大数据时代基于计算思维的IT专业实践教学改革

肖克辉

（华南农业大学 数学与信息学院，广东 广州 510640）

0 引言

随着大数据技术及其行业应用的快速和广泛发展，对于作为人才培养主要基地的高校来说，亟须对IT相关专业的培养目标和教学模式进行改革与创新，以满足社会发展对创新型人才的实际需要[1]。2010年发布的“九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明”[2]提出，把“计算思维能力的培养”作为计算机基础教学的核心任务。ACM/IEEE CS2013工作组对全球高校计算机系主任进行问卷调查，收到的反馈表明：关于计算机专业核心知识，排名前三的是计算思维、程序设计基础和数据结构[3]。计算思维能力是高校IT专业人才培养的主要目标之一，良好的计算思维能力可以为解决各种大数据技术及行业应用问题提供有效的智力保障，而实践教学是培养和深化IT专业人才计算思维能力的主要途径，因此，在实践教学过程中结合大数据技术及行业应用的实际需求来培养IT专业人才计算思维能力，是高校IT专业实践教学改革和发展的首要任务。

1 计算思维、大数据与IT实践教学

1.1 计算思维与IT专业实践教学

计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学广度的一系列思维活动[4]。计算思维在海量信息处理分析、复杂装置与系统设计、大型工程组织、自然现象与人类社会行为模拟等领域发挥着重要的作用和意义[5]。

（1）培养计算思维是IT专业实践教学的重要目标。实践教学是将课堂内外理论技术知识转化为实际操作技能的主要途径，也是高校人才培养的重要手段。实践教学中，学生根据实践教学内容安排和自身学习特点，在理论和技术知识的基础上完成各种实践实验教学任务，不断拓展对计算思维的理解和认识，在分析问题和解决问题的实践过程中培养计算思维能力，形成计算思维方式。

（2）计算思维是确保学生创新能力的动力和源泉。计算思维是创新的基础，在信息技术快速普及和大数据行业应用不断发展的形势下，运用计算机科学解决问题是达到科技创新的主要手段。高等教育实施过程中，通过课程教育与实践教学，有目的、有意识地培养学生的计算思维能力，有助于学生创新思维的发展和创新能力的提高。

（3）以计算思维方式应对大数据行业实际应用。大数据行业实际应用问题呈现出明显的计算机科学特征，分析和解决这些问题需要具有良好的计算思维能力。IT专业实践教学内容以大数据行业实际应用需求为背景，通过实验、案例和项目的阶梯式实践教学编排，巩固和深化计算思维方式，提高以计算思维方式分析和解决实际问题的能力。

1.2 大数据行业应用与IT专业实践教学

（1）大数据行业应用为IT专业实践教学指明改革方向。IT专业实践教学必须顺应社会发展趋势，以大数据技术及其行业应用需求为指导，对教学体系及内容进行改革和创新，着重通过培养计算思维方式提高IT专业人才分析和解决大数据行业实际应用问题的能力。

（2）大数据行业应用为IT专业实践教学提供案例素材。大数据作为一种重要的战略资源，已经渗透到每个行业领域和部门，如工业控制、精细农业、社交购物、交通物流、医疗服务等。大数据技术在这些行业中的应用，为IT专业实践教学提供了大量的实验素材和真实案例，通过基于这些素材和案例的实践教学，可以系统性地培养IT专业人才的大数据技术及其应用问题解决能力。

（3）大数据行业应用为IT专业实践教学提供检验标准。IT专业实践教学以大数据技术和物联网技术的行业应用为背景[6]，引导学生建立计算思维方式，培养学生分析和解决问题的能力。实践教学效果的优劣通过大数据行业应用进行检验，检验结果反馈于实践教学过程中，以实现大数据行业应用和实践教学的双赢发展。

2 IT专业实践教学改革

立足于大数据时代对IT专业创新人才知识结构、能力结构以及整体素质的要求，顺应国际上基于计算思维的教育趋势，借鉴国际上主流的专业课程体系，对IT专业实践教学的指导思想、课程体系、实施模式等环节进行综合改革。

2.1 实践教学指导思想改革

针对大数据行业实际应用需求，在理论课程体系基础上，以网络技术、嵌入式技术、大数据技术等为IT专业实践教学内容的主要技术方向；在基础课程的理论和实践教学过程中引导学生培养计算思维意识，在专业课程的理论和实践教学过程中训练和强化学生的计算思维能力。

根据教育部“卓越工程师培养计划”精神[7]，按照人才培养及其发展的层次化结构，适应大数据行业应用需要，通过实践教学培养具备坚实“大数据科学”基础、较强“大数据处理”实践应用能力与计算思维能力的梯队式IT专业人才（如图1所示），以形成具有鲜明计算思维特色的新型IT专业人才培养模式。

图1 梯队式IT专业人才

2.2 实践教学课程体系改革

参照ACM/IEEE CS2013课程指导，在IT专业实践教学课程体系中，以大数据技术相关课程为基础（如数据挖掘、SAS统计分析、Hadoop大数据处理技术、NoSQL数据管理技术、云计算技术等），结合物联网技术相关课程（如嵌入式系统开发技术、无线传感器网络、射频识别技术、物联网技术等）开展实践教学，培养学生计算思维，提高学生实践技能。

通过大数据技术相关课程的实践教学，培养“软”基础，加深学生对IT专业理论知识的理解和掌握，巩固学生对编程语言、开发工具及环境的熟练使用。通过物联网技术相关课程的实践教学，培养“硬”技能，帮助学生了解底层硬件的组成结构及功能原理，掌握嵌入式软硬件开发技术，具备软硬件系统集成设计与开发能力。通过对实践教学课程体系进行改革，可从思维意识和操作技能方面培养和提高学生的综合素质。

2.3 实践教学实施模式改革

根据实践教学的指导思想和课程体系，形成基于课程实验、案例重现、课程设计、项目训练、专业竞赛、企业实训的阶梯式IT专业实践教学模式（如图2所示），循序渐进地培养学生的计算思维意识，以达到使学生具备系统性的计算思维能力的IT专业实践教学目标。

图2 阶梯式IT专业实践教学模式

在阶梯式IT专业实践教学模式实施过程中，课程实验以理论知识为基础，针对专业技术知识点各个击破，提高理论联系实际的操作技能；案例重现以行业应用真实案例为依据，引导学生以计算思维方式思考和分析问题，进而以重做案例的方式解决问题；课程设计以专业课程内容为依据，综合利用所学课程知识进行系统性的课程实践，巩固专业理论知识和实践技能；项目训练以导师制或项目制运行，采用学生自荐、综合考核、导师选拔等方式，在教师教学科研项目、大学生创新创业训练计划等项目的实施过程中拓展实践教学；专业竞赛以兴趣团队形式运行，采用知识技能考核、专业技能训练等方式选拔人才并组成竞赛团队，通过参加国内外各种专业知识竞赛和行业技能竞赛深化实践教学；企业实训以毕业设计或毕业论文方式进行，按照专业培养计划对实训内容及时间进行统一编排，通过企业实训完善学生专业综合技能，提高学生个人综合素质，以满足“即插即用”的行业工作岗位需要。

3 实践教学平台建设

基于IT专业实践教学的指导思想、课程体系及其实施模式，在以大数据技术及其行业应用为主线的实践教学实施过程中，建立以大数据技术和物联网技术为基础的实践教学平台，从软件和硬件两方面为IT专业人才培养提供良好的实践教学环境[8-9]。

3.1 大数据实验平台

以大数据技术相关课程的理论和实验教学内容为基础，建立大数据技术实践教学平台，为IT专业实践教学提供软件环境支撑。大数据实验平台按照数据挖掘、大数据平台与算法、行业实战数据分析3个层次构建，实践教学内容从易到难分为演示性实验、操作性实验、开发性实验和大数据开放性实验。通过典型的算法展示、算法实现、结合大数据分析的应用场景与案例，对学生进行大数据技术方面的综合训练，实现IT专业实践教学从理论到应用的涵盖原理验证、综合应用、创新设计的多层次实践体系（如图3所示）。

图3 大数据实验平台

大数据实验平台采用基于浏览器/服务器架构的集中化管理方式。学生可以根据实验内容需要，运行服务器中的虚拟机环境以完成数据分析或者系统搭建。数据挖掘算法执行环境用于实现常见的数据挖掘算法，为学生提供数据挖掘展示实验结果以及基本的数据挖掘算法执行环境。Hadoop集群为学生提供大数据分析和执行环境，包括基于HIVE的数据访问以及MapReduce程序执行。

大数据实验平台按照由易到难的程度划分多个实验模块及实验项目，主要包括数据处理基础、统计与建模方法、数据挖掘方法、数据抓取、SAS编程基础、SAS统计建模与数据挖掘、Hadoop大数据分析、自然语言处理、大数据分析综合应用等。本平台为大数据技术实践教学提供一个完整的、一体化的综合实验环境，从而打造全方位的IT专业大数据技术及应用实验室。

3.2 物联网实验平台

以物联网技术相关课程的理论和实验教学内容为基础，建立物联网技术实践教学平台，为IT专业实践教学提供硬件环境支撑。物联网实验平台以与物联网技术关联的硬件资源为核心，辅以嵌入式软件开发环境及上位机管理系统等软件资源，形成一个“结构耦合、功能聚合、硬件集成、软件支撑”的实践教学环境，培养学生学会“自顶向下、自底向上、融会贯通”的问题解决方法，以系统性地提高学生的计算思维能力。

基于物联网行业应用，如精细农业、智能家居、环境监控等，建立物联网实验平台（如图4所示），集成WinCE/Linux/Android等嵌入式操作系统平台，通过模块化设计实现IT专业实践教学与物联网、无线传感器网络及RFID等技术的无缝结合。按照物联网感知层、网络层和应用层的3层体系结构，物联网实验平台涉及感知层的传感器开发、单片机开发、嵌入式操作系统接口及驱动程序等底层开发技术，实现不同物理特性的信息采集；网络层的ZigBee、Bluetooth、WiFi、NRF、RFID等无线网络技术，实现各种采集数据的网络传输功能；应用层的C/S和B/S架构软件、ARM嵌入式终端、Android手持终端、云服务管理端等应用软件开发技术，实现数据分析处理及上层应用程序开发。

图4 物联网实验平台

根据物联网的层次化体系结构，物联网实验平台提供多种实验项目，主要包括ZigBee实验、Bluetooth 4.0实验、无线通讯实验、WiFi实验、传感器实验、TinyOS实验、RFID实训项目、物联网应用实验等。

4 结语

结合当前大数据相关行业实际应用需求，基于大数据技术和计算思维思想，我们对高校信息技术相关专业实践教学从指导思想、课程体系、教学模式等方面进行改革和创新尝试。实践表明，构建以大数据和物联网技术为基础的实践教学平台，实施梯队式人才培养模式及“软”基础和“硬”技能结合的课程体系，能够提高IT专业人才的计算思维能力及实践操作技能。在IT专业实践教学过程中，需要根据实践教学指导思想对课程体系、教学模式等进行不断细化和拓展，并对大数据实验平台和物联网实验平台进行适时地软硬件配置更新。