基于Python 的學(xué)生成績(jī)分析和可視化呈現(xiàn)研究

石曉玲，楊立功

（泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

0 引言

在日常工作中，對(duì)學(xué)生成績(jī)進(jìn)行分析和可視化處理最常用的軟件是Excel。利用Excel 里的數(shù)據(jù)透視功能，可以對(duì)學(xué)生成績(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)操作，如計(jì)算平均分、計(jì)算方差、進(jìn)行橫向或縱向比較，并最終生成可視化圖表。但是在處理大量數(shù)據(jù)時(shí)，Excel 的操作十分繁瑣，人為操作的標(biāo)準(zhǔn)化程度較低且易發(fā)生錯(cuò)誤。而利用Python 可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，能大大提高工作效率。本文將利用Python 及第三方庫(kù)Requests、BeautifulSoup、NumPy 和Matplotlib 將全校學(xué)生期末各科成績(jī)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并進(jìn)行可視化分析。

1 程序設(shè)計(jì)流程

數(shù)據(jù)處理流程如圖1 所示。首先從教務(wù)系統(tǒng)中爬取每個(gè)學(xué)生的各科成績(jī)，計(jì)算出個(gè)人總成績(jī)；然后通過(guò)個(gè)人成績(jī)計(jì)算班級(jí)成績(jī)；最后對(duì)班級(jí)成績(jī)進(jìn)行分析和可視化。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程

2 數(shù)據(jù)的讀取和提取

2.1 獲取數(shù)據(jù)

第三方庫(kù)Requests 是利用Python 語(yǔ)言編寫的網(wǎng)絡(luò)爬蟲工具，是一個(gè)能夠自動(dòng)爬取網(wǎng)站內(nèi)容的開源爬蟲應(yīng)用框架。只需要給出網(wǎng)址和爬取規(guī)則，就可以快速獲得網(wǎng)站上的大量信息。BeautifulSoup庫(kù)是Python 語(yǔ)言開源的網(wǎng)絡(luò)信息處理第三方庫(kù)，能夠獲取某個(gè)特定標(biāo)簽下的字段信息，有助于快速?gòu)拇罅啃畔⒅泻Y選有效部分。在獲取并處理信息之后，將學(xué)生的成績(jī)寫入csv 文件。爬取教務(wù)網(wǎng)站上學(xué)生成績(jī)信息的特征代碼如下：

爬取網(wǎng)站上所有的信息：

import requests

url=’http：//example.io’

r=request.get（url）

對(duì)爬取的信息進(jìn)行字段處理：

from bs4 importBeautifulSoup

soup=BeautifulSoup（r，url）

score=[]

for inf in soup.find_all（‘score’）：

if len（inf）＞1：

socre.append（inf）

2.2 數(shù)據(jù)清理

數(shù)據(jù)清理是指檢查和清理數(shù)據(jù)庫(kù)中的無(wú)效或者冗雜數(shù)據(jù)，并進(jìn)行修正、替換或者直接刪除。

2.2.1 發(fā)現(xiàn)冗雜數(shù)據(jù)

在上一步的爬取過(guò)程中，我們獲取了所有score 標(biāo)簽下的數(shù)據(jù)，這必然造成多余的數(shù)據(jù)被寫入文件，在下一步的數(shù)據(jù)處理中會(huì)導(dǎo)致算力和內(nèi)存空間的浪費(fèi)。而隨著數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng)，這種浪費(fèi)會(huì)大大影響程序運(yùn)行的效率，甚至導(dǎo)致分析結(jié)果的錯(cuò)誤。對(duì)于這些冗雜數(shù)據(jù)可以進(jìn)行清洗處理。

2.2.2 處理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)本身以及數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。為了方便下面的處理，需要選取一種索引方便、易于遍歷的數(shù)據(jù)格式，且不同學(xué)生的成績(jī)之間應(yīng)該分區(qū)儲(chǔ)存。這對(duì)數(shù)據(jù)格式要求較高。

2.2.3 存儲(chǔ)有效數(shù)據(jù)

通常的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式有txt 和csv，這里采用csv 格式。csv 文件是一種國(guó)際通用的二維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，Excel 也可以便捷地導(dǎo)入或?qū)С?。更重要的是NumPy 內(nèi)置了讀取csv 文件的方法，可以簡(jiǎn)便地根據(jù)文件自動(dòng)生成一個(gè)ndarrry 數(shù)組對(duì)象并將每一行的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在不同維度上，以便下面的操作。

3 數(shù)據(jù)的處理和分析

Python 語(yǔ)言提供了多種用來(lái)處理數(shù)據(jù)的第三方庫(kù)，如NumPy、Scipy、Django、Pandas 等，且這些庫(kù)與計(jì)算機(jī)底層的操作邏輯有很好的交互，因此運(yùn)行效率相對(duì)較高。其中，使用率較高的是NumPy和Pandas 庫(kù)，本文使用NumPy。

NumPy 是Python 開源的數(shù)據(jù)處理第三方庫(kù)，提供了多種數(shù)據(jù)處理的方法，包括矩陣和向量的處理、傅立葉變換和多種可用于精密運(yùn)算的庫(kù)。其核心功能是對(duì)自定義數(shù)組ndarry 的處理。Excel 中也提供相關(guān)的數(shù)組運(yùn)算功能，但NumPy 相對(duì)于Excel 的數(shù)組運(yùn)算有兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：第一，ndarry 數(shù)組提供了更高的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存維度；第二，NumPy 對(duì)數(shù)組的處理是將其作為一個(gè)整體，無(wú)需關(guān)心其中每一個(gè)元素的處理過(guò)程。因此使用NumPy 處理數(shù)據(jù)可以得到更快的處理速度和更高的處理效率。

3.1 讀取存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)

使用NumPy 讀取數(shù)據(jù)后可以自動(dòng)生成一個(gè)數(shù)組對(duì)象，后面的處理都基于此數(shù)組進(jìn)行。數(shù)據(jù)讀取代碼如下：

import numpy as np

a=np. loadtxt（score.csv，dtype=np. float，delimiter=’，’）

3.2 進(jìn)行基礎(chǔ)的統(tǒng)計(jì)處理

3.2.1 計(jì)算每個(gè)學(xué)生的平均學(xué)分績(jī)并輸出

這里利用NumPy 提供的average 函數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均，完畢后將得到一個(gè)秩為1 的ndarry 數(shù)組，將其儲(chǔ)存在csv 文件中，作為各個(gè)學(xué)生的期末成績(jī)。代碼如下：

s=np. average（a，axis=1，weights=weight）

#weight 為各科成績(jī)的權(quán)重

3.2.2 根據(jù)學(xué)生成績(jī)計(jì)算各班的平均分、方差、最高分和不及格學(xué)生人數(shù)

首先將各班學(xué)生的分?jǐn)?shù)存儲(chǔ)在不同的軸上，進(jìn)行分析。代碼如下：

b=s. reshape（x，y）

f=np. mean（b，axis=1）

v=np. var（b，axis=1）

m=np. max（b，axis=1）

c=np. sum（b＜60，axis=1）

g=np. unravel_index（np.agrmax（b），b.shape）

#獲取最高分的班級(jí)學(xué)號(hào)

這樣就獲得了各班考試成績(jī)的數(shù)據(jù)，將其再次儲(chǔ)存在csv 文件中，繼續(xù)進(jìn)行處理，也可以導(dǎo)入Excel 工作簿。

4 進(jìn)行可視化處理

Matplotlib 庫(kù)是Python 語(yǔ)言中優(yōu)秀的第三方庫(kù)，其提供了許多繪制可視化圖形的子庫(kù)，使用其中的pyplot 庫(kù)對(duì)以上分析結(jié)果進(jìn)行可視化處理。在數(shù)據(jù)分析中較為常用的兩種圖表是餅圖和頻數(shù)分布直方圖，下面以這兩種圖表為例，利用matplotlib 繪制各班不及格學(xué)生占比的餅圖和全校所有學(xué)生成績(jī)的頻數(shù)分布直方圖，如圖2 所示。代碼如下：

importmatplotlib.pyplot as plt

c=c.tolist（）

labels=’class one’，’classtwo’，’classthree’，’class four’

sizes=c

plt.subplot（211）

plt.pie（sizes，labels=labels，autopct=’%1.1f%%’，shadow=False，startangle=90）

plt.title（‘Failed Students’）

plt.show（） #繪制餅圖

plt.subplot（212）

plt.xlabel（‘score’）

plt.ylabel（‘number‘）

plt.hist（s，40，normed=0，histtype=’stepfilled’，

facecolor=’b’，alpha=0.75）

plt.show（）

運(yùn)行結(jié)果見圖2。

圖2 利用matplotlib 繪制的學(xué)生成績(jī)頻數(shù)分布直方圖和各班不及格學(xué)生占比餅圖

樣本為4 個(gè)班的1200 個(gè)成績(jī)數(shù)據(jù)。運(yùn)行之后可以直觀地發(fā)現(xiàn)全校學(xué)生的成績(jī)分布大致符合正態(tài)分布的規(guī)律，且每個(gè)分?jǐn)?shù)段的學(xué)生人數(shù)都較為直觀。在實(shí)際操作中，可以通過(guò)修改部分參數(shù)繪制出某班學(xué)生的成績(jī)分布等多種圖形。由此可見，利用Python 進(jìn)行可視化，有著高度自動(dòng)化、可重復(fù)利用、運(yùn)算速度快、導(dǎo)出圖片方便等優(yōu)點(diǎn)，在批量處理大規(guī)模復(fù)雜數(shù)據(jù)時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯。當(dāng)原數(shù)據(jù)發(fā)生改變時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)信息的自動(dòng)更新，方便使用者直觀感受和理解數(shù)據(jù)的變化。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，目前幾乎所有學(xué)校都實(shí)現(xiàn)了教務(wù)系統(tǒng)的信息自動(dòng)化，但對(duì)成績(jī)數(shù)據(jù)的處理方式較為落后。本文利用Python 的網(wǎng)絡(luò)爬取功能和數(shù)據(jù)處理功能，提出了自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)—處理數(shù)據(jù)—輸出結(jié)果的一體化結(jié)構(gòu)框架，使批量處理學(xué)生成績(jī)數(shù)據(jù)成為可能，其應(yīng)用減輕了教學(xué)管理人員在處理學(xué)生成績(jī)時(shí)的工作量。在大數(shù)據(jù)蓬勃發(fā)展的時(shí)代背景下，探究Python 的數(shù)據(jù)處理功能在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，意義十分明顯，也能讓Python 語(yǔ)言在各行各業(yè)煥發(fā)光彩。