基于R語言的課程教學(xué)效果可視化分析

摘要：隨著大數(shù)據(jù)和云時(shí)代的到來，數(shù)據(jù)分析技術(shù)作為一門前沿技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各大領(lǐng)域，“數(shù)據(jù)分析”作為大數(shù)據(jù)時(shí)代的核心技術(shù)，其商業(yè)價(jià)值正在逐步展現(xiàn)。文章將使用最前沿的R語言，借助數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)RStudio，對(duì)本校計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的教學(xué)效果進(jìn)行可視化分析，從而為教學(xué)質(zhì)量改革提出有效建議。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)分析；R語言；可視化；匯總分析

中圖分類號(hào)：G424 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）31-0053-03

1 引言

R語言是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，是為統(tǒng)計(jì)計(jì)算和圖形顯示而設(shè)計(jì)的語言環(huán)境，也是一套開源的數(shù)據(jù)分析解決方案。R語言最大的優(yōu)勢(shì)在于其軟件包生態(tài)系統(tǒng)的開放性，即免費(fèi)開源，并且可以在不同的平臺(tái)上運(yùn)行。R語言作為完全免費(fèi)的統(tǒng)計(jì)分析軟件，可以輕松地從各種類型的數(shù)據(jù)源讀寫數(shù)據(jù)，幾乎所有類型的數(shù)據(jù)都可以用R語言進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。另外，R語言具有頂尖水準(zhǔn)的制圖功能，能夠直觀地提升用戶對(duì)數(shù)據(jù)的理解，并幫助用戶做出正確的判斷和改進(jìn)[1]。

R語言的原始編譯窗口較為簡(jiǎn)單，提供的編譯環(huán)境不太友好，為了提高代碼的編寫效率，本文選擇使用RStudio 作為代碼編譯環(huán)境。RStudio作為R語言的免費(fèi)的圖形界面編輯器，其實(shí)質(zhì)性的編程語言與R 語言無異，但是比R語言原有的編譯窗口擁有更友好的界面環(huán)境和更強(qiáng)大的操作性能[1]。

本文將使用最前沿的R語言，借助數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)RStudio，對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的教學(xué)效果進(jìn)行可視化分析。通過統(tǒng)計(jì)分析和可視化圖形展示，為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革提供有力的數(shù)據(jù)支撐，從而進(jìn)一步提升計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)的教師教學(xué)水平。

2 將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到RStudio

本文將針對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的學(xué)生成績(jī)進(jìn)行分析，因此首先需完成數(shù)據(jù)的導(dǎo)入?；诮虅?wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理流程，學(xué)生的成績(jī)均是存放在學(xué)校教務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中的，因此，在數(shù)據(jù)分析前，需先將學(xué)生成績(jī)數(shù)據(jù)導(dǎo)入RStudio中。

本文將模擬從MySQL數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)導(dǎo)入RStudio的過程。

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作

首先在MySQL中創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫stuanalysis，本文要用到的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)課程的學(xué)生成績(jī)表存在于數(shù)據(jù)庫stuanalysis的表格中，將數(shù)據(jù)表命名為stuscore，通過查看表格內(nèi)容，可以確定該專業(yè)年級(jí)215名學(xué)生的成績(jī)信息已存在于數(shù)據(jù)表stuscore中（圖1） 。

通過查詢，可以看到，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)課程的成績(jī)由課堂活動(dòng)、作業(yè)和考試三部分組成，三個(gè)部分均以百分制來計(jì)分，在總成績(jī)中所占比例分別為課堂活動(dòng)（30%） 、作業(yè)（30%） 、考試（40%） ；總成績(jī)由以上三部分的成績(jī)按比例計(jì)算而來，同樣采用百分制計(jì)分。

2.2 R環(huán)境準(zhǔn)備

在用R進(jìn)行數(shù)據(jù)分析前，先要完成R和MySQL數(shù)據(jù)庫的連接，方便人們直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。具體步驟如下：

1） R下載RODBC包，加載RODBC包；

2） 下載并安裝mySQL ODBC；

3） 控制面板→管理工具→數(shù)據(jù)源（ODBC） →點(diǎn)擊添加→選中MySQL ODBC driver選項(xiàng)；

4） 打開RStudio的界面調(diào)用數(shù)據(jù)庫；

5） 至此，R已經(jīng)成功與MySQL數(shù)據(jù)庫連接，并且獲取了MySQL庫中stuanalysis數(shù)據(jù)庫里stuscore表中的數(shù)據(jù)，存放在數(shù)據(jù)框StuAnalysis中。

3 數(shù)據(jù)清洗與匯總分析

R語言中的數(shù)據(jù)清洗的目的在于刪除重復(fù)、有缺失值的信息，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新審查和消炎，糾正存在的錯(cuò)誤；而R語言中提供的多種數(shù)值計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析的函數(shù)，則可以幫助人們快速地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)分析[2]。

3.1 缺失數(shù)據(jù)處理

在數(shù)據(jù)分析的過程中，數(shù)據(jù)對(duì)象的不完整性會(huì)對(duì)后期的數(shù)據(jù)可視化分析造成影響，比如，因在學(xué)生成績(jī)表中會(huì)存在某些學(xué)生按時(shí)參加課堂活動(dòng)，完成教學(xué)安排，但是因個(gè)人原因無法參加期末考試的情況。因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析前，先要進(jìn)行數(shù)據(jù)的缺失值處理。

1） 檢測(cè)StuAnalysis中是否存在缺失值。代碼如下：

> anyNA（StuAnalysis）

[1] TRUE

經(jīng)檢測(cè)，StuAnalysis確實(shí)存在缺失值；

2） 刪除StuAnalysis中存在缺失值的行，并將刪除缺失值后的數(shù)據(jù)賦值給新的變量score.data。代碼如下：

score.data<- na.omit（StuAnalysis）

3.2 數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)于學(xué)生成績(jī)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，首先可以使用R語言中的數(shù)值計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析函數(shù)，對(duì)學(xué)生成績(jī)進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)分析。

在傳統(tǒng)的成績(jī)分析中，往往會(huì)以最大值、最小值、均值等指標(biāo)作為初步的統(tǒng)計(jì)量，在 R 語言中，也要通過指標(biāo)來表現(xiàn)數(shù)據(jù)樣本的集中趨勢(shì)、離散程度和數(shù)據(jù)分布形狀[3]。

通過 R 語言的數(shù)值計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)的初步分析，分別得出課堂活動(dòng)、作業(yè)、考試和總成績(jī)的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)值，得出結(jié)果如表1所示。

表1 ? 學(xué)生成績(jī)統(tǒng)計(jì)表

[統(tǒng)計(jì)分量 均 ?值 中位數(shù) 標(biāo)準(zhǔn)差 方 ?差 變異系數(shù) 課堂活動(dòng) 91.34995 93.33 11.0805 122.7774 12.12972 作 ?業(yè) 81.85977 88.105 17.58625 309.2761 21.48338 考 ?試 64.93458 66 16.79664 282.1272 25.86702 總成績(jī) 77.93734 80.595 11.54148 133.2057 14.80866 ]

通過上表可得知：變異強(qiáng)度最低的是課堂活動(dòng)，其次是總成績(jī)；在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析中，如果變異系數(shù)值超過15，則認(rèn)為數(shù)據(jù)存在疑問。因此，本科目的作業(yè)成績(jī)和期末考試成績(jī)可能因?yàn)槟承┛陀^原因而導(dǎo)致數(shù)據(jù)變異強(qiáng)度過大；但是基于總成績(jī)的變異系數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)，可見本課程的教學(xué)效果相對(duì)良好。

4 數(shù)據(jù)可視化分析

R 語言的強(qiáng)大不僅體現(xiàn)在便捷的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，還體現(xiàn)在可生成各種可視化的圖形，從而更加直觀地向決策者提供數(shù)據(jù)依據(jù)[4]。本文將使用R語言中的散點(diǎn)矩陣圖和箱線圖來反映學(xué)生成績(jī)分布情況。

4.1 繪制成績(jī)散點(diǎn)矩陣圖

根據(jù)導(dǎo)入的課堂活動(dòng)、作業(yè)、考試和總成績(jī)數(shù)據(jù)，利用R語言的pairs（） 函數(shù)，繪制成績(jī)散點(diǎn)矩陣圖（圖2） 。代碼和運(yùn)行結(jié)果如下：

> pairs（score.data[，3：6]）

通過散點(diǎn)矩陣圖，可以直觀地發(fā)現(xiàn)，課堂活動(dòng)、作業(yè)和考試分?jǐn)?shù)與總成績(jī)之間基本上可以滿足線性規(guī)律，其中考試分?jǐn)?shù)與總成績(jī)之間的線性相關(guān)性最高，說明試卷的難易程度符合課程考核要求。另外，通過觀察發(fā)現(xiàn)，課堂活動(dòng)、作業(yè)和考試分?jǐn)?shù)三者之間的相關(guān)性不高，尤其是課堂活動(dòng)與考試之間，難以發(fā)現(xiàn)線性相關(guān)，說明某些課堂活動(dòng)參與度高的同學(xué)反而在考試中成績(jī)表現(xiàn)并不好，這是需要任課教師在今后的教學(xué)活動(dòng)中進(jìn)一步做出調(diào)整和改進(jìn)。

4.2 繪制成績(jī)箱線圖

為了對(duì)學(xué)生專業(yè)課成績(jī)的差異性及產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，本文將利用R語言的boxplot（） 函數(shù)繪制課堂活動(dòng)、作業(yè)、考試和總成績(jī)數(shù)據(jù)的箱線圖（圖3） 。代碼和運(yùn)行結(jié)果如下：

> boxplot（score.data[3：6]）

通過箱線圖，可以直觀地發(fā)現(xiàn)，課堂活動(dòng)、作業(yè)和考試分?jǐn)?shù)與總成績(jī)之間存在一定的差異性，主要體現(xiàn)以下四點(diǎn)：

1） 在學(xué)生的課堂活動(dòng)成績(jī)相較于其他三項(xiàng)較高，而且相對(duì)集中，數(shù)據(jù)離散值較少；

2） 作業(yè)的箱線圖相較于其他三項(xiàng)離散值最多，說明學(xué)生在作業(yè)完成情況上差異項(xiàng)較大；

3） 學(xué)生的考試成績(jī)雖均值較低，但數(shù)據(jù)的分布情況最好，可以滿足成績(jī)的正態(tài)分布規(guī)律；

4） 從總成績(jī)的分布來看，該科目的教學(xué)效果較良好，基本滿足教學(xué)要求。

5 總結(jié)

本文借助數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)RStudio，對(duì)本校計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的課程成績(jī)進(jìn)行了全面細(xì)致的分析，使用R語言實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的初步統(tǒng)計(jì)分析，并通過散點(diǎn)矩陣圖和箱線圖對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行可視化分析，從而為教學(xué)質(zhì)量改革提出有效建議。

近年來，隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，基于R語言的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)得到了快速發(fā)展和應(yīng)用的良機(jī)[5]。同時(shí)也為高校教師提供了便利，促使我們將其使用在學(xué)生成績(jī)分析中，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和可視化圖形來發(fā)現(xiàn)教學(xué)中的問題，從而進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)過程，提升專業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：聞翔軍】

收稿日期：2022-03-16

基金項(xiàng)目：教育部高校學(xué)生司關(guān)于供需對(duì)接就業(yè)育人項(xiàng)目（人力資源提升項(xiàng)目）（項(xiàng)目編號(hào)：20220101016）

作者簡(jiǎn)介：吳立知（1985—） ，女，貴州貴陽人，副教授，碩士，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘。