運(yùn)用Python可視化技術(shù) 提高中學(xué)編程教學(xué)趣味性

毛星皓

摘要：如何提高學(xué)生的積極性，是中學(xué)編程教學(xué)始終需要關(guān)注的問題。本文以詞云制作為例，探討在Python教學(xué)中，通過合理設(shè)計(jì)教學(xué)任務(wù)，綜合運(yùn)用Jieba、Wordcloud、Matplotlib和Numpy等庫提供的分詞、可視化等技術(shù)，采取循序漸進(jìn)、不斷完善的教學(xué)方法，逐步實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。同時(shí)，降低編程教學(xué)的門檻，提高趣味性，幫助學(xué)生克服畏難情緒，充分調(diào)動(dòng)積極性、主動(dòng)性，有效提升教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：高中信息技術(shù);Python;詞云;分詞;圖形繪制

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）17-0136-02

1概述

隨著人工智能時(shí)代的到來，編程技術(shù)已成為未來人才的必備技能。具備良好的編程思維和編程技術(shù)，不僅是信息產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員的基本素養(yǎng)，也必將成為所有產(chǎn)業(yè)對(duì)人才的根本需求。因此，世界各國紛紛將編程教學(xué)列入義務(wù)教育的必修內(nèi)容。自2014年起，英國在義務(wù)教育中加入了編程課程。美國于2015年提出在10年內(nèi)普及中小學(xué)生編程教育。澳大利亞于2016年正式將編程引入全國必修課程。日本則提出，自2020年起，小學(xué)必須確保為學(xué)生提供計(jì)算機(jī)編程體驗(yàn)和學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，到2021年，初中必須提供計(jì)算機(jī)編程課程。在我國教育部于2019年3月13日發(fā)布的《2019年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)安全工作要點(diǎn)》中也明確指出，國家將推動(dòng)在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育?？梢?，編程教學(xué)在今后的教育體系中，必將占據(jù)日益重要的地位。

與成人教育有所不同，面向中學(xué)生開展編程教學(xué)，不僅需要傳授扎實(shí)的編程知識(shí)，培養(yǎng)良好的編程習(xí)慣，更重要的是要科學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)任務(wù)，合理安排教學(xué)過程，以便提高編程的趣味性和成就感，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，獲得較好的教學(xué)效果。在這方面，Python語言具有很大的優(yōu)勢。

Python語言的語法結(jié)構(gòu)清晰，代碼形式簡潔，是公認(rèn)的最接近自然語言的編程語言。與傳統(tǒng)的編程語言如C、Java等相比，語法細(xì)節(jié)較少，記憶負(fù)擔(dān)較輕?？梢暬侄呜S富，能夠便捷地實(shí)現(xiàn)生動(dòng)、直觀的輸出效果，有利于提高編程的趣味性和成就感，對(duì)于中學(xué)生來說，更容易上手和靈活應(yīng)用。同時(shí)，Python語言開放性好，庫資源豐富，能夠方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、清洗和分析，編程效率高，當(dāng)前在數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，發(fā)展前景廣闊。因此，在國外一些發(fā)達(dá)國家排名前百的高中和大學(xué)中，有超過6成均開設(shè)了Python 以及相關(guān)課程，部分學(xué)校已經(jīng)將計(jì)算機(jī)專業(yè)課程設(shè)計(jì)中的第一編程語言從Java改成了Python（于雁2019）。

以Wordcloud庫為例，該庫是一個(gè)功能強(qiáng)大的第三方庫，不僅可以根據(jù)文本中詞語的出現(xiàn)頻率繪制詞云，還可靈活設(shè)定詞云的字體、顏色、形狀等，從而從視覺上凸顯高頻詞及其相應(yīng)的頻次，揭示文本的主要參與者和故事脈絡(luò)，是一種優(yōu)秀的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)形式。本文將充分利用Wordcloud庫及相關(guān)庫的功能，結(jié)合中學(xué)生的喜好，合理設(shè)計(jì)教學(xué)任務(wù)和過程，循序漸進(jìn)，做到寓教于樂，有效提高編程教學(xué)的趣味性。

2教學(xué)目標(biāo)及編程環(huán)境準(zhǔn)備

本案例的教學(xué)目標(biāo)是指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用Python的庫資源，制作一個(gè)文本的詞云，并通過設(shè)置參數(shù)，控制輸出圖像的尺寸、內(nèi)容和形狀等。制作詞云通常分為三個(gè)步驟，即分詞、圖像繪制和輸出，分別使用Jieba、Wordcloud和Matplotlib三個(gè)庫，涉及Windows命令提示符環(huán)境下的指令輸入、數(shù)據(jù)類型、文件操作以及Python庫的安裝、調(diào)用以及參數(shù)傳遞等重要知識(shí)點(diǎn)。

首先，指導(dǎo)學(xué)生啟動(dòng)命令提示符，依次輸入命令，安裝Jieba、Wordcloud和Matplotlib等本程序所需的庫，由此學(xué)習(xí)Python第三方庫的安裝方法（例1）。如果在安裝過程中，提示pip工具版本過低，就應(yīng)該先更新Pip包管理工具（例2）。當(dāng)Pip更新到最新版本后，如果安裝Wordcloud還是報(bào)錯(cuò)，我們就必須采取第二種安裝方法，即根據(jù)當(dāng)前使用的Python版本，在https：//www.lfd.uci.edu/～gohlke/pythonlibs/#wordcloud網(wǎng)頁上選擇正確的安裝文件（如3.7.x版本的Python必須匹配cp37的包）并下載。隨后，在命令提示符環(huán)境下輸入以下語句進(jìn)行安裝（例3）。

（1） pip install （庫名，如jieba等）

（2） python -m pip install --upgrade pip

（3） pip install wordcloud-1.5.0-cp37-cp37m-win32.whl

要運(yùn)行Wordcloud，還需要Pillow、Numpy和Matplotlib庫的支持。如果系統(tǒng)還沒有安裝這些庫，程序會(huì)自動(dòng)下載并安裝。

最后，我們需要準(zhǔn)備一個(gè)文本文件作為解析對(duì)象，可由學(xué)生自由選擇，以提高編程的趣味性。本案例使用的是一部在中學(xué)生中很受歡迎的網(wǎng)絡(luò)小說《全職高手》。

3程序的編制與完善

要實(shí)現(xiàn)基本的詞云繪制功能，只需要使用Jieba和Wordcloud庫。其中，Jieba是目前最好的中文分詞工具，提供精確模式、全模式和搜索引擎模式三種分詞方式。本案例使用其默認(rèn)的精確模式。Wordcloud則是詞云制作工具。在教學(xué)過程中，教師需要著重講解的內(nèi)容包括庫的導(dǎo)入、功能調(diào)用和參數(shù)傳遞等。學(xué)生只需編寫6條語句，就能完成庫導(dǎo)入、讀文本、分詞、調(diào)用Wordcloud、生成詞云和保存圖像（例4-9），從而實(shí)現(xiàn)程序的基本功能，并獲得詞云的圖像文件（圖1）。在此基礎(chǔ)上，教師可以指導(dǎo)學(xué)生通過修改例7中“width”“height”“background_color”以及“font_path”等參數(shù)，調(diào)整圖片的寬、高、背景色以及字體。

（4） import jieba，wordcloud

（5） text = open（"全職高手.txt"）.read（）

（6） text = " ".join（jieba.cut（text））

（7） w=wordcloud.WordCloud（width=1000，height=700，background_color="white"，font_path="C：＼＼Windows＼＼Fonts＼＼msyh.ttc"）

（8） w.generate（text）

（9） w.to_file（"wordcloud.png"）

在完成基礎(chǔ)程序編制的基礎(chǔ)上，教師可以指導(dǎo)學(xué)生設(shè)置一些屬性，進(jìn)一步完善詞云的分析結(jié)果和顯示效果。例如，觀察圖1我們發(fā)現(xiàn)，“葉修”一詞最大，說明其出現(xiàn)頻率最高，是該小說的核心人物。但是，“他們”“但是”“已經(jīng)”“這樣”等詞盡管使用也很頻繁，卻缺乏指向性。因此，最好作為停用詞予以排除。Wordcloud的停用詞應(yīng)設(shè)為set（集合）類型，并在調(diào)用該庫時(shí)將其作為“Stopwords”屬性傳遞給Wordcloud（例10-12）。如果停用詞較多，我們還可以將其統(tǒng)一設(shè)為數(shù)組，并用for循環(huán)，逐一添加進(jìn)Stopwords（篇幅關(guān)系，代碼省略）。在排除“他們”“但是”“這樣”“自己”“就是”“沒有”等16個(gè)停用詞后，獲得了新的詞云（圖2）。在該圖中，除“葉修”外，“君莫笑”“陳果”等人物也凸顯出來。同時(shí)，“現(xiàn)在”“此時(shí)”的出現(xiàn)頻率很高，說明作品中對(duì)故事發(fā)生時(shí)的場景描寫較多?！敖巧薄肮簟薄凹寄堋薄斑x手”等詞使用較多，也符合作品描寫主人公如何成長成為一名游戲選手的故事情節(jié)?？梢姡懦糠滞Ｓ迷~后，故事的出場人物和相關(guān)信息更加清晰了。

（10） Stopwords=set（""）

（11） Stopwords.add（"他們"）

（12） w=wordcloud.WordCloud（stopwords=Stopwords，width=1000，height=700，background_color="white"，font_path="C：＼＼Windows＼＼Fonts＼＼msyh.ttc"）

Wordcloud默認(rèn)繪制的方形圖片盡管內(nèi)容翔實(shí)，但仍不夠有趣。因此，教師可以指導(dǎo)學(xué)生通過mask屬性設(shè)置蒙板，改變輸出圖像的形狀，進(jìn)一步提高編程的趣味性。該屬性需要一個(gè)二值化的mask。為此，我們導(dǎo)入繪圖庫Matplotlib以及Numpy數(shù)學(xué)函數(shù)庫，用前者提供的圖像處理功能打開構(gòu)建蒙板所用的圖片文件（圖3），并用后者的array指令完成由彩色圖片向二值化數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化（例13）。在將mask屬性傳遞給Wordcloud后（例14），高頻詞將被顯示在蒙板圖片中非白色的位置上（圖4）。于是，程序輸出更加生動(dòng)、有趣了。

（13） MaskImg=np.array（Image.open（"mycf.jpg"））

（14） w=wordcloud.WordCloud（mask=MaskImg，width=1000，height=700，background_color="white"，font_path="C：＼＼Windows＼＼Fonts＼＼msyh.ttc"）

4結(jié)語

本文以詞云制作為例，探討了如何科學(xué)規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容，合理設(shè)計(jì)教學(xué)過程，巧妙運(yùn)用可視化等技術(shù)，提高Python編程教學(xué)的趣味性。盡管在教學(xué)過程中，涉及命令提示符環(huán)境下的指令輸入、數(shù)據(jù)類型、文件操作以及Jieba、Wordcloud、Matplotlib和Numpy等重要的庫的導(dǎo)入、功能調(diào)用和參數(shù)傳遞等眾多知識(shí)點(diǎn)，但并不顯得枯燥、晦澀。由于采取了循序漸進(jìn)、不斷完善的教學(xué)方法，且輸出形式直觀、生動(dòng)，因此學(xué)習(xí)過程較為輕松，富有樂趣。

綜上所述，Python語言具有良好的開放性，第三方庫資源豐富、強(qiáng)大，語法較為簡單、代碼量較少，有效地降低了程序編制的門檻，非常適合中學(xué)生學(xué)習(xí)。目前，Python語言已進(jìn)入中學(xué)信息技術(shù)課程。但時(shí)間尚短，教學(xué)體系有待完善，教學(xué)內(nèi)容有待豐富，急需我們結(jié)合中學(xué)生習(xí)得特點(diǎn)，充分發(fā)揮其綜合優(yōu)勢，科學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，合理規(guī)劃教學(xué)過程，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用Matplotlib等繪制圖表，運(yùn)用爬蟲技術(shù)制作單詞表或運(yùn)用Pygame等編制游戲，從而幫助他們獲得更多樂趣和成就感，消除畏難情緒，充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，以便快速提高編程水平，有效提升教學(xué)效果。

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【通聯(lián)編輯：王力】