基于大数据实验室的数学类本科生实验教学培养模式改革

（东北石油大学数学与统计学院 黑龙江·大庆 163318）

大数据时代已经来临，对传统的数学类专业的本科生培养提出了更高的挑战和需求。如何培养适应当今时代发展需求的“合格”本科生，已经成为摆在高校普遍存在的问题。

1 数学类本科生实验教学培养的现状分析

现有的数学教学思想观念老旧，仅重视基础教学、缺少数学实践与应用；教学内容晦涩难懂，教学中更重视计算的结果，轻了数学思维的培养；数学的体系结构一成不变，与专业内容结合甚少；师资工程实践能力弱化，数学教师缺少专业背景。尤其，培养“新工科”是大学教育的当务之急。在“新工科”的培养方案中，数学是基础必修课程，在“新工科”学生的核心能力中，数学又是知识能力的核心，应用数学、科学和工程的知识来解决问题是培养本科生的关键技能。

现有的数学类课程体系包括：数值分析、数学模型、数学建模、最优化方法、算法与数据结构、MySQL数据库、数据挖掘案例分析、C++程序设计、Java高级程序设计、抽样调查、时间序列分析、非参数统计等课程。其配套的各个实验课程中演示或验证实验数量比例过高，占到总实验数量的60-80%，而综合或设计性实验比例过低，占到20-30%。课程中总实验数量的综合或设计性实验总数量不足40%。这严重影响和耽误数学类本科生实验教学培养创新型人才的目标，成为实验教学中最为薄弱的环节。

数学类人才的培养模式，基于传统的“机房式”的实验教学氛围，以“演示性”、“验证性”的算法案例为主，通过多个案例实验，让学生熟系算法的实现环节。现有的数学类实验教学，仍然以教师演示程序，学生随堂演练为主要形式。教师指导学生在台式机上实现算法和实例。例如：《数据挖掘》此类数值计算的课程，一般都是验证教材上的源程序，实现例题。一般上课班级超过2个班级时，60人以上，教师不能及时解决每一个学生的问题，甚至于共性问题同样需要反复讲练，不能保证实验教学效果，实际学习效果较差。

这已经远远不适合当今数据时代的发展，也未能培养学生实践性的创新思想，不能弥补数学理论教学的抽象、晦涩的教学不足，难以提高学生的理解力和想象力，更不能激发学生学习数学的兴趣，需要对此实验教学环境进行系列的改革。

2 大数据教学实验室的管理系统

大数据教学实验室，包含硬件服务器、网络设备和实验管理系统、云平台及大数据集群监控系统。其中，云平台技术在一体机部署可以提供超过300台虚拟机，在实际教学过程中满足实验教学的环境需求。

（1）大数据实验管理系统旨在提供统一的平台管理所有的课程教学资料、讲义、实验指导手册、实验数据集、实验作业、实验报告书、实验成绩管理、用户管理（学生花名册管理、教师信息管理）；

（2）大数据实验管理系统采用B/S结构，可以让学生在任何时间和地点做实验，不受环境和时间的限制。老师也可以在任何时间和地点进行实验文档的相关工作；

（3）教师根据教务的开课计划，可以进行典型的实验课程库的维护、安排实验、查看学生实验进度，手工批改实验结果及实验报告，统计并发布实验成绩等功能；

（4）基础实验课程包涵盖：数据采集、数据存储、数据计算、数据挖掘、数据可视化等多个方面的实验内容辅助教学，通过原理验证、实训应用、综合分析及自主设计等多层次的实验操作，为大数据教学及科研提供一个完整的、一体化的实验教学体系。

同时，大数据实验室可以提供大量真实的项目案例，包括农业（农产品价格数据分析项目）、运营商在线服务大数据平台、新三板挂牌企业分析系统、汽车之家用户评论分析系统等案例内容及数据描述等。

在实验教学过程中，可以大大提高学生学习质量，并对教师的教学和科研项目带来新的启发，达到锻炼学生的创新思维的目的，并且促进真正的校企融合。

3 大数据教学实验室的培养模式方案

本科生数学教育的核心内容就是应用数学的思想、方法和技巧解决实际问题，培养创新精神和实践动手能力。作为核心内容的重要补充，数学类本科生实验课程让本科生动手实现数值模拟实例，不限时间地点，培养学生自主学习的习惯和能力，实践数学推导和数值计算的过程，改变实验教学环境，具有重要而深远的实践教育意义。

以高校《数据挖掘》课程为例，针对学员实际应用能力差这一教学弱点设计开发的一系列教学模块。在大数据教学实验室搭建的“实验平台”中，结合老师讲解数据挖掘的算法理论，通过实用的建模工具来模拟实际应用案例，在实验室环境下体验实际应用，由此弥补学员实践经验的不足。

在教学过程中，强化应用和动手，做到理论与实践的有机结合，使学生受益，老师授课方便。同时，此类模式可以推广到其他的数学类课程中，例如：数值分析、数学建模、统计分析等，均可采用此类模式，实现“引导实践型”的实验教学环境。

以此为基础，针对数学类本科生开展基于计算机现代技术的实践创新型拔尖人才培养项目，以科技创新项目为驱动，利用现代流行人工智能和机器学习的创新性科技训练，侧重于提高和强化学生的创新实践能力的培养，具有明显的引领作用。

4 结论和展望

在信息化、数字化、智能化新形势和建设“新工科”的背景下，数学实验教学作为工科教育的基础学科也必须做出及时的改变来满足专业的需求与人才的培养。及时、深入的研究大学本科生在数学知识和能力方面应有的变化，探索大学数学课程体系的重构和教学内容的改革，成为了“新工科”人才培养的基石。从而，数学类课程的实验教学改革与实践研究势在必行。

以此为基础建设实验室，形成公共课和专业课一体化实验教学中心，改善数学实验及实践教学的条件，不但满足全校工科数学课程实验教学、大学生各类数学相关创新性竞赛及培训等方面需要，更要满足本院专业实验课程教学需要和发展。

总之，基于大数据教学实验室的管理系统，将传统的“机房式”实验教学，改变成“引导实践型”实验教学环境，以提高本科生操作能力为教学目的，建设数学类实验课程群，形成一体化培养创新精神和实践能力的实验教学新模式，实现本科生适应数据科学的发展和时代的需求。继续以提高教学质量为核心，大力发展科学研究和教育教学研究活动，推动数理金融、数据挖掘应用统计和科学工程计算等相关方向的快速发展，形成立足地方经济建设，面向全国相关行业，培养具有开拓创新精神、较强基础和专业思想、较强实践能力和自我发展潜能的创新型人才，使得本科生在创新能力和动手操作能力方面都有大幅度提高，能在对外培训及服务中为地方政府及企业提供人才培养的基本实验手段，创造更多的社会效益。