大數(shù)據(jù)背景下“數(shù)據(jù)可視化”課程的教學(xué)改革探討

高 麗

(內(nèi)蒙古商貿(mào)職業(yè)學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

在大數(shù)據(jù)背景下,萬(wàn)物互聯(lián)、人工智能的飛速發(fā)展使得人們?cè)谌粘W(xué)習(xí)生活中無(wú)時(shí)無(wú)刻都要面對(duì)和處理海量的信息和數(shù)據(jù),而數(shù)據(jù)可視化是一種幫助人們收集、處理和分析數(shù)據(jù)的有效方式,它采用視覺(jué)可視化的形式將抽象的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀的視覺(jué)圖形,以便于人們可以快速地理解和吸收。 數(shù)據(jù)可視化的技術(shù)在當(dāng)下應(yīng)用非常廣發(fā),如何在大數(shù)據(jù)背景下,通過(guò)數(shù)據(jù)可視化課程提高獲取和處理數(shù)據(jù)信息的能力,并增強(qiáng)學(xué)生的素質(zhì)能力,是目前教學(xué)改革的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

1 數(shù)據(jù)可視化的研究現(xiàn)狀

1.1 數(shù)據(jù)可視化的概念

可視化(Visualization)在《牛津英語(yǔ)詞典》中的詞意解釋為“把不可見(jiàn)的信息繪制成可視化圖形的過(guò)程”。 所謂數(shù)據(jù)可視化就是借助電能圖形理論與電腦圖像處理等技術(shù)手段,將圖表、地圖、網(wǎng)頁(yè)、視頻等復(fù)雜的、抽象的數(shù)據(jù)內(nèi)容以符合人類感知的圖形方式表達(dá)出來(lái)。 通俗的說(shuō),就是將混亂無(wú)序的數(shù)據(jù)信息整合起來(lái),并開(kāi)發(fā)出其價(jià)值的一種技術(shù)手段。 這種表達(dá)方式可以通過(guò)人類的視覺(jué)傳達(dá),長(zhǎng)期的研究結(jié)果表明,人們所獲得的外部信息中有超過(guò)80%都是通過(guò)視覺(jué)通道獲取的,而數(shù)據(jù)可視化技術(shù)能將這些混亂無(wú)序的信息進(jìn)行有序排列,并分析出其背后隱含的價(jià)值,使其更容易理解。 因此,研究數(shù)據(jù)可視化對(duì)于將抽象的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為形象、可視、可交互的圖形方式有著極為重要的意義。

1.2 數(shù)據(jù)可視化的分類

1.2.1 學(xué)習(xí)過(guò)程可視化

學(xué)習(xí)過(guò)程可視化分為2 種:知識(shí)可視化和思維可視化。 其中知識(shí)可視化的最具代表性的工具有思維導(dǎo)圖和概念圖,這兩種工具能對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行加工和整理,形成非常直觀的圖形和圖示(見(jiàn)圖1),有助于學(xué)生快速理解知識(shí)內(nèi)容并熟練掌握,最終達(dá)到靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的目的。 思維可視化的代表工具是由美國(guó)著名學(xué)者DavidHyerle 博士研究開(kāi)發(fā)的思維地圖,是目前培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)思維最有效的工具之一,主要用來(lái)訓(xùn)練學(xué)生的思維語(yǔ)言能力和圖示化學(xué)習(xí)能力,幫助學(xué)生構(gòu)建完整的知識(shí)體系。

圖1 數(shù)據(jù)可視化的分類

1.2.2 學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)可視化

學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)可視化分為4 類:文本數(shù)據(jù)可視化、多維數(shù)據(jù)可視化、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可視化和時(shí)間序列數(shù)據(jù)可視化。文本數(shù)據(jù)可視化就是借助計(jì)算機(jī)技術(shù)將文本信息以圖示的方式表達(dá)出來(lái)并進(jìn)行分析的一種學(xué)習(xí)方法;多維數(shù)據(jù)可視化中具有多維度屬性的數(shù)據(jù)本身就具備可視化的特點(diǎn),將這些數(shù)據(jù)用圖像的形式表達(dá)出來(lái),可以看出數(shù)據(jù)之間的關(guān)系;網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可視化就是將各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接在一起表示主體之間存在的關(guān)聯(lián)性特點(diǎn),可以幫助老師實(shí)時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況;所謂時(shí)間序列可視化就是對(duì)不同時(shí)間單元的數(shù)據(jù)抽取和分析,利用時(shí)間軸表現(xiàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果,發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律。

1.3 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)于數(shù)據(jù)可視化(Data Visualization)的研究起源于1960 年代,劃歸計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的范疇。 “數(shù)據(jù)可視化”這個(gè)概念最早在美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)的“用戶界面軟件與技術(shù)”會(huì)議中提出,本意是利用計(jì)算機(jī)創(chuàng)建圖表來(lái)表示數(shù)據(jù)的屬性和變量。 1989 年斯圖爾特卡德、約克·麥金利和喬治·羅伯遜等人將數(shù)據(jù)可視化正式定義為一門新學(xué)科,其研究范疇和理論思想較之前的圖形學(xué)有了一定的發(fā)展。 之后隨著計(jì)算機(jī)的功能呈指數(shù)型升級(jí),使得人們對(duì)多維、復(fù)雜的數(shù)據(jù)(包括金融經(jīng)濟(jì)、數(shù)字媒體和文本數(shù)據(jù))的可視化需求越來(lái)越強(qiáng)[1]。 目前,數(shù)據(jù)可視化已經(jīng)逐漸發(fā)展成為一門綜合性學(xué)科,其內(nèi)容涉及數(shù)據(jù)表示、處理算法、顯示方式以及用戶界面等一系列問(wèn)題。 對(duì)于數(shù)據(jù)可視化的未來(lái)發(fā)展前景,《數(shù)據(jù)可視分析面臨的十大挑戰(zhàn)》一文指出,未來(lái)主要聚焦于“認(rèn)知心理、視覺(jué)表現(xiàn)與人機(jī)交互的深度融合”。

1.4 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)于數(shù)據(jù)可視化的研究相比國(guó)外起步較晚,開(kāi)始于20 世紀(jì)90 年代,目前,我國(guó)在可視化研究領(lǐng)域還只是處于探索階段,基本上是在借鑒國(guó)外先進(jìn)成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究。 在多方位、全方面的努力下,我國(guó)在數(shù)據(jù)可視化方面的研究突飛猛進(jìn),研究成果遍地開(kāi)花,主要應(yīng)用在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域,約占了總體的49%,其次在測(cè)繪、控制工程、電氣工程等領(lǐng)域的應(yīng)用也比較多。然而,教育領(lǐng)域的數(shù)據(jù)可視化研究非常有限,約占總數(shù)的2%。 主要側(cè)重于教學(xué)資源的可視化,即知識(shí)可視化,該方面的研究急需更進(jìn)一步的發(fā)展。

通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,可以發(fā)現(xiàn)國(guó)外學(xué)者的研究主要集中在信息可視化分析和數(shù)據(jù)可視化分析兩門學(xué)科,目的應(yīng)用于金融交易、數(shù)據(jù)表示、算法處理、數(shù)據(jù)顯示等方面。 而我國(guó)學(xué)者則聚焦于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域,進(jìn)行了一系列探索式的研究。 綜合來(lái)看,數(shù)據(jù)可視化的視覺(jué)表達(dá)和圖示知覺(jué)研究雖然有一定進(jìn)展,但是在數(shù)據(jù)可視化課程的教學(xué)改革方面,相關(guān)研究就較為欠缺。如何融合數(shù)據(jù)收集、用戶研究、價(jià)值傳播的多維度視角,構(gòu)建符合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)的數(shù)據(jù)可視化的教學(xué)模式與策略,是本文即將要討論的問(wèn)題。

如今,大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)到來(lái),人們研究數(shù)據(jù)可視化時(shí)需要將數(shù)據(jù)挖掘、分析、圖形學(xué)等不同學(xué)科的理論和技術(shù)相結(jié)合,在此基礎(chǔ)上不斷更新和發(fā)展,以幫助用戶有效從海量數(shù)據(jù)中提取所需要的數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)可視化課程的優(yōu)勢(shì)與缺陷

2.1 數(shù)據(jù)可視化課程的優(yōu)勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和知識(shí)的進(jìn)步,數(shù)據(jù)可視化課程在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中慢慢顯示出了其先進(jìn)性和科學(xué)性,使傳統(tǒng)教學(xué)方式中的一些問(wèn)題得以清晰的顯露出來(lái),實(shí)現(xiàn)了可視化的教學(xué)手段的應(yīng)用價(jià)值,在促進(jìn)教師教學(xué)質(zhì)量、提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率、建立雙方互動(dòng)機(jī)制方面展現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢(shì)。

2.1.1 提高學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)獲取效率的認(rèn)識(shí)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,操作便捷、精準(zhǔn)度高的測(cè)量?jī)x器極大提高了人類獲取數(shù)據(jù)的效率。 尤其是全球定位衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的出現(xiàn),為數(shù)據(jù)采集工作帶來(lái)了質(zhì)的飛躍,那么如何解讀這些數(shù)據(jù)中的相關(guān)規(guī)律,使之背后的潛在價(jià)值發(fā)揮出來(lái),指導(dǎo)社會(huì)實(shí)踐,就是數(shù)據(jù)可視化課程的主要研究?jī)?nèi)容。 數(shù)據(jù)可視化作為高效率的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),與傳統(tǒng)的問(wèn)卷調(diào)查等收集數(shù)據(jù)的手段相比,展現(xiàn)出了優(yōu)越性和先進(jìn)性[2]。 新的設(shè)備和技術(shù)手段的出現(xiàn)使得學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)可視化的未來(lái)發(fā)展有了新的認(rèn)識(shí),充分利用大數(shù)據(jù)時(shí)代帶來(lái)的便利,可以充分開(kāi)發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和潛力,實(shí)現(xiàn)更新的技術(shù)變革。

2.1.2 幫助教師進(jìn)行學(xué)習(xí)分析,優(yōu)化教學(xué)

數(shù)據(jù)可視化方法可以幫助老師對(duì)學(xué)生的行為數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,實(shí)時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度、學(xué)習(xí)狀態(tài),并針對(duì)學(xué)生在上課過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的問(wèn)題給予反饋。 也可以幫助老師對(duì)個(gè)別有需要的學(xué)生進(jìn)行針對(duì)性干預(yù)和指導(dǎo),為學(xué)生制定個(gè)性化教學(xué)方案,因材施教。 一方面從整體上優(yōu)化了教師的教學(xué)質(zhì)量,更好地滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需要。 另一方面,教師也可以對(duì)自己的教學(xué)行為數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,有助于檢查自己的教學(xué)方案和教學(xué)思路,提升專業(yè)水平能力。

2.1.3 促進(jìn)學(xué)習(xí)者進(jìn)行知識(shí)探究、自我評(píng)估

數(shù)據(jù)可視化的分析方法可以幫助學(xué)生進(jìn)行自我建設(shè)和自我評(píng)估。 學(xué)生一方面通過(guò)可視化的方式分析數(shù)據(jù)、探究規(guī)律,另一方面根據(jù)自己對(duì)知識(shí)的理解和把握,建立可視化的知識(shí)框架,架構(gòu)邏輯體系。 與此同時(shí),在進(jìn)行新舊知識(shí)的整合過(guò)程中,學(xué)生會(huì)對(duì)知識(shí)有更深入的理解和認(rèn)識(shí),有助于學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中進(jìn)行思維發(fā)散和舉一反三,并通過(guò)比較分析的方式進(jìn)行自我反思。

2.1.4 激發(fā)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力

教師利用數(shù)據(jù)可視化工具,將知識(shí)轉(zhuǎn)化成便于學(xué)生理解的圖形圖示,可以使課程內(nèi)容更加生動(dòng)、直觀,引起學(xué)生的積極性和求知欲,提高學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)可視化的興趣。 可視化的手段不僅可以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí),而且能夠激勵(lì)學(xué)生利用這種工具進(jìn)行自我學(xué)習(xí)。 大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下,緊跟社會(huì)潮流,掌握最新的學(xué)習(xí)方法和技術(shù)手段,才能最大限度地激發(fā)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力。

2.2 數(shù)據(jù)可視化課程的缺陷

2.2.1 教師教學(xué)思想目標(biāo)有偏差

作為課程主導(dǎo)者的教師雖然有著明確的培養(yǎng)目標(biāo),但其對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)方案并未結(jié)合時(shí)代的發(fā)展而更新,無(wú)法滿足時(shí)刻變化的社會(huì)現(xiàn)實(shí)需要。 當(dāng)前各個(gè)高校的學(xué)院教學(xué)實(shí)踐中,教學(xué)理念的方法與現(xiàn)實(shí)嚴(yán)重脫節(jié),大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也為教師的教學(xué)帶來(lái)一定的壓力。 數(shù)據(jù)可視化課程的目標(biāo)是培養(yǎng)一種應(yīng)用型人才,使得學(xué)生有較高的專業(yè)能力和水平,能夠掌握互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析方法,迎合當(dāng)前社會(huì)高端復(fù)合型人才的需求。 目前的調(diào)研結(jié)果顯示,學(xué)生對(duì)于數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的掌握程度不足50%,存在“重理論、輕實(shí)踐”的問(wèn)題,這跟教師的授課方法有一定的聯(lián)系。

2.2.2 教學(xué)教材選用不合適

教材的選擇在很大程度上影響了教學(xué)質(zhì)量和效果,一本好的教材應(yīng)該是系統(tǒng)的、全面的、淺顯易懂且具有啟發(fā)性的。 目前市面上關(guān)于數(shù)據(jù)可視化的教材五花八門、質(zhì)量參差不齊,都或多或少存在一定的問(wèn)題,比如章節(jié)安排不合理、沒(méi)有邏輯性;有的教材用了大量篇幅來(lái)講述理論,卻不結(jié)合實(shí)際案例指導(dǎo)學(xué)生操作;有的教材版本較老、方法過(guò)時(shí)等等。 數(shù)據(jù)可視化的技術(shù)由于其更新?lián)Q代的速度較快,對(duì)教材的修訂要求極高,與時(shí)俱進(jìn)的迭代教材版本、刪除過(guò)時(shí)的理論方法是非常有必要的。 教材如果選用不當(dāng),也會(huì)影響教師授課的創(chuàng)新性,打消學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.2.3 學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)單薄

“數(shù)據(jù)可視化”課程的研究對(duì)象是數(shù)據(jù),而數(shù)據(jù)的來(lái)源非常有限。 “數(shù)據(jù)可視化”課程的理論性和技術(shù)性強(qiáng),對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)技術(shù)提出了較高的要求,需要學(xué)生具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)的同時(shí),也要有熟練的技術(shù)操作能力。 學(xué)習(xí)基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生會(huì)在課程的進(jìn)度中慢慢喪失積極性和探索性,對(duì)課程失去興趣,逐漸影響其對(duì)所學(xué)專業(yè)的認(rèn)同感,從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,非常不利用教育模式的可持續(xù)發(fā)展和現(xiàn)代人才的培養(yǎng)。

2.3 “數(shù)據(jù)可視化”課程教學(xué)改革的策略

通過(guò)對(duì)大數(shù)據(jù)背景下數(shù)據(jù)可視化教學(xué)的現(xiàn)狀分析,總結(jié)出可視化教學(xué)的綜合性、全面性特點(diǎn),對(duì)“數(shù)據(jù)可視化”課程的教學(xué)模式進(jìn)行創(chuàng)新性、理論性的改革?！皵?shù)據(jù)可視化”課程的專業(yè)性和實(shí)踐性較強(qiáng),是一門應(yīng)用型課程,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和建立學(xué)生的全面思考能力起著重要作用。 在傳統(tǒng)的教學(xué)方法無(wú)法滿足學(xué)生的需求的背景下,我們應(yīng)當(dāng)針對(duì)“數(shù)據(jù)可視化”課程現(xiàn)有的問(wèn)題,采取對(duì)應(yīng)的策略,實(shí)行教學(xué)改革。

首先要轉(zhuǎn)變教學(xué)思想和教學(xué)目標(biāo)[3]。 為了跟上大數(shù)據(jù)時(shí)代的發(fā)展速度,教師應(yīng)當(dāng)從自身做起,棄舊迎新,改進(jìn)教學(xué)方案,牢牢把控住時(shí)代的命脈,作為學(xué)生的向?qū)У南刃姓?將先進(jìn)的、前沿的技術(shù)手段帶到課堂上來(lái),激發(fā)學(xué)生的興趣的同時(shí),也能提高自己的授課水平。 通過(guò)課堂教學(xué)創(chuàng)新形態(tài)的方式,提高可視化實(shí)踐課堂教學(xué)的質(zhì)量和效果,為我國(guó)教育教學(xué)模式的創(chuàng)新改革和良性發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

其次要選擇合適的教材。 將思想理論與實(shí)踐操作緊密結(jié)合的教材是學(xué)生學(xué)習(xí)的基礎(chǔ),結(jié)合新的教學(xué)目標(biāo),選擇適合教學(xué)大綱的優(yōu)質(zhì)教材。 好的教材要結(jié)合學(xué)生的興趣,結(jié)合教育的目標(biāo),結(jié)合當(dāng)下的技術(shù)。 只有多角度、多形式的綜合、評(píng)估、分析,才能選擇適合學(xué)生、有價(jià)值的教材。 通過(guò)專家建議和學(xué)生反饋相結(jié)合的方法,不斷修訂教材,完善知識(shí)體系,使教育工作者及時(shí)了解教學(xué)中存在的缺陷,便于優(yōu)化教學(xué)模式。

最后要夯實(shí)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)。 在好的教材的基礎(chǔ)上,培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力,使學(xué)生的思維邏輯和知識(shí)體系獲得全面提升。 通過(guò)理論與實(shí)踐相結(jié)合的教育模式,提高學(xué)生的實(shí)際操作能力和專業(yè)技術(shù)水平。 以就業(yè)促進(jìn)教學(xué),以教學(xué)帶動(dòng)就業(yè),雙向提高,雙向促進(jìn)。時(shí)代背景的發(fā)展決定了社會(huì)需要精通數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的人才,學(xué)校也應(yīng)該緊跟時(shí)代的腳步,不斷反思教育機(jī)制,培養(yǎng)能夠運(yùn)用專業(yè)知識(shí)分析、處理數(shù)據(jù)的專業(yè)型人才。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之,互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展為數(shù)據(jù)可視化課程的教學(xué)改革提供了技術(shù)手段上的支持。 數(shù)據(jù)的價(jià)值只有通過(guò)分析才能展現(xiàn),這一方面提升了教師的教學(xué)質(zhì)量;另一方面為學(xué)生營(yíng)造了有趣味性的、知識(shí)可視化的學(xué)習(xí)環(huán)境。 發(fā)展和發(fā)揚(yáng)數(shù)據(jù)可視化在教學(xué)中的創(chuàng)新性應(yīng)用是當(dāng)前時(shí)代背景的大勢(shì)所趨,也是未來(lái)教學(xué)改革的重點(diǎn)發(fā)展方向。