研究型课程大作业在《数据分析》课程教学中的设计与实践

郑 奕

(上海海洋大学 信息学院，上海 201306)



·教育教学改革·

研究型课程大作业在《数据分析》课程教学中的设计与实践

郑 奕

(上海海洋大学 信息学院，上海 201306)

为解决现有教学中的不足，研究在《数据分析》课程中引入综合性大作业的具体实施方法，总结实践效果。提出设计一个好的研究型大作业，有利于学生将课内学习向课外研究延伸，巩固和应用课堂知识，开拓研究思路，提高解决实际问题的能力；同时也有利于学生将作业转变为展示自己专业能力的作品，为学生将来的求职与深造准备素材。另外，研究型大作业的设置也是克服教学中内容较多与课时不足矛盾的一条有效途径。

研究型课程大作业；设计；实践；数据分析

一、引言

研究型综合性的课程大作业不同于一般意义的课程大作业。一般大作业的目的是要求学生熟悉课堂讲授的相关章节的知识，因此往往基于教材各章节内容分别要求学生完成内容指定的工作，有研究认为一门课程这样的大作业的数量“不应少于4个，以5-6个为宜”[1]。而研究型课程大作业是指一个由教师提供研究素材，学生在熟悉课堂知识的基础上，综合应用全部课程所学知识，自主设计研究方向和途径，将研究过程贯穿课程始终的研究项目。

现有教学中存在的比较突出的矛盾是：一方面，随着高等教育的大众化，很多高校的学生基础参差不齐；另一方面，随着教学改革的深入，越来越多的新知识、新课程被引入课堂教学，相应地，一些传统课程的理论教学课时被缩减，因此利用课堂教学课时达到规定的教学要求难度越来越大。需要通过有效手段调动学生课外学习的积极性，解决现有教学中教学课时不足造成的学生对课程知识理解不透，练习不够的问题。

另外也常有一些毕业学生反馈，当他们毕业进入人才市场，越来越多的用人单位希望他们能提供反映其能力的“作品”作为衡量其掌握相应技能高低的依据。但很多学生尽管在学校里做了许多习题，却由于拿不出一份综合性的研究作品而与心仪的工作失之交臂。

因此，在课程教学中探讨建立与完善以研究实际问题为背景的研究型综合性课程大作业体系，是解决上述问题的一个有益的探索。它可以帮助教师克服以往该课程教学与解决实际问题脱节的不足；调动学生课外研究的积极性，在加深理论理解的同时培养学生解决实际问题的能力；同时也可以帮助学生将作业升华为作品，为同学们以后的求职和深造准备材料，提高学生在升学和就业时的核心竞争力。为此，本文以《数据分析》课程为例，阐述研究型大作业在实际教学中的设计与实际成效。

二、研究型课程大作业的构思

将课内教学向课外延伸，关键要成功地调动学生在课外学习与探索本课程的积极性。为此，在《数据分析》课程教学中，从内容、要求及评价三方面设计课程研究型大作业体系，为学生呈现一个实际的数据分析问题，引导学生从所给的实际背景的数据库中挖掘有用信息进行分析，体验从原始数据到有用信息再到发现内在规律的完整的探索研究过程。《数据分析》课程要求学生掌握分布拟合检验、正态性检验，以及相关分析、非参数秩方法、回归分析、主成分分析、因子分析、判别分析和聚类分析等内容[2]，课程大作业据此为依据，要求学生借助SAS软件进行实际数据的探索性综合分析。课程大作业体系着重从以下两方面探索将课内教学与课外研究相结合来增加学生学数学、用数学的兴趣。

(一)课内教学保证课外研究

研究型大作业旨在巩固课堂教学效果，培养和提高学生应用数据分析知识解决实际问题的意识和能力，增加他们学习、应用课堂知识的兴趣。为此我们根据同学们熟悉大学学习过程及课程间内在联系的特点，设计了“大学成绩数据库的挖掘与分析”的大作业贯穿《数据分析》课程的教学始终，让学生进行课外探索研究。主要做法是：从课程的开始就利用学院的成绩数据库给同学提供大量原始教学记录，内含不同专业(包括学生自己专业)历届学生所学不同课程的成绩数据和任课教师信息，相关的Excel文件近百个，要求学生利用这些数据，结合所学的数据分析方法，借助SAS软件，自主设计研究路径，寻找数据间的内在联系，从而探索教学客观规律，并据此对课程设置、教师教学和学习安排等提出建议。

在课内教学过程中，每讲一种数据分析方法，我们就以该成绩数据库为例，启发学生讨论该方法在所给数据库分析中能发挥的作用，要求学生在课后进行尝试，记录尝试的思路和结果，并分析造成结果理想或不理想的原因。因此每次课上介绍一种研究方法，同学们通过书后练习对所学方法有了基本的了解后，需要继续完成研究型大作业的部分工作。这些工作主要有：

第一，熟悉、整理所给成绩数据库中大量的Excel文件，将自己所需的数据转换为SAS数据集。

第二，利用SAS软件的univariate和capability过程对整理的数据集进行描述性分析，观察数据特点。如很多同学在这里发现大部分课程的成绩并不如我们一直认为的符合正态分布。

第三，在对成绩数据的特点大致了解的基础上，进一步自主设计研究路径，利用所给的成绩数据库，借助所学的SAS软件的各类“过程”，通过非参数秩方法、回归分析、主成分分析和因子分析等方法，寻找数据间的内在联系，探索教学规律。

在《数据分析》课程接近尾声阶段，学生基本掌握了所要求的全部数据分析方法，同时通过前期的零星尝试，也积累了对教学规律探索的许多成功与不成功的经验和教训。这时就要求学生对自己已有的探索进行总结，对已发现的可能存在的数据间的内在关系进行更翔实的验证，并思考这些内在联系所反映的教学规律和教学中可能存在的问题，在此基础上给出对现有教学的意见和建议。

课外探索会占用学生较多的业余时间。为了调动学生的积极性，老师也经常在课堂上结合历届学生的求职反馈，告诉学生一份有实际背景的数据分析作品，往往是用人单位考核学生能力的重要依据，对学生寻找理想的工作岗位会有直接的帮助。因此当老师要求学生最后上交的课程大作业是应该做成以后可以用来展示自己能力的“作品”后，学生也愿意接受，自觉提高了完成任务的努力程度。

(二)课内教学促进课外研究

为了保证同学们的课外研究有效进行，我们每周安排一个晚上的课外答疑和讨论时间，同学们带着在探索中发现的各种问题，到办公室和老师讨论。老师也得以从中掌握同学的研究进程，对反映出的一些共性问题，及时在以后的课堂上提供解决办法，并借此进一步引导更多的同学去进行更深入的探索。

为了启发学生的研究思路，我们根据学生的研究进度，精心选择利用课堂上所介绍的研究方法进行数据分析研究的期刊论文，通过校园EOL网络教学平台推送给学生，让学生在课外阅读，进行模仿研究，并要求学生通过该平台定期上传阶段性尝试的结果作为督促措施。由于网络平台的上传到期自动关闭，也逼迫一些不太自觉的学生逐渐养成了按时完成任务的习惯。

为了激励学生积极、认真进行课外研究，我们对《数据分析》课程总评成绩进行了一些改进，将大作业考评纳入总成绩。具体做法是：在课程结束时，要求学生通过网络教学平台上传如下材料作为考核依据：

1. 对成绩数据库进行探索的所有相关SAS程序及SAS数据集。

2. 探索工作的总结。该文件要求学生描述一学期来所进行的全部尝试工作的思路、过程、遇到的问题及寻求的解决方法，并对上传的相关SAS程序及SAS数据集的目的与作用予以描述，解释研究结果的合理性。若分析结果不理想，要探讨可能的原因及改进的可能性。

3. 课程论文。将探索得到的数据间的关系上升为一般教学规律进行探讨，并学习撰写为一篇研究论文。

对大作业的考核，分两部分：

(1)依据探索工作总结和相关SAS程序及SAS数据集，评定探索的努力程度，占总分的60%。

(2)依据课程论文评定探索的有效性和对结果分析的合理性，占30%，论文格式的正确性反映工作的认真程度，占10%。

最后，将上述综合评定的成绩作为《数据分析》课程总评成绩的30%。

我们在对课后大作业的考核中除了要求学生上交最后研究成果形成的课程论文外，还要学生上交一份在研究中遇到问题和解决问题过程的记录，作为工作小结，并在评分中占较大的比例。这样的安排主要是激励学生在课外研究中不怕失败，积极尝试从不同角度探索分析和解决问题的方法。

三、研究型课程大作业的实践

我们将上述完善后的方案于2015年春季学期进行了新一轮的教学实践，发现研究型大作业的有效实施，对学生的学习具有积极意义：

(一)促进学生的学习积极性

由于研究型大作业体系鼓励、也一定程度上迫使学生在课外花了大量时间温习课堂上讲解的理论、讨论相关应用，因此对学生进一步提高数据分析的综合技能具有较明显的促进作用。学生为了完成作业必须先掌握课堂上传授的知识，而且从布置大作业到上交也有一段时间，因此对一些平时学习不太下功夫的学生，就迫使其在这段时间内花功夫弄懂上课的内容。一个同学在总结中写道：“作为一个学数学的学生，我喜欢抽象思维。一开始对《数据分析》没有兴趣，尤其在一个专业的软件上进行操作觉得非常麻烦，所以当大作业布置的时候，觉得压力很大。我几乎发挥了我全部的学习能力在两个礼拜的时间对SAS进行了初步的入门，从懵懵懂懂到理清思路，我觉得自己有很大的进步。对SAS软件的态度也完全变了，这种挖掘数据间内在联系的软件，把抽象的数据关系变得易于理解了。也是主动接触SAS之后才发现其实自己对这方面还是挺有兴趣的，我觉得数据分析也可能成为我以后工作的核心。”

正是在激励和一定的压力下，很多同学在该课程中完成了人生的第一篇论文，实现了由作业到作品的起步，为以后就业与深造准备了素材。不少同学对这样的探索产生了兴趣，组成研究小组，利用已有基础申报的“大数据学习分析系统”项目获得了学校创新项目的资助。该项目的开展，使得对数据分析方法的学习研究进一步延续到课程教学完成之后，将课程学习变成了学生自身的研究兴趣。

学生的言行也启示我们，优秀的研究型课程大作业的目标，不仅在于巩固课堂知识，更重要的是在于培养学生的研究兴趣。它不仅要考虑促进学生在课程学习时课内、课外的学习积极性，而且最好进一步考虑如何将这种学习积极性延续到课程结束之后，甚至成为学生愿意终身研究的方向。

(二)培养了学生的研究思想

同学们在学期结束时上交的探索总结显示：课程大作业开拓了学生的研究思路。学生们通过课内、课外的广泛讨论，利用给出的成绩数据库分别设计了很多研究路径。除了讨论课程间的相关性、教师对课程教学的影响外，有同学将一个班学生的各科成绩构造为成对分组数据，然后用Friedman检验验证学生间掌握不同的课程是否有显著差异，从而探索学习成绩主要与个人因素有关还是与课程的难易程度有联系；也有同学通过分析同一专业不同班级的不同课程的成绩分布特征，说明班风对学习成绩的影响；还有同学通过将一个班分成男女生2组，然后通过对他们的成绩进行分析，探索男女生在学习不同课程时是否有显著差别。

这样多角度的探索也使学生的思维更加严密，使他们在研究问题时注意到了很多细节。如为了尽可能避免其他因素的影响，学生在检验教师对教学效果的影响是否显著时，特意在数据库中选择了由多个教师执教基础差别不大的同一专业不同班级的同一门课程的教学成绩进行分析。也有同学为了更有说服力地反映前期基础课对后续专业课的影响，除了选择学过和没有学过相应前期基础课的不同专业学生进行比较外，进一步设计将同专业学生按基础课成绩段分组，然后利用秩和检验和Kruskal Wallis检验分析不同组学生在随后专业课中的成绩是否存在显著差异，以此较好地说明了前期基础课对后续专业课的影响是确实存在的。

(三)增强了学生解决问题的能力

我们设计的研究型课程大作业的素材来源于学校的学生成绩数据库，其中包含了近百个不同年级、不同专业的Excel文件。与提供整理好材料的作业不同，这种直接源于实际的大量数据的分析对学生能力的提高是多方面的。学生首先需要有想法，然后要有耐心，在这些原始数据中筛选有用的信息进行验证，期间会经历理论方面的、程序方面的、甚至计算机操作系统方面的各种问题。从茫然无措到渐入佳境，学生们通过交流、使用网络，在解决问题中提高自己，也从中体验了研究探索的乐趣。

有同学在探索总结中感慨：“开始一看到这么多数据，完全不知道从什么地方下手，后来找了几位同学讨论，经过努力，大家慢慢有了头绪，感觉就像在茫茫大海中的航船得到了指南针一样高兴。”也有同学描述自己费尽心机，解决研究过程中遇到的意外问题的过程：由于原始数据集是Excel文件，一开始无法通过SAS软件转换为SAS数据集，通过上网查资料，并加入了一个相关的QQ群后了解到，9.2版本的SAS软件导入Excel文件时，借用了Office软件的32位数据接口引擎，而其本身是64位的，故出现问题。随后又到处咨询寻找解决办法，最后通过下载安装费了千辛万苦找来的相关补丁程序，设定好格式，终于大功告成。这样一番折腾，感觉对计算机又有了不少新的认识。

学生遇到的上述问题在作业中也许不会碰到，但类似的麻烦在实际研究中不可避免。因此来源于实际问题的研究型大作业可以使学生体会到实际数据处理的过程，提高他们解决具体问题的能力。

四、结论与思考

研究型课程大作业的教学实践表明：将课内教学延伸到课外研究，是巩固学生课堂所学知识，克服教学内容较多与教学课时不足间矛盾的一条有效途径，值得进一步进行探索。教师在课程教学中，设计结合课程知识的、具有实际问题背景的研究型大作业，一方面有利于提高学生解决实际问题的能力，另一方面也可以帮助同学们在作业的基础上进一步探索，形成展示自己专业水准的作品，其对同学们未来的就业与深造也是非常有帮助的。同时，教师还可以鼓励学生利用大作业的研究基础，争取目前在高校中开展的各类大学生创新项目的资助。使相关研究在课程结束后得以进一步深入开展。

在《数据分析》研究型课程大作业的实践中，我们发现，选择适当的数据库供学生进行研究，对促进学生课外研究的兴趣具有重要作用。我们利用的数据库，来源于学生所在学院的学生成绩，有利之处在于：一是同学们熟悉数据库提供的各类信息内涵，减少了他们理解数据项目所花的时间，使他们可以直接进入实质的数据分析研究，提高了研究效率；二是学生对数据库中所设课程体系，任教教师比较熟悉，有利于学生探索、发现教学客观规律；三是利用该数据库研究得出的学生与课程间、课程与教师间的量化关系使学生以往在学习中的一些直觉经受了科学验证，研究结果对学生的学习有一定的指导作用。在大作业中，很多学生特别有兴趣研究自己专业前几届学生各学科成绩间的联系。一些学生发现自己专业一、二年级的数学分析、高等代数等基础课成绩与其后很多专业课成绩间的相关性比较强，据此提出了基础课的教与学都应该加强的建议，表明这样的研究也起到了自我教育、自我设计的作用。同时也正是因为学生对研究结果有比较切身的体验，因此，他们对使用的分析技术以会产生比较深刻的印象，促进了课程知识的掌握。

(责任编辑：梁京章)

[1]张彦航,孙大烈, 战德臣. 通过大作业促进大学计算机基础课程教学[J]. 计算机教育，2007(6): 24-26.

[2]范金城,梅长林．数据分析[M]．北京: 高等教育出版社，2006.

Design and Practice of Research Oriented Large Homework in Teaching the Course of Data Analysis

ZHENG Yi

(College of Information, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

In order to solve the deficiency of existing problems in the teaching, the concrete implementation method and practice of the research oriented large homework in the course of data analysis was researched and summarized. It is put forward that the research oriented large homework is beneficial to students for their class study extending to extracurricular research. It is also beneficial to consolidate and application the students’ knowledge, develop their research ideas and improve their ability to solve practical problems. At the saine time more valuable is, the students may be shown their professional ability for their future probable graduate tutors or business leaderships by these materials. In addition, the setting of the academic research is also an effective way to overcome the contradiction between the more contents of the teaching and the less time of the course.

research oriented large homework; design; practice; data analysis

G642.0

A

1671-9719(2016)10-0031-04

郑奕(1963-)，男，上海人，教授，研究方向为应用数学和产业经济。

2016-07-08

2016-07-28

2015年上海海洋大学重点建设课程项目“数据挖掘技术”(A1-0209-15-0302-45)。