數(shù)據(jù)可視化技術在教學管理系統(tǒng)中的應用

張賢杰

(1.黑龍江省科學院 江蘇技術轉移中心，江蘇 鎮(zhèn)江212000； 2.黑龍江省科學院 智能制造研究所，哈爾濱150090)

為了能夠將數(shù)據(jù)信息準確、全面地傳遞給用戶，常見的錯綜復雜的表格可以通過數(shù)據(jù)可視化技術轉化為可見的圖形符號，并將一些不容易發(fā)現(xiàn)和看起來難以關聯(lián)的數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律并加以利用，發(fā)現(xiàn)其潛在價值。這種通過圖形化處理數(shù)據(jù)的方式能夠準確高效地表達出數(shù)據(jù)中的關鍵信息點，發(fā)掘數(shù)據(jù)中的隱藏規(guī)律，讓用戶對數(shù)據(jù)的理解更加深刻，這種技術即為數(shù)據(jù)可視化技術[1]。

1 數(shù)據(jù)可視化技術在教學管理系統(tǒng)中的發(fā)展趨勢及存在的問題

可視化技術主要體現(xiàn)在宏觀態(tài)勢可視化、設備仿真運行可視化和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可視化這三個方面[2]。宏觀態(tài)勢可視化是在某種特殊條件下對根據(jù)時間變化而變化的目標實體進行觀察統(tǒng)計，能夠直觀、準確、生動地表現(xiàn)出宏觀態(tài)勢，以便迅速掌握整體發(fā)展形勢和特點。設備仿真運行可視化是借助圖像、三維動畫和計算機程控技術與實體模型相結合的方式來表現(xiàn)出設備的可視化，讓決策者對管理設備的理解更加生動具體，以提高管理效率。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可視化因借助可視化圖表表達清晰的特點而在教育教學、智能商業(yè)、政治決策、市場營銷等領域被廣泛應用。

在教育教學領域，可利用數(shù)據(jù)可視化技術發(fā)現(xiàn)教學環(huán)境中存在的問題，以提高教學質量。各大高校應積極引進網絡教育平臺對學生的在線學習行為進行分析處理。基于數(shù)據(jù)可視化技術對教育行業(yè)海量的信息數(shù)據(jù)進行深度剖析時，可以讓教師和學生更加容易對數(shù)據(jù)進行分析和理解。

為了能夠高效地對教學數(shù)據(jù)進行分析，需要建立數(shù)據(jù)文件的方式提取教學數(shù)據(jù)，對不同種類和來源的數(shù)據(jù)格式和結構進行統(tǒng)一規(guī)范化處理，為數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)基礎。目前，學生成績數(shù)據(jù)庫中存儲的都是單一形式的學生成績[3]，不能提供給學生、教師以及教務管理人員更多的信息，無法為專業(yè)的課程設置、教師人才配置和學生課程成績的提高做出針對性指導，因此需要從統(tǒng)計分析及可視化、數(shù)據(jù)關聯(lián)分析、成績預測這三個不同維度來完成對學生成績的分析。

2 可行性分析

隨著互聯(lián)網和大數(shù)據(jù)技術的不斷發(fā)展，日常數(shù)據(jù)分析管理逐漸趨于無紙化，可視化方式可避免文本形式數(shù)據(jù)的混亂和常規(guī)圖表形式的空洞，能夠幫助人們更加便捷完整地獲取數(shù)據(jù)中的信息，充分展現(xiàn)出數(shù)據(jù)的模式、趨勢和相關性，以提高工作效率和進度。基于B/S (Browser/Server)體系的結構軟件是目前各種應用軟件的主要形式[4]。在工作中，需要將數(shù)據(jù)信息用圖表的方法在Web頁面上進行展示。各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)可視化后，可實現(xiàn)人與人、人與機器之間的圖像通訊，改變了當前的文字或數(shù)字通訊。

3 關鍵技術

數(shù)據(jù)抽取是指從數(shù)據(jù)源中讀取數(shù)據(jù)的過程。本項目中數(shù)據(jù)抽取源是以文件類型為Excel的數(shù)據(jù)源，創(chuàng)建文件選擇路徑直接導入，數(shù)據(jù)抽取的頻率根據(jù)具體需求來決定。比如課程成績相關的信息抽取頻率為一學期一次，統(tǒng)計的類型可以是個人成績總和、個人平均成績等，比較類型為至少兩個班級之間的比較。數(shù)據(jù)抽取可通過爬蟲程序或Kettle、ETL等網頁數(shù)據(jù)抽取工具來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)清洗是對數(shù)據(jù)進行重新審查和校驗的過程，能夠刪除重復信息和糾正錯誤信息。在數(shù)據(jù)的收集和處理過程中，由于人為或系統(tǒng)問題無法保證數(shù)據(jù)的完全準確，可能會產生一些干擾數(shù)據(jù)或殘缺數(shù)據(jù)。相同的數(shù)據(jù)類型在不同數(shù)據(jù)源中的存儲格式和讀取方式也可能不一樣，這些數(shù)據(jù)在多個業(yè)務系統(tǒng)中多次抽取和使用會產生歷史緩存數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)之間會產生沖突，所以在需要調用時進行數(shù)據(jù)清洗和轉換，以保證數(shù)據(jù)的準確性和完整性。數(shù)據(jù)清洗的過程一般是將殘缺數(shù)據(jù)、錯誤數(shù)據(jù)、重復數(shù)據(jù)經過一致性檢查及無效值和缺失值的檢查處理來轉換為能夠滿足質量要求的數(shù)據(jù)。通常采用語法分析和模糊匹配技術來完成對多數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)的清理。對分類數(shù)據(jù)使用可視化技術能快速獲取數(shù)據(jù)集的范圍及數(shù)據(jù)分布特征。條形圖適用于分類數(shù)據(jù)可視化；餅圖、瀑布圖適用于觀察分類中的比例情況；樹形圖適用于需要一級分類且還需要子分類的情況。柱狀圖、條形圖的長度有利于直接比較；餅圖、柱形堆疊圖及瀑布圖能在分類數(shù)據(jù)中對比出占比情況；樹形圖能展示一級分類的子分類，可以實現(xiàn)維度的深入分析。隨時間變化的時序數(shù)據(jù)可視化技術主要有兩種模式，一是隨著時間線索向右延伸的時序圖，如折線圖、堆積面積圖，等等；二是根據(jù)時間周期進行統(tǒng)計匯總的柱形圖、日歷圖、徑向圖，等等。多個體、多變量的數(shù)據(jù)可視化技術可探索數(shù)據(jù)個體間的差異和數(shù)據(jù)變量間的關系?？蓪⑸Ⅻc圖、氣泡圖或將多個簡單圖表組合生成圖矩陣，通過對比圖矩陣可進行多元變量的可視化操作。其中散點圖和氣泡圖適合變量相對較少(如5個以下)的場景，而對于變量5個及以上的場景圖矩陣更為適合。

學生成績可能與學生的上課考勤、作業(yè)提交、課外活動、科技競賽以及教師的年齡、教齡、教學方式、教學質量評價等眾多因素相關。通過對相關因素進行不同維度的統(tǒng)計分析，并用可視化的形式來表示，這樣可以更直觀、科學、合理、全面的為教學安排提供指導?？苫趯W生的日?？记?、作業(yè)提交、課堂聽講情況、課前預習情況、社團情況、競賽與獲獎情況、課程考試方式、掛科率等來對學生的成績進行預測，并對有掛科風險的學生及時采取補救措施。可基于各個圖形的優(yōu)勢對學生的成績數(shù)據(jù)進行可視化分配。折線圖適用于多個二維數(shù)據(jù)集的比較，能反映出眾多數(shù)據(jù)集之間的起伏狀態(tài)，常用于連續(xù)排名；柱狀圖用于顯示某一段時間內的數(shù)據(jù)變化或各項之間的比較情況，可用于班級之間的分數(shù)對比；餅圖常用不同的顏色來代表數(shù)據(jù)源中各項數(shù)值與總項的比例關系，適用于成績段之間的數(shù)據(jù)分布；散點圖可以直觀看出學生都集中在哪些分數(shù)段。

4 論證方法

目前，基于python語言的web框架主要有Django、Flask和Tornado。本項目基于Flask作為python的web框架，該框架的優(yōu)點是輕便、易擴展。Web前端中使用了Bootstrap框架，它擁有下拉菜單、按鈕組、按鈕下拉菜單、導航條、排版、縮略圖、警告對話框等豐富的Web組件，根據(jù)這些組件可以快速搭建一個功能完備的網站。在程序中集成Bootstrap，可以用一個名為Flask-Bootstrap的Flask擴展對模板進行一些有必要的改動，簡化集成過程。另外，可使用Flask中一些可選的輔助模塊來讓程序更加簡潔易懂，比如將SQLAlchemy用于數(shù)據(jù)庫的連接和操作，將Flask-WTForm用于網頁上表單的設計。完成開發(fā)環(huán)境搭建后，可基于多源數(shù)據(jù)可視化方法來對高校的教育數(shù)據(jù)進行綜合利用，構建教育大數(shù)據(jù)可視化教學管理系統(tǒng)，以驗證多源數(shù)據(jù)可視化方法的應用效果。

5 結語

本項目做了大量的市場調研，基于教育大數(shù)據(jù)可視化教學管理系統(tǒng)可深入分析教育數(shù)據(jù)的內在關聯(lián)性，并給出可視化的數(shù)據(jù)展示，能夠更詳細準確地掌握學生的學習習慣和學習模式，提升了教學質量。