟煌嵌冗M行經(jīng)驗交流與學(xué)術(shù)分享。具體操作為：邀請高校高水平科研團隊中有代表性的老師入駐課程，從數(shù)據(jù)可視化教學(xué)角度分享經(jīng)驗，如浙江大學(xué)可視化領(lǐng)域?qū)＜谊悶椋▋?yōu)青、教授、博導(dǎo)）；邀請行業(yè)領(lǐng)域?qū)＜抑v述可視化的應(yīng)用，開拓學(xué)生眼界，如邀請四川日報MORE 大數(shù)據(jù)工作室負責人高敬講述數(shù)據(jù)新聞；邀請研究生、上屆選課學(xué)生圍繞項目選題、數(shù)據(jù)獲取與處理、團隊合作模式、進度控制、資源獲取與使用、報告撰寫等多個角度進行信息分享；邀請深造的同學(xué)圍繞推免、夏令營、境外深造、考研、研究生學(xué)習(xí)等進行深度分享與持續(xù)資源支持。

教學(xué)團隊的資源導(dǎo)入不同于只有師生的傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式，豐富的教學(xué)內(nèi)容使其不僅僅局限于理論知識的傳授與實踐能力的培養(yǎng)。其可從科研視野、未來規(guī)劃、學(xué)習(xí)方法、技術(shù)路線等多個方面培育學(xué)生的綜合素養(yǎng)，從而達到更好的教學(xué)效果。

2.2 評價方式創(chuàng)新設(shè)計

傳統(tǒng)學(xué)業(yè)評價方式主要是學(xué)生基于課程中學(xué)到的知識完成可視化項目的設(shè)計與實現(xiàn)，同時將平時出勤情況與可視化實現(xiàn)效果作為成績評價的主要參考依據(jù)。該考核方式難以充分調(diào)動學(xué)生積極性，容易將學(xué)習(xí)重心放在最終項目的技術(shù)實現(xiàn)上，在課程學(xué)習(xí)過程中缺少參與感。此外，雖然項目式教學(xué)能有效提升學(xué)生的動手實踐能力，但僅以可視化項目實施結(jié)果判斷學(xué)生在課程中的收獲較為片面，無法全面有效地對學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、工程意識、研究探索意識、持續(xù)學(xué)習(xí)能力以及運用專業(yè)知識解決實際問題等綜合能力的提升情況進行判斷，因此需要一種更具綜合性、靈活性、實踐性的考核體系。

本文提出“分組教學(xué)+過程化”的非標準化考核方式，有效結(jié)合過程性評價與總結(jié)性評價。非標準化考核是指采用多元化考核方式與多維度評價體系，避免出現(xiàn)傳統(tǒng)考核體系方式單一、內(nèi)容僵化及目標功利化等問題。每個學(xué)生的考核內(nèi)容包括課堂表現(xiàn)與參與、項目小組匯報、個人課程報告3個部分，后兩部分共占90%的比重，且與以小組為單位的項目有關(guān)。分組教學(xué)和考核過程的具體實施方法為：

（1）分組教學(xué)。學(xué)生以小組為單位完成可視化項目、論文研讀分享等任務(wù)。小組教學(xué)已被證實在計算機教學(xué)中具有顯著成效，能有效促進學(xué)生交流，營造濃厚的課堂研討與活躍的教學(xué)互動氛圍。與個人完成相比，分組完成的好處在于小組成員可以發(fā)揮各自優(yōu)勢并在合作過程中彌補自身不足，促進共同進步。課程要求小組成員以合作的方式完成題目擬定、數(shù)據(jù)解讀、任務(wù)定義、視圖選擇、設(shè)計與實現(xiàn)、分析與改進等任務(wù)，既是對專業(yè)能力的綜合訓(xùn)練，也是對思維、表達、合作、創(chuàng)新能力的全面訓(xùn)練。

（2）過程化考核。將考核貫穿教學(xué)的全過程，分階段考察學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。具體考核體系如圖1 所示。

Fig.1 Assessment system of data visualization course圖1 數(shù)據(jù)可視化課程考核體系

過程化考核分為小組考核與個人考核兩部分。小組成員需要協(xié)作完成論文研讀分享與可視化項目兩個主要任務(wù)。論文研讀分享項目要求小組成員從課上介紹的可視化領(lǐng)域頂會和頂刊中選擇感興趣的文章，綜合考慮文章發(fā)表團隊、發(fā)表時間、主題、貢獻、研究領(lǐng)域、技術(shù)與方法等因素，形成論文選擇建議文檔，交由教師審核。審核通過后，小組成員需研讀所選文章，使用幻燈片將理解與收獲在課上進行分享。可視化項目的考核遵循軟件開發(fā)全流程，項目初期根據(jù)選題廣泛調(diào)研國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，確定研究問題，定義可視化分析任務(wù)，設(shè)計預(yù)期系統(tǒng)界面并形成項目建議書；項目中期需要以幻燈片的形式對組內(nèi)分工、研究進展、所遇問題及解決方案等進行匯報，及時督促進展緩慢的小組；項目終期要求實現(xiàn)可即時訪問的在線可視化項目，完整匯報項目研究意義、技術(shù)路線、實現(xiàn)流程、最終效果，總結(jié)項目實施過程中存在的不足與收獲，撰寫完整的項目文檔并提交存檔。個人考核除平時出勤考核外，可將課堂提問與發(fā)言以及課后個人課程報告作為額外加分項目，用于提升學(xué)生課堂參與感，調(diào)動其學(xué)習(xí)積極性。

3 課程改革與創(chuàng)新效果分析

3.1 課程教學(xué)情況

2017-2020 年，學(xué)生對數(shù)據(jù)可視化課程的選課積極性較高，具體實施效果如表1 所示。選課人數(shù)累計254 人，每年選課人數(shù)穩(wěn)定維持在50 人以上。在成果產(chǎn)出方面，共形成課程項目案例67個，其中1個課程案例在四川大學(xué)課堂教學(xué)質(zhì)量綜合評價研討會上進行了分享展示，2個課程案例入選川大e 教務(wù)系統(tǒng)。此外，教學(xué)改革基于課程項目案例、實驗室學(xué)位論文案例、行業(yè)案例建設(shè)了可視化課程案例庫，用于后續(xù)教學(xué)并開放共享。部分課程項目案例見圖2。

Table 1 Implementation effect of data visualization course表1 數(shù)據(jù)可視化課程實施效果

3.2 綜合素養(yǎng)培育情況

通過教學(xué)改革，理論教學(xué)與實踐教學(xué)深度融合，課堂吸引力增強，學(xué)生課堂探討氛圍濃厚、教學(xué)互動活躍。全過程、多維度的學(xué)業(yè)評價體系增強了學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度，使學(xué)生課下團隊協(xié)作意識增強。非標準答案的課程項目更是激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識，獲得了“四川大學(xué)2018 年非標準答案考試”試題優(yōu)秀獎。

在以課程項目為主體的分組教學(xué)方面，學(xué)生完成的項目報告和個人課程報告能充分體現(xiàn)其課程收獲與看法，是收集學(xué)生課后反饋并進一步改進課程設(shè)置的重要途徑。報告中學(xué)生對于課程收獲的描述主要體現(xiàn)在科研素養(yǎng)訓(xùn)練和專業(yè)能力提升兩方面。科研素養(yǎng)包括對提交時間節(jié)點的遵守、對文檔規(guī)范性的認知、對項目團隊組建與分工的知曉、對項目進行綜合報告的訓(xùn)練等；專業(yè)能力既包含發(fā)現(xiàn)問題、定義問題、分析問題、解決問題的能力，也包含網(wǎng)絡(luò)爬蟲、數(shù)據(jù)庫搭建、前后端框架實現(xiàn)、視圖編碼與交互設(shè)計等技術(shù)能力。學(xué)生的反饋情況有效證明了數(shù)據(jù)可視化課程創(chuàng)新改革在綜合素養(yǎng)培育方面取得了顯著成效。

3.3 科研人才培養(yǎng)情況

除綜合素養(yǎng)培育外，數(shù)據(jù)可視化課程教學(xué)對學(xué)生產(chǎn)生了其他深遠的影響。例如，《基于氣象數(shù)據(jù)的自然分區(qū)可視分析系統(tǒng)》和《探究EOS 共識機制效能的可視分析系統(tǒng)》兩個可視化項目的負責人均以數(shù)據(jù)可視化研究作為畢業(yè)論文選題，在課程項目的基礎(chǔ)上進行了延續(xù)性工作。前者畢業(yè)設(shè)計榮獲“四川大學(xué)優(yōu)秀本科畢業(yè)設(shè)計（論文）一等獎”，且二者均已將項目成功轉(zhuǎn)化為軟件著作權(quán)、發(fā)明專利和學(xué)術(shù)論文等學(xué)術(shù)成果。

Fig.2 Implementation effect of some course project cases圖2 部分課程項目案例實現(xiàn)效果

數(shù)據(jù)可視化課程使學(xué)生對數(shù)據(jù)科學(xué)產(chǎn)生興趣，在引導(dǎo)和鼓勵其深造方面成效顯著。目前，選課學(xué)生中已有169名畢業(yè)，其中66 名學(xué)生于清華大學(xué)、北京大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中科院、國防科技大學(xué)、浙江大學(xué)、四川大學(xué)等國內(nèi)知名高校及研究機構(gòu)繼續(xù)深造，16 名學(xué)生于新加坡國立大學(xué)、日本東京大學(xué)、英國帝國理工學(xué)院等國外知名高校繼續(xù)深造，總占比高達48.6%，且多名學(xué)生選擇了數(shù)據(jù)分析研究方向。

4 結(jié)語

以綜合素養(yǎng)培育為導(dǎo)向的人才培養(yǎng)模式是推進國家教育事業(yè)發(fā)展的重要途徑。本文對數(shù)據(jù)可視化課程的教學(xué)內(nèi)容與考核方式進行了改革與實踐。實踐證明，將科研資源導(dǎo)入課堂教學(xué)能有效激發(fā)學(xué)生的科研興趣，弱化學(xué)生與學(xué)術(shù)研究的壁壘；“分組教學(xué)+過程化”的考核方式能全面鍛煉學(xué)生的科研素養(yǎng)與專業(yè)能力，進一步實現(xiàn)綜合素養(yǎng)培育的最終目標。教學(xué)改革方案已在四川大學(xué)數(shù)據(jù)可視化課程中開展實踐，在綜合素質(zhì)培育、人才培養(yǎng)和資源建設(shè)等多個方面取得了良好成效。