數據科學大數據技術程序設計課程教學

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摘要:自2016年以來，全國共283所高校獲批數據科學與大數據專業，針對該專業課程體系中涉及的程序設計課程進行了背景研究、課程教學目標及以C程序設計為例的教學實踐的探討．分析了程序設計課程對數據科學與大數據科學專業其他課程的支撐關系，探討了如何結合專業重構課程及課程教學方法改革．

關鍵詞:數據科學;大數據;程序設計;課程教學

2016年，教育部的《2015年度普通高等學校本科專業備案和審批結果》中，首次增設數據科學與大數據技術專業，北京大學、對外經濟貿易大學、中南大學成為第1批成功申請到“數據科學與大數據專業”的學校［1］．2017年3月，第2批32所高校獲批［2］．而在2018年《教育部關于公布2017年度普通高等學校本科專業備案和審批結果的通知》中，第3批有248所學校獲批［3］，是過去2次審批通過總數的近8倍．由于數據科學與大數據技術專業是新開設的本科專業，不同高校根據自身教學資源與辦學條件制訂相應的人才培養目標，雖然有各自特點，但總的來說，該專業主要培養具有信息科學、數理統計和數據科學的基礎知識與基本技能，掌握大數據采集、預處理、存儲、處理、分析、可視化和數據安全等技術，具備一定的數據科學研究能力以及數據科學家崗位的基本素養，能勝任數據分析與挖掘算法研究和數據系統開發的應用型和創新型人才．文獻［4］對數據科學與大數據技術專業建設進行了研究，從課程體系、師資力量和實踐平臺3各方面進行了建議，在課程體系建設中提到，基礎能力培養涉及課程包括程序設計、數據結構等課程．文獻［5］針對新工科背景下數據科學與大數據技術專業建設問題進行了研究，通過對畢業要求指標點進行分解，給出了指標點與支撐課程的關系，這些課程中涉及大數據編程、深度學校編程、數據處理編程、數據分析編程以及算法分析與設計等課程．文獻［6］則對目前我國開設數據科學與大數據技術專業的高校為研究對象，對各高校的開設情況、課程數量、類型、特點等進行了全方位分析，文中指出，數據工具類課程中，編程語言類課程所占比重最大．文獻［7］對數據科學與大數據技術專業核心課程建設進行了探索與研究，文章以北京大學、中南大學以及福建工程學院的培養方案為例進行分析，指出3所學校都開設程序設計、數據結構、算法設計與分析等計算機學科相關課程．文獻［8］對數據科學與大數據技術專業特色課程進行研究，在系統調研世界一流大學該專業建設現狀的基礎上，分析了國外8所大學的數據科學專業特色課程，提出了該專業應重視的10門特色課程，其中涉及Python語言課程;文章還重點分析了我國數據科學與大數據技術專業課程體系設計存在的不足及普遍存在的8種曲解現象，其中之一是照搬傳統統計學和計算機科學專業課．從上述文獻可以看出，程序設計能力是數據科學與大數據技術專業畢業生應具備的基本能力，然而該專業的主要目標是對數據的采集、處理和分析應用，因此對程序設計能力的要求應該與計算機類其它專業的有所不同，應根據專業需求制定程序設計類課程的教學目標．目前尚未看到探討該問題的相關文獻，本文針對該問題，首先分析數據科學與大數據技術專業畢業生應具備的程序設計能力，針對能力要求制定程序設計課程的教學目標，以《C程序設計》課程為例，對該課程教學實踐進行了探討．

1程序設計課程教學目標

從數據科學與大數據技術專業培養目標可見，畢業生只有掌握大數據采集、預處理、存儲、處理、分析、可視化和數據安全等技術，才能勝任數據分析與挖掘算法研究和數據系統開發相關專業工作．這一系列技術都需要學生需要有扎實的程序設計基礎．因此，程序設計課程是數據科學與大數據技術最終歸要的專業基礎課之一．通常，只要專業課程涉及嵌入式編程相關的，程序設計課程通常開設《C程序設計》，需要學生理解和掌握指針技術．數據科學與大數據技術專業的專業課程主要圍繞數據采集、數據處理和數據分析這幾個技術層面，應關注數據處理相關的編程技術，不需要關注硬件相關的嵌入式編程技術，因此，可以弱化指針之類的相關編程技術．以云南民族大學數據科學與大數據專業為例，該專業學生需修讀完人才培養方案規定的160學分方可畢業，其中專業基礎課57學分．程序設計課主要涉及C程序設計、Python語言程序設計和面向對象程序設計(Java)，共9學分．程序設計課程對后續課程的支撐關系如圖1所示．

2C程序設計課程的教學實踐

2.1課程知識模塊

數據科學與大數據專業人才培養目標是學生畢業后，能在健康醫療、扶貧大數據等相關產業從事數據科學研究、大數據相關工程分析開發、測試、運維、管理和咨詢等工作．針對數據科學與大數據專業的人才培養目標，對C程序設計課程進行了知識重構，強調以計算思維訓練為目的，循序漸進地融入后續課程．課程知識點及要求如表1．在表1中，1～5項屬于基本程序設計，培養學生基本編程的能力，是所有專業共同的知識點，其中計算機類專業更強調內存的使用，而數學類、統計類則一般不單獨提及，數據科學與大數據專業對內存使用要求理解程序運行過程．6～9項屬于高級程序設計．計算機類因后續課程涉及嵌入式編程相關課程，會重點講解指針部分的內容．而數據科學與大數據專業這部分內容可以弱化，甚至不講．而數據科學與大數據技術專業因后續課程的需求，應該對文件部分內容進行講解，使學生熟悉文件基本操作的方法．另外，在表中未列的內容，比如位運算，對于電子信息類專業是重點講解的內容，對于數據科學與大數據專業則可以不講．

2.2課程教學方法

課程教學采用線上線下相融合的教學模式，使教學活動不受時空限制，隨時隨地進行．1)線上學習融合的教學模式通過慕課平臺，培養學生自主學習的能力．課程采用學堂在線網絡課程，通過布置學生完成相關視頻的觀看，對課程進行預習．在教學中，教師主要針對具體問題進行分析講解，將課程重心放在計算思維、程序分析與調試等實踐訓練．慕課平臺記錄學生學習情況，教師可以隨時進行跟蹤、督促，強調學生的學習過程．2)學習社區構建構建學習社區，一是將學生分組，按小組建立微信群，高年級的助教同學擔任小組長，對學生平時作業進行檢查、批改，任課老師與各組長進行定期交流，掌握學生學習和作業情況．二是使用微信小程序“小打卡”，由老師在打卡圈里布置學習、討論任務，學生在打卡圈內打卡反饋．學習社區的建立，營造了良好的學習氛圍，同學之間既有競爭的激勵，也有同伴的鼓勵．3)雨課堂輔助教學課堂教學采用雨課堂，充分調動了學生的積極性．教師可以將帶有MOOC視頻、習題、語音的課前預習課件推送到學生手機，師生溝通及時反饋;課堂上實時答題、彈幕互動，有效實現了師生互動．雨課堂教學模式，一方面提高了同學上課的積極性，另一方面，使學生在教學中參與度得到提高．

2.3課后實踐

課后實踐是C程序設計課程的一個重要環節．通過實踐環節，是學生掌握程序設計的方法、步驟，鞏固課堂教學中所學知識．該課程的課后實踐環節共分為3部分．1)線上作業線上作業主要采用學堂在線慕課課程布置相關知識點作業，重點是隨堂知識點鞏固練習．該部分作業包括視頻學習、課后知識點練習，通過學堂在線后臺管理，教師可以及時掌握學生學習進度、作業完成情況、知識點掌握程度．2)平時上機作業平時上機作業采用CG一體化教學平臺，老師布置隨堂上機程序設計練習，學生在線提交，由助教學生和老師共同完成作業批改．3)大作業大作業是小組共同完成的項目設計作業．一學期開展2次，分別將一段時間內所學知識點融入到項目課題中，由小組進行討論，分工完成，形成項目報告并進行現場演示講解．一方面強調學生的動手實踐能力，另一方面培養學生的協作能力．

3結語

程序設計課程是數據科學與大數據專業的基礎課，是貫穿整個人才培養的一系列課程．C程序設計課程是高校計算機類專業本科的必修課，作為數據科學與大數據專業教學實踐只有一年．在此過程中，結合該專業學生的培養目標，對C程序設計課程知識點進行了重構，以培養學生計算思維和支撐后續課程的學習為目標，對教學內容進行了整合．在教學過程中，采取形式多樣的教學策略，構筑線上線下相融合的教學模式，激發學生的學習興趣和主動性，提高學生的自主學習能力和團隊協作能力．C程序設計課程的教學改革，對后續程序設計課程的啟發是，要以產出為導向，對課程知識進行重構整合，走出照搬傳統計算機專業課程的誤區．

作者：趙艷芳 潘文林 單位：云南民族大學 數學與計算機科學學院