數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)統(tǒng)計(jì)學(xué)課程的教學(xué)探索

數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)統(tǒng)計(jì)學(xué)課程的教學(xué)探究〔〕:

摘要：針對(duì)統(tǒng)計(jì)學(xué)課程定位不準(zhǔn)、教學(xué)設(shè)計(jì)不到位的狀況，從數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)專業(yè)的人才培養(yǎng)目的與專業(yè)特色出發(fā)，分析了課程內(nèi)容與教學(xué)方法等方面的缺乏，提出了"技術(shù)為先、應(yīng)用為本";的教學(xué)理念，并在后續(xù)教學(xué)過程中積極探究，獲得了顯著效果。

關(guān)鍵詞：統(tǒng)計(jì)學(xué)；數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)專業(yè)；技術(shù)為先；應(yīng)用為本；教學(xué)探究

本文引用格式：李建敦，呂品，肖薇.數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)統(tǒng)計(jì)學(xué)課程的教學(xué)探究[J].教育現(xiàn)代化,2022,8(40):47-50.

TeachingExplorationofStatisticsCoursefordataScienceandBigdataTechnologymajor

LIJiandun,LVPin,XIAOWei(SchoolofElectronicInformationEngineering,ShanghaiDianjiUniversity,Shanghai)

Abstract:Inviewoftheinaccuratepositioningofstatisticscourseandinadequateteachingdesign,startingfromthetalenttrainingobjectivesandprofessionalcharacteristicsofdatascienceandbigdatamajor,thispaperanalyzestheshortingsofcoursecontentandteachingmethods,putsforwardtheteachingconceptof"technologyfirst,application-oriented",andactivelyexploresinthefollow-upteachingprocess,whichhasachievedremarkableresults.

Keywords:statistics;datascienceandbigdatamajor;technologyfirst;applicationoriented;teachingexploration

一引言

大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)到來。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，據(jù)TDU研究顯示，2025年前我國(guó)數(shù)據(jù)人才缺口將到達(dá)200萬。為了有效應(yīng)對(duì)，截至2022年3月，教育部分五批同意中國(guó)人民大學(xué)、上海電機(jī)學(xué)院等486所本科院校開設(shè)"數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)";專業(yè)〔以下簡(jiǎn)稱數(shù)據(jù)專業(yè)〕【1】。如何辦好這個(gè)新型專業(yè)以解決用人市場(chǎng)難題，特別是如何上好人才培養(yǎng)中的每門課，是一線教師普遍關(guān)注的議題。

作為經(jīng)典學(xué)科，統(tǒng)計(jì)學(xué)的歷史至少有一百五十多年。統(tǒng)計(jì)學(xué)源于概率論，其目的是以數(shù)學(xué)方法來描繪或推測(cè)變異事物或現(xiàn)象的本質(zhì)及其開展，其應(yīng)用幾乎覆蓋了社會(huì)科學(xué)和自然科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域【2】。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，如何設(shè)計(jì)、搜索、整理、分析、描繪并利用海量數(shù)據(jù)資源，是主旋律。而這些環(huán)節(jié)根本都建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)這一根底上，因此，統(tǒng)計(jì)學(xué)便成為了各大高校數(shù)據(jù)專業(yè)的必修課，特別是機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘與人工智能等核心專業(yè)課的先行根底課。

然而，該課〔課程名為"大數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)根底";〕在上海電機(jī)學(xué)院首批數(shù)據(jù)專業(yè)的授課效果并不理想〔最高分91，最低分0分，平均分63.97，難度系數(shù)0.36，成績(jī)分布見圖1〕，督導(dǎo)反響課堂難度較大，學(xué)生評(píng)教分為88.9，低于學(xué)院學(xué)期平均分92.1。總結(jié)下來，突出問題主要有兩個(gè)，即課程定位不準(zhǔn)、教學(xué)設(shè)計(jì)不到位。

在互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)背景下，如何提升統(tǒng)計(jì)學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量，已有多種研究與探究。高書麗等【3】提出要從教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)、教學(xué)方法改革、理論內(nèi)容加強(qiáng)、教師知識(shí)更新等方面全面晉級(jí)，特別是要結(jié)合MOOC、微課等新型教學(xué)形式。李國(guó)成等【4】強(qiáng)調(diào)統(tǒng)計(jì)學(xué)要面向?qū)I(yè)進(jìn)展重構(gòu)，我們深表贊同。苗建花等【5】提出要充分利用線上、線下混合教學(xué)形式，同時(shí)加強(qiáng)過程考核。王小剛【6】運(yùn)用了翻轉(zhuǎn)課堂與啟發(fā)式教學(xué)方法。在前人豐富教學(xué)研究成果的根底上，本文首先從我院數(shù)據(jù)專業(yè)的人才培養(yǎng)目的出發(fā)，剖析問題成因，并在此根底上有針對(duì)性地提出了一些改革方案。

二成因分析

鑒于首次授課的問題總結(jié)，我們分別從課程〔即?大數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)根底?〕與學(xué)生〔工科，數(shù)據(jù)專業(yè)，第3學(xué)期〕兩個(gè)角度，來剖析問題成因。作為新辦工科專業(yè)，我院數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)目的，是培養(yǎng)高等技術(shù)應(yīng)用型人才，以使他們可以勝任大數(shù)據(jù)平臺(tái)規(guī)劃、大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用、大數(shù)據(jù)分析、大數(shù)據(jù)可視化以及大數(shù)據(jù)管理與運(yùn)維的相關(guān)工作。這與面向大數(shù)據(jù)的分析師、挖掘師或算法師是有顯著差異的。當(dāng)前，專業(yè)培養(yǎng)方案中強(qiáng)調(diào)了根底語言的熟悉與應(yīng)用平臺(tái)的掌握，而不是機(jī)器學(xué)習(xí)模型或數(shù)據(jù)挖掘方法的推導(dǎo)、驗(yàn)證或改良。

因此多種抽樣的比照與改良、極大似然估計(jì)的推導(dǎo)、Box-Cox變換的驗(yàn)證、獨(dú)立成分分析算法的分析等內(nèi)容就偏離了"應(yīng)用";這個(gè)主方向。在這樣的人才培養(yǎng)目的導(dǎo)向下，?大數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)根底?應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)統(tǒng)計(jì)根底的掌握與統(tǒng)計(jì)思維的培養(yǎng)，以為即將開展的大數(shù)據(jù)分析做好準(zhǔn)備。因此，描繪性統(tǒng)計(jì)分析部分，特別是面向大數(shù)據(jù)的采樣、預(yù)處理與可視化是重點(diǎn)；同時(shí)，為了對(duì)接機(jī)器學(xué)習(xí)的相關(guān)模型，推論統(tǒng)計(jì)部分可以概括地講，但不宜展開，比方極大似然估計(jì)、主成分分析、線性回歸、支持向量機(jī)、K近鄰等。而在首次授課時(shí)，過分沉醉于經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)的完好性，未能根據(jù)專業(yè)特色進(jìn)展調(diào)整。

在培養(yǎng)方案的設(shè)置上或課程的推進(jìn)中，授課團(tuán)隊(duì)亦缺乏有效溝通。統(tǒng)計(jì)學(xué)的先行課概率論部分是安排在?應(yīng)用工程數(shù)學(xué)B?偏后部分執(zhí)行的，而且該課與?大數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)根底?是并行開課的，因此部分內(nèi)容對(duì)概率根底不充分的學(xué)生來講，是吃力的。為了讓多數(shù)學(xué)生徹底理解概率分布、參數(shù)估計(jì)、假設(shè)檢驗(yàn)等概念，課余時(shí)間甚至一些課堂時(shí)間被用于補(bǔ)根底。憑空多了一門數(shù)學(xué)課，加重了學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，也傷害了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

課程在教材選用上亦有改良空間。首次授課選用的是北京大學(xué)出版社面向研究生的教材?大數(shù)據(jù)探究性分析?。該教材內(nèi)容詳實(shí)，而且難度頗高，比方缺失值處理、異常點(diǎn)檢測(cè)、投影尋蹤、獨(dú)立成分分析、空間數(shù)據(jù)分析等，適宜形式識(shí)別等相關(guān)專業(yè)或人工智能方向的研究生，對(duì)于應(yīng)用型本科低年級(jí)學(xué)生來說具有相當(dāng)高的挑戰(zhàn)性，況且我們只有區(qū)區(qū)32學(xué)時(shí)。另外，理論部分選用經(jīng)典R語言而不是學(xué)生熟悉的Python，它偏數(shù)學(xué)表達(dá)、近MATLAB的風(fēng)格，讓偏計(jì)算機(jī)培養(yǎng)方案的學(xué)生很不適應(yīng)，需要付出較大精力方能駕馭。

受教學(xué)內(nèi)容影響，首次授課更注重面的擴(kuò)展，知識(shí)的傳遞，未能完全做到以學(xué)生為中心。由于內(nèi)容精深，主要采用教師主講、學(xué)生互動(dòng)、課后習(xí)題的傳統(tǒng)授課方式，輔以網(wǎng)絡(luò)、論文等前沿知識(shí)，理論主要以學(xué)生課下自主練習(xí)為主，未設(shè)置課內(nèi)實(shí)驗(yàn)或大作業(yè)。致使多數(shù)學(xué)生對(duì)本課興趣不高，也出現(xiàn)了兩級(jí)分化現(xiàn)象。自我意識(shí)和自主才能強(qiáng)的同學(xué)，通過課外練習(xí)、教師輔導(dǎo)答疑等途徑提升較快，但大部分學(xué)生只求60分自保，對(duì)知識(shí)不求充分理解，更談不到在詳細(xì)問題中的應(yīng)用了。

三改革理論與典型示范

針對(duì)首次教學(xué)中存在的問題，我們?cè)俅问崂砹藢I(yè)培養(yǎng)目的與方案，重點(diǎn)剖析了課程定位，詳細(xì)摸排了知識(shí)點(diǎn)，并在此根底上提出了"技術(shù)為先、應(yīng)用為本";的改革方針。詳細(xì)地，我們優(yōu)化了教學(xué)大綱、授課方案與課內(nèi)外實(shí)驗(yàn)，著重設(shè)計(jì)了教案與多媒體課件。詳細(xì)改革有以下三個(gè)方面。

〔一〕改革教學(xué)內(nèi)容

教學(xué)大綱是課程的指揮棒。在應(yīng)用型人才目的的指引下，面向工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用相關(guān)崗位，我們首先從教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)展了改革，包括知識(shí)點(diǎn)的調(diào)整、難度的協(xié)調(diào)與先行課的配合等。

1.調(diào)整課堂知識(shí)點(diǎn)

在數(shù)據(jù)生命周期中，?大數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)根底?主要涉及到數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)描繪與數(shù)據(jù)分析這些階段，而其中的分析并不是機(jī)器學(xué)習(xí)中的預(yù)測(cè)，卻是為了理解數(shù)據(jù)。鑒于當(dāng)前數(shù)據(jù)處理框架與自動(dòng)化工具的大力開展，應(yīng)用型數(shù)據(jù)類崗位根本以集成框架為主，輔以參數(shù)調(diào)整或API調(diào)用就可實(shí)現(xiàn)整套應(yīng)用邏輯。因此對(duì)于數(shù)據(jù)分析的模型或算法，大多數(shù)學(xué)生來說做到知其然即可，而不必追求推導(dǎo)、評(píng)估、驗(yàn)證或優(yōu)化。在此根底上，調(diào)整了課堂需主講的知識(shí)點(diǎn)，其中刪除部分可作為拓展內(nèi)容由學(xué)生自學(xué)，以應(yīng)對(duì)大作業(yè)的要求〔見表1〕。

2.優(yōu)化重點(diǎn)與難點(diǎn)

統(tǒng)計(jì)學(xué)根本可分為描繪性和推論性兩部分。在首次授課過程中，考慮到為后續(xù)課程，如機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等提供統(tǒng)計(jì)根底，因此推論部分著了濃墨重彩，而描繪性部分被低估了。然而，由于機(jī)器學(xué)習(xí)的目的是泛化才能，而統(tǒng)計(jì)本身并不涉及未知數(shù)據(jù)，只強(qiáng)調(diào)擬合才能，因此機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)于統(tǒng)計(jì)這個(gè)根底，或可解釋性的根底并不過分看重，附了局部分類器，如支持向量機(jī)〔SVM〕等。同時(shí)，由于參數(shù)估計(jì)、假設(shè)檢驗(yàn)等內(nèi)容已經(jīng)在概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)課程中講過，因此推論統(tǒng)計(jì)部分并不需要過分剖析原理。

相對(duì)地，由于數(shù)據(jù)采樣、預(yù)處理與可視化是大數(shù)據(jù)分析的根底，而實(shí)際工作中，通過調(diào)用API來實(shí)現(xiàn)這些操作是經(jīng)常會(huì)遇到的，因此需要學(xué)懂、弄通并熟悉如何設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、操縱數(shù)據(jù)與清洗數(shù)據(jù)等。同時(shí)，由于面對(duì)的數(shù)據(jù)量是海量的，需要在大數(shù)據(jù)框架中培養(yǎng)統(tǒng)計(jì)思維，因此大數(shù)據(jù)采樣、探究性數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)降維等部分，需要通過課上講、案例學(xué)、課下練、網(wǎng)上追等多種渠道來加強(qiáng)。另外，課程主教材已經(jīng)調(diào)整為更適宜數(shù)據(jù)專業(yè)的國(guó)外經(jīng)典?面向數(shù)據(jù)科學(xué)家的實(shí)用統(tǒng)計(jì)學(xué)?。

3.協(xié)調(diào)先行與后續(xù)課程

?大數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)根底?授課質(zhì)量的提升，離不開先行課的根底，特別是概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)。經(jīng)過與?應(yīng)用工程數(shù)學(xué)B?相關(guān)教學(xué)團(tuán)隊(duì)溝通，已獲得了提早教授此部分的共識(shí)，以防止在統(tǒng)計(jì)學(xué)課程上大量補(bǔ)課的現(xiàn)狀。另外，也與后續(xù)課程進(jìn)展了對(duì)接，明確了統(tǒng)計(jì)學(xué)要為數(shù)據(jù)分析提供哪些支持?？傮w來講，主要是數(shù)據(jù)理解層面，包括參數(shù)比擬、相關(guān)性分析、獨(dú)立成分分析等方面。

〔二〕強(qiáng)化理論

首次授課質(zhì)量堪憂的一個(gè)重要現(xiàn)象是，計(jì)算題成為了多數(shù)學(xué)生的絆腳石。通過分析發(fā)現(xiàn)，課堂缺乏案例講解、課后缺少理論是主要問題。為此，我們提出了課堂加強(qiáng)案例教學(xué)、課后著重團(tuán)隊(duì)理論的方案。

1.豐富典型案例

以數(shù)學(xué)為支撐的統(tǒng)計(jì)學(xué)并不好學(xué)。為了方便學(xué)生深化概念理解、純熟工具運(yùn)用，豐富案例素材、提升針對(duì)性是此次理論改革的重點(diǎn)。結(jié)合任務(wù)驅(qū)動(dòng)和以學(xué)生為中心的教學(xué)方法，在根本概念主講的根底上，大力推廣案例式教學(xué)，主張點(diǎn)大于面的思想，讓學(xué)生沉浸其中，而不是大范圍的知識(shí)傳遞。面向大數(shù)據(jù)的典型案例包括人口和謀殺、觀影記錄、商品評(píng)論、重裝設(shè)備安康數(shù)據(jù)等。

2.強(qiáng)化大作業(yè)

由于?大數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)根底?學(xué)分為2.0，未設(shè)置課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，因此課后大作業(yè)對(duì)于學(xué)生動(dòng)手才能的錘煉尤為重要。在先進(jìn)教學(xué)方法，如深度學(xué)習(xí)與任務(wù)驅(qū)動(dòng)的框架下，設(shè)置了團(tuán)隊(duì)作業(yè)，比方嬰兒出生登記姓名的數(shù)據(jù)處理與可視化、觀景記錄與智能推薦數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、商品評(píng)論數(shù)據(jù)處理與垃圾識(shí)別、機(jī)床傳感器數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與故障預(yù)警等。

3.優(yōu)化理論平臺(tái)

除提升理論占比外，理論平臺(tái)也很重要。在首次授課中，數(shù)據(jù)采集、清洗與分析都綁定在R語言上，形式單一，而且與學(xué)生普遍熟知的Python差異較大。此次改革中，采用Python為主的多元化理論平臺(tái)，包括Excel、PowerBI、SPSS等。比方面向Excel的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與可視化。

〔三〕優(yōu)化教學(xué)方法

在首次授課過程中，課堂教學(xué)主要以教師主講、輔以師生互動(dòng)為主。這種方式可以最大化知識(shí)面，保證教學(xué)進(jìn)度。理論過程中，不僅描繪統(tǒng)計(jì)與推論統(tǒng)計(jì)得以全覆蓋，而且學(xué)生未及時(shí)學(xué)到的概率論根底也得以在課堂補(bǔ)充。但是由于課程側(cè)重點(diǎn)是向北京大學(xué)等科研高?？待R，因此模型、算法的討論太過深化，弱化了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也影響了課程質(zhì)量。在改革大綱與知識(shí)點(diǎn)的前提下，我們同時(shí)也研究并優(yōu)化了原有的教學(xué)方法，主要是面向案例的任務(wù)驅(qū)動(dòng)法與面向大作業(yè)的團(tuán)隊(duì)協(xié)作法〔如圖2所示〕。

作為建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的一部分，任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)強(qiáng)調(diào)問題導(dǎo)向，注重以學(xué)生為主體來構(gòu)建知識(shí)樹【7】。它的施行一般需要四個(gè)步驟，即設(shè)置情境、確定任務(wù)、自主學(xué)習(xí)、效果評(píng)價(jià)。該方法的應(yīng)用，理論上可以在課堂上讓學(xué)生在實(shí)際問題的直接驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)與探究欲望，并在問題不斷地冰消瓦解過程中獲得成就感，以激發(fā)他們的求知欲望，放大知識(shí)與才能對(duì)他們的刺激，逐步形成一個(gè)感知心智活動(dòng)的良性循環(huán)，從而培養(yǎng)出獨(dú)立探究、勇于開拓進(jìn)取的自學(xué)才能。

課外理論或大作業(yè)的形式雖然傳統(tǒng)，但是對(duì)于缺乏動(dòng)手才能與團(tuán)隊(duì)協(xié)作才能的學(xué)生來講仍然重要。特別是考慮到工業(yè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域，沒有哪個(gè)企業(yè)或個(gè)人可以在市場(chǎng)上"單打獨(dú)斗";，因此集體至上的精神、與人溝通促成協(xié)作的才能都是我們的培養(yǎng)目的。改革中，根據(jù)團(tuán)隊(duì)少而精的理念，以2-3人為一組，從擬定題目中選擇或自選統(tǒng)計(jì)題目，以分工合作方式按時(shí)保質(zhì)完成。組內(nèi)設(shè)置組長(zhǎng)一名，采用組長(zhǎng)負(fù)責(zé)制，并在考評(píng)時(shí)進(jìn)展打分互評(píng)。評(píng)估環(huán)節(jié)分為PPT報(bào)告、工程演示、個(gè)人辯論與結(jié)題報(bào)告等部分，成績(jī)計(jì)入總評(píng)。

四結(jié)語

針對(duì)數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)中統(tǒng)計(jì)學(xué)課程質(zhì)量不高的問題，本文從內(nèi)容重構(gòu)、理論加強(qiáng)與方法提升等方面，有針對(duì)性地提出了一些改革方案。新一輪的授課理論中，學(xué)生平均成績(jī)上升11個(gè)百分點(diǎn)，學(xué)生評(píng)教上升3個(gè)百分點(diǎn)，說明這些改革方法是可行且有效的。當(dāng)然，授課理論中也發(fā)現(xiàn)了一些新問題，比方個(gè)別學(xué)生興趣不高，個(gè)別團(tuán)隊(duì)協(xié)作程度不夠等，將在調(diào)查研究的根底上逐步改良。

參考文獻(xiàn)

【1】教育部.教育部關(guān)于公布2022年度普通高等學(xué)校本科專業(yè)備案和審批結(jié)果的通知

【2】耿直.大數(shù)據(jù)時(shí)代統(tǒng)計(jì)學(xué)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[J].統(tǒng)計(jì)研究,2022,34(1):5-9.

【3】高書麗,王寶花.大數(shù)據(jù)背景下經(jīng)管類專業(yè)統(tǒng)計(jì)學(xué)課程教學(xué)改革