Python數(shù)據(jù)分析通識課程教學研究與實踐

劉姝

摘要：針對數(shù)據(jù)智能時代高校本科生計算思維與數(shù)據(jù)素養(yǎng)培養(yǎng)需求，分析Python數(shù)據(jù)分析通識課程建設(shè)挑戰(zhàn)和思路，提出以賦能為主線的分層漸進式教學內(nèi)容設(shè)計，探討信息化平臺輔助的線上線下精準教學、“點-線-面”結(jié)合的實用型案例與實踐、以學生為中心的分組學習與研討，過程化多元考核評價等教學實踐，從知識點難易反饋、應用能力評價角度說明教學效果。

關(guān)鍵詞：Python;數(shù)據(jù)分析;通識課程;課程設(shè)計;教學實踐

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）28-0220-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

大數(shù)據(jù)、人工智能等作為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的驅(qū)動力，正深刻影響著經(jīng)濟社會發(fā)展。我國發(fā)布實施了《中國制造2025》《促進大數(shù)據(jù)發(fā)展行動綱要》《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》等重大發(fā)展戰(zhàn)略，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)為特征的經(jīng)濟形態(tài)繁榮發(fā)展，全面進入數(shù)據(jù)智能時代。

數(shù)據(jù)分析能力已經(jīng)成為數(shù)據(jù)智能時代人才的必備能力。2018年教育部發(fā)布的《教育信息化2.0行動計劃》指出，提升信息素養(yǎng)對于落實立德樹人目標、培養(yǎng)創(chuàng)新人才具有重要作用。數(shù)據(jù)無處不在，數(shù)據(jù)的收集、處理和應用已成為金融、會計、政務等領(lǐng)域的必備技能，也是數(shù)據(jù)智能時代信息素養(yǎng)的重要組成部分[1，2]。高校教育順應經(jīng)濟社會發(fā)展，積極推進新形勢下的人才培養(yǎng)方案改革和課程建設(shè)。如何面向本科生開展信息類通識課程的建設(shè)與教學，培養(yǎng)學生的計算思維和數(shù)據(jù)素養(yǎng)，是備受關(guān)注的問題。Python數(shù)據(jù)分析通識課程能夠很好地融合計算思維和數(shù)據(jù)分析能力培養(yǎng)目標。

2 Python數(shù)據(jù)分析課程現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

Python程序設(shè)計或者基于Python的數(shù)據(jù)挖掘分析通常是各高校計算機類專業(yè)的重要課程，課程內(nèi)容較為深入全面[3，4]。有些高校開設(shè)Python程序設(shè)計公共課程，以培養(yǎng)學生編程和計算思維[5，6]。 Python數(shù)據(jù)分析通識課程的定位與培養(yǎng)目標與兩者不同。通識教育旨在培養(yǎng)較為廣泛的基本知識、技能和態(tài)度，強調(diào)“識”與“通”，而并非“?！?，要使學生獲得較為合理的知識結(jié)構(gòu)、科學素養(yǎng)和能力[7]。Python程序設(shè)計公共課大多以學習編程語法和設(shè)計思維為主，不強調(diào)數(shù)據(jù)分析。Python數(shù)據(jù)分析通識課程教學設(shè)計充分考慮學生無編程基礎(chǔ)的學情以及通識課程知識結(jié)構(gòu)、能力和素養(yǎng)構(gòu)建的目標，培養(yǎng)學生更寬的知識面和解決復雜問題的綜合知識和能力。

從2019年春季學期開始我校面向非計算機專業(yè)開設(shè)Python數(shù)據(jù)分析公共課程。該課程主要面臨的問題如下，對教學內(nèi)容設(shè)計以及教學實施提出了挑戰(zhàn)。

1） 編程知識枯燥，需調(diào)動學習積極性。通識課程各專業(yè)學生大多零編程基礎(chǔ)，特別人文社科專業(yè)學生對計算機和編程語言學習存在一定畏難情緒。Python程序設(shè)計語言與C語言、Java等相比語法簡潔靈活，對非計算機專業(yè)人員更為友好，并且在數(shù)據(jù)分析挖掘、人工智能領(lǐng)域占重要地位。為適應學生學科背景，Python語言相關(guān)知識點的教學內(nèi)容組織要明了易懂，教學方案要形象、趣味、實用，枯燥的語法和知識點講解不利于激發(fā)學生學習興趣。

2）計算機程序設(shè)計與數(shù)據(jù)分析的融合與權(quán)衡。Python數(shù)據(jù)分析通識課程需要很好地融合計算思維和數(shù)據(jù)分析能力培養(yǎng)目標，教學過程以語法為主還是以分析為主，先語法后實踐還是語法與實踐融合是不同的設(shè)計思路，需科學地組織教學內(nèi)容，構(gòu)建漸進式、以應用牽引的教學內(nèi)容體系，并且在知識深度和廣度上做適當權(quán)衡。

3）程序設(shè)計思維建立和數(shù)據(jù)分析方法靈活應用難度高。Python數(shù)據(jù)分析通識課程教學難點不只在于使學生掌握Python的語法、數(shù)據(jù)分析常用的函數(shù)庫，更重要的是培養(yǎng)學生的計算思維和應用能力。特別對于初接觸計算機編程的學生，難以建立將現(xiàn)實問題轉(zhuǎn)換為計算機表示的思維方式，遇到實際問題時，不知如何選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，無法確定程序?qū)崿F(xiàn)的流程。

4）需適應線上線下混合教學需求。線上線下混合教學可以充分利用互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢，發(fā)揮教師引導作用，調(diào)用學生學習積極性。特別受疫情影響，要充分應用在線教學平臺和信息化手段，合理設(shè)計教學內(nèi)容和實施過程，提升教學效果。

3 Python數(shù)據(jù)分析課程教學研究

針對上述問題，本節(jié)提出Python數(shù)據(jù)分析通識課程的教學內(nèi)容設(shè)計，并探討教學實施方案。

3.1 課程定位與設(shè)計思路

本課程將Python語言作為數(shù)據(jù)分析的支撐技術(shù)，全面貫穿數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化等過程，既能在編程語言學習和應用中培養(yǎng)學生的基本編程能力和計算思維，又能夠以數(shù)據(jù)分析應用為目標，使學生認識數(shù)據(jù)并利用數(shù)據(jù)解決現(xiàn)實問題，培養(yǎng)具有數(shù)據(jù)素養(yǎng)和數(shù)據(jù)分析能力的復合型人才。更重要的是要激發(fā)學生對大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的學習興趣和應用意識、創(chuàng)新意識，為高年級的學習和終身學習建立基本的技能。

3.2以賦能為主線的分層漸進式教學內(nèi)容設(shè)計

課程教學內(nèi)容設(shè)計如圖1所示，以Python為技術(shù)支撐，以知識結(jié)構(gòu)與能力建設(shè)為主線，按照“認識數(shù)字化——數(shù)據(jù)存儲訪問——數(shù)據(jù)處理與分析——數(shù)據(jù)可視化”逐層展開。其中，認識數(shù)字化是建立編程語言基礎(chǔ)，理解現(xiàn)實世界與計算機數(shù)字化的表達關(guān)系;后三層按照數(shù)據(jù)分析的主要過程，以應用為牽引，逐步構(gòu)建完整的數(shù)據(jù)分析知識結(jié)構(gòu)，在數(shù)據(jù)分析應用中繼續(xù)深化和鞏固Python程序設(shè)計，提升實踐能力。

第一層，認識數(shù)字化與編程基礎(chǔ)應用。該部分從淺入深，引導學生掌握基本的Python程序設(shè)計、開發(fā)方法，能夠用Python程序?qū)崿F(xiàn)簡單應用問題，建立初步的計算思維。首先使學生逐步認識計算機編程語言的特點，理解程序、數(shù)據(jù)、變量、表達式、數(shù)據(jù)類型等基本概念，掌握Python 語言的語法，構(gòu)建計算機數(shù)字化表達的思維，并掌握基于IDLE開發(fā)環(huán)境進行程序編寫、調(diào)試、運行的邏輯，能夠與計算機流暢“交流”。然后進一步深入講解字符串、列表、元組、字典、集合等序列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點、典型操作和應用場景，以及函數(shù)的定義和使用，豐富學生程序語言表達的能力，并且建立代碼復用和模塊化程序設(shè)計的思想。

第二層，數(shù)據(jù)存儲訪問與應用提高。該部分使學生了解各類數(shù)據(jù)來源、存儲與訪問形式，重點講解目錄和txt、csv等常用文件的操作，能夠通過程序進行數(shù)據(jù)獲取與操作。

第三層，數(shù)據(jù)處理分析與應用進階。該部分基于Numpy和Pandas學習數(shù)據(jù)處理與分析常用的操作，建立完整的數(shù)據(jù)分析過程，學會查看數(shù)據(jù)、提出問題、靈活應用分析方法，在應用中鞏固Python編程思維。Numpy支持多維數(shù)組的創(chuàng)建、運算、排序、統(tǒng)計等操作，Pandas提供了大量標準數(shù)據(jù)模型和分析工具。使用這些擴展庫，學生可以學習數(shù)據(jù)預處理的原因及常用預處理方法，掌握行列選擇、排序、頻數(shù)統(tǒng)計、分組查詢、數(shù)據(jù)透視表等分析方法。

第四層，數(shù)據(jù)可視化與綜合應用。數(shù)據(jù)可視化可用于洞察數(shù)據(jù)集，以及直觀清晰地呈現(xiàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果。該部分基于matplotlib、seaborn等，使學生掌握散點圖，折線圖，直方圖，條形圖和餅圖等基本可視化方法，以及箱線圖、熱度圖、雷達圖、詞云等數(shù)據(jù)分析常用圖形。各類可視化圖形適用的數(shù)據(jù)表達場景，對數(shù)據(jù)形式的要求和圖形的關(guān)鍵設(shè)置是重點。至此，學生可以靈活地選用視覺化、圖像化方式，準確進行數(shù)據(jù)分析結(jié)果的表達，完成數(shù)據(jù)分析完整過程。

3.3教學實施方案

針對Python編程與數(shù)據(jù)分析能力培養(yǎng)中常見的知識枯燥、程序設(shè)計思維難以建立、靈活應用難度高及線上線下教學需求等問題，從信息化建設(shè)以及教、學、評全過程探討教學方案。

3.3.1 信息化平臺輔助的線上線下精準教學

采用雨課堂輔助教學過程，包括課前預習資料推送、課堂互動、隨堂測試、學習調(diào)查反饋等。課前通過雨課堂推送PPT等學習資料，學生可以初步了解講授的知識點，通過點擊“不懂”反饋難點和問題，教師授課講解更具有針對性。學生學習中能夠抓住每節(jié)課的知識點并且學懂學通，必然會提升教學效果。為了解學生課堂知識點的掌握情況，可進行課堂測試、課堂實時互動、知識點掌握情況調(diào)查等，基于學生預習、互動、測試、調(diào)查反饋等學習數(shù)據(jù)，全方位評估每一位學生的學習情況，總結(jié)課程難點和常見問題，實施"精準教學"。另外，雨課堂也為線上線下混合教學提供支撐，可以結(jié)合微信實時答疑等構(gòu)建線上教學環(huán)境。

3.3.2 “點-線-面”結(jié)合的實用型案例與實踐

為提升學生學習興趣并提高學以致用的能力。課程教學中采用的案例多源自學生現(xiàn)實生活中常見的場景或主題，并且案例教學中，首先注意引導學生開展思路分析，然后逐步分解，構(gòu)建計算機程序，再通過程序的不斷演化和改進逐步展開知識點講解，幫助學生構(gòu)建計算思維，掌握程序設(shè)計和數(shù)據(jù)分析過程、方法。如程序結(jié)構(gòu)教學中，使用猜數(shù)字的小游戲，從if分支判斷到for、while循環(huán)，再到break和continue的使用逐步深入;在數(shù)據(jù)分析中，使用超市營業(yè)數(shù)據(jù)，引導學生首先提出可以分析的問題，再逐步講解數(shù)據(jù)觀察、數(shù)據(jù)預處理、描述統(tǒng)計、交叉表等內(nèi)容，在多個分析問題的案例中，反復練習數(shù)據(jù)分析的思路與過程，不斷引入新的分析方法。課程實踐也采用類似思路，在實踐題型設(shè)計上從“知識點-模塊-綜合應用”逐步深入，不斷鞏固和迭代所學知識。

3.3.3 以學生為中心的分組學習與研討

初學編程的學生由于還不能熟練掌握計算機程序設(shè)計的思路，較為復雜知識點和應用常會遇到困難。為調(diào)動學生學習積極性，促進學生間的研討交流，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力，采用分組學習與研討。每組由3～4名學生組成，對較復雜的編程實踐練習，分組進行討論交流和評價。每次作業(yè)由小組長提交，包括組內(nèi)每名成員的代碼，組內(nèi)實踐經(jīng)驗、難點和問題、組內(nèi)互評結(jié)果等。課堂上每組實踐匯報，教師針對每組的共性問題、以及各組有特點的地方進行評價和講解，如程序設(shè)計思路、數(shù)據(jù)分析方法、Python語言使用技巧等，通過組內(nèi)、組外兩層學習循環(huán)反饋，加深學生對知識的理解和應用。

3.3.4過程化多元考核評價

Python數(shù)據(jù)分析不僅包括語法知識，還涉及應用能力、計算思維等培養(yǎng)，單一閉卷考核并不能全面考察學生的學習情況。課程總評成績由過程性考核成績和期末考核成績得出。過程性考核成績包括隨堂課堂測試、平時作業(yè)（包括分組編程實踐）、出勤與課堂表現(xiàn)成績;期末考核主要采用綜合大作業(yè)方式。通過過程化考核督促學習，輔助教學改進。為提升學生的學習主動性，課堂出勤以及教學互動等參與度也一定程度考慮在內(nèi)。

開放式綜合大作業(yè)作為期末考核。教師提供多個主題的數(shù)據(jù)集，學生也可以自行搜集感興趣的數(shù)據(jù)。學生自主設(shè)計數(shù)據(jù)分析目標，利用課程所學知識或者自學的方法，完成數(shù)據(jù)導入導出、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化等操作。大作業(yè)完成后需提交項目報告，包括選題背景、數(shù)據(jù)集及來源、數(shù)據(jù)預處理與分析過程、結(jié)論等，并將 Python 代碼操作過程錄制為20分鐘內(nèi)的短視頻，講解項目設(shè)計、代碼實現(xiàn)與結(jié)果。大作業(yè)不僅鞏固并考察了學生對所學知識點的理解與應用，重點是在資料搜集、選題、分析和解決問題的過程中，培養(yǎng)了學生的自主學習能力、運用知識解決實際問題能力、創(chuàng)新能力和表達溝通能力。另外，數(shù)據(jù)集和項目選題通常以社會經(jīng)濟發(fā)展的統(tǒng)計數(shù)據(jù)、疫情統(tǒng)計數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)等重點、熱點數(shù)據(jù)等為主，在數(shù)據(jù)分析中能夠潛移默化地融入課程思政。

4 教學實踐效果分析

2020年春季學期在線教學中，面向金融專業(yè)本科二年級開設(shè)Python數(shù)據(jù)分析課程。學生在一年級通過《計算機基礎(chǔ)》學習了Word、PowerPoint以及Excel使用，無編程基礎(chǔ)。課程共14周56學時，包括24理論學時、32實踐學時。課前對學生進行了初步調(diào)查，90%認為該課程將對未來發(fā)展與就業(yè)有幫助，71%擔心學習程序設(shè)計會有難度。期末總評表明，75%的學生知識掌握與綜合應用達到良好以上。

4.1 知識難點分析

根據(jù)調(diào)查問卷和過程性考核結(jié)果分析，各部分知識難易度如圖2所示。Python編程基礎(chǔ)相對較容易學習，難點主要在程序控制結(jié)構(gòu)和函數(shù)。使用Numpy、Pandas進行數(shù)據(jù)分析的難點是多維數(shù)組、Series和Dataframe對象使用。數(shù)據(jù)可視化的評價中認為難的比例較高。Python可視化涉及圖形選擇、數(shù)據(jù)的形式轉(zhuǎn)換、圖的格式設(shè)置等，較學生以往使用的Excel可視化而言需要進一步熟悉程序語言。這些知識難點是教學中需要特別關(guān)注的內(nèi)容。

4.2 應用能力評價

綜合大作業(yè)提供了股票數(shù)據(jù)、疫情統(tǒng)計數(shù)據(jù)等多個數(shù)據(jù)集供學生自主選擇，并自主設(shè)計分析問題，考核要求中明確了各過程分數(shù)占比及評分細則?？己瞬捎冒俜种?，其中數(shù)據(jù)導入導出（10%）、數(shù)據(jù)預處理（30%）、數(shù)據(jù)分析（40%）、數(shù)據(jù)可視化（10%），課程報告與講解（10%）。評價結(jié)果如圖3所示，多數(shù)學生能夠較好地掌握和應用Python數(shù)據(jù)分析知識。

以綜合大作業(yè)各評分維度的得分率作為能力評價指標，結(jié)果如圖4所示。數(shù)據(jù)預處理和數(shù)據(jù)分析得分率相對較高，問題的提出、對分析結(jié)果的洞察和釋義是數(shù)據(jù)分析部分的難點;數(shù)據(jù)可視化方面，圖形選擇的合理性以及表達的準確性等方面需加強。

5 結(jié)語

大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)背景下，高校順應經(jīng)濟社會發(fā)展需求推進教育改革，Python數(shù)據(jù)分析通識課程能夠契合具備計算思維、數(shù)據(jù)分析能力的高校本科復合型人才培養(yǎng)需求。中華女子學院作為全國婦聯(lián)直屬本科高校，設(shè)有女性學、法律、社會工作、社會學、金融學、應用心理學等24個專業(yè)，致力于應用型女性人才培養(yǎng)，學校人才培養(yǎng)方案中將科技素養(yǎng)作為通識教育的重要組成部分。目前已在金融專業(yè)開展了多輪Python數(shù)據(jù)分析課程的建設(shè)與教學實踐探索，基本實現(xiàn)了預期培養(yǎng)目標，教學效果好。后續(xù)將針對學校各專業(yè)特點進一步擴充教學案例，優(yōu)化教學方法，提高教學效果。

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【通聯(lián)編輯：王力】