呂 品，于文兵，汪 鑫，王淮亭

（1. 上海電機(jī)學(xué)院 電子信息學(xué)院，上海 201306；2. 上海電機(jī)學(xué)院 工業(yè)技術(shù)中心，上海 201306）

數(shù)據(jù)挖掘挑戰(zhàn)賽驅(qū)動的本科生大數(shù)據(jù)分析能力培養(yǎng)
——以上海電機(jī)學(xué)院軟件工程專業(yè)學(xué)生為例

呂 品1，于文兵2，汪 鑫1，王淮亭1

（1. 上海電機(jī)學(xué)院 電子信息學(xué)院，上海 201306；2. 上海電機(jī)學(xué)院 工業(yè)技術(shù)中心，上海 201306）

針對大數(shù)據(jù)時代應(yīng)用型大數(shù)據(jù)人才大量短缺的問題，分析數(shù)據(jù)挖掘挑戰(zhàn)賽對培養(yǎng)學(xué)生大數(shù)據(jù)分析能力的重要作用，以上海市教委大力倡導(dǎo)的本科院校激勵計劃為切入點，以數(shù)據(jù)挖掘挑戰(zhàn)賽為驅(qū)動平臺，圍繞數(shù)據(jù)分析的核心知識，探討如何通過數(shù)據(jù)挖掘挑戰(zhàn)賽培養(yǎng)軟件工程專業(yè)學(xué)生大數(shù)據(jù)分析能力的新型軟件人才培養(yǎng)模式。

數(shù)據(jù)挖掘挑戰(zhàn)賽；大數(shù)據(jù)分析；激勵計劃

0 引 言

自2015年國務(wù)院發(fā)布《促進(jìn)大數(shù)據(jù)發(fā)展行動綱要》以來，隨著大數(shù)據(jù)政策環(huán)境和技術(shù)手段的不斷完善，大數(shù)據(jù)行業(yè)應(yīng)用持續(xù)升溫，國內(nèi)企業(yè)大數(shù)據(jù)市場進(jìn)入快速發(fā)展時期[12]。2016 年中國大數(shù)據(jù)核心產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模約為168 億元，較2015 年增速達(dá)45%[3]，并且隨著國家政策激勵以及大數(shù)據(jù)應(yīng)用模式的逐步成熟，未來幾年中國大數(shù)據(jù)市場仍將保持快速增長趨勢。越來越多的企業(yè)已經(jīng)從大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用中獲得了更智能的決策、更高的運(yùn)營效率、更有效的風(fēng)險管理、更多的業(yè)務(wù)收入等諸多利益，盡管如此，幾乎所有企業(yè)還是一致認(rèn)為大數(shù)據(jù)的應(yīng)用仍存在諸多障礙，如企業(yè)的隱私保護(hù)、數(shù)據(jù)權(quán)屬、數(shù)據(jù)資源短缺以及大數(shù)據(jù)人才短缺，其中大數(shù)據(jù)人才短缺是公認(rèn)的最主要問題[4]。因此，在大數(shù)據(jù)時代背景下，培養(yǎng)學(xué)生的大數(shù)據(jù)分析能力尤為重要。

1 數(shù)據(jù)分析能力的重要性

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”應(yīng)用的普及，人們獲取數(shù)據(jù)的途徑變得更加方便，獲得的數(shù)據(jù)量也呈爆炸性增長。如何從這些種類繁多、更新速度快的海量數(shù)據(jù)中挖掘出有價值的信息，是每一個把數(shù)據(jù)視為資產(chǎn)的企業(yè)的頭等大事，因此在大數(shù)據(jù)時代，軟件工程專業(yè)人才不僅需要有扎實的程序設(shè)計能力和計算機(jī)學(xué)科的基礎(chǔ)知識，還需要具備大數(shù)據(jù)思維與分析能力。若能在軟件人才培養(yǎng)過程中，有意識地注重培養(yǎng)學(xué)生以上兩方面的能力，則這樣的軟件人才不僅能應(yīng)對計算機(jī)技術(shù)在跨領(lǐng)域中的交叉應(yīng)用，還能有效緩解當(dāng)前大數(shù)據(jù)人才需求與供給極度不平衡的問題。

2 數(shù)據(jù)分析能力必備的核心知識

雖然大數(shù)據(jù)分析的理論內(nèi)涵與外延以及應(yīng)用層面的創(chuàng)新層出不窮，人工智能等炙手可熱的技術(shù)成為大數(shù)據(jù)高端人才出奇制勝的“法寶”，但是在本科學(xué)習(xí)階段培養(yǎng)軟件工程專業(yè)學(xué)生的大數(shù)據(jù)分析能力，仍須制訂核心課程和學(xué)生應(yīng)了解的外圍知識體系。針對軟件工程專業(yè)目前實施的培養(yǎng)方案中并沒有涉及培養(yǎng)學(xué)生大數(shù)據(jù)分析能力相關(guān)課程的問題，一方面，可以利用課外學(xué)時開設(shè)機(jī)器學(xué)習(xí)課程，讓學(xué)生掌握數(shù)據(jù)分析的常用機(jī)器學(xué)習(xí)算法；另一方面，要求學(xué)生利用課余時間了解常用的大數(shù)據(jù)開發(fā)技術(shù)以及如何在大數(shù)據(jù)平臺上對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲與處理，采用理論與應(yīng)用相結(jié)合的方式，力圖使應(yīng)用型大數(shù)據(jù)人才在培養(yǎng)方案之外的學(xué)習(xí)中具有持續(xù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)。

3 方法調(diào)研

為適應(yīng)大數(shù)據(jù)時代的需求，國內(nèi)許多應(yīng)用型本科院校紛紛啟動大數(shù)據(jù)背景下相關(guān)專業(yè)的課程體系重構(gòu)、教學(xué)方法與方式改革、數(shù)據(jù)科學(xué)或大數(shù)據(jù)專業(yè)培養(yǎng)計劃制訂等措施，以期培養(yǎng)應(yīng)用型大數(shù)據(jù)人才，提高高校對相關(guān)人才的輸出能力，解決大數(shù)據(jù)人才的需求瓶頸。例如，貴州師范學(xué)院領(lǐng)跑大數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)，首屆大數(shù)據(jù)專業(yè)本科畢業(yè)實習(xí)已經(jīng)啟動[4]；重慶工程學(xué)院的應(yīng)用型智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)根據(jù)大數(shù)據(jù)應(yīng)用人才的崗位需求和其所必備的專門知識結(jié)構(gòu)，提出基于崗位目標(biāo)的大數(shù)據(jù)課程群建設(shè)，學(xué)生對該試點的開展產(chǎn)生濃厚興趣[5]；常州工學(xué)院、云南大學(xué)等高校的計算機(jī)專業(yè)為培養(yǎng)出符合企業(yè)單位需求的大數(shù)據(jù)設(shè)計與管理人才，在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的教學(xué)內(nèi)容和實驗設(shè)計中構(gòu)建新的大數(shù)據(jù)知識結(jié)構(gòu)體系、大數(shù)據(jù)的設(shè)計方法和開發(fā)工具[67]；華南農(nóng)業(yè)大學(xué)軟件學(xué)院立足于大數(shù)據(jù)時代對計算機(jī)學(xué)科人才知識結(jié)構(gòu)、能力結(jié)構(gòu)以及整體素質(zhì)的要求，密切加強(qiáng)校企在大數(shù)據(jù)方面的合作，力圖通過教學(xué)團(tuán)隊、課程教材、教學(xué)方式、教學(xué)管理等環(huán)節(jié)的綜合改革，實現(xiàn)培養(yǎng)具備堅實的數(shù)據(jù)科學(xué)基礎(chǔ)、具有較強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理實踐應(yīng)用能力的計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專門人才[8]；西華師范大學(xué)、湖南商學(xué)院、廣東第二師范學(xué)院等院校積極探索在大數(shù)據(jù)時代背景下，培養(yǎng)既具備前沿軟件工程思想，又具備大數(shù)據(jù)分析與處理能力的軟件人才的模式[911]；湖南科技大學(xué)電氣工程及自動化專業(yè)以智能電網(wǎng)為背景，從電氣專業(yè)大數(shù)據(jù)人才需求特點出發(fā)，探討智能電網(wǎng)應(yīng)用型大數(shù)據(jù)人才的培養(yǎng)目標(biāo)、課程體系和培養(yǎng)方案[12]。

以上各高校積極探索的應(yīng)用型大數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)模式雖然取得了一定的成果，但都忽視了大數(shù)據(jù)競賽在人才培養(yǎng)過程中所發(fā)揮的重要作用，因此，在培養(yǎng)軟件工程專業(yè)學(xué)生的大數(shù)據(jù)分析能力時，我們采用了大數(shù)據(jù)競賽驅(qū)動的方法。近年來，許多著名機(jī)構(gòu)和企業(yè)紛紛舉辦各種大數(shù)據(jù)競賽，目的是發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)人才，嘗試創(chuàng)新大數(shù)據(jù)技術(shù)，改善大數(shù)據(jù)技術(shù)在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中的技術(shù)問題。大數(shù)據(jù)競賽的最大特點：①題目均來自于實際應(yīng)用；②競賽規(guī)格越高，獲獎參賽者的獎金越高。大數(shù)據(jù)競賽可以激勵和引導(dǎo)許多在校大學(xué)生組隊參賽并協(xié)作創(chuàng)新，相應(yīng)地促進(jìn)其在參賽過程中利用大數(shù)據(jù)相關(guān)知識解決真實的業(yè)務(wù)和社會問題。

4 方法實施

4.1 激勵計劃與學(xué)科競賽對接

針對軟件工程專業(yè)學(xué)生的學(xué)業(yè)基礎(chǔ)，結(jié)合對大數(shù)據(jù)相關(guān)競賽官方網(wǎng)站的了解，我們以全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽委員會舉辦的全國“泰迪杯”數(shù)據(jù)挖掘挑戰(zhàn)賽為大數(shù)據(jù)競賽平臺，擬通過激勵計劃與學(xué)科競賽的對接，依托該競賽培養(yǎng)學(xué)生利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，積累數(shù)據(jù)分析的相關(guān)經(jīng)驗。

激勵計劃是上海市教委推出的一項旨在激發(fā)上海高校教師從事本科教育教學(xué)動力和能力的教學(xué)提升計劃。激勵計劃主要通過開展坐班答疑和晚自習(xí)輔導(dǎo)兩種形式，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)校進(jìn)行教育教學(xué)改革，強(qiáng)化本科教學(xué)的中心地位，通過鼓勵大學(xué)生參加各類學(xué)科競賽和科學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動，最終全面提升本科教學(xué)質(zhì)量，切實提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。機(jī)器學(xué)習(xí)課程常常是計算機(jī)相關(guān)專業(yè)研究生階段學(xué)習(xí)的課程，由本科生自學(xué)具有一定難度。為了通過數(shù)據(jù)挖掘挑戰(zhàn)賽平臺培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力，在競賽準(zhǔn)備階段與競賽過程中，我們充分利用激勵計劃的時間組織學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器學(xué)習(xí)課程。

4.2 數(shù)據(jù)分析基本功訓(xùn)練

以數(shù)據(jù)挖掘挑戰(zhàn)賽為驅(qū)動的本科生數(shù)據(jù)分析基本功訓(xùn)練主要在沒有競賽任務(wù)的學(xué)習(xí)過程中開展。一方面，充分利用晚自習(xí)輔導(dǎo)時間，以教師講解機(jī)器學(xué)習(xí)算法為主，學(xué)生聽講為輔；另一方面，通過每周布置一項實驗任務(wù)，教師利用坐班答疑時間檢查學(xué)生的任務(wù)完成情況和對算法的掌握情況。以樸素貝葉斯算法為例，訓(xùn)練學(xué)生實現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)分析的基本功的步驟如下。

1）獲取數(shù)據(jù)源。

擁有真實的數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)分析才具有實際意義，學(xué)生才能從自己分析的結(jié)果中真實地體會到數(shù)據(jù)背后隱藏的信息。針對樸素貝葉斯算法，可要求學(xué)生編寫Python程序，從指定網(wǎng)站上抓取iPhone 7與華為榮耀V8系列兩種品牌手機(jī)的消費者評論。布置這項實驗任務(wù)的目的是要求學(xué)生：①掌握數(shù)據(jù)采集的技能；②掌握文本分詞、向量空間模型的建立、文本的表示以及文本數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法，為文本數(shù)據(jù)的挖掘分析奠定基礎(chǔ)。

2） 指定具體數(shù)據(jù)分析任務(wù)。

針對學(xué)生在天貓商城品牌官方旗艦店爬取的10 000條文本數(shù)據(jù)，要求學(xué)生分析兩種品牌手機(jī)的差異化和消費者的購買行為。布置這項實驗任務(wù)的目的是要求學(xué)生：①掌握Python中用于數(shù)據(jù)分析的pandas包；②掌握Python中用于可視化分析結(jié)果的matplotlib包，為實現(xiàn)利用樸素貝葉斯算法對評論進(jìn)行情感極性分析奠定基礎(chǔ)。

3）用樸素貝葉斯算法預(yù)測評論的情感極性。

首先，要求學(xué)生仔細(xì)閱讀獲取的10 000條評論，并對每一篇評論進(jìn)行情感極性（褒貶）標(biāo)注。一方面，利用這項任務(wù)讓學(xué)生掌握在訓(xùn)練一個機(jī)器學(xué)習(xí)算法時，什么是訓(xùn)練集；另一方面，讓學(xué)生真正理解樸素貝葉斯算法為什么是一個監(jiān)督學(xué)習(xí)算法。

其次，要求學(xué)生運(yùn)用分詞技術(shù)和向量空間模型對每一篇評論進(jìn)行向量化，形成訓(xùn)練樸素貝葉斯算法的輸入；再從10 000條評論中隨機(jī)抽取80%的評論作為訓(xùn)練集，選擇多項式模型或者伯努利模型實現(xiàn)樸素貝葉斯算法，并對樸素貝葉斯的參數(shù)進(jìn)行估計。

第三，從20%的測試集中隨機(jī)選擇任意一篇評論作為預(yù)測文本，要求學(xué)生觀察預(yù)測結(jié)果與標(biāo)注的真實結(jié)果是否相同；以準(zhǔn)確率、召回率以及F值作為評價指標(biāo)，分析模型的預(yù)測準(zhǔn)確率。

最后，學(xué)生以科技論文的形式，從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、算法的原理、利用算法進(jìn)行挖掘分析、分析結(jié)果的可視化等環(huán)節(jié)，展示完成的實驗任務(wù)。這種以實驗任務(wù)驅(qū)動數(shù)據(jù)分析基本功訓(xùn)練的方式，采用循序漸進(jìn)的問題求解方法，教師的主要工作是向?qū)W生傳授機(jī)器學(xué)習(xí)算法的原理，幫助學(xué)生定義問題，輔助學(xué)生完成數(shù)據(jù)分析任務(wù)和總結(jié)評價；學(xué)生則通過完成數(shù)據(jù)分析各階段的教學(xué)活動，得到數(shù)據(jù)思維方法訓(xùn)練，培養(yǎng)大數(shù)據(jù)分析能力。

4.3 數(shù)據(jù)分析實戰(zhàn)訓(xùn)練

數(shù)據(jù)分析實踐訓(xùn)練是在競賽舉辦方公布競賽題目之后，教師利用晚自習(xí)輔導(dǎo)時間組織學(xué)生展開選題討論、組長任命、任務(wù)安排、資料查閱、進(jìn)度管理等多項工作，以3人團(tuán)隊合作的形式完成競賽題目要求，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析的實戰(zhàn)演練。以學(xué)生參加第五屆全國“泰迪杯”數(shù)據(jù)挖掘挑戰(zhàn)賽為例，通過實戰(zhàn)訓(xùn)練學(xué)生數(shù)據(jù)分析能力的過程如下。

數(shù)據(jù)分析實戰(zhàn)訓(xùn)練采取集中討論、進(jìn)度匯報與現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用3個環(huán)節(jié)。其中，每周晚自習(xí)輔導(dǎo)是集中討論時間，討論內(nèi)容由3部分構(gòu)成：①每位學(xué)生講解自己對賽題的理解，教師記錄并聽取學(xué)生的思路；②教師從學(xué)生的講解中選定某一主題，由學(xué)生自由討論，教師記錄討論情況；③針對討論過程中形成的問題，教師發(fā)問、學(xué)生解答，最終形成對某一問題的解決方案。學(xué)生通過課外查閱相關(guān)資料，在集中討論環(huán)節(jié)積極發(fā)表自己的觀點，不僅可以有效培養(yǎng)查閱文獻(xiàn)資料的能力，還能訓(xùn)練分析問題與解決問題的邏輯思維能力。

每周坐班答疑時間，由學(xué)生向教師匯報各自負(fù)責(zé)任務(wù)的完成情況，以便教師及時了解學(xué)生編寫的程序是否真正反映學(xué)生對問題的正確理解。這一環(huán)節(jié)在數(shù)據(jù)分析實戰(zhàn)訓(xùn)練中十分重要，如在今年的賽題B“中央空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析與控制策略”的挖掘與分析中，從討論環(huán)節(jié)來看，似乎每位學(xué)生都掌握了k-means聚類算法的原理，但是在學(xué)生的匯報環(huán)節(jié)，通過程序的運(yùn)行結(jié)果發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生并沒有真正理解如何通過正確的計算判斷樣本的相似性。因此，匯報環(huán)節(jié)能及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生在實戰(zhàn)訓(xùn)練環(huán)節(jié)中存在的問題，有效管理競賽進(jìn)度。

一般情況下，平時學(xué)習(xí)到的方法和技術(shù)有時并不能用于解決賽題的所有任務(wù)問題，因此，現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用環(huán)節(jié)也是數(shù)據(jù)分析實戰(zhàn)中一個重要組成部分。賽題B“中央空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析與控制策略”中涉及優(yōu)化策略的分析，而平時的數(shù)據(jù)分析訓(xùn)練中，學(xué)生并沒有學(xué)習(xí)優(yōu)化算法，因此在競賽過程中，由于競賽時間有限，基于學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及各種不同優(yōu)化算法的理解難易程度，本次競賽的優(yōu)化策略選用了遺傳算法。在學(xué)習(xí)完遺傳算法的思想并利用它解決競賽任務(wù)之前，先要求學(xué)生利用遺傳算法實現(xiàn)簡單實例的優(yōu)化，以正確理解遺傳算法的實現(xiàn)原理，再分析賽題B的具體要求，選用合適的二進(jìn)制編碼方式、最佳適應(yīng)度函數(shù)、變異概率等?，F(xiàn)學(xué)現(xiàn)用環(huán)節(jié)要求學(xué)生在較短時間內(nèi)運(yùn)用某一算法解決實際應(yīng)用，可以有效檢驗學(xué)生查閱文獻(xiàn)資料的能力、熟練運(yùn)用Python的編程能力以及靈活應(yīng)變能力，對培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才具有極大的幫助。

4.4 基本功訓(xùn)練與實戰(zhàn)訓(xùn)練比較

數(shù)據(jù)分析的基本功訓(xùn)練和實戰(zhàn)訓(xùn)練既相互聯(lián)系，又有所區(qū)別。相同點是基本功訓(xùn)練和實戰(zhàn)訓(xùn)練都需要學(xué)生利用數(shù)據(jù)分析的知識完成數(shù)據(jù)分析任務(wù)；不同點是基本功訓(xùn)練過程中所使用的數(shù)據(jù)通常是已有的公開數(shù)據(jù)集，這些數(shù)據(jù)集都是經(jīng)過預(yù)處理的“干凈”數(shù)據(jù)，然而在實戰(zhàn)訓(xùn)練中，學(xué)生接觸的實際應(yīng)用問題往往包含許多“噪音”的“臟”數(shù)據(jù)，需要學(xué)生根據(jù)實際問題的需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗。另外，基本功訓(xùn)練通常是給定算法解決一個實際問題，而實戰(zhàn)訓(xùn)練常常需要學(xué)生根據(jù)實際問題選擇算法。因此，實踐訓(xùn)練更能考查學(xué)生對每一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法的特點以及應(yīng)用場景是否深入了解，如在閱讀完賽題B“中央空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析與控制策略”的數(shù)據(jù)集后，要求學(xué)生分析已學(xué)習(xí)過的幾種機(jī)器學(xué)習(xí)算法特點與它們最適合的應(yīng)用場景，然后結(jié)合賽題要求，采用排除法，找到合理解決方法。

在培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)分析能力的過程中，數(shù)據(jù)分析的基本功訓(xùn)練和實戰(zhàn)訓(xùn)練相輔相成，缺一不可?；竟τ?xùn)練能培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力；實戰(zhàn)訓(xùn)練不僅能培養(yǎng)學(xué)生分析與解決問題的能力、競爭意識與合作精神，還能使學(xué)生增長見識、提高綜合素質(zhì)。

5 結(jié) 語

大數(shù)據(jù)的發(fā)展和應(yīng)用催生了社會對應(yīng)用型大數(shù)據(jù)人才的需求。在教學(xué)過程中，通過采用基于激勵計劃與學(xué)科競賽對接的教學(xué)模式以及任務(wù)驅(qū)動的“基本功訓(xùn)練——實戰(zhàn)訓(xùn)練”，促進(jìn)學(xué)生對數(shù)據(jù)分析知識的融會貫通，潛移默化地推進(jìn)學(xué)生數(shù)據(jù)思維的形成。學(xué)生通過數(shù)據(jù)挖掘挑戰(zhàn)賽夯實了自己的專業(yè)功底，通過獲獎成績也證明了分析與解決問題的能力和創(chuàng)新能力，為將來就業(yè)和進(jìn)一步深造奠定了堅實的基礎(chǔ)。

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1672-5913(2017)11-0036-04

G642

上海市教育科學(xué)研究項目“基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)研究”（C17014/17AR04）；上海電機(jī)學(xué)院重點教研教改項目“大數(shù)據(jù)競賽對應(yīng)用型大數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)作用的研究”（A1-0224-17-009-05）。

呂品，女，副教授，研究方向為數(shù)據(jù)挖掘、情感分析，lvp@sdju.edu.cn。

（編輯：宋文婷）