基于Python的大数据分析与可视化“理实一体”教学模式的探索与实践
作者：***
来源：《计算机应用文摘》2022年第01期
        关键词：Python;大数据分析;可视化;理实一体;教学模式;探索与实践
        中图法分类号：G642 文献标识码：A
        随着大数据时代的到来，了解大数据分析与可视化技术成为时代发展的需要。无论是说明事特属性、展示数据规律、阐述规律原理，还是论述观点、支持决策、预测分析，都离不开大数据分析。大数据是基于数学和运算的科学表达，这需要科学计算、需要数据分析的支持。因此，“大数据分析与可视化”课程成为了新工科背景下，学生不可或缺的知识架构。
        目前，传统“（理论课）黑板+粉笔+多媒体+（实验课）实践”教学模式，无法满足教学需求。
        1“理实一体”教学模式探索
        Python语言因为简单、易学、免费开源等优势，连续四次获得“年度编程语言”称号，受欢迎程度达到历史新高。其拥有超九万个的三方库，涵盖数据分析与挖掘、人工智能与机器学习、网络爬虫等计算机领域。
        大数据分析与计算利用计算机进行数值计算，它是科学家通过运算掌握自然规律所采用的方法，更是普通人提升专业化程度的必要手段。开展基本的科学计算需要两个步骤：组织数据和展示数据。组织数据是运算的基础，是数据分析的基础，也是将客观世界数字化的必
要手段;展示数据是体现运算结果的重要方式，也是展示结论的有力武器。而Python语言为开展人人都能使用数据计算与展示提供了有力的支持。
        因此，选用“基于Python的大数据分析与可视化”教学是目前较为领先和业界公认的最为合适的选择。其中，Python的三个数据分析工具Numpy、Pandas、Matplotlib是在数据分析与可视化方面最具其代表性的三方库。
        由于到该门课程的实践性很强，传统教学模式已不再符合课程要求。而在教学模式的探索中，我们发现实施“理实一体”教学模式则可解决这个问题。
numpy库运行速度
        “理实一体”教学模式即理论实践一体化的教学模式。其突破了以往理论与实践相脱节的现象，教学环节相对集中。它强调充分发挥教师的主导作用，通过设定教学任务和教学目标，让师生双方边教、边学、边做，全程构建素质和技能培养框架，丰富课堂教学和实践教学环节，提高教学质量[2]。可以说，“理实一体”是一种充分调动和激发学生学习兴趣的教学模式。
        1.1教学环境的搭建及教学资源
        1.1.1教学环境的搭建
        该门课程的教学需在机房进行，并安装“Python+解释器+三方库”，搭建运行环境。
        Python的安裝建议选择64位Python3最新版本;解释器选择Pycharm最新英文原版，建议不要;同时，使用pip命令安装三个外置三方库——数据分析基础工具numpy、处理结构化数据工具Panda、Matplotlib实现交互式图表绘制。
        1.1.2 教学资源
        由于学生机安装有不同的操作系统，而Python的版本和运行环境也有很多选择。因此，我们已将录制好的搭建Python运行环境的视频上传至学习通在线平台，供学生课前参考。同时，在教学的过程中，我们同步上传了教学讲解视频和PPT，供学生课前预习和课后复习;学习中需用到的data，即案例中用到的.csv、.xls文件及图片资源均可以在学习通线平台下载使用。
        1.2教学内容的选择与组织
        1.2.1教学内容的选择
        本课程目前面向理工科类学生开设，其教学内容包括：了解三种常见数据形态——ndarry、Series、DataFrame。掌握三种数据的获取、处理等方法，能完成将处理后的数据用图形展示等操作。
        围绕以上教学内容，我们采用“理实一体”教学模式，选用案例教学法，将教学内容划分成六个模块。其中，课前导读与结题文档两个模块分别在开课前和结课后进行，不占用课堂教学时间。其余四个模块中的每个教学内容均包括“理论讲解+案例演示+操作实践+课堂小测”四个教学环节，具体内容划分如表1所列。
        整个课程的教学内容遵循科学计算两步骤，即包括对数据的分析与组织和展示数据两部分。先学习Numpy的矩阵，包括矩阵的创建、运算、读取、运算等;再学习Pandas的Series、DataFramer，包括Series、DataFramer的创建、选择、运算、排序、分组、文件的读写等;接下来学习用Matplotlib进行数据展示;最后通过综合案例掌握数据处理方法和图形展示技巧等，并形成实验报告。
        1.2.2教学内容的组织
        以上六个模块既相对独立，又相互关联。每个教学内容均由“理论讲解+案例演示+操作实践+课堂小测”四个教学环节构成。每个教学内容的知识点不同，但每个知识点环环相扣，层层递进。
        首先，对本堂课所涉及的教学内容和知识点进行讲解和概括，让学生建立本次教学内容的知识轮廓;接着，将教学内容中的各知识点穿插在案例中。一边演示一边讲解，让学生去体会、领悟。每个知识点的“案例演示”结束后，即进入“操作实践”环节。接下来进入下一个知识点，实现“案例演示+操作实践”环节的循环进行。随着环环相扣的知识点在案例中演示与讲解，并在操作实践环节让师生无缝交互与问答，让学生享受这样的教学过程。最后，通过课堂小测环节，对这堂课的教学内容进行巩固、复习。
        同时，在课堂中选用的案例和数据应与生活、工作、学习息息相关，比如某餐厅的消费数据、部分运动品牌的各类产品销售数据、共享单车的租赁数据等。通过对这些数据进行分析、提取和展示，得出结果，最终为决策提供帮助。从而让学生体会到学与用不能脱节，用兴趣引导学生爱上课堂，变被动学习为主动学习[3]。将知识融会贯通，体会到运用知识解决实际问题的乐趣。
        1.3教学过程的设计
        教学过程的设计遵循从简单到复杂、层层递进、环环相扣的原则。本文以教学内容“柱状图”说明“理实一体”教学模式在教学中的应用。

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