基于项目沉浸式的数据分析类课程教学研究

　　1 项目沉浸式教学的背景

　　目前，高校专业课程教学方式大多以“知识点”为核心组织教学，学生主要以学习知识为主，工程应用实践机会较少。项目沉浸式教学就是让学生参与到企业的实际项目，将所学的知识在完成实际项目的过程中，在企业导师的指导下和同伴交流中进行应用、整合和重构，其实质就是一种结合构建主义学习理论和情境学习理论的探究性学习模式。目前国际上相关的项目式教学理论还有CDIO和POPBL[1-2]，其中CDIO代表构思、设计、实现和运作，该理念是以麻省理工学院为主的大学在2000年创立的，旨在通过以完整的工程项目为载体，将传统的课程教学与企业工程项目紧密结合；POPBL表示面向项目和基于问题的学习方式，是基于问题的学习方式PBL的进一步提升，不但通过问题引导学生学习，还通过实际项目锻炼学生的思维能力和实践能力。这几种理念在现实教学中的应用都存在一定的局限性。

　　在国内，清华大学、大连理工大学等也都采纳CDIO的教学理念进行教学改革。其中，清华大学工业工程系通过数据结构及算法、数据库系统原理等必修基础课程进行实践，提炼出一个以院系整体为单位的知识传播和创新模式[3]。大连理工大学努力探索构建CDIO与创新教育融合的新体系，从课程体系、教育模式等多方面入手，以达到培养创新型工程科技人才的目的[4]。尽管如此，这些基础课程的实践与工程实际的要求还有一定的距离。为此，达内等培训公司要求其师资需要有多年的行业经验，在基本的知识授课结束后指导学生到合作企业进行实训，这在一定程度上可以解决项目沉浸式教学，但作为一个培训项目，知识的系统性还有一定的改进空间。IBM公司最近几年与一些大学商（管理）学院合作的A100计划，鼓励高校专业教师与企业合作，带领学生深入企业，利用比较成熟的数据分析工具帮助企业解决实际问题，但这种方法对指导教师的实践经验、时间投入等都有较高的要求，一般大学的专业师资难以满足。

　　数据分析类课程包括商务智能、大数据核心技术、客户智能等较多的理论知识，且有一定难度，这些知识在实际应用中有一定的技巧，需要大量的实践才能掌握其中的精髓。实施项目沉浸式教学，为减少前期学生学习的难度，通过学习已经完成的项目文档，通过实验方式了解项目需要的知识和技能，并利用仿真型的项目练习。在此基础上，可以进入真实企业项目，摸索数据分析全过程中遇到的问题以及解决技巧，从而增强学生解决数据分析问题的能力。

　　随着社会对数据分析类人才的需求增加，很多高校都开设了数据分析类的课程，培养数据分析师或数据挖掘工程师，因此选择数据分析类课程进行教学改革，有一定的代表性和前沿性。

　　2 项目沉浸式教学的内涵

　　如何克服传统专业课程教学脱离企业所需能力的培养疼点，传统的产学结合方式受到了挑战。项目沉浸式教学方法结合高校教学与达内等企业培训两者的优点，深入到企业实际项目，把企业真实的项目实施过程融入教学情境，大大增强了教学的实战性，使学生适应企业的需求，创新能力有实质性的提高。

　　项目沉浸式教学的主要目的是通过企业项目培养学生的技能，近年来一些教学改革的措施等大多在一定程度上改善了知识传授的问题，而如何培养使用这些知识解决实际问题的技能却是学校难以解决的。有些高校老师推出第二课堂，组织学生自发研究科研问题，这在一定程度上增强了学生对问题的深入思考和创新能力，但这些问题多是实际问题的简单抽象，比较适合做理论研究。项目沉浸式教学就是通过课程指导教师与企业合作，利用掌握的专业知识解决企业的实际问题，然后与企业专家一起指导学生浸入实际项目，引导学生掌握解决数据分析实际问题的必要技能和思维方法。

　　项目沉浸式教学与项目（project）教学法还是有一定的区别。项目教学法中的项目是教师虚拟的实际问题，是实际问题的抽象和简化，无论是数据以及分析数据的要求都与实际项目不同。在一般的项目教学法中，学生学习知识的方式主要是通过完成课程内布置的课程项目的要求，最终的评估也是由任课老师进行。一般来说，课程项目需求明确，考虑的因素较少且理想化，背景相对比较简单，用到的知识也基本是课内所学，很少涉及通过多次试错得到的技能。项目沉浸式教学需要围绕客户的问题，对庞杂的业务数据进行分析，得到辅助用户决策的有用知识。在此复杂的训练过程中，无论数据的选择、数据的净化以及有效分析方法的选择都没有现成的答案，需要学生在掌握坚实的理论知识基础上，通过多次比较、探索和讨论才能得到有价值的知识，并最终解决用户的问题，而不是仅仅应对课程考核。

　　与一般的项目教学相比，项目沉浸式教学面对的项目是要解决企?I实际业务遇到的问题。相对于课程练习，学院与企业合作的项目应用背景更加复杂，不确定因素更多，而且需要用到的知识不仅是课内学习的知识，还需要解决具体问题的经验技能。数据分析项目需要经过以下几个阶段：提出问题、获取并清洗数据、数据建模、评价与部署。在这4个阶段中，各个阶段都没有固定的解决方法可以简单套用，学生需要以现有知识为基础，通过模仿学习、试错、反复实验，才能积累其中必要的技能。

　　项目沉浸式教学偏重于实践，在训练学生技能的同时，也要对学生的思维方法进行训练。在数据分析的过程中，为了保证数据分析的质量，有些思维方法是必要的，通过指导教师对实际问题的示范讲解，结合实际项目的沉浸式教学，学生需要深刻地领会这些思维方法并灵活应用，从而使学生能与企业的需求接轨[5]。

　　3 实施项目沉浸式教学的条件

　　在项目沉浸式教学中，学生在项目中是主角，指导教师和企业的专家也会在项目开展过程中对总体方案以及具体步骤进行指导，引导学生进行合理的分工、思考、讨论和具体问题求解，他们更多地起到示范、引导和评判的作用。 　　项目沉浸式的教学方式在复旦大学软件学院已经尝试多年，结合学院卓越工程师的人才培养，实践检验表明这种教学改革对于培养动手能力强的创新人才是非常有效的。我们与多个企业合作过数据分析项目，与主流的业界企业有多年的合作，了解实际项目的开展过程以及所需的能力，熟悉项目沉浸式教学的基本过程和技巧。

　　校内的指导教师需要有一定的项目经验，在学生完成项目的过程中，给予正确的指导，帮助学生完成项目。我们与多个企业合作过数据分析项目，与主流的业界企业有多年的合作，了解实际项目的开展过程以及所需的能力，熟悉项目沉浸式教学的基本过程和技巧。对于数据分析项目来说，在识别项目需求和目的、数据收集与处理、对比多种分析模型、评估调整优化和部署等阶段，每个阶段都需要有相关的经验、技巧和思维方法。指导教师的职责就是在每个阶段给予学生适当的引导，能在学生遇到难题时给与实例、启发和思路的指导，对分析结果给与合适的评价，而不是直接提供答案。

　　对学生来说，项目沉浸式教学对自?W能力、敢于挑战困难以及对数据分析具有较强的兴趣更加看重。这个学习过程需要耗费很多的时间和精力，对有功利心和速成思想的同学将是一个挑战。此外，数据分析项目一般都需要学生以小组为单位完成，因此学生之间的协作能力也非常重要。团队之间的交流意识也会使学生尽快适应数据分析项目的不同角色。

　　对合作企业的专家来说，由于他们有实施分析型项目丰富的经验，对各类数据的处理针对特定的分析需求有实战性的思路和技能，但这些经验很难直接表达清楚。他们可以针对学生的问题，结合实际背景给出可行的建议，能够从指导教师不同的角度引导学生，在一定程度上弥补指导教师经验不足的短板，帮助学生在完成实际项目的过程中，综合考虑多种因素，选择最合适的解决方案。

　　综合来说，项目沉浸式教学的重点还是培养学生完成项目，对所学的知识能够活学活用。因此，相较于其他教学方式，项目沉浸式教学对学生的要求更高，需要指导教师、企业导师和学生紧密配合。

　　4 项目沉浸式教学的过程

　　项目沉浸式教学的重点是通过项目实践培养学生技能，通过项目提高学生应用知识的能力。对于数据分析类等应用能力要求很高的课程，项目沉浸式教学的实施过程主要分为项目预热、项目实施和项目总结等3个阶段。

　　（1）项目预热。项目启动阶段对于项目沉浸式教学的开展具有重要意义，在专业知识学习结束后，可以把以前指导教师做过的项目整理成案例和实验指导书，由指导教师示范整个项目的开展过程，突出项目过程中的问题以及解决关键所在。然后把数据提供给学生，根据实验指导书的要点由学生模仿数据分析的过程。这个阶段学生遇到的问题会比较少，主要是熟悉数据分析项目思路。

　　这个阶段也可以用企业专家提供项目案例和相关资料，启发学生补充学习课堂教学忽略的知识，并通过项目资料的学习和练习，初步了解数据分析项目常用的思维方法以及处理过程常见的问题。

　　（2）项目实施。项目实施过程是整个教学中最重要的环节。在该过程中，学生对于已经掌握的知识在实际问题中加深理解。还需要学习项目分析过程遇到的新知识和新工具，这就要求学生有足够强的学习能力。例如，学生在进行数据分析时，需要根据已学算法基础或者学习新算法，选择合适的数据分析算法，建立合适的数据分析模型，通过对比分析，不断完善改进问题的结果。此时导师就需要根据项目经验引导学生对问题的理解、数据的预处理、建模优化以及评估等阶段的处理。学生在完成项目的过程中，需要将项目中新用到的知识、技能进行整合，构建自己的知识网络，并结合实际项目深入理解、巩固和提高。

　　对于学生来说，项目实施是一个探索的过程。学生在完成项目的过程中，会遇到具体业务、数据预处理、比较选择合适的分析算法等很多实际问题，而这些问题的解决方法在课堂上、书本上没有讲授，或者根本没有明确的答案，需要学生不断地进行探索、思考，这个过程是积累宝贵的实践经验，培养实践能力的过程。

　　（3）项目总结。项目总结阶段是一个不可缺少的环节，起到提炼、强化技能，扩展知识体系的作用。这个阶段可以帮助学生对整个项目进行总结回顾、理清的过程，突出项目中遇到的问题和求解方法，从而作为新的案例和实验素材。

　　上述项目沉浸式的教学过程是一个反复的过程，每次顺利地完成一个项目，指导教师也会增强对实际项目的理解，并积累更多实践经验；而学生顺利地完成项目，会增强对业务的认识并强化数据分析的技能。

　　这里以我们与IBM合作的SUR项目“基于Spark的文件传输网络设计以及负载优化研究”为例，简要说明项目沉浸式的教学过程。这个项目首先由IBM研究院的专家根据多年的实践经验提出，目的是优化文件传输网络的设计，在工程实际有一定的应用需求。针对这个需求，我们与IBM专家一起，组建了由3名复旦大学软件学院高年级本科生组成的项目小组，通过多次磋商，进一步细化了文件传输网络的功能需求。然后通过对实际文件传输网络的分析，摸索其中节点的数据流向和流量，抽象出便于分析的文件传输网络模型。通过仿真分析，研究这个模型的特点和参数设计。在此基础上，从多种分析方法中，通过比较发现深度学习神经网络比较适合预测网络节点之间文件传输网络流量的预测，并利用Spark实现神经网络的高速训练和计算。有关深度学习、Spark等知识都需要学生自学，并用Python语言实现实验模型，通过多次比较调优。这个过程历经数月，师生共同努力，多次修改设计，其中IBM专家提供了相关的资料，并根据经验对每个阶段的工作提出了建议，最后得到比较可行的方案。

　　5 项目沉浸式教学建设存在的问题

　　项目沉浸式教学的理念对教师和学生都有较高的要求，目前在高校的专业课程教学中还存在一些需要解决的问题。

　　（1）专业知识的教学问题。项目沉浸式教学对于学生的专业基础知识和动手能力有一定的要求。当前很多高校的专业课程注重基础知识的培养，脱离了实际应用背景，而这些知识的掌握只有实际应用才可以深入理解。这就要求指导教师能根据实际项目应用的需要，梳理相应的数据分析知识体系，帮助学生对于实际问题的分析奠定比较扎实的专业基础知识。 　　（2）学生时间的协调问题。学生在完成实际项目的过程中，需要结合所学多门专业课程的知识，因此项目沉浸式教学需要学生能拿出一定的时间，自学项目要求的额外知识，并通过反复试错完成项目。我们建议项目沉浸式教学与学校的各种科创项目结合起来，根据学生做项目的成果，满足一定的条件就给予一定的学分，以便进一步调动学生的积极性。

　　（3）项目风险管理问题。由于学生缺乏实际项目的研究经验，因此学生参与企业的实际分析项目具有一定的风险。指导教师与企业专家合作，吸引有一定实践经验的员工?⒂胂钅浚?承担项目关键问题，学生刚开始介入项目时可以根据分工承担相对容易的工作，并逐步承担有难度的数据分析环节，培养数据分析在各个岗位和阶段需要的基本技能。

　　6 结 语

　　国内高校专业课的教学多偏重理论知识的传授，学生的动手能力、分析与解决实际问题能力以及创新能力还存在很多提高的空间。在很多高校的专业课程中大多是人工整理或过度加工形成的案例，这些案例与实际项目情况相差较大。针对传统专业课程教学与企业实际应用能力脱节的问题，探索面向企业需求，在教学过程中沉浸真实项目的课程改革方法。

　　项目沉浸式教学是一种缩小企业分析人才需求与高校培养差距的教学方式，通过指导教师与企业导师的引导，把课堂学习的理论知识贯穿到实际的项目中，这不仅可以培养学生应用知识的能力，也大大地减少学生毕业后适应企业岗位的时间。

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