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大數(shù)據(jù)時代下的計算機專業(yè)高等代數(shù)教學研究性論文
【摘要】大數(shù)據(jù)技術(shù)如火如荼，但其優(yōu)勢在教育領(lǐng)域尚未得到充分利用，尤其是在計算機專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)方面。高等代數(shù)是計算機專業(yè)一門重要基礎(chǔ)課程。本文以高等代數(shù)為例，分析了當前教學過程中遇到的問題，探討了大數(shù)據(jù)時代背景下該課程教學方法與模式的一些改革思路。
【關(guān)鍵詞】大數(shù)據(jù)時代；高等代數(shù)；教學方法
0引言
這是一個如火如荼的大數(shù)據(jù)時代，大數(shù)據(jù)早已不是空中樓閣，其分析和預(yù)測能力為大眾開啟了智能化時代的大門，正在商業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用，但在教育領(lǐng)域大數(shù)據(jù)技術(shù)還沒能得到充分利用。大數(shù)據(jù)獨有的規(guī)模性、多樣性與高速性等優(yōu)勢，為高校計算機專業(yè)人才培養(yǎng)提供了有利條件，也對教師如何有效的利用這些海量數(shù)據(jù)提出了挑戰(zhàn)。當今國內(nèi)高等本科院校大都根據(jù)高校和相關(guān)專業(yè)需求來對人才的培養(yǎng)進行定位并確定人才的培養(yǎng)目標究竟是應(yīng)用型還是學術(shù)型。計算機科學由其專業(yè)的特殊性決定了大多數(shù)高等院校的人才培養(yǎng)目標必然是應(yīng)用型。在大數(shù)據(jù)時代下，計算機專業(yè)培養(yǎng)出來的應(yīng)用型人才還應(yīng)符合大數(shù)據(jù)時代的需求，具有自主利用數(shù)據(jù)學習的能力。大數(shù)據(jù)的直觀表現(xiàn)就是海量數(shù)據(jù)。海量數(shù)據(jù)的最好組織方法就是矩陣。而高等代數(shù)課程的主要研究對象就是矩陣。鑒于高等代數(shù)對計算機專業(yè)學生后續(xù)課程（如科學計算、優(yōu)化方法等）學習的重要性，本文以高等代數(shù)（有的本科院校計算機學院設(shè)置的是線性代數(shù)課程）為例，分析了其在當前教學中的問題，探討了大數(shù)據(jù)時代背景下該課程教學方法與模式的一些改革思路。
1當前教學中的問題和教師教學能力的提升傳統(tǒng)的計算機專業(yè)數(shù)學類課程
�。ǜ叩却鷶�(shù)為其中之一）由于受教材本身的限制，教學形式往往是灌輸式填鴨式等單一形式。在教學過程中，大都是以教師課堂講授為形式的理論教學，即使加入多媒體教學手段，學生學習仍然很被動，無法觸類旁通。高等代數(shù)作為計算機專業(yè)本科基礎(chǔ)課程，許多教師常年用同樣的教材同一套課件甚至布置同樣的作業(yè)，也從不舉實踐工程實例，忽略了與學生的交流與互動，從而導致學生在諸多的理論推導過程感覺枯燥乏味甚至出現(xiàn)昏昏欲睡等不良現(xiàn)象。學生由于數(shù)學基礎(chǔ)不同接受能力和學習能力有所區(qū)別，對這類理論性強的教程的學習積極性并不高。如果存在開放的大數(shù)據(jù)平臺使得學生可以實時學習，并根據(jù)每次學習的結(jié)果實時修正，然后根據(jù)自身的學習節(jié)奏和學習狀態(tài)，適時地調(diào)整自身學習方法，學習效果必將與之前大不相同。高校教師作為高等教育工作者，應(yīng)當謹遵清華大學施一公教授“育人在育心”思想，在培養(yǎng)學生的過程中“以學生為本”，以身作則，言傳身教，通過閱讀更多的課外書籍來拓展自身視野，通過研讀更多的科研論文與相關(guān)專業(yè)文獻來把握最新研究動態(tài)，不斷提升自身理論水平和科研水平，從而提升自身教學能力。以高等代數(shù)這門課程為例，堅實的數(shù)學基礎(chǔ)，必要的工程知識，豐富的教學經(jīng)驗和良好的編程能力是任課教師應(yīng)當具有的基本素質(zhì)。任課教師在教學過程中結(jié)合自身的科研項目，將其中涉及矩陣應(yīng)用的案例（比如矩陣QR分解、LU分解問題及相關(guān)應(yīng)用）講解給學生，從而激發(fā)學生的學習興趣，提升學生在今后計算機專業(yè)工程應(yīng)用方面的理論基礎(chǔ)以及實踐動手能力，以領(lǐng)略理論與實踐結(jié)合的真諦，從而以高昂的熱情和積極性投入到后續(xù)計算機專業(yè)課程（比如優(yōu)化方法、計算機視覺等等）的學習中去。
2大數(shù)據(jù)時代高校教師的著手點
“大數(shù)據(jù)配合互聯(lián)網(wǎng)對教育產(chǎn)生了重大沖擊”[1]。大數(shù)據(jù)顧名思義即海量數(shù)據(jù)，這需要經(jīng)過一定程度的數(shù)據(jù)積累才能實現(xiàn)。比如高等代數(shù)作為計算機專業(yè)的基礎(chǔ)課程已經(jīng)教授了很多年，但是鮮有留下有效數(shù)據(jù)。這是因為，首先，這么多屆學生的大量課程數(shù)據(jù)或者是沒有收集，或者是被擱置、遺忘，少量數(shù)據(jù)達不到大數(shù)據(jù)應(yīng)用的要求，即充分的大規(guī)模和多樣性，或者是積累的數(shù)據(jù)仍存在許多不足。另外，大部分高等院校關(guān)于大數(shù)據(jù)的管理知識尚不夠完善，而以什么樣的目的來應(yīng)用這些海量數(shù)據(jù)決定了大數(shù)據(jù)會成為垃圾還是寶藏。為此，高校教師應(yīng)首先從建立大規(guī)模的數(shù)據(jù)庫著手，開始收集學生學習過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，比如學生關(guān)于特征值求解，線性空間的基、矩陣的運算等不同的章節(jié)內(nèi)容的作業(yè)情況，比如學生在某一章節(jié)內(nèi)容學習中的實時反饋信息，比如教師結(jié)合學生的反饋信息對授課內(nèi)容進行實時修正之后的教學效果對比，比如課程結(jié)束后的學生教學評價等等。實際上，教育評價方式作為高校人才培養(yǎng)模式的八個組成要素[2]之一，發(fā)揮的作用一直都很微弱，是時候考慮其影響力從而提上教學改革日程了。教師在逐步建立數(shù)據(jù)倉庫的同時，可以參考互聯(lián)網(wǎng)上的優(yōu)質(zhì)資源�！盎ヂ�(lián)網(wǎng)與瀏覽器為大眾開啟了利用信息的平臺：處理來自各種渠道的多種類型數(shù)據(jù)，需要高級的分析能力，接近數(shù)據(jù)的便利性”[3]。大數(shù)據(jù)時代應(yīng)提倡學生通過網(wǎng)絡(luò)尋找最新的技術(shù)來解決問題。
3教學改革探討
3.1改編適合本校學生、符合時代要求的教材
由于各個高校計算機專業(yè)的定位與培養(yǎng)目標不同，高等代數(shù)這門計算機專業(yè)的基礎(chǔ)課程并沒有統(tǒng)一的教材。高校教師在選取教材的時候如果沒有考慮本校學生自身的特點，也沒能與時俱進的結(jié)合當下時代發(fā)展的需求，教材往往存在一定的不合理性。比如某大學計算機學院選取的是北京大學數(shù)學系前代數(shù)小組編寫的《高等代數(shù)》。該教材雖然內(nèi)容豐富、知識點全面。但是對剛上大學的大一新生來說由于其三維空間概念還有待建立，思維模式還沒有辦法立即轉(zhuǎn)換到矩陣或線性空間等層面，所以具有一定的難度。由于大一新生（第一學期）高中的數(shù)學基礎(chǔ)參差不齊，如果教師在選用教材的時候能夠先廣泛查閱已出版教材（尤其是出版社反饋眾多高校教師評價良好的教材），同時參考多種相關(guān)的專業(yè)教材，再結(jié)合網(wǎng)上優(yōu)秀資源，并充分考慮本校學生的接受能力和學習能力，選擇或者改編一本適合本校學生的教材。在大數(shù)據(jù)時代，除了基礎(chǔ)知識點之外，還可以在教材中圍繞基礎(chǔ)知識點展開包括該數(shù)學思想的發(fā)展歷史、工程應(yīng)用實例等在內(nèi)的介紹，并加入教學互動環(huán)節(jié)。高校教師可結(jié)合這種改編教材，根據(jù)學生的教學反饋，實時修正，對學生感興趣的點進行拓展，也可利用MOOC（也被稱為“慕課”）或SPOC等多種網(wǎng)絡(luò)資源，對基礎(chǔ)理論的講解中加入動畫與案例，使得課程更加生動有趣。
3.2大數(shù)據(jù)對教學的影響
從2012年開始，MOOC作為一種大規(guī)模開放式的在線教育形式正在受到教育工作者的廣泛關(guān)注和應(yīng)用。學生可以利用這個平臺自主進行學習，而不再受到時間空間的限制。清華大學的張莉指出[4]，“借助大數(shù)據(jù)，教師能隨時觀察和分析學生的學習行為，可以從中發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)模式無法發(fā)現(xiàn)的教學規(guī)律，同時可以借助信息技術(shù)向?qū)W生提供個性化的在線學習過程；學生不再盲目地按照固有習慣去學習，可以通過分析、反思自己學習過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)自己的特點和優(yōu)勢，適時調(diào)整學習方法，甚至調(diào)整專業(yè)方向，進而在學習中更愉快更好地發(fā)揮自己的能力�！边@種做法值得認同，它實際上指出了預(yù)測作為大數(shù)據(jù)的核心[5]在教育中的積極作用：通過分析海量數(shù)據(jù)預(yù)測未來，準備應(yīng)對之策。數(shù)字化時代，數(shù)據(jù)的采集方式多種多樣：電腦，Ipad或其他平板電腦，數(shù)碼筆，可穿戴設(shè)備等都可以用來實時的數(shù)字化學生的學習數(shù)據(jù)。高校教師在教學過程中如能實時收集正在學習學生的當前動態(tài)信息：包括學生基本信息，哪一章節(jié)知識點，學生學習中遇到的困難及可能的解決方案，學生的作業(yè)和練習以及教師的指導過程及評價等，并參考以往學生的歷史學習數(shù)據(jù)，運用情況信息進行篩選和整理、計算和挖掘，并對接下來的教學進行微調(diào)和修正，使其適合當前學生的特點和需求，將會對當前學生乃至下一屆學生的教學產(chǎn)生積極的影響。另外，教學評價系統(tǒng)也可隨之建立并完善，“大數(shù)據(jù)提供了多方參與評價的途徑”[6]，多種來源與結(jié)構(gòu)的評價數(shù)據(jù)貫穿在課程的整個學習過程中，這樣建立起來的教學評價系統(tǒng)模型又反過來應(yīng)用于學生的學習和教師的教學決策。
3.3引入計算機軟件，培養(yǎng)學生抽象思維能力
如前所述，海量數(shù)據(jù)的最好組織方法就是矩陣。MATLAB是基于矩陣運算的軟件，因而在矩陣求解問題方面具有特殊的優(yōu)勢，可以很好的用于數(shù)學建模。對高等代數(shù)這門課來說，用MATLAB軟件可以對海量數(shù)據(jù)進行連續(xù)的多次處理，即使對低階運算，用矩陣運算（而不是代入法或消元法）求解，效率都可大大提高。大數(shù)據(jù)時代高等代數(shù)教學改革的目標定位為：在保持原有理論和實踐水平的基礎(chǔ)上，使學生學會高效的求向量相關(guān)性，求解高階（比如6階以上）特征值之外，能夠結(jié)合時代需求，對遇到的工程問題能用矩陣建模：從問題的提出，到問題的分析，模型的準備，模型的建立與MATLAB求解，最后用計算機模擬情境。這一切都從寫出矩陣表達式開始。這也是抽象思維形成的基礎(chǔ)。高校教師在教學過程中，如能通過MATLAB引入大量矩陣建模案例，使抽象概念形象化，培養(yǎng)學生抽象思維能力，從而學會對更深奧的問題進行抽象思考。比如全市交通巡警的服務(wù)平臺的設(shè)置與調(diào)度案例，可以根據(jù)路口個數(shù)、警臺個數(shù)建立矩陣。根據(jù)第i個路口是否在第j個警臺管轄范圍設(shè)置決策變量，采用相關(guān)算法（比如Floyd算法）求解第i個路口是否在第j個警臺的最短路程，從而建立模型。（詳細建模過程可參考相關(guān)書籍，這里不再贅述。）
4結(jié)語
本文討論了大數(shù)據(jù)對高等代數(shù)這門課程的影響和挑戰(zhàn)，進而探討了計算機專業(yè)學生的培養(yǎng)模式及可能的教學改革方法，比如改編適合本校學生的教材，比如充分利用不受教學資源限制的在線教育形式，又比如計算機軟件的引入和應(yīng)用等。值得注意的是，在應(yīng)用大數(shù)據(jù)提升教學質(zhì)量和學習效果的同時，高校教師應(yīng)時刻注意信息的維護，解決好學生個人信息保護與數(shù)據(jù)應(yīng)用自由之間的矛盾，從而更好的發(fā)揮大數(shù)據(jù)在教育工作中的重要影響和積極作用。
參考文獻：
［1］李建敏，大數(shù)據(jù)環(huán)境下的計算機應(yīng)用基礎(chǔ)教學模式探究［J］，中國培訓，2016(12):170-170
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［5］（英）維克托邁爾-舍恩伯格,肯尼思庫克耶，《大數(shù)據(jù)時代（生活工作與思維的大變革）》［B］，浙江人民出版社，2012.12
�。�6］李葆萍，周穎，基于大數(shù)據(jù)的教學評價研究［J］，《現(xiàn)代教育技術(shù)》,2016,26(6):5-12
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