新工科背景下大數(shù)據(jù)專(zhuān)業(yè)混合思維能力培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)模式研究與應(yīng)用

葉麗珠 代麗娜 鄭冬花

摘要：大數(shù)據(jù)專(zhuān)業(yè)在新工科發(fā)展中扮演著重要角色，而混合思維能力的培養(yǎng)對(duì)職業(yè)需求具有關(guān)鍵的意義。本文旨在探討在新工科背景下，如何有效培養(yǎng)大數(shù)據(jù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的混合思維能力。本文將設(shè)計(jì)與實(shí)施一種多層次、遞進(jìn)式的實(shí)踐教學(xué)模式，通過(guò)引入案例和設(shè)計(jì)教學(xué)方法來(lái)實(shí)施教學(xué)，以期從計(jì)算思維、數(shù)據(jù)思維、工程思維和創(chuàng)新思維四個(gè)維度來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的編程與算法能力、數(shù)據(jù)分析與解析能力、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。希望能夠在大數(shù)據(jù)專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)中取得新的突破，為學(xué)生的綜合素質(zhì)提升提供有力支持。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)專(zhuān)業(yè)；混合思維；實(shí)踐教學(xué)模式

引言

教育部從2017年開(kāi)始持續(xù)推進(jìn)新工科建設(shè)，新工科教育強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科融合、實(shí)踐導(dǎo)向和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，旨在培養(yǎng)具備廣泛知識(shí)背景和綜合素質(zhì)的工程型人才，以適應(yīng)日益復(fù)雜多變的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)[1-2]。在這一教育背景下，混合思維能力作為一種跨領(lǐng)域、多元思維方式的綜合素質(zhì)，日益受到人們的重視。混合思維能力強(qiáng)調(diào)不同學(xué)科、不同思維方式的融合，以幫助學(xué)生跳出傳統(tǒng)思維的限制，更好地應(yīng)對(duì)復(fù)雜問(wèn)題。培養(yǎng)混合思維為學(xué)生提供了解決問(wèn)題、創(chuàng)新設(shè)計(jì)和跨學(xué)科合作的能力。尤其在大數(shù)據(jù)時(shí)代，混合思維能力對(duì)于應(yīng)對(duì)海量、多源、高維數(shù)據(jù)至關(guān)重要。數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專(zhuān)業(yè)作為新工科背景下的典型代表，正面臨著日益增長(zhǎng)的人才需求。實(shí)踐教學(xué)是高等教育的重要組成部分，是應(yīng)用型人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，是學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要途徑，實(shí)踐教學(xué)效果將直接影響人才培養(yǎng)質(zhì)量[3]。實(shí)踐教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目、案例分析等方式培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力和綜合素質(zhì)，與新工科的理念相契合，有助于培養(yǎng)學(xué)生的混合思維能力。

本文旨在探討新工科背景下，如何從計(jì)算思維、數(shù)據(jù)思維、工程思維和創(chuàng)新思維四個(gè)維度出發(fā)，探索適合應(yīng)用型民辦高校大數(shù)據(jù)專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)模式，以培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)編程能力、數(shù)據(jù)分析能力、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新應(yīng)用能力的混合思維能力為目標(biāo)。以“算法分析與設(shè)計(jì)”“數(shù)據(jù)采集技術(shù)”“大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用”三門(mén)課程為例，設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)案例與實(shí)施教學(xué)方法，通過(guò)融合不同思維來(lái)培養(yǎng)學(xué)生在編程與算法基礎(chǔ)、批判性思維、創(chuàng)造力和解決工程問(wèn)題等方面的能力，從而使學(xué)生具備良好的混合思維能力。

1. 混合思維能力培養(yǎng)的必要性

混合思維能力，作為跨領(lǐng)域、多元思維方式的綜合素質(zhì)，正逐漸成為適應(yīng)新工科背景人才的重要素質(zhì)之一。其強(qiáng)調(diào)不同學(xué)科、不同思維方式的融合，包含計(jì)算思維、數(shù)據(jù)思維、工程思維、創(chuàng)新思維等多個(gè)維度。

計(jì)算思維強(qiáng)調(diào)編程和算法應(yīng)用的基礎(chǔ)。有學(xué)者在2006年對(duì)計(jì)算思維進(jìn)行了系統(tǒng)定義，認(rèn)為“計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類(lèi)行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)”。

數(shù)據(jù)思維是以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，通過(guò)數(shù)據(jù)處理來(lái)分析事物之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，最終提出解決策略的新的思維模式[4]。數(shù)據(jù)思維要求用戶(hù)能夠有效地收集、分析和解釋數(shù)據(jù)，從而在決策和問(wèn)題解決中得出有依據(jù)的結(jié)論。

工程思維是綜合運(yùn)用自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、管理科學(xué)、人文科學(xué)等各學(xué)科知識(shí)來(lái)解決工程實(shí)踐問(wèn)題所形成的一種思維方式[5]。工程思維指導(dǎo)人們創(chuàng)造、實(shí)施工程，工程思維水平的高低將直接決定工程的質(zhì)量和實(shí)施效果，其強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)性、整體性的觀念，有助于學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際工程。

創(chuàng)新思維強(qiáng)調(diào)獨(dú)立思考、尋找新穎解決方案的能力。創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動(dòng)力，高校一直高度重視創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。創(chuàng)新思維是指以新穎獨(dú)創(chuàng)的方法來(lái)解決問(wèn)題的思維過(guò)程，借助該思維模式能突破常規(guī)思維的局限，以超常規(guī)或反常規(guī)的方法和視角去思考問(wèn)題，提出與眾不同的解決方案，從而產(chǎn)生新穎的、獨(dú)到的、有社會(huì)價(jià)值的創(chuàng)新成果。

新工科教育強(qiáng)調(diào)綜合素質(zhì)和跨學(xué)科能力的培養(yǎng)，以培養(yǎng)適應(yīng)多元化職業(yè)需求的工程人才。在這一背景下，混合思維能力的重要性愈發(fā)凸顯。通過(guò)培養(yǎng)學(xué)生四個(gè)維度的思維能力，使他們能夠全面地應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜和多變的大數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)。

2. 基于混合思維能力培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)模式的設(shè)計(jì)與實(shí)施

2.1 混合思維能力培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)模式的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)模式時(shí)，結(jié)合我校大數(shù)據(jù)專(zhuān)業(yè)實(shí)際情況，審閱人才培養(yǎng)方案和梳理實(shí)踐教學(xué)課程體系，突出思維培養(yǎng)與實(shí)踐活動(dòng)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了分層、遞進(jìn)的實(shí)踐教學(xué)模式，如圖1所示，以培養(yǎng)學(xué)生的混合思維為導(dǎo)向，以期能提高學(xué)生的編程與算法能力、數(shù)據(jù)分析能力、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)造能力[6]。

在圖1中，以課內(nèi)實(shí)踐和專(zhuān)項(xiàng)實(shí)踐兩個(gè)核心環(huán)節(jié)來(lái)培養(yǎng)計(jì)算思維，通過(guò)計(jì)算思維課程群和案例驅(qū)動(dòng)來(lái)培養(yǎng)學(xué)生在編程基礎(chǔ)、算法思想、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題方面的能力；從數(shù)據(jù)分析方法、數(shù)據(jù)分析工具和數(shù)據(jù)分析技能三個(gè)核心環(huán)節(jié)開(kāi)展數(shù)據(jù)思維的培養(yǎng)，通過(guò)數(shù)據(jù)思維課程群和項(xiàng)目導(dǎo)向來(lái)培養(yǎng)學(xué)生在數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)解析方面的能力；以專(zhuān)業(yè)見(jiàn)習(xí)、綜合實(shí)踐、畢業(yè)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)為核心展開(kāi)工程思維的培養(yǎng)，通過(guò)工程思維課程群和產(chǎn)教融合來(lái)培養(yǎng)學(xué)生在問(wèn)題定義、解決方案、跨領(lǐng)域合作和工程實(shí)踐的能力；以社會(huì)實(shí)踐、學(xué)科競(jìng)賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目為核心開(kāi)展創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，通過(guò)建立實(shí)踐創(chuàng)新基地、數(shù)據(jù)智能工作室與研究所來(lái)培養(yǎng)學(xué)生在獨(dú)立思考、創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)造力方面的創(chuàng)新實(shí)踐能力。計(jì)算思維、數(shù)據(jù)思維、工程思維和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)理念貫穿在整個(gè)大數(shù)據(jù)專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐體系中。

2.2 混合思維能力培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)模式的實(shí)施

2.2.1 計(jì)算思維：培養(yǎng)編程與算法能力

計(jì)算思維是大數(shù)據(jù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)能力之一。通過(guò)編程和算法的學(xué)習(xí)，可以培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、設(shè)計(jì)算法并實(shí)現(xiàn)解決方案的能力。例如，引入“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”“面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)”“Python程序設(shè)計(jì)”“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”“算法分析與設(shè)計(jì)”等編程類(lèi)和算法類(lèi)課程，教授學(xué)生編程思維和算法思維，讓他們能夠利用計(jì)算思維來(lái)自主發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題與解決問(wèn)題，從而提升學(xué)生的編程與算法能力。

2.2.2 數(shù)據(jù)思維：培養(yǎng)數(shù)據(jù)分析與解釋能力

數(shù)據(jù)思維是大數(shù)據(jù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生必備的核心能力之一。在教學(xué)中，可以通過(guò)真實(shí)數(shù)據(jù)集的分析案例，引導(dǎo)學(xué)生掌握數(shù)據(jù)清洗、可視化、模型建立等技能，培養(yǎng)他們對(duì)數(shù)據(jù)的敏感性和分析能力。例如，引導(dǎo)學(xué)生分析社交媒體數(shù)據(jù)，從中深入發(fā)現(xiàn)和挖掘數(shù)據(jù)背后的價(jià)值，以培養(yǎng)他們具備跨領(lǐng)域數(shù)據(jù)的分析與解釋能力。

2.2.3 工程思維：培養(yǎng)工程實(shí)踐能力

工程思維強(qiáng)調(diào)實(shí)際問(wèn)題的解決和應(yīng)用。通過(guò)企業(yè)項(xiàng)目實(shí)踐來(lái)驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目中，鍛煉他們從問(wèn)題定義到解決方案實(shí)現(xiàn)的全過(guò)程能力。例如在“大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用”課程中，組織學(xué)生跨領(lǐng)域合作完成“電商產(chǎn)品評(píng)論數(shù)據(jù)情感分析”大數(shù)據(jù)項(xiàng)目，要求學(xué)生運(yùn)用工程思維，從數(shù)據(jù)采集與清洗、情感分析與應(yīng)用等角度解決工程問(wèn)題。

2.2.4 創(chuàng)新思維：建立創(chuàng)新意識(shí)與激發(fā)創(chuàng)造力

創(chuàng)新思維在大數(shù)據(jù)領(lǐng)域中同樣不可或缺。通過(guò)項(xiàng)目導(dǎo)向的教學(xué)方法，讓學(xué)生建立創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出新穎解決方案的能力。例如，鼓勵(lì)學(xué)生在學(xué)科競(jìng)賽中尋找大數(shù)據(jù)新的應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)創(chuàng)新的數(shù)據(jù)分析方法，培養(yǎng)他們獨(dú)立思考和解決問(wèn)題的能力。在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目中，鼓勵(lì)學(xué)生提出創(chuàng)新的大數(shù)據(jù)應(yīng)用方案。通過(guò)數(shù)據(jù)智能工作室和研究所引入企業(yè)橫向課題和教師科研項(xiàng)目，讓學(xué)生了解和接觸真實(shí)的大數(shù)據(jù)項(xiàng)目，從而為他們提供更加豐富的創(chuàng)新思路和激發(fā)他們的創(chuàng)造力。

3. 混合思維能力培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)案例與方法

3.1 計(jì)算思維訓(xùn)練：實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)處理工具及算法解析

在“算法分析與設(shè)計(jì)”課程中，學(xué)生將接受計(jì)算思維的訓(xùn)練，通過(guò)實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)處理工具并解析算法，培養(yǎng)他們?cè)诮鉀Q實(shí)際問(wèn)題時(shí)的計(jì)算思維能力。學(xué)生將實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有數(shù)據(jù)讀取、清洗、處理和分析功能，能用于處理大規(guī)模數(shù)據(jù)集的工具。該工具在處理較大數(shù)據(jù)集時(shí)，使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法來(lái)優(yōu)化性能。具體的教學(xué)方法：（1）學(xué)生選擇合適的數(shù)據(jù)處理算法，分析其適用場(chǎng)景和性能特點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的算法；（2）學(xué)生使用編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理工作的數(shù)據(jù)讀取、清洗和分析功能；（3）當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時(shí)，學(xué)生使用并行計(jì)算或內(nèi)存管理技術(shù)優(yōu)化工具的性能，并比較和分析不同算法在不同數(shù)據(jù)規(guī)模下的性能表現(xiàn)與優(yōu)缺點(diǎn)。

3.2 數(shù)據(jù)思維培養(yǎng)：航空公司客戶(hù)行為分析

在“大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用”課程中，使用來(lái)自航空公司的客戶(hù)行為數(shù)據(jù)，要求學(xué)生綜合運(yùn)用數(shù)據(jù)分析技術(shù)如數(shù)據(jù)清洗、特征工程和機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)分析客戶(hù)的特征和購(gòu)票行為，同時(shí)理解航空運(yùn)營(yíng)和市場(chǎng)需求。學(xué)生基于分析結(jié)果，提出改善航空公司客戶(hù)關(guān)系管理建議與措施，旨在培養(yǎng)他們數(shù)據(jù)思維的能力。具體的教學(xué)方法：（1）教師提供脫敏后的航空公司真實(shí)客戶(hù)數(shù)據(jù)集，學(xué)生了解數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和含義，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；（2）學(xué)生運(yùn)用數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、探索性分析和特征提取，教師引導(dǎo)學(xué)生選擇機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行客戶(hù)行為預(yù)測(cè)；（3）學(xué)生分析模型結(jié)果，解釋客戶(hù)行為的關(guān)鍵特征和影響因素，并基于分析結(jié)果，提出改善客戶(hù)滿(mǎn)意度的策略，如優(yōu)化機(jī)票定價(jià)、航班排班等。

3.3 工程思維實(shí)踐：電商產(chǎn)品評(píng)論數(shù)據(jù)情感分析系統(tǒng)

在“數(shù)據(jù)采集技術(shù)”和“大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用”兩門(mén)課程中，通過(guò)引入跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)合作項(xiàng)目來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和團(tuán)隊(duì)合作能力。讓大數(shù)據(jù)與電商專(zhuān)業(yè)的學(xué)生合作設(shè)計(jì)“電商產(chǎn)品評(píng)論數(shù)據(jù)情感分析系統(tǒng)”，該系統(tǒng)通過(guò)采集電商平臺(tái)中某產(chǎn)品的評(píng)論數(shù)據(jù)，從分析產(chǎn)品的用戶(hù)情感傾向出發(fā)挖掘該產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)與不足，以提升對(duì)應(yīng)商家的競(jìng)爭(zhēng)力。具體的教學(xué)方法： （1）學(xué)生分為不同專(zhuān)業(yè)背景的團(tuán)隊(duì)，模擬實(shí)際跨學(xué)科合作環(huán)境；（2）學(xué)生利用數(shù)據(jù)采集技術(shù)獲取產(chǎn)品評(píng)論數(shù)據(jù)與清洗合并數(shù)據(jù)；（3）學(xué)生運(yùn)用數(shù)據(jù)分析技術(shù)的文本挖掘分詞算法和LDA主題模型識(shí)別客戶(hù)情感傾向；（4）學(xué)生團(tuán)隊(duì)成員在班級(jí)上展示項(xiàng)目成果。

3.4 創(chuàng)新思維激發(fā)：健康數(shù)據(jù)個(gè)性化管理

在“大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用”課程中鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)新的大數(shù)據(jù)應(yīng)用，如設(shè)計(jì)個(gè)性化的健康管理應(yīng)用，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶(hù)的健康數(shù)據(jù)并提供健康管理與建議，以建立學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和激發(fā)創(chuàng)新思維。具體的教學(xué)方法：（1）學(xué)生探討現(xiàn)實(shí)生活中的健康問(wèn)題，提出可能的創(chuàng)新應(yīng)用方案，如基于智能手環(huán)的心率監(jiān)測(cè)；（2）采集用戶(hù)步數(shù)、心率等健康數(shù)據(jù)，處理、清洗與整合數(shù)據(jù)；（3）學(xué)生運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，建立健康數(shù)據(jù)分析模型，根據(jù)模型分析結(jié)果為用戶(hù)提供個(gè)性化的健康建議，如運(yùn)動(dòng)計(jì)劃、飲食建議等。

結(jié)語(yǔ)

本文基于新工科背景下，針對(duì)大數(shù)據(jù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生混合思維能力培養(yǎng)的需求，設(shè)計(jì)多層次、遞進(jìn)式的實(shí)踐教學(xué)模式。從計(jì)算思維、數(shù)據(jù)思維、工程思維和創(chuàng)新思維四個(gè)維度出發(fā)，在“大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用”“數(shù)據(jù)采集技術(shù)”和“算法分析與設(shè)計(jì)”三門(mén)課程中設(shè)計(jì)教學(xué)案例和開(kāi)展教學(xué)實(shí)踐，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)踐來(lái)深入理解數(shù)據(jù)分析、工程設(shè)計(jì)、創(chuàng)新應(yīng)用和算法實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容，從而讓大數(shù)據(jù)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生在綜合素質(zhì)和混合思維能力方面得到較為全面的提高。

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作者簡(jiǎn)介：葉麗珠，在讀博士，副教授，研究方向：數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)與人工智能應(yīng)用。

基金項(xiàng)目：廣州商學(xué)院2021年校級(jí)科研項(xiàng)目——新工科背景下混合思維能力培養(yǎng)的大數(shù)據(jù)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式研究（編號(hào)：2021XJYB07）；廣東省2022年本科高校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程建設(shè)項(xiàng)目（編號(hào)：2022SJJXGG992）；廣州商學(xué)院2021年高等職業(yè)教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目（編號(hào)：2021GZJG05）；廣州商學(xué)院2022年優(yōu)秀課程建設(shè)項(xiàng)目（編號(hào)：XJYXKC202219）。