基于案例和懸念的數(shù)據(jù)挖掘教學(xué)模式設(shè)計(jì)

鄧 娜，林 松，熊才權(quán)，肖 亮

（1.湖北工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430068；2.海軍指揮學(xué)院 戰(zhàn)略教研室，江蘇 南京 210016）

0 引 言

在大數(shù)據(jù)時(shí)代，各行各業(yè)都積累了海量的數(shù)據(jù)，如何從中發(fā)現(xiàn)隱含的豐富信息是亟待解決的問題，而數(shù)據(jù)挖掘就是解決這個(gè)問題的一大利器。為了培養(yǎng)學(xué)生對(duì)大數(shù)據(jù)的敏銳嗅覺以及分析處理海量數(shù)據(jù)的能力，湖北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院面向大四軟件工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)了數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)倉庫這門選修課程。歷屆學(xué)生的選課統(tǒng)計(jì)情況表明，學(xué)生對(duì)該課程的興趣較為濃厚，選課率通常在90%以上，但是由于各方面的因素，此課程的教學(xué)過程中存在若干問題。

1 數(shù)據(jù)挖掘課程教學(xué)現(xiàn)狀

數(shù)據(jù)挖掘是一門交叉學(xué)科，涉及數(shù)據(jù)庫、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、統(tǒng)計(jì)學(xué)等多門學(xué)科的知識(shí)和方法，解決大數(shù)據(jù)時(shí)代數(shù)據(jù)龐大但信息緊缺的問題，研究如何從海量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)其中隱藏的模式和信息，為生產(chǎn)生活提供決策支持[1]。

數(shù)據(jù)挖掘知識(shí)體系清晰固定，研究方法成熟，是一門非常適合本科計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的課程，但是由于學(xué)時(shí)限制、排課時(shí)間等，目前該課程教學(xué)過程中存在以下問題。

（1）由于是專業(yè)選修課程，數(shù)據(jù)挖掘課程理論學(xué)時(shí)只有22學(xué)時(shí)。授課教師要在22學(xué)時(shí)內(nèi)完成該課程所有主要內(nèi)容的教授，進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)進(jìn)度安排、教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)等，無疑是一種挑戰(zhàn)。

（2）由于授課對(duì)象是大四學(xué)生，他們面臨著畢業(yè)設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)、考研、就業(yè)等事務(wù)，時(shí)間緊張，選課時(shí)的濃厚興趣和學(xué)習(xí)積極性到了真正上課時(shí)常常大打折扣。選課率高，但到課率低成為歷屆學(xué)生的一個(gè)共性問題。

2 數(shù)據(jù)挖掘課程教學(xué)思考

（1）如何在較短的理論學(xué)時(shí)中完成主要內(nèi)容的教授以及如何抓住學(xué)生的興趣點(diǎn)，這兩個(gè)問題的解決需要授課教師探尋一種新的教學(xué)模式，使學(xué)生保持當(dāng)初選課時(shí)的濃厚興趣，實(shí)現(xiàn)“少”而“精”，在較“少”的學(xué)時(shí)內(nèi)掌握課程的“精華”。

（2）數(shù)據(jù)挖掘課程主要教學(xué)內(nèi)容包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘、分類挖掘、聚類挖掘、時(shí)序挖掘等[2]，章節(jié)內(nèi)容既相互關(guān)聯(lián)，又相對(duì)獨(dú)立。內(nèi)容相互關(guān)聯(lián)體現(xiàn)在：數(shù)據(jù)預(yù)處理是其他挖掘任務(wù)不可缺少的前期工作，而聚類挖掘有時(shí)又是數(shù)據(jù)預(yù)處理運(yùn)用的一種手段。此外，分類挖掘和聚類挖掘都是將數(shù)據(jù)對(duì)象劃分為不同的類別，區(qū)別在于分類挖掘是監(jiān)督式學(xué)習(xí)，聚類挖掘是無監(jiān)督式學(xué)習(xí)。教學(xué)內(nèi)容的相對(duì)獨(dú)立性體現(xiàn)在：實(shí)際應(yīng)用時(shí)，一般情況下，只面向一種類型的挖掘任務(wù)。

（3）跟軟件工程專業(yè)其他的專業(yè)課程（如軟件工程、軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件需求工程等）相比，數(shù)據(jù)挖掘課程更傾向于是一門工具類課程，學(xué)習(xí)這門課程的最終目的是將各種類型的挖掘任務(wù)應(yīng)用到實(shí)際生活中，對(duì)各行各業(yè)的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，因此，這門課程的操作性和實(shí)用性較強(qiáng)。本著“授人以魚不如授人以漁”的教育理念，教師應(yīng)當(dāng)思考怎樣有效地讓學(xué)生理論結(jié)合實(shí)際，將課程中的理論知識(shí)應(yīng)用到真實(shí)數(shù)據(jù)中，解決現(xiàn)實(shí)生活中的問題。

3 基于案例和懸念的教學(xué)模式優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘教學(xué)模式是以理論教學(xué)為主，著重于概念、公式、算法等的講解。這些理論知識(shí)過于枯燥，很難吸引學(xué)生，即使學(xué)生掌握了理論知識(shí)，在遇到實(shí)際問題時(shí)，如何應(yīng)用理論知識(shí)，也是學(xué)生較為薄弱的環(huán)節(jié)。案例教學(xué)是一種以案例為基礎(chǔ)、以問題為核心進(jìn)行教學(xué)過程組織的教學(xué)模式，有利于提高學(xué)生分析和解決問題的能力以及培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)[3]。在案例教學(xué)過程中，教師為每一章節(jié)單獨(dú)設(shè)置案例，案例貫穿每一章節(jié)始終。教師提出案例問題，引導(dǎo)學(xué)生思考，使學(xué)生在對(duì)案例進(jìn)行思考和尋求解決方案的過程中掌握概念、公式、算法等理論知識(shí)。由教師挑選的案例貼近實(shí)際問題，可以為學(xué)生以后的實(shí)踐打下基礎(chǔ)，“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，當(dāng)學(xué)生面臨真實(shí)數(shù)據(jù)需要分析挖掘時(shí)，由于已經(jīng)有了案例的鋪墊，他們能較容易地進(jìn)行知識(shí)遷移，將案例映射到實(shí)際問題中。

在整個(gè)教學(xué)過程中，為了保證學(xué)生都能保持較高的興趣和求知欲，教師可以在引入案例時(shí)設(shè)立懸念[4]。懸念需要由教師圍繞著案例精心設(shè)計(jì)，與章節(jié)主題緊密相關(guān)。通常情況下，用一些看似相互矛盾的問題或者意想不到的問題作為懸念能起到良好的效果。數(shù)據(jù)挖掘本身的任務(wù)就是從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)一些無法預(yù)料但又客觀存在的模式和規(guī)律，因此，對(duì)于數(shù)據(jù)挖掘課程而言，有比較充足的素材可以用來設(shè)立懸念。通過懸念的設(shè)立，整個(gè)教學(xué)過程中學(xué)生帶著問號(hào)學(xué)習(xí)，可以大大提高學(xué)習(xí)興趣。

4 數(shù)據(jù)挖掘課程教學(xué)示例

4.1 案例及懸念問題設(shè)計(jì)示例

表1為數(shù)據(jù)挖掘課程中與重要挖掘任務(wù)相對(duì)應(yīng)的各個(gè)章節(jié)所設(shè)置的案例及懸念問題，數(shù)據(jù)挖掘課程的相關(guān)案例及懸念問題設(shè)置均以此為模板。

表1 數(shù)據(jù)挖掘課程章節(jié)案例及懸念設(shè)計(jì)

4.2 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

以分類挖掘之貝葉斯挖掘一章為例，詳細(xì)說明基于案例和懸念的教學(xué)過程設(shè)計(jì)。貝葉斯挖掘是分類挖掘中的一種經(jīng)典挖掘方法，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的貝葉斯理論，將分類問題轉(zhuǎn)換為條件概率問題。如果單純從統(tǒng)計(jì)學(xué)概率計(jì)算公式著手教授本節(jié)內(nèi)容，學(xué)生會(huì)覺得很枯燥，學(xué)完之后，對(duì)貝葉斯理論如何運(yùn)用到分類挖掘中可能不會(huì)理解得很透徹。在基于案例和懸念的教學(xué)模式中，教師可以選擇一個(gè)非常貼近生活的案例——預(yù)測(cè)是否會(huì)購買電腦，來設(shè)計(jì)教學(xué)過程。

預(yù)測(cè)是否會(huì)購買電腦案例設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容：原始數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)著不同人的收入、年齡、是否是學(xué)生、信用等級(jí)等信息，以及他們最終是否購買電腦的事實(shí)。相應(yīng)的懸念問題是對(duì)于一個(gè)測(cè)試對(duì)象，已知他的個(gè)人相關(guān)信息，預(yù)測(cè)他是否會(huì)購買電腦，教學(xué)過程見表2。

整個(gè)教學(xué)過程被分成7個(gè)環(huán)節(jié)。

（1）案例展示。直接向?qū)W生展示案例的原始數(shù)據(jù)集，提出懸念問題。該案例非常貼近學(xué)生的生活，學(xué)生很能產(chǎn)生代入感，他們會(huì)不由自主地思考：自己也具備案例數(shù)據(jù)中的那些屬性（收入、年齡、是否是學(xué)生、信用等級(jí)），那么自己購買電腦的決定跟這些屬性相關(guān)嗎？如果相關(guān)，這么多的屬性，到底哪個(gè)或哪些屬性起決定性作用？教師提出的懸念問題讓他們迫不及待地想去探求問題的答案。

表2 貝葉斯挖掘教學(xué)過程安排

（2）案例分析。教師引導(dǎo)學(xué)生分析案例數(shù)據(jù)集，包括數(shù)據(jù)集的特點(diǎn)、懸念問題與數(shù)據(jù)集的關(guān)系等。在本案例中，帶領(lǐng)學(xué)生觀察數(shù)據(jù)集的屬性列以及各個(gè)屬性的取值范圍，引導(dǎo)學(xué)生思考懸念問題與數(shù)據(jù)集的關(guān)系。

（3）理論回顧。本案例底層的數(shù)學(xué)模型建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)的貝葉斯理論之上，學(xué)生已經(jīng)在概率論課程中學(xué)過該理論。為了幫助學(xué)生進(jìn)一步回憶知識(shí)點(diǎn)，這一環(huán)節(jié)可以采用推演的教學(xué)形式將貝葉斯理論重新復(fù)習(xí)一遍。

（4）映射案例與理論。通過前面的案例分析和相關(guān)理論的回顧，指導(dǎo)學(xué)生在案例和理論兩者之間建立橋梁。案例中為預(yù)測(cè)一個(gè)測(cè)試對(duì)象是否會(huì)購買電腦，將這個(gè)分類問題轉(zhuǎn)換為條件概率問題，利用貝葉斯定理，比較兩個(gè)條件概率的大小關(guān)系。

（5）解決懸念問題。通過條件概率問題的解決，間接地解決懸念問題。

（6）舉一反三。為了檢驗(yàn)學(xué)生是否透徹理解貝葉斯分類挖掘方法以及考查學(xué)生舉一反三的能力，用另一個(gè)全新的案例，讓學(xué)生在課堂上自己動(dòng)手做一做，教師就學(xué)生的完成情況進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。

（7）總結(jié)?？偨Y(jié)貝葉斯分類挖掘的步驟，幫助學(xué)生理清思路。歸納該分類方法的特點(diǎn)和不足，由于貝葉斯定理建立在屬性獨(dú)立的前提條件下，因此，需向?qū)W生強(qiáng)調(diào)貝葉斯分類方法使用場(chǎng)景的局限性。

5 結(jié) 語

數(shù)據(jù)挖掘課程中章節(jié)相對(duì)獨(dú)立且實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)使其非常適合使用案例式教學(xué)法，將案例和懸念結(jié)合起來設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和提高教學(xué)效果。下一步研究工作是探索數(shù)據(jù)挖掘課程實(shí)踐環(huán)節(jié)有效的教學(xué)模式。