基于Python 的“大數(shù)據(jù)與包裝”案例教學(xué)設(shè)計(jì)
——以某電商平臺果汁飲料的市場分析為例

任丹 黎盛

（西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715）

大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)到來，在商業(yè)、經(jīng)濟(jì)及其他領(lǐng)域基于大數(shù)據(jù)挖掘分析、發(fā)現(xiàn)問題并作出科學(xué)、客觀的預(yù)測或決策尤為重要[1]。大數(shù)據(jù)的典型特征為數(shù)據(jù)海量（包括各種半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)）和數(shù)據(jù)處理流程相對復(fù)雜。因此，常規(guī)統(tǒng)計(jì)軟件已無法對大數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)有效的存儲、運(yùn)用及分析[2]。Python 語言是目前最接近自然語言的通用編程語言，非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生容易上手；同時(shí)是一種解釋型、面向?qū)ο?、免費(fèi)開源、動態(tài)數(shù)據(jù)類型的高級程序設(shè)計(jì)語言，擁有豐富的第三庫（包括數(shù)據(jù)處理和挖掘分析的pandas庫、sklearn 庫等；數(shù)據(jù)可視化的Matplotlib 庫、wordcloud 庫等）[3]。目前，Python 已經(jīng)廣泛用于人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等。

在大數(shù)據(jù)驅(qū)動創(chuàng)新發(fā)展的背景下，西南大學(xué)包裝工程專業(yè)結(jié)合學(xué)分制改革，以“新工科”為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生具備“工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)”中要求的應(yīng)用信息技術(shù)對復(fù)雜問題進(jìn)行預(yù)測、模擬和求解的能力[4]，2020 年春季增設(shè)了“大數(shù)據(jù)與包裝”課程，面向?qū)ο鬄榘b工程專業(yè)大學(xué)二年級學(xué)生。文中主要探討了“大數(shù)據(jù)與包裝”的課程設(shè)置與教學(xué)案例的整體設(shè)計(jì)，以及基于Python 某電商平臺果汁飲料市場分析教學(xué)案例的構(gòu)建。

1 “大數(shù)據(jù)與包裝”課程設(shè)置

1.1 教學(xué)目標(biāo)

新開設(shè)的“大數(shù)據(jù)與包裝”課程，應(yīng)以“新工科”為導(dǎo)向，致力于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用信息技術(shù)解決工業(yè)問題的能力，同時(shí)以工程教育專業(yè)認(rèn)證為參考，提升學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。本課程結(jié)合所在食品科學(xué)學(xué)院，選擇果汁飲料為研究對象，基于Python 程序語言構(gòu)建某電商平臺果汁飲料的市場分析，銷售前十的果汁飲料的營養(yǎng)成分分析，包裝材料、結(jié)構(gòu)等分析，再到銷售前十的包裝裝潢設(shè)計(jì)分析等一系列案例，以期指導(dǎo)整體包裝設(shè)計(jì)。通過案例教學(xué)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生利用Python 豐富的第三方庫進(jìn)行可視化繪圖、數(shù)據(jù)預(yù)處理，還能利用聚類、分類等多元統(tǒng)計(jì)方法對實(shí)際問題進(jìn)行分析與建模。同時(shí)，針對非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，以“能力”驅(qū)動“知識”的漸進(jìn)式教學(xué)方式，提升學(xué)生計(jì)算機(jī)編程能力。

1.2 教學(xué)內(nèi)容

西南大學(xué)本科“學(xué)分制”改革后，新增設(shè)的“大數(shù)據(jù)與包裝”課程的總學(xué)時(shí)為45 學(xué)時(shí)，理論課程為18 學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課程為27 學(xué)時(shí)，具體的教學(xué)內(nèi)容見表1。

表1 “大數(shù)據(jù)與包裝”案例教學(xué)課程內(nèi)容的設(shè)置

圖1 “大數(shù)據(jù)與包裝”的課程考核

圖2 搭建爬蟲環(huán)境流程圖

圖3 果汁飲料價(jià)格與銷量的關(guān)系

1.3 教學(xué)實(shí)施

“大數(shù)據(jù)與包裝”課程的第一部分，即Python 基本語法，采用混合式教學(xué)模式，結(jié)合現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的“慕課”，以線上課堂引導(dǎo)式、啟發(fā)式為主[5]，既充分發(fā)揮學(xué)生線上學(xué)習(xí)的自主性和積極性，又充分體現(xiàn)教師在教學(xué)過程中引導(dǎo)、監(jiān)督的主導(dǎo)作用[6]。

本課程的后面4 部分內(nèi)容均采用案例教學(xué)法。案例教學(xué)法由美國哈佛商學(xué)院提出，是指在教師的指導(dǎo)下，根據(jù)教學(xué)目的的要求，組織學(xué)生對案例的分析、討論和交流等活動[7]。案例教學(xué)法既能鍛煉學(xué)生分析和解決問題的能力，也能加深學(xué)生對基本原理和概念的理解[8]。黃天羽等[9]以圖形牽引興趣為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)置了一系列Python 教學(xué)案例，包括入門案例和基于turtle 庫的相關(guān)圖形案例。趙光輝[10]基于“新工科”背景，針對非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生設(shè)置了一系列與學(xué)生專業(yè)相關(guān)的教學(xué)案例，并以材料專業(yè)學(xué)生為例，構(gòu)建了基于Python 實(shí)現(xiàn)X 射線衍射圖譜、態(tài)密度、能譜帶等數(shù)據(jù)的可視化。文一憑等[11]進(jìn)一步提出針對非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生，設(shè)置應(yīng)用驅(qū)動的漸進(jìn)式Python 教學(xué)案例，并以商學(xué)院學(xué)生為例，構(gòu)建了圖書推薦基礎(chǔ)案例和銷量預(yù)測的進(jìn)階案例。因此，本課程設(shè)置與本專業(yè)相關(guān)的難度合適、貫穿Python 基礎(chǔ)學(xué)習(xí)過程的應(yīng)用案例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.4 教學(xué)效果評價(jià)與考核方式

針對包裝工程專業(yè)的學(xué)生，“大數(shù)據(jù)與包裝”課程側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生借助計(jì)算機(jī)編程來解決實(shí)際問題的能力。通過一學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)選用與本專業(yè)相關(guān)的教學(xué)案例開展Python 程序語言的學(xué)習(xí)，有助于學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)理解變量、語句與函數(shù)、程序控制等基本語法知識，同時(shí)激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)與實(shí)踐的動力與愿望。本課程的考核方式設(shè)置為考察了，學(xué)生的成績由平時(shí)實(shí)驗(yàn)作業(yè)、課堂研討活躍度以及課程論文三部分構(gòu)成，見圖1?！捌綍r(shí)試驗(yàn)作業(yè)”部分，通過每位學(xué)生編寫的各類商品的分析案例，考察學(xué)生對Python 語言的基礎(chǔ)語法、數(shù)據(jù)獲取及可視化、數(shù)據(jù)挖掘分析的掌握程度?！罢n堂研討活躍度”部分，考察學(xué)生在課堂中的有效參與程度[12]?！罢n程論文”部分，要求學(xué)生整合平時(shí)試驗(yàn)課的案例，基于大數(shù)據(jù)分析設(shè)計(jì)某款商品的整體包裝方案。

2 某電商平臺果汁飲料市場分析案例的構(gòu)建

2.1 爬取某電商平臺果汁飲料的商品信息及用戶評價(jià)

在某電商平臺上以“果汁飲料”為關(guān)鍵詞進(jìn)行搜索，在Anacoda 配置的Spyder 開發(fā)環(huán)境，導(dǎo)入Python 第三方庫resquests、re、time 和pandas 庫，搭建爬蟲環(huán)境，具體過程如圖2 所示。共獲取某平臺40 頁共計(jì)1 740 件商品的基本信息，包括商品序號、價(jià)格、商品標(biāo)題名稱、發(fā)貨地以及銷量，存儲在“果汁飲料.xlsx”文件內(nèi)。選取銷量第一的某款果汁飲料，搭建爬蟲環(huán)境，獲取用戶評價(jià)信息272 條，存儲在“用戶評價(jià).txt”文本中。逐行講解代碼，讓學(xué)生采取爬蟲的方式獲取自己感興趣的大數(shù)據(jù)。

圖4 Pandas 和Matplotlib 庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化流程圖

圖5 果汁飲料的口味分析

圖6 果汁飲料的包裝規(guī)格分析

圖7 果汁飲料用戶評價(jià)的詞頻統(tǒng)計(jì)

圖8 果汁飲料用戶評價(jià)的詞云展示

2.2 商品信息數(shù)據(jù)預(yù)處理及可視化

首先對“果汁飲料.xlsx”進(jìn)行去除重復(fù)數(shù)據(jù)處理，最終獲得1 670 條有效數(shù)據(jù)。采用Matplotlib 庫繪制價(jià)格與銷量的關(guān)系圖，如圖3 所示。Pandas 和Matplotlib 庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化的流程如圖4 所示，進(jìn)一步逐行講解代碼的含義，讓學(xué)生對數(shù)據(jù)可視化的概念及操作形成初步認(rèn)識。通過分析圖中的價(jià)格與銷量的分布規(guī)律，可以讓學(xué)生了解果汁飲料如何定價(jià)更有利于提高其銷量。

其次，對果汁飲料的標(biāo)題內(nèi)容進(jìn)行分析。當(dāng)下流行“標(biāo)題黨”，通過統(tǒng)計(jì)標(biāo)題里面的關(guān)鍵詞語，分析消費(fèi)者對果汁飲料的關(guān)注點(diǎn)。具體分解為兩步：第一步，把“果汁飲料.xlsx”中標(biāo)題的內(nèi)容序列單獨(dú)存為一個(gè)“果汁飲料標(biāo)題內(nèi)容.txt”文本，導(dǎo)入jieba 和pandas 庫，采用jieba.lcut（）函數(shù)對標(biāo)題內(nèi)容進(jìn)行自動分詞，而后設(shè)計(jì)for 循環(huán)函數(shù)進(jìn)行詞頻統(tǒng)計(jì)，存儲在“標(biāo)題內(nèi)容詞頻統(tǒng)計(jì).xlsx”文件中，關(guān)注哪些詞語在標(biāo)題里出現(xiàn)的頻率高。第二步，關(guān)鍵詞信息歸類及數(shù)據(jù)可視化，選取果汁飲料的口味及規(guī)格作為案例進(jìn)行分析。具體為在“標(biāo)題內(nèi)容詞頻統(tǒng)計(jì).xlsx”提取與口味有關(guān)的詞語及對應(yīng)的頻率次數(shù)，譬如“檸檬”“橙汁”“芒果”等；以及與規(guī)格相關(guān)的詞語及對應(yīng)的頻率次數(shù)，譬如“1 000 mL”“300 mL”“840 mL”等。對圖4 所示Matplotlib 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化流程稍作修改，采用matplotlib.pyplot.bar（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)果汁飲料的口味分析（見圖5）及包裝規(guī)格分析（見圖6）的數(shù)據(jù)可視化。設(shè)置課后作業(yè)，讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)果汁飲料的品牌分析。

2.3 用戶評價(jià)詞頻統(tǒng)計(jì)與詞云展示

消費(fèi)者滿意程度在一定程度上可以反映產(chǎn)品的好壞。因此，本課程對某平臺銷量第一的果汁飲料進(jìn)行用戶評價(jià)分析。導(dǎo)入jieba 和pandas 庫，采用jieba.lcut（）函數(shù)對標(biāo)題內(nèi)容進(jìn)行自動分詞，而后設(shè)計(jì)for 循環(huán)函數(shù)對上述爬取的“用戶評價(jià).txt”文本進(jìn)行詞頻統(tǒng)計(jì)分析，刪除一些中性詞語，譬如“非常”“東西”“真的”“這個(gè)”“可以”“一直”等。然后對圖4 所示Matplotlib 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化流程稍作修改，采用matplotlib.pyplot.bar（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)排名前二十的詞頻統(tǒng)計(jì)可視化（見圖7）。通過數(shù)據(jù)分析，學(xué)生們可以了解用戶對果汁飲料的關(guān)注點(diǎn)在哪些方面，譬如絕大多數(shù)人會關(guān)注果汁飲料的口感，認(rèn)為果汁飲料好喝，其中桃子口味的果汁飲料深受人們的喜愛；部分人會關(guān)注果汁飲料的包裝。

結(jié)合現(xiàn)在學(xué)生喜歡的個(gè)性化圖片展示，設(shè)置了用戶評價(jià)的個(gè)性化詞云展示（見圖8），圖中的字體越大，表明出現(xiàn)的頻率越高，可以直觀反映用戶對哪些方面比較關(guān)注。本案例選擇了五角星作為背景圖片，學(xué)生可以選擇自己喜歡的個(gè)性化圖片進(jìn)行嘗試。首先導(dǎo)入jieba 和wordcloud 第三方庫，且從imageio 庫中導(dǎo)入imread（）函數(shù)。然后采用imread（）函數(shù)創(chuàng)建五角星輪廓，接著用open（）函數(shù)打開“用戶評價(jià).txt”文本，進(jìn)而用jieba.lcut（）函數(shù)對用戶評價(jià)進(jìn)行自動分詞，最后采用wordcloud.WordCloud（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)詞云展示。從學(xué)生的角度出發(fā)，持續(xù)激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，讓枯燥深?yuàn)W的程序語言變得生動有趣。

通過對大數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)可視化以及數(shù)據(jù)分析等一系列的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，學(xué)生可以熟練地運(yùn)用這些知識分析自己感興趣的專業(yè)問題，從而實(shí)現(xiàn)能力培養(yǎng)落到實(shí)處的目的。此外，學(xué)生具備了“新工科”人才的特點(diǎn)，即應(yīng)用信息化技術(shù)解決工業(yè)問題的能力。

3 結(jié)語

包裝工程專業(yè)增設(shè)的“大數(shù)據(jù)與包裝”課程立足于時(shí)代特點(diǎn)和學(xué)校的專業(yè)特色，以“新工科”的指導(dǎo)思想培育學(xué)生用信息化技術(shù)解決工業(yè)問題的能力。通過一學(xué)期的實(shí)踐，初步取得一定成果，但是距離真正的“新工科”專業(yè)建設(shè)的要求相差甚遠(yuǎn)。需要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上繼續(xù)推進(jìn)，一方面教學(xué)老師自身的程序編程能力需要不斷提升，力爭引入一些先進(jìn)的、完善的算法融入到教學(xué)內(nèi)容中，提高數(shù)學(xué)模型的可靠性；同時(shí)，提高自身在試驗(yàn)課上順利解決學(xué)生們遇到的各類程序語言問題的能力。另一方面，通過學(xué)生反饋的信息，不斷更新案例設(shè)置的內(nèi)容及框架，始終堅(jiān)持以學(xué)生為本，持續(xù)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，快樂輕松地學(xué)習(xí)程序編程語言。