數(shù)據(jù)分析人才驅(qū)動的軟件工程試點專業(yè)本科生計算思維能力培養(yǎng)方法研究

呂品　陳年生　王淮亭

摘要：針對軟件工程試點專業(yè)本科生理論與實踐結(jié)合能力薄弱以及系統(tǒng)能力培養(yǎng)沒有引起教師足夠重視的問題，提出計算思維能力是高層次數(shù)據(jù)分析人才必備的重要素質(zhì)，并闡述如何在算法類課程的教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，為區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展輸送合格的應(yīng)用型人才奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)分析人才；軟件工程專業(yè)；計算思維能力；正情緒

0引言

Web技術(shù)的飛速發(fā)展產(chǎn)生了海量的用戶生成內(nèi)容，大量信息蘊藏其中，是潛在用戶決策支持的有價值資源。如何挖掘海量用戶生成內(nèi)容催生了數(shù)據(jù)分析人才的市場需求。麥肯錫全球研究院報告預(yù)計，美國在2018年數(shù)據(jù)分析人才缺口將達到50%～60%，甚至可能更大。我國政府提出的“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃，使得數(shù)據(jù)幾乎滲透到每一個行業(yè)和業(yè)務(wù)職能領(lǐng)域。在大數(shù)據(jù)時代，具有豐富經(jīng)驗的數(shù)據(jù)分析人才需求倍增。

1數(shù)據(jù)分析人才必備的重要素質(zhì)

數(shù)據(jù)分析人才能對行業(yè)已有數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析、預(yù)測，能為企業(yè)經(jīng)營決策提供科學(xué)量化的分析依據(jù)。2007年，復(fù)旦大學(xué)首先在國內(nèi)開始培養(yǎng)數(shù)據(jù)分析人才，隨后香港中文大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等高等院校也相繼開設(shè)了相關(guān)課程。分析上述高校人才培養(yǎng)計劃可知，數(shù)據(jù)分析人才應(yīng)該系統(tǒng)地掌握數(shù)據(jù)分析相關(guān)技能（主要包括數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、數(shù)據(jù)分析、商業(yè)分析和自然語言處理等），應(yīng)具有較寬的知識面、獨立獲取知識的能力及較強的實踐能力和創(chuàng)新意識，是一種復(fù)合型專業(yè)人才。《中國大數(shù)據(jù)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》在數(shù)據(jù)人才一章中明確指出，數(shù)據(jù)分析人才的培養(yǎng)要從本科階段開始，要注重運用算法分析問題、解決問題，由此可見，計算思維能力是數(shù)據(jù)分析人才必須具備的重要素質(zhì)之一。

2計算思維能力培養(yǎng)現(xiàn)狀

自2002年以來，我國計算機教育專家將計算思維能力歸結(jié)為計算機專業(yè)人才必備的4大專業(yè)基本能力，并且強調(diào)計算思維能力是其他3項能力（算法設(shè)計與分析、程序設(shè)計與實現(xiàn)以及系統(tǒng)能力）的基石。那么，如何在大數(shù)據(jù)時代背景下，依托應(yīng)用型本科軟件工程試點專業(yè)建設(shè)，培養(yǎng)軟件工程專業(yè)學(xué)生的計算思維能力，為社會輸送高質(zhì)量數(shù)據(jù)分析人才？計算思維能力的強弱主要表現(xiàn)為學(xué)生能否正確運用抽象與分解、遞歸、啟發(fā)式等方法解決計算求解問題。訓(xùn)練學(xué)生的計算思維能力可在算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及算法設(shè)計與分析課程（以下簡稱算法類課程）的教學(xué)中進行，因而算法類課程是本科階段培養(yǎng)數(shù)據(jù)分析人才的重要課程。

然而，在算法類課程的實際教學(xué)過程中，存在兩個較為常見的問題：

（1）學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力薄弱。學(xué)生要達到靈活運用算法解決實際問題，必須掌握算法的核心思想，但由于算法類課程中許多概念抽象，一些經(jīng)典算法較為復(fù)雜，在這兩門課程的學(xué)習(xí)和實踐中，能體會到理論學(xué)習(xí)意義和動手實踐樂趣的學(xué)生很少。

（2）系統(tǒng)能力培養(yǎng)沒有受到教師的足夠重視。由于算法類課程相關(guān)的綜合設(shè)計課內(nèi)學(xué)時少，教師無法引導(dǎo)學(xué)生從系統(tǒng)的角度認知綜合設(shè)計，并對其進行分析、開發(fā)與應(yīng)用。

由此可見，在算法類課程的現(xiàn)有教學(xué)環(huán)節(jié)中，訓(xùn)練學(xué)生計算思維能力的機會較少，必須結(jié)合當前數(shù)據(jù)分析人才市場需求的發(fā)展趨勢，重新審視算法類課程的定位和內(nèi)容，以達到夯實學(xué)生計算思維能力的目的。

3在算法類課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力的方法

從整體上，一個較高層次的數(shù)據(jù)分析人才應(yīng)該掌握7大版塊的知識結(jié)構(gòu)，分別是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)展現(xiàn)以及數(shù)據(jù)應(yīng)用。以數(shù)據(jù)分析人才驅(qū)動為導(dǎo)向，培養(yǎng)軟件工程專業(yè)學(xué)生計算思維能力的算法類教學(xué)方法主要是把算法類課程中算法分析與設(shè)計的思想融入數(shù)據(jù)分析中，用數(shù)據(jù)分析中的實際需求驅(qū)動學(xué)生學(xué)習(xí)書本上抽象的理論知識。以7大版塊中最重要的數(shù)據(jù)挖掘版塊作為載體，在算法類課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力。

3.1基于實際數(shù)據(jù)分析任務(wù)的實驗項目設(shè)計

目前，國際權(quán)威學(xué)術(shù)組織IEEE International Conference on Data Mining（ICDM）已評選出數(shù)據(jù)挖掘的10大經(jīng)典算法：C4.5、k-means、SVM、Apriori、EM、PageRank、AdaBoost、kNN、Navie Bayes和CART。在教學(xué)過程中，可以根據(jù)不同類型的應(yīng)用問題，結(jié)合這些經(jīng)典數(shù)據(jù)挖掘算法布置實驗任務(wù)，對每一實驗任務(wù)制定實現(xiàn)該任務(wù)的實驗?zāi)康?、實驗要求、實驗?nèi)容、實驗步驟和預(yù)期實驗結(jié)果，讓學(xué)生清晰地理解并實現(xiàn)這些實驗任務(wù)。

以2013級軟件工程專業(yè)學(xué)生參加中國好創(chuàng)意的“互聯(lián)網(wǎng)情緒指標和生豬價格的關(guān)聯(lián)關(guān)系挖掘和預(yù)測”為例，說明實驗項目的設(shè)計。

（1）實驗?zāi)康模横槍碜試鴥?nèi)互聯(lián)網(wǎng)的生豬歷年消費者情緒數(shù)據(jù)，挖掘消費者情緒指標和生豬價格之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

（2）實驗要求：采用Apriori算法，對近期國內(nèi)五花肉價格及生豬價格進行預(yù)測。

（3）實驗內(nèi)容及步驟：首先，對原始的生豬數(shù)據(jù)清洗是分析消費者情緒與生豬價格之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系的第一個階段，其目的是刪除無關(guān)數(shù)據(jù)；其次，統(tǒng)計與消費者正面情緒或消費者負面情緒同時出現(xiàn)的相關(guān)指標，并根據(jù)自定義的最小支持度閾值獲得正面情緒或負面情緒的頻繁項集；最后，根據(jù)自定義的置信度對獲得的頻繁項集進行篩選，得到有意義的頻繁項集。

（4）預(yù)期實驗結(jié)果：解讀最終得到的頻繁項集，將挖掘的結(jié)果反饋到生豬養(yǎng)殖戶，讓其掌握生豬市場的供求關(guān)系。

個別有能力的學(xué)生還可以對以上內(nèi)容進行拓展，從互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)中找出其他一些具有參考價值的生豬價格預(yù)測先導(dǎo)指標。

實驗任務(wù)的編碼完成后，還要求學(xué)生從軟件開發(fā)的角度撰寫規(guī)范的項目報告，內(nèi)容包括項目的需求分析、總體設(shè)計、詳細設(shè)計、編碼與測試等。教師可通過報告清楚了解學(xué)生是否有良好的計算思維能力。針對計算思維能力薄弱的學(xué)生，教師可以再布置另外的實驗項目讓其訓(xùn)練。例如，在“互聯(lián)網(wǎng)情緒指標和生豬價格的關(guān)聯(lián)關(guān)系挖掘和預(yù)測”實踐項目中，要求項目報告中有目標場景、需求理解、方案創(chuàng)意說明、模型數(shù)據(jù)選取、數(shù)據(jù)分析、算法設(shè)計、實驗設(shè)計、結(jié)果分析、原型系統(tǒng)介紹等。

3.2算法類課程教學(xué)內(nèi)容拓展

由于本科階段算法類課程的教學(xué)內(nèi)容只涉及完成基于實際數(shù)據(jù)分析任務(wù)的基礎(chǔ)知識，不包括數(shù)據(jù)挖掘算法，這就需要教師在算法類課程中拓展教學(xué)內(nèi)容。因此，在教學(xué)過程中需要將經(jīng)典的數(shù)據(jù)挖掘算法與算法類課程的理論知識巧妙融合。為此，教師需要詳細分析實現(xiàn)每個數(shù)據(jù)分析任務(wù)需要的基本理論知識，然后按照書本相關(guān)內(nèi)容的先后順序串聯(lián)起來并編寫授課計劃，體現(xiàn)算法類課程精華內(nèi)容與實際數(shù)據(jù)分析任務(wù)的融合。為了保證學(xué)生對數(shù)據(jù)挖掘算法的深入理解，需要鼓勵其利用課余時間廣泛查閱相關(guān)資料，進行自主學(xué)習(xí)。

在2013級軟件工程專業(yè)學(xué)生參加中國好創(chuàng)意的“互聯(lián)網(wǎng)情緒指標和生豬價格的關(guān)聯(lián)關(guān)系挖掘和預(yù)測”競賽中，指導(dǎo)教師們利用課外時間給學(xué)生講解關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法的思想、原理、特點等。學(xué)生在學(xué)習(xí)關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法的過程中進一步掌握了遞歸與分治思想、回溯法思想；理解了樹型存儲結(jié)構(gòu)對關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法性能的改進。通過這樣的實踐，參賽學(xué)生完成的作品清晰展示了他們在學(xué)習(xí)算法類課程中培養(yǎng)的計算思維能力。

3.3計算思維能力培養(yǎng)的跟蹤

為了改進軟件工程學(xué)生計算思維能力培養(yǎng)中可能存在的問題，收集應(yīng)用于13級軟件工程專業(yè)學(xué)生的實驗項目、授課計劃、項目報告、算法類課程的理論成績與實踐成績。通過跟蹤他們畢業(yè)設(shè)計的完成情況，分析曾在算法類課程上得到較好計算思維能力培養(yǎng)的學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計情況，檢驗提出的方法。由于本研究的對象還沒有進入畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)，故只進行算法類課程的理論成績與基于實際數(shù)據(jù)分析任務(wù)的實驗項目完成情況的分析。通過兩門課程期末考試成績可以看出，認真完成實驗項目的學(xué)生理論考試成績普遍高于不認真的學(xué)生，這充分說明基于實際數(shù)據(jù)分析任務(wù)的實驗項目能有效改進目前算法類教學(xué)課程中存在的問題。

此外，還準備通過學(xué)院學(xué)生管理部門跟蹤2013級軟件工程專業(yè)學(xué)生的就業(yè)情況和用人單位的反饋意見，了解學(xué)生的專業(yè)能力，及時修改計算思維能力的培養(yǎng)方法，為探索應(yīng)用型本科軟件工程試點專業(yè)建設(shè)提供有力支撐。

3.4充分利用移動平臺

為了讓學(xué)生充分體驗到算法類課程學(xué)習(xí)的成就感，在算法類教學(xué)過程中，要求學(xué)生以3～5人一組，形成一個團隊，開發(fā)算法類課程教學(xué)App。該App的功能模塊主要有算法類課程的教學(xué)資源、10種經(jīng)典的數(shù)據(jù)挖掘算法講解教案、基于數(shù)據(jù)分析任務(wù)的實驗項目、學(xué)生作品展示區(qū)和交流區(qū)。課程結(jié)束后，學(xué)生對每一個團隊開發(fā)的App進行互評，最終選用得分最高的課程教學(xué)App為下屆的學(xué)生使用。由于有了這樣的平臺，教師和學(xué)生的溝通變得更加方便與及時，學(xué)生對算法類課程的學(xué)習(xí)不再受時空的限制。在移動終端普及的情況下，這種教學(xué)模式一方面能讓學(xué)生充分利用課余時間，另一方面能營造一種學(xué)生之間良性競爭的學(xué)習(xí)氛圍。盡管教學(xué)App的開發(fā)是學(xué)生計算思維能力培養(yǎng)的副產(chǎn)品，但也正是這種副產(chǎn)品給學(xué)生帶來的成就感讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中充滿了正情緒，讓計算思維能力的培養(yǎng)成為一個潛移默化的過程。

4結(jié)語

以數(shù)據(jù)挖掘為載體的本科生計算思維能力培養(yǎng)涵蓋了算法類課程中理論知識的拓展學(xué)習(xí)、實際數(shù)據(jù)分析任務(wù)的項目實踐以及課堂之外學(xué)生對應(yīng)用軟件系統(tǒng)的開發(fā)。這種以數(shù)據(jù)分析人才驅(qū)動的計算思維能力培養(yǎng)方法重在以實際數(shù)據(jù)分析任務(wù)為主線，依托算法類課程教學(xué)內(nèi)容的拓展，通過實踐促進理論學(xué)習(xí)，通過人才的實際需求充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生在正情緒的狀態(tài)下快樂地享受計算思維能力培養(yǎng)的過程，以達到培養(yǎng)應(yīng)用型專業(yè)人才的目的。

（編輯：郭田珍）