基于案例驅(qū)動(dòng)的大數(shù)據(jù)課程教學(xué)探討

陳 潔 孫笑笑 黃彬彬

（杭州電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 浙江·杭州 310018）

0 引言

大數(shù)據(jù)是指超過(guò)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)處理能力的海量數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)技術(shù)與云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)相互融合，數(shù)據(jù)規(guī)模越來(lái)越大，增長(zhǎng)越來(lái)越快，大數(shù)據(jù)摩爾定律顯示數(shù)據(jù)量大約每?jī)赡昃湍茉鲩L(zhǎng)一倍。[1，2]大數(shù)據(jù)具有四大特征：數(shù)據(jù)規(guī)模巨大(volume)、數(shù)據(jù)類(lèi)型多樣(variety)、處理速度快(velocity)、價(jià)值密度低(value)。大數(shù)據(jù)的處理是對(duì)多種不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究，并從中提取出有價(jià)值的信息。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們思維方式也悄然變化。大數(shù)據(jù)在各行各業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用，幫助人們做出科學(xué)的決策。[3，4]相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，未來(lái)市場(chǎng)對(duì)大數(shù)據(jù)相關(guān)崗位的需求缺口達(dá)到百萬(wàn)級(jí)別。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展和相應(yīng)理論的逐漸成熟，高校大數(shù)據(jù)專(zhuān)業(yè)及課程的開(kāi)設(shè)越來(lái)越廣泛。然而，實(shí)際教學(xué)過(guò)程中卻存在難以兼顧理論知識(shí)講解和具體的案例實(shí)踐的問(wèn)題。大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用和不斷發(fā)展也促進(jìn)教師在其教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容等方面進(jìn)行不斷的改革和探索。[5]

在現(xiàn)代教學(xué)過(guò)程中，案例教學(xué)法是一種常見(jiàn)的教學(xué)方法。[6]在傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，案例教學(xué)法主張“案例分析—學(xué)生主體”的教學(xué)理念，它將現(xiàn)實(shí)生活中曾經(jīng)發(fā)生的或正在發(fā)生的事件作為教學(xué)案例引入課堂。[7]它將學(xué)生帶入案例背景中，激發(fā)學(xué)生的求知興趣從而主動(dòng)探求所需知識(shí)，發(fā)現(xiàn)實(shí)際案例中存在的問(wèn)題并運(yùn)用所學(xué)知識(shí)形成解決方案。與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比，案例教學(xué)法在培養(yǎng)學(xué)生分析案例和解決實(shí)際案例能力方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。[8]而大數(shù)據(jù)課程的教學(xué)目的正是在培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析實(shí)踐能力，使學(xué)生能夠分析和解決大數(shù)據(jù)環(huán)境下的實(shí)際案例。[9]這不僅要求學(xué)生要掌握必要的理論知識(shí)，還要求他們必須具備處理工程問(wèn)題的能力，具有一定的實(shí)踐性和高度的綜合性。[10]

由于大數(shù)據(jù)課程具有很強(qiáng)的應(yīng)用背景和實(shí)踐意義，因此，適合采用案例教學(xué)法。文章改變傳統(tǒng)的以教師為主體的講授法教學(xué)方法，研究基于案例驅(qū)動(dòng)的大數(shù)據(jù)課程的教學(xué)內(nèi)容及實(shí)施過(guò)程?；诎咐?qū)動(dòng)的大數(shù)據(jù)課程教學(xué)采用以案例作為驅(qū)動(dòng)、以教師作為主導(dǎo)、以學(xué)生做為課堂主體的教學(xué)模式。在講授大數(shù)據(jù)相關(guān)的理論知識(shí)和技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的綜合案例實(shí)踐能力。根據(jù)教學(xué)目的和教學(xué)內(nèi)容要求，運(yùn)用典型案例將學(xué)生帶入大數(shù)據(jù)知識(shí)空間，然后通過(guò)學(xué)生獨(dú)立思考或集體協(xié)作，引導(dǎo)其進(jìn)一步將所學(xué)知識(shí)擴(kuò)展應(yīng)用到實(shí)際案例中，通過(guò)解決實(shí)際問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和熱情，提高學(xué)生實(shí)踐和解決實(shí)際案例的能力。

1 課程內(nèi)容設(shè)置

在課堂中采用案例驅(qū)動(dòng)的方式，使學(xué)生掌握關(guān)系大數(shù)據(jù)分析與處理的具體步驟和方法，熟悉與各類(lèi)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和工具的結(jié)合使用，對(duì)大數(shù)據(jù)技術(shù)及應(yīng)用有一個(gè)較全面的認(rèn)識(shí)和理解?；诎咐?qū)動(dòng)教學(xué)的課程內(nèi)容設(shè)計(jì)如圖1 所示，具體可歸納為三部分：基礎(chǔ)理論、技術(shù)知識(shí)、綜合實(shí)驗(yàn)。課程設(shè)置以綜合實(shí)驗(yàn)的方式開(kāi)展，基礎(chǔ)理論與技術(shù)知識(shí)講解兩個(gè)方面同步進(jìn)行。

首先，通過(guò)大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)理論和大數(shù)據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的介紹幫助學(xué)生理解案例分析及相關(guān)技術(shù)。其中大數(shù)據(jù)理論知識(shí)包括大數(shù)據(jù)的基本概念、大數(shù)據(jù)的特征、主要應(yīng)用領(lǐng)域等，通過(guò)對(duì)大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)理論的講解讓學(xué)生了解和熟悉大數(shù)據(jù)的基本概念，幫助學(xué)生構(gòu)建大數(shù)據(jù)知識(shí)體系。同時(shí)，介紹大數(shù)據(jù)技術(shù)生態(tài)圈的各個(gè)組件和工具包括Hadoop、Spark、HBase、Hive等，讓學(xué)生能夠直觀地感受到大數(shù)據(jù)技術(shù)和發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的興趣選擇實(shí)際案例。案例的選擇應(yīng)當(dāng)與理論知識(shí)緊密相關(guān)的實(shí)際項(xiàng)目案例為基礎(chǔ)，同時(shí)要求將課程內(nèi)容所包含的各項(xiàng)能力要求以及每個(gè)能力點(diǎn)所包含的知識(shí)點(diǎn)在案例中有所體現(xiàn)。

然后，按照大數(shù)據(jù)理論知識(shí)體系和大數(shù)據(jù)案例分析的各個(gè)步驟，將大數(shù)據(jù)處理過(guò)程拆解并貫穿于整個(gè)教學(xué)過(guò)程中。具體采用分階段的教學(xué)方式，按照大數(shù)據(jù)處理的流程拆分教學(xué)階段，共包括三個(gè)階段：數(shù)據(jù)獲取與清洗、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、數(shù)據(jù)處理與分析。在各個(gè)階段，從案例的實(shí)際需求出發(fā)，通過(guò)描述案例分析的主要目的和關(guān)鍵問(wèn)題為學(xué)生講解相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，然后通過(guò)介紹案例采用的技術(shù)和方法讓學(xué)生了解對(duì)應(yīng)的技術(shù)工具。各部分的內(nèi)容包括：

（1）數(shù)據(jù)收集與清洗：介紹在數(shù)據(jù)來(lái)源廣泛、數(shù)據(jù)類(lèi)型豐富的背景下的數(shù)據(jù)采集技術(shù)和預(yù)處理技術(shù)，包括數(shù)據(jù)采集、抽取、清洗、轉(zhuǎn)換、約束、加載、檢查數(shù)據(jù)一致性，處理無(wú)效值和缺失值等。結(jié)合案例來(lái)源介紹相關(guān)技術(shù)，包括Scrapy爬蟲(chóng)框架、Python爬蟲(chóng)基礎(chǔ)、日志采集工具Flume、流式數(shù)據(jù)采集工具Kafka、遷移工具Sqoop 等。

（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理：介紹大數(shù)據(jù)面臨的存儲(chǔ)管理問(wèn)題、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)模式等。結(jié)合案例數(shù)據(jù)的特征，介紹存儲(chǔ)管理系統(tǒng)，包括分布式存儲(chǔ)HDFS、分布式列存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)HBase、大數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)Hive、分布式鍵值數(shù)據(jù)庫(kù)MongoDB 等。

（3）數(shù)據(jù)處理與分析：介紹在數(shù)據(jù)體量巨大、價(jià)值密度低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的背景下的數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)，包括靜態(tài)數(shù)據(jù)的批處理技術(shù)、在線數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)流處理技術(shù)、數(shù)據(jù)可視化技術(shù)等。并結(jié)合案例的分析目標(biāo)介紹處理模型及工具，包括分布式計(jì)算框架 MapReduce 基礎(chǔ)、SparkStreaming、SparkRDD 等。

圖1 基于案例驅(qū)動(dòng)的大數(shù)據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容

2 以案例實(shí)踐為驅(qū)動(dòng)的大數(shù)據(jù)課堂設(shè)計(jì)

在課堂設(shè)計(jì)中，實(shí)施”以教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”的自主合作探究式學(xué)習(xí)模式，將學(xué)生組成學(xué)習(xí)小組，開(kāi)展合作式學(xué)習(xí)。在課堂授課環(huán)節(jié)，以教師為主導(dǎo)設(shè)計(jì)問(wèn)題，并構(gòu)建出一定的應(yīng)用情境，學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)，對(duì)案例進(jìn)行分析和研究。案例驅(qū)動(dòng)的課堂實(shí)踐按照如圖2 所示的過(guò)程實(shí)施，主要分為示范案例和實(shí)驗(yàn)案例兩部分展開(kāi)。具體來(lái)說(shuō)分為如下步驟展開(kāi)：

首先，在案例教學(xué)中通過(guò)示范案例，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)大數(shù)據(jù)相關(guān)的基本知識(shí)和技術(shù)，幫助學(xué)生形成對(duì)大數(shù)據(jù)知識(shí)體系及其應(yīng)用的輪廓性認(rèn)識(shí)。

（1）經(jīng)典案例介紹：選擇經(jīng)典案例作為示范案例，例如，法律咨詢(xún)數(shù)據(jù)分析與服務(wù)推薦、電商產(chǎn)品評(píng)論數(shù)據(jù)情感分析、航空公司客戶價(jià)值分析、互聯(lián)網(wǎng)電影智能推薦等，能很好地向?qū)W員展示如何獲取數(shù)據(jù)、如何進(jìn)行預(yù)處理、如何建立分析模型、如何求解并展現(xiàn)結(jié)果。

（2）重點(diǎn)難點(diǎn)講解：通過(guò)對(duì)示范案例的詳細(xì)分析，解析大數(shù)據(jù)知識(shí)體系中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，從而幫助學(xué)生明確學(xué)習(xí)的目標(biāo)，理解抽象的概念。

（3）學(xué)習(xí)資源介紹：大數(shù)據(jù)這個(gè)領(lǐng)域本身正處于蓬勃發(fā)展的階段，知識(shí)更新迭代非常迅速。課堂上無(wú)法面面俱到地涉及到所有內(nèi)容。因此，在基礎(chǔ)理論講解的基礎(chǔ)上，教師鼓勵(lì)學(xué)生積極查閱資料，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的能力和興趣點(diǎn)自主學(xué)習(xí)更多相關(guān)的先進(jìn)技術(shù)。

然后，引導(dǎo)學(xué)生在示范案例的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展。讓學(xué)生在參與完成感興趣的實(shí)際的大數(shù)據(jù)案例分析任務(wù)，并在這個(gè)過(guò)程中主動(dòng)學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，深化對(duì)大數(shù)據(jù)理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)實(shí)踐能力。

（1）引導(dǎo)案例擴(kuò)展：學(xué)生在示范案例的基礎(chǔ)上，從實(shí)際生活中尋找自己感興趣的案例，如微博數(shù)據(jù)、頭條新聞數(shù)據(jù)、淘寶用戶行為數(shù)據(jù)、外賣(mài)評(píng)論數(shù)據(jù)、游戲評(píng)論數(shù)據(jù)等，以此來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)探索的學(xué)習(xí)熱情。同時(shí)，案例的選擇要求能夠覆蓋課程的知識(shí)點(diǎn)。

（2）指導(dǎo)方案設(shè)計(jì)：指導(dǎo)學(xué)生模仿經(jīng)典案例分析的過(guò)程，針對(duì)新的案例提出若干分析問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生自主探究合適的解決問(wèn)題的方案，在層層遞進(jìn)的問(wèn)題解決中，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解完成知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用。在探索這些問(wèn)題的過(guò)程中引發(fā)、維持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，給更多學(xué)生提供思考空間。在學(xué)生碰到新的問(wèn)題時(shí)，鼓勵(lì)其自主學(xué)習(xí)所需知識(shí)，使學(xué)生成為了學(xué)習(xí)的主體和發(fā)展者，提高他們運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決實(shí)際案例的能力設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

（3）組織案例實(shí)踐：以小組為單位，組織學(xué)生進(jìn)行案例實(shí)踐，幫助確定采用何種技術(shù)、模型分析數(shù)據(jù)，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行任務(wù)拆解和分工合作，引導(dǎo)學(xué)生逐步完成案例分析任務(wù)。最后，以組為單位完成分析報(bào)告，闡述案例分析任務(wù)的執(zhí)行流程、選用的技術(shù)工具和人員分工情況，給出各自的分析結(jié)果，討論方法是否合理及未來(lái)改進(jìn)建議。

圖2 案例驅(qū)動(dòng)的實(shí)施過(guò)程

該過(guò)程以案例分析任務(wù)為課程核心，要求學(xué)生在教師的指導(dǎo)和小組協(xié)作下，通過(guò)對(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)和技術(shù)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，進(jìn)行自主探索、深入思考。在這一過(guò)程中，充分發(fā)揮學(xué)生的自主能動(dòng)性，激發(fā)他們的求知欲望。

3 以案例分析實(shí)踐能力為目標(biāo)的課程考核方案

針對(duì)大數(shù)據(jù)課程在課程考核方式上只是單純以考試成績(jī)與平時(shí)成績(jī)?yōu)樵u(píng)價(jià)指標(biāo)，造成學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)出現(xiàn)突擊性的應(yīng)試學(xué)習(xí)這一問(wèn)題。因而，文章研究以案例分析實(shí)踐能力為目標(biāo)的課程考核方案。圍繞案例分析開(kāi)展教學(xué)，在整個(gè)過(guò)程中通過(guò)提煉出的若干問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生在完成每一個(gè)具體任務(wù)中，習(xí)得知識(shí)、掌握技能，能更加有效地幫助學(xué)生。不僅有效改善了傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方式中，僅依據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告和考試卷打分有失偏頗的狀況，而且能幫助每一個(gè)學(xué)生在實(shí)踐中認(rèn)識(shí)自己的優(yōu)勢(shì)與不足、明確探索過(guò)程中繼續(xù)學(xué)習(xí)與行為改進(jìn)的方向。

為了使得學(xué)生能夠投入更多的課外時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)，保證課堂上的學(xué)習(xí)和討論質(zhì)量，避免學(xué)生以突擊考試為目標(biāo)進(jìn)行應(yīng)試學(xué)習(xí)。本課程將課程教學(xué)與案例分享相結(jié)合。隨著實(shí)驗(yàn)分階段有層次地進(jìn)行，在每一階段學(xué)生需要在課堂上進(jìn)行部分成果展示，分享案例分析進(jìn)展、技術(shù)選擇方案、技術(shù)實(shí)施情況、分析結(jié)果等內(nèi)容。通過(guò)實(shí)時(shí)反饋，教師可以根據(jù)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度、對(duì)案例的理解程度等及時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)進(jìn)度和方案，以達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。同時(shí)，在課堂中讓學(xué)生一同分享不同案例可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，使得學(xué)生在相互比較和在實(shí)踐中逐步提升創(chuàng)新能力，使學(xué)生在自主學(xué)習(xí)活動(dòng)與案例任務(wù)中重新梳理知識(shí)結(jié)構(gòu)。將反饋、激勵(lì)與改進(jìn)功能統(tǒng)一于案例解決的過(guò)程之中，同時(shí)將多種技術(shù)知識(shí)有機(jī)融合與統(tǒng)整起來(lái)，最終從整體上改善整個(gè)課程的教學(xué)效果。

4 結(jié)語(yǔ)

大數(shù)據(jù)是對(duì)基礎(chǔ)理論和技術(shù)實(shí)踐要求都比較強(qiáng)的課程。而在教師引導(dǎo)下，學(xué)生為主體的案例教學(xué)在提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的實(shí)踐能力、自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)意識(shí)的形成等方面有積極租用。文章針對(duì)作者所承擔(dān)的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的大數(shù)據(jù)課程，圍繞案例分析的實(shí)踐能力的培養(yǎng)展開(kāi)，深入研究了基于案例驅(qū)動(dòng)的教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置、課堂實(shí)踐的實(shí)施模式和課程考核方法。