新工科背景下數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)實踐教學(xué)體系研究

孫開偉　鄧欣　王進(jìn)

摘? 要：新工科是為滿足國家社會經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略需求提出的全新人才培養(yǎng)新范式。對標(biāo)新工科對數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)提出的要求，分析數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)建設(shè)存在的重難點問題，結(jié)合重慶郵電大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)的建設(shè)經(jīng)驗，提出新工科背景下數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)實踐教學(xué)新思路，為大數(shù)據(jù)及其他新興學(xué)科的實踐教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：新工科；大數(shù)據(jù)；實踐教學(xué)；人才培養(yǎng)；教學(xué)體系

中圖分類號：G640? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）14-0005-04

Abstract： New engineering is a novel talent cultivation paradigm proposed to meet the national socio-economic development strategy of China. According to the requirements raised by new engineering for Data Science and Big Data Technology major， important issues on the construction of Data Science and Big Data Technology are analyzed. Combining the construction experience from College of Computer Science and Technology， Chongqing University of Posts and Telecommunications， a new practice teaching scheme for Big Data Technology major within new engineering is also proposed， providing reference for the practice teaching of other emerging disciplines.

Keywords： new engineering; big data; practice teaching; talent cultivation; teaching system

當(dāng)前，數(shù)據(jù)已經(jīng)成為國家基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源，大數(shù)據(jù)對世界各國的經(jīng)濟運行、社會生活及國家治理都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響[1-2]。如何運用好大數(shù)據(jù)已經(jīng)成為一個國家核心競爭力的重要體現(xiàn)，大數(shù)據(jù)技術(shù)也成為各國競爭的焦點。以大數(shù)據(jù)為標(biāo)志的新一輪科技革命在社會經(jīng)濟生活各個方面都引起了深刻的產(chǎn)業(yè)變革。世界正在經(jīng)歷百年未有之大變局，各國都在努力抓住大數(shù)據(jù)科技變革的“機會窗口”，助力經(jīng)濟社會發(fā)展。近年來，“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大發(fā)展戰(zhàn)略，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)和新產(chǎn)業(yè)為特征的新經(jīng)濟形態(tài)繁榮發(fā)展，從而要求工程與科技人才必須具備更高的創(chuàng)新和跨界整合能力。

為支持國家戰(zhàn)略發(fā)展，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，面向未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟需要，培養(yǎng)實踐能力強、創(chuàng)新能力強和具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才[3-4]。作為一個新興的專業(yè)，數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)的目標(biāo)是培養(yǎng)多學(xué)科交叉融合、解決大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)新問題和引領(lǐng)大數(shù)據(jù)未來技術(shù)的大數(shù)據(jù)人才，與新工科建設(shè)高度契合。新工科建設(shè)要求著重培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新能力和適應(yīng)變化的能力，強調(diào)人才培養(yǎng)要與產(chǎn)業(yè)發(fā)展相匹配。實踐性強是數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)與生俱來的重要特點，實踐教學(xué)直接關(guān)系到學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)[5-9]。研究和探索適合大數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)的實踐教學(xué)體系成為新工科背景下大數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)過程中的關(guān)鍵問題。

重慶郵電大學(xué)面向國家建設(shè)的重大戰(zhàn)略及重慶市大數(shù)據(jù)智能化產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，推進(jìn)“重慶市大數(shù)據(jù)智能化實驗場所、人才高地、科技高地”重要戰(zhàn)略部署。2018年3月重慶郵電大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院設(shè)立了數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)，確立了立足社會經(jīng)濟發(fā)展，面向信息行業(yè)，培養(yǎng)大數(shù)據(jù)領(lǐng)域高素質(zhì)工程型專門人才的專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)。實踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力、創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)，同時也是新工科專業(yè)建設(shè)中不可或缺的重要組成部分。經(jīng)過4年的建設(shè)，重慶郵電大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)探索出了一條“產(chǎn)教協(xié)同、課賽一體”的實踐教學(xué)新思路，在大數(shù)據(jù)實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面取得了優(yōu)秀的成果，為大數(shù)據(jù)及其他新興學(xué)科的實踐教學(xué)提供了有價值的參考。

一? 數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)實踐教學(xué)現(xiàn)狀

數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)面向產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)具備大數(shù)據(jù)系統(tǒng)平臺研發(fā)、大數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)和大數(shù)據(jù)分析能力的創(chuàng)新型數(shù)據(jù)人才。大數(shù)據(jù)技術(shù)涉及計算機科學(xué)、統(tǒng)計學(xué)和數(shù)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的深度融合，是一個典型的跨學(xué)科和領(lǐng)域的交叉學(xué)科。行業(yè)對大數(shù)據(jù)人才的要求不僅需要具備豐富的理論知識，還需要具備更強的實踐能力。因此，實踐教學(xué)是大數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)體系中的重中之重。然而，數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)作為一個新興專業(yè)，再加上多學(xué)科交叉融合、面向產(chǎn)業(yè)需求和實踐能力要求高的自身特點，大數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)面臨著以下幾個方面的挑戰(zhàn)。

（一）? 實踐教學(xué)與行業(yè)需求脫節(jié)

隨著我國大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)布局的不斷深化，大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)特色化集聚發(fā)展格局形成，大數(shù)據(jù)技術(shù)與經(jīng)濟社會各行各業(yè)深度融合，新模式、新業(yè)態(tài)不斷涌現(xiàn)。大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)立足社會經(jīng)濟發(fā)展，面向行業(yè)需求培養(yǎng)創(chuàng)新型大數(shù)據(jù)人才。傳統(tǒng)的實踐教學(xué)大多圍繞理論課程中的知識開展，實踐教學(xué)內(nèi)容脫離生產(chǎn)實際，造成學(xué)生具備的實踐能力與企業(yè)希望學(xué)生具備的實踐能力相差甚遠(yuǎn)，畢業(yè)生很難滿足行業(yè)的要求。

（二）? 實踐教學(xué)體系不夠完善

大數(shù)據(jù)應(yīng)用的生命周期從數(shù)據(jù)源到基礎(chǔ)設(shè)施，再到模型和算法，每一個實踐環(huán)節(jié)都需要實踐教學(xué)的支持。當(dāng)前大部分高校的實踐教學(xué)體系都存在實踐課程內(nèi)容單一，實踐課程之間相對獨立，缺乏前后關(guān)聯(lián)，不能形成完整的體系。

（三）? 實踐教學(xué)資源和平臺不足

大數(shù)據(jù)是一個眾多學(xué)科和領(lǐng)域交叉融合的新學(xué)科，所涉及的計算機科學(xué)、統(tǒng)計學(xué)和數(shù)學(xué)等學(xué)科本身就是一個復(fù)雜的學(xué)科系統(tǒng)。數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)相關(guān)的知識不僅面廣，而且難度高，需要從眾多的學(xué)科中選擇深度和廣度合適的內(nèi)容作為實踐教學(xué)的課程內(nèi)容。此外，大數(shù)據(jù)實踐教學(xué)體系需要充足的計算資源的支持，技術(shù)的更新對計算資源的要求也在不斷的變化中，需要及時更新硬件資源，以滿足實踐教學(xué)的需求。

（四）? 實踐教學(xué)手段缺乏創(chuàng)新

目前大數(shù)據(jù)實踐教學(xué)大都遵循“先理論后實踐”的模式，首先通過課堂教學(xué)強制灌輸大量的理論知識，然后再通過上機實驗進(jìn)行實踐教學(xué)。這種以知識灌輸為特征的傳統(tǒng)教學(xué)，學(xué)生被動接受，不利于發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，難以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

二? 實踐教學(xué)改革的內(nèi)容和主要措施

針對數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)建設(shè)面臨的問題，重慶郵電大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)技術(shù)專業(yè)從實踐課程體系優(yōu)化、實踐教學(xué)模式創(chuàng)新、實踐教學(xué)平臺建設(shè)及實踐教學(xué)管理和評價機制改革等方面入手，推進(jìn)“全員育人、全程育人、全方位育人”的大數(shù)據(jù)工程實踐教學(xué)改革，打造創(chuàng)新型實踐教學(xué)體系。

（一）? 構(gòu)建全方位多維度的實踐課程體系

結(jié)合重慶郵電大學(xué)“以工程技術(shù)為主線，著力提高學(xué)生的工程意識、工程素質(zhì)和工程實戰(zhàn)能力和培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、掌握先進(jìn)技術(shù)和適應(yīng)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要的卓越工程型專門人才”的人才培養(yǎng)總體定位，形成了“數(shù)據(jù)工程+程序設(shè)計+大數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)”實踐課程體系，如圖1所示。“程序設(shè)計”系列課程包括C語言程序設(shè)計、Python程序設(shè)計等，培養(yǎng)學(xué)生編程能力和計算思維。“數(shù)據(jù)工程”系列課程包括機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)工程綜合實踐和自然語言處理綜合實踐等，培養(yǎng)學(xué)生使用算法、模型和工具解決數(shù)據(jù)分析問題的能力。“大數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)”系列課程包括大數(shù)據(jù)系統(tǒng)開發(fā)實踐、云計算與大數(shù)據(jù)綜合實踐等，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用程序設(shè)計、數(shù)據(jù)工程方面的知識解決大數(shù)據(jù)平臺和大數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)方面的綜合實踐能力。通過第一課堂和第二課堂循序漸進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生“程序設(shè)計”基礎(chǔ)層次的實踐能力、“數(shù)據(jù)工程+軟件工程”拓展層次的實踐能力和“專業(yè)應(yīng)用”創(chuàng)新層次的實踐能力。第一課堂以課內(nèi)課堂教學(xué)為主，牢牢抓住程序設(shè)計能力這個基本點，專業(yè)實踐課程貫穿大數(shù)據(jù)系統(tǒng)開發(fā)與數(shù)據(jù)工程兩條主線，培養(yǎng)學(xué)生的大數(shù)據(jù)技術(shù)實踐能力，以畢業(yè)實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計等大型實習(xí)實訓(xùn)項目，全面考察學(xué)生大數(shù)據(jù)技術(shù)綜合應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。第二課堂以課外訓(xùn)練為主，打造 “CSA.云行”工作室課外計算機能力訓(xùn)練品牌項目。圍繞“數(shù)據(jù)工程+程序設(shè)計+大數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)”主線，形成了涵蓋程序設(shè)計、軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)工程和創(chuàng)業(yè)實踐等領(lǐng)域的學(xué)科競賽指導(dǎo)體系和課外訓(xùn)練體系。

（二）? 實施立體化實踐教學(xué)模式

實施產(chǎn)教協(xié)同、課賽一體的立體化實踐教學(xué)，形成“課內(nèi)教學(xué)+課外訓(xùn)練+學(xué)科競賽”三位一體的實踐教學(xué)模式，課內(nèi)外協(xié)同，全方面、多維度強化學(xué)生工程能力培養(yǎng)。采用“網(wǎng)絡(luò)集中授課、分組互動研討、集中答辯考核”等方式開展訓(xùn)練，建成了專業(yè)教師技術(shù)負(fù)責(zé)、輔導(dǎo)員老師流程管控和研究生及高年級學(xué)長助教分組指導(dǎo)的運行管理機制，有效實施了企業(yè)項目驅(qū)動的朋輩學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)。上述課外訓(xùn)練項目直接對應(yīng)課內(nèi)工程實踐課程體系，實現(xiàn)了對近80%實踐課程的有效覆蓋。通過將“CCF CSP”認(rèn)證列入培養(yǎng)方案，將“大數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)賽”等競賽成績納入 “數(shù)據(jù)工程”方向?qū)嵺`課程“多選一”考核范圍等方式，結(jié)合課外工程能力訓(xùn)練的開展，實現(xiàn)了“課賽一體”教學(xué)模式的有效落地。對機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)這類知識面廣、教學(xué)難度大的專業(yè)核心課程，采用先實踐后理論的模式，通過實踐教學(xué)讓學(xué)生形成對算法理解的基本框架，然后再通過理論課程的學(xué)習(xí)加強對交叉學(xué)科知識的理解。將課程建設(shè)與“華為-重郵基座”產(chǎn)教融合協(xié)同育人平臺深度融合，依托“智能基座”和華為昇騰智能計算平臺，開展機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)綜合實踐等課程的建設(shè)和教學(xué)，企業(yè)導(dǎo)師深入實踐教學(xué)課堂，對課程學(xué)習(xí)進(jìn)行指導(dǎo)，對學(xué)業(yè)成績進(jìn)行評估，使專業(yè)實踐課程的教學(xué)內(nèi)容始終面向行業(yè)，保持專業(yè)實踐能力的培養(yǎng)與大數(shù)據(jù)行業(yè)應(yīng)用需求同步。建立了保障實踐教學(xué)改革創(chuàng)新的“教學(xué)相長”長效機制。構(gòu)建了保障實踐教學(xué)、學(xué)科競賽指導(dǎo)的職稱評審制度和績效激勵制度和資源配置機制等系列制度鼓勵教師和學(xué)生通過大學(xué)生科研訓(xùn)練計劃、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目等方式參與教學(xué)團隊教師的科研項目，塑造了教學(xué)與科研并重的大學(xué)文化。持續(xù)投入實踐教學(xué)，充分調(diào)動了全體教師的主動性、參與性，推動大數(shù)據(jù)工程實踐教育得以切實高效開展。

（三）? 加強大數(shù)據(jù)實踐平臺建設(shè)

大數(shù)據(jù)實踐課程涉及的教學(xué)資源包括課程教學(xué)的軟件資源和硬件資源。軟件資源包括課件、實踐案例和教學(xué)視頻等，為使大數(shù)據(jù)實踐課程面向行業(yè)需求、立足前沿技術(shù)，必須對課程資源進(jìn)行及時更新。此外，大數(shù)據(jù)實踐課程需要充足的計算資源的支持，技術(shù)的更新對計算資源的要求也在不斷的變化中，需要及時更新硬件資源，以滿足課程教學(xué)的需求。針對大數(shù)據(jù)實踐教學(xué)中存在的缺乏教學(xué)資源的問題，結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，對機器學(xué)習(xí)基礎(chǔ)實踐、深度學(xué)習(xí)綜合實踐、數(shù)據(jù)工程綜合實踐、自然語言處理綜合實踐和大數(shù)據(jù)系統(tǒng)開發(fā)實踐等課程，自主開發(fā)了相應(yīng)的實踐教學(xué)資源，建成大數(shù)據(jù)實踐教學(xué)資源庫，課程負(fù)責(zé)人和任課教師可以把自己在科研實踐中的新技術(shù)、新型實踐案例及產(chǎn)教融合協(xié)同育人企業(yè)的優(yōu)秀行業(yè)案例集成到課程資源庫中，形成對實踐課程資源的實時更新和維護(hù)，保持實踐教學(xué)內(nèi)容與行業(yè)同步。建成了“大數(shù)據(jù)智能化在線學(xué)習(xí)平臺”和“計算機視覺與深度學(xué)習(xí)綜合實踐平臺”，并全天候面向?qū)W生開放，學(xué)生不僅可以在這些平臺上隨時隨地開展機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，還可以通過完成教師在平臺上實時設(shè)置的實踐項目，不斷提升專業(yè)實踐能力。專業(yè)建有計算機系統(tǒng)實驗室、數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)實驗室及創(chuàng)新實驗室等10余個校內(nèi)實踐基地，實驗設(shè)備、設(shè)施總值近1 000萬元，實驗室可使用面積達(dá)1 000多平方米，能夠為學(xué)生的實習(xí)實踐提供良好的條件。此外，與騰訊、字節(jié)跳動和電信等企業(yè)建有8個校外實踐教學(xué)基地，讓學(xué)生在企業(yè)實習(xí)、感受職業(yè)環(huán)境和體會行業(yè)中了解行業(yè)對大數(shù)據(jù)人才的要求。

（四）? 完善實踐教學(xué)評價機制

建立了保障實踐教學(xué)改革創(chuàng)新的“教學(xué)相長”長效機制。構(gòu)建了保障實踐教學(xué)和學(xué)科競賽指導(dǎo)的職稱評審制度、績效激勵制度與資源配置機制等系列制度，凸顯本科教學(xué)基礎(chǔ)地位，塑造了教學(xué)與科研并重的大學(xué)文化。持續(xù)投入實踐教學(xué)，充分調(diào)動了全體教師的主動性、參與性，推動計算機工程實踐教育得以切實高效開展。推行實踐教學(xué)全過程學(xué)業(yè)評價，交流效果、線上測評、實驗報告和技術(shù)答辯等多維度考核手段并重。針對課程中各實驗項目獨立制定查重扣分標(biāo)準(zhǔn)和查重代碼庫，全面引入Moss系統(tǒng)進(jìn)行實驗項目代碼查重；在“數(shù)據(jù)工程”方向?qū)嵺`課程群全面引入阿里云天池、DataFountain等國內(nèi)權(quán)威大數(shù)據(jù)競賽平臺線上測評體系，實現(xiàn)了對學(xué)生實踐課程學(xué)習(xí)效果的客觀指標(biāo)評價，從評價體系上保障了“課賽一體”實踐教學(xué)的全面開展。

三? 實踐教學(xué)成效

重慶郵電大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)開展面向新工科的大數(shù)據(jù)工程人才培養(yǎng)探索，實施“三全育人”的工程實踐教學(xué)改革，造就了一批創(chuàng)新能力強、掌握先進(jìn)技術(shù)和適應(yīng)成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要的大數(shù)據(jù)工程人才。學(xué)生參與“數(shù)據(jù)工程+程序設(shè)計+大數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)”領(lǐng)域創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐活動，歷年來學(xué)科競賽獲獎236項（86項國家獎）。在代表國內(nèi)高校最高水平的大數(shù)據(jù)算法競賽“中國高校計算機大賽-大數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)賽”中獲得冠軍2次（蟬聯(lián)2019年、2020年冠軍）、季軍1次，在國內(nèi)大數(shù)據(jù)與人工智能領(lǐng)域最具影響力的賽事CCF大數(shù)據(jù)與計算智能大賽中獲得冠軍3次、亞軍3次，累計獲得15項大數(shù)據(jù)競賽全國冠軍。

四? 結(jié)束語

針對數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)這一新興專業(yè)，分析了新工科背景下數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)實踐教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)，結(jié)合重慶郵電大學(xué)在數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)建設(shè)的經(jīng)驗，從構(gòu)建“數(shù)據(jù)工程+程序設(shè)計+大數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)”為主線的全方位多維度實踐課程體系，實施產(chǎn)教協(xié)同、課賽一體的立體化實踐教學(xué)新模式，完善全過程多維度考核并重的實踐教學(xué)評價機制等方面探索了數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)實踐教學(xué)的新思路。

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基金項目：重慶市高等教育教學(xué)改革研究項目“基于ModelArts平臺的大數(shù)據(jù)實踐課程教學(xué)改革研究”（213156）

第一作者簡介：孫開偉（1987-），男，漢族，重慶人，博士，副教授。研究方向為機器學(xué)習(xí)、人工智能、大數(shù)據(jù)分析。

*通信作者：鄧欣（1984-），男，漢族，重慶人，博士，副教授。研究方向為腦機接口、大數(shù)據(jù)分析。