基于VIP模式的數(shù)據(jù)挖掘課程的教學模式探究

婁鑫坡 何宗耀

（河南城建學院計算機與數(shù)據(jù)科學學院 河南平頂山 467036）

VIP是vertically-integrated project program的 英 文 縮寫，即為垂直整合項目，是一種項目課程模式。VIP項目借鑒了美國VIP項目[1-3]的核心理念，并結(jié)合我們國家高等教育發(fā)展的實際情況形成了具有本土化特色的VIP課程項目模式。著眼企業(yè)對于人才需求的實際情況，創(chuàng)造平臺并輔導和幫助學生盡可能在踏入人力資源市場前通過真實的項目經(jīng)驗提高自身的綜合素質(zhì)和競爭力。VIP課程項目模式旨在克服高等教育實施創(chuàng)新教育的三大障礙：學科碎片化、時間碎片化和任務碎片化。學科碎片化是由于高校院系嚴格按照學科劃分，不同專業(yè)的學生很少有機會進行有組織的學術上的互動，同時學院對于組織跨學科的學術合作沒有太多動力和興趣；時間碎片化是由于學校時間按照學期劃分，而每學期時間則被不同課程或?qū)嶒灧指睿蝗蝿账槠侵父咝５母黝悓W術教育活動缺乏整合，并且界限不清。

VIP課程項目模式是一個綜合平臺，該平臺集結(jié)了不同專業(yè)、不同年級的學生群體，這些學生的共同特點在于對學術研究充滿熱情并且具有巨大發(fā)展?jié)摿?，與此同時相應的配套資源如師資、設備和場地等為學生和科研機構(gòu)配套整合創(chuàng)造了條件。

VIP課程項目模式的目的在于改革目前的高等教育模式，探索創(chuàng)新教育的有效路徑。為了實現(xiàn)這一目的，VIP項目的培養(yǎng)目標是培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)造力和企業(yè)家精神。VIP課程項目模式希望通過建設一個面向全體的、開放的綜合平臺讓每一個學生參與廣泛的、跨學科的創(chuàng)新。首先，該平臺系統(tǒng)整合了研究和教學任務，一方面提供學生學習和掌握各類專業(yè)技能、為項目做出持續(xù)貢獻、擔任團隊不同角色，在跨專業(yè)的環(huán)境中高效工作的機會，另一方面研究機構(gòu)可以完成課題研究并產(chǎn)出成果，從而實現(xiàn)利益相關者的共贏；其次，VIP項目跨越學科限制，著眼大規(guī)模的跨學科項目；最后VIP項目通過設計標準規(guī)范的課程保證項目的可持續(xù)性來克服時間碎片化的問題。

VIP項目借鑒了美國VIP項目的核心理念，并結(jié)合我們國家高等教育發(fā)展的實際情況做了創(chuàng)新探索，形成了具有本土化特色的VIP項目，著眼企業(yè)對于人才需求的實際情況，創(chuàng)造平臺并輔導和幫助學生盡可能在踏入人力資源市場前通過真實的項目經(jīng)驗提高自身的綜合素質(zhì)和競爭力。

一、數(shù)據(jù)挖掘課程特點

數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)專業(yè)主要是培養(yǎng)具有大數(shù)據(jù)思維、運用大數(shù)據(jù)思維及分析應用技術的高層次大數(shù)據(jù)人才。數(shù)據(jù)挖掘[4]作為計算機專業(yè)和數(shù)理統(tǒng)計專業(yè)的一門交叉課程，是計算機程序設計類課程以及統(tǒng)計學（主要強調(diào)學生的數(shù)據(jù)收集和分析的能力）相結(jié)合的一門課程。數(shù)據(jù)挖掘課程在本科高年級或者研究生階段開設，其先導課為程序設計與開發(fā)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、線性代數(shù)和概率論與數(shù)理統(tǒng)計、最優(yōu)化理論等課程。主要授課內(nèi)容為數(shù)據(jù)的預處理、關聯(lián)分析、數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)聚類和離群點檢測。要求學生掌握數(shù)據(jù)預處理、各種分類和聚類算法以及在實際場景中的應用。

與傳統(tǒng)計算機專業(yè)的課程不同，數(shù)據(jù)挖掘課程具有較強的學科交叉性，特別是對數(shù)理統(tǒng)計和矩陣論等數(shù)學學科要求較高。計算機專業(yè)學生的優(yōu)點是具有堅強的編程能力和算法的設計能力，但在數(shù)理統(tǒng)計和矩陣論等課程的掌握方面較弱，例如分類算法支持向量機（Support vector machine，SVM）[5]和神經(jīng)網(wǎng)絡（Neural network，NN）[6]中數(shù)學原理的推導需要用到較深的數(shù)學知識，往往這些也是容易使學生失去興趣。

目前的授課模式主要存在以下問題：1.教學方式的單一性：傳統(tǒng)的講課式教學模式是以教師課程PPT加板書式講解，學生被動式聽已經(jīng)不能滿足當前學生的要求。傳統(tǒng)的授課模式過重強調(diào)老師教，而對學生如何學關心不足，因此容易扼殺學生的創(chuàng)新性思維的培養(yǎng)。2.編程課程的滯后性：當前數(shù)據(jù)挖掘算法發(fā)展最快的一塊是神經(jīng)網(wǎng)絡算法，主流的平臺例如谷歌的TensorFlow等開源深度神經(jīng)網(wǎng)絡框架幾乎都是采用Python語言開發(fā)，而目前Python課程還沒有走進專業(yè)培養(yǎng)方案，因此在數(shù)據(jù)挖掘課程實踐環(huán)節(jié)安排算法的實現(xiàn)對編程的選擇較困難。3.傳統(tǒng)的計算機專業(yè)對數(shù)學課程的開設不足，僅僅開設工科基礎類數(shù)學課程，該課程遠遠不能滿足數(shù)據(jù)挖掘課程對數(shù)學的要求。

二、VIP課程項目模式改革思路

基于VIP模式的數(shù)據(jù)挖掘課程的教學模式改革，根據(jù)新型人才培養(yǎng)目標，要充分利信息化技術手段，結(jié)合目前高校大學生的認知規(guī)律、專業(yè)基礎以個性特點，進行項目導向式教學、翻轉(zhuǎn)課堂式教學、DIKW大講堂、睿翼工坊等進行數(shù)據(jù)挖掘課程的教學內(nèi)容、教學方法、教學模式的創(chuàng)新改革，具體如下：

（一）項目導向式教學

項目導向式教學是目前較先進的一種教學方式。數(shù)據(jù)挖掘課程交叉強，涉及多學科融合，且又緊跟前沿，目前有較多的應用項目用到數(shù)據(jù)挖掘算法，因此非常適合項目導向式教學。具體方法如下：首先，通過算法的演示讓學生了解到算法的具體應用場景，例如通過演示自動識別車牌系統(tǒng)，讓學生知道卷積神經(jīng)網(wǎng)絡算法具體的應用。其次，教師利用逆向工程，從項目到算法然后再到代碼，一步一步地引導學生，并且創(chuàng)建學習任務和學習目標，分組談論，進行頭腦風暴的實現(xiàn)項目。最后，建立合理的考核評價模式，引進企業(yè)工程師對項目進行實際場景的建議，以激發(fā)學生解決實際問題的能力。

（二）翻轉(zhuǎn)課堂式教學

充分利用網(wǎng)絡教學平臺的優(yōu)勢，將學生從傳統(tǒng)課程的講授型方式中解放出來，在課前老師引入微課程、在線課程等機制，整合和優(yōu)化課堂的教學資源，讓學生可以利用手機、電腦等網(wǎng)絡終端隨時隨地進行教學課件和教學視頻的學習，并充分利用好課下時間，帶著學習的疑問，自主去查資料、讀論文、寫代碼、做實驗等，以自我探索尋求答案，提高學生自主學習能力。而課堂上教師是作為課堂教學的組織者，更多地是引導學生去解決教學難點和分配任務，甚至可以讓學生走向講臺講解如何理解問題、如何查找資料、如何解決問題等，將“翻轉(zhuǎn)課堂”引入數(shù)據(jù)挖掘?qū)嵺`教學，以網(wǎng)絡教學平臺提供的功能，增強師生間的交流。另外，“翻轉(zhuǎn)課堂”也需要重視課后環(huán)節(jié)的“課堂評價”“知識復習與鞏固”“問題答疑與指導”等，構(gòu)建完整的課堂鏈條，形成系統(tǒng)長效的翻轉(zhuǎn)課堂育人機制。

（三）DIKW大講堂

為了順應時代需求，讓同學們更加了解和掌握數(shù)據(jù)挖掘的相關知識，也為了增強同學們對計算機方面的熱愛程度，學?？梢匝埥?jīng)驗豐富的行業(yè)專家為同學們授業(yè)解惑，不僅使同學們初步了解了DIKW體系，讓同學們深刻感受到在互聯(lián)網(wǎng)時代掌握大量的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的同時，如何更好地進行深入挖掘，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的價值？如何有效地將企業(yè)中現(xiàn)有的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為知識，幫助企業(yè)做出明智的業(yè)務經(jīng)營決策，需要利用數(shù)據(jù)倉庫、聯(lián)機分析處理工具和數(shù)據(jù)挖掘等技術，進而讓學生感受到技術的重要性，同時也為同學們以后的學習提供了很大幫助，為學生專業(yè)能力的全面發(fā)展打下了堅實的基礎。

在數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)專業(yè)學科中，最基本的模型是DIKW（data，information，knowledge，wisdom）層次模型。在大數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)科學的從業(yè)者更應該從DIKW模型中建立計算思維和數(shù)據(jù)密集型思維。為此我們建立了常態(tài)化、專業(yè)性、學術性的DIKW大講堂。定期邀請行業(yè)技術人員、校內(nèi)領域?qū)＜?、IT管理人員等為學生開展大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈、VR/AR以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)放方面的報告。

（四）瑞翼工坊

瑞翼工坊是在河南城建學院與中科曙光教育合作中心指導之下，整合學校和中科曙光的設備、師資、技術、平臺等資源，以學生為中心、由學生全面負責工坊運營管理，學校老師、企業(yè)工程師與行業(yè)專家負責工坊運營管理顧問的成長孵化載體，通過實行企業(yè)角色制、團隊分層管理制、知識共享制等途徑，營造一個具備項目孵化功能的真實的企業(yè)生態(tài)環(huán)境，激發(fā)優(yōu)秀人才成長。共有近100名學生參與，主要方向包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)可視化等，通過討論、競賽、協(xié)同創(chuàng)新等形式，極大地促進學生的學習興趣和創(chuàng)新能力。借助“瑞翼工坊”校企合作平臺，可以有效加強“產(chǎn)教融合”，激發(fā)學生興趣的同時，還可以有效提升學生的專業(yè)實踐能力，比如河南城建學院通過“瑞翼工坊”對校園進行嚴格的網(wǎng)格化管理，同時為了實現(xiàn)防疫有序、軌跡可溯、實時數(shù)據(jù)分析監(jiān)測等，“瑞翼工坊”的指導老師們帶著大數(shù)據(jù)專業(yè)的學生運用大數(shù)據(jù)技術，校企通力合作通過“管理+信息化”的手段，開發(fā)出“智慧尋跡系統(tǒng)”，實現(xiàn)對校園出入及校內(nèi)聚集場所的疫情防控，讓學生學習專業(yè)知識的同時，也能夠很好地承擔社會責任。

三、結(jié)論

通過項目導向式的教學培養(yǎng)學生分析問題、解決具體問題的能力，翻轉(zhuǎn)課堂模式使得學生有更多的機會自主學習，學生能夠參與到教學的過程當中去，通過多元化的課堂形式，增強學生的眼界，讓學生了解到當前學科的發(fā)展方向，增強學生的職業(yè)興趣?；赩IP課程項目模式有利于提高教學質(zhì)量和教學效果，能夠加強大數(shù)據(jù)應用人才的培養(yǎng)。