Python數(shù)據(jù)分析課程教學(xué)課件制作與設(shè)計

余本國

（海南醫(yī)學(xué)院，海南?？?571199）

1 引言

隨著大數(shù)據(jù)與人工智能的興起，國內(nèi)大多數(shù)高校也在悄然興起基于Python的各種課程，如大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、多元統(tǒng)計分析等等。自2020年以來，國際排名前100的高校中80%都開設(shè)有Python程序設(shè)計以及Python相關(guān)基礎(chǔ)課程,包括麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校等著名高校[1]。

高校教學(xué)多提倡以“問題為核心，學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”[2]的教學(xué)模式，在教師為主導(dǎo)時，大多數(shù)教師的授課課件都使用PPT進(jìn)行編輯制作的，不乏很多計算類的課程亦是如此。

作者任教Python語言及數(shù)據(jù)分析課程多年，在任教Python類課程時，認(rèn)為基于Python語言類的課程可以使用Jupyter NoteBook（以下簡稱JNB）制作編輯教學(xué)課件，其效果明顯要優(yōu)于PPT做的課件模式。

2 Jupyter Notebook簡介與安裝

JNB是基于網(wǎng)頁的一種交互式計算的應(yīng)用程序，據(jù)官方介紹，可被應(yīng)用于全過程計算，如開發(fā)、文檔編寫、代碼運行和結(jié)果展示。

簡而言之，JNB是以網(wǎng)頁的形式打開，在網(wǎng)頁中直接編寫代碼和運行代碼，其結(jié)果也會直接在網(wǎng)頁上代碼塊（或者代碼框，Cell）的下方顯示。在編程過程中，需要編寫說明文檔時，可在同一個頁面中直接插入一個Cell編寫Markdown文本，便于作及時的說明和解釋。其中的交互運算、文檔說明、數(shù)學(xué)公式、圖表以及其他媒體格式的輸入和輸出，均以網(wǎng)頁的形式展現(xiàn)，并保存后綴名為.ipynb的JSON格式文件，以及html和pdf等格式，既可用于版本的控制，也方便與他人交流共享。

JNB主要有以下幾個特點：

1）編程時語法高亮顯示，按tab鍵自動補全代碼，回車自動縮進(jìn)等功能。

2）可在本地瀏覽器執(zhí)行代碼，只需添加一行代碼%matplotlib inline，即可直接在Cell下方顯示執(zhí)行結(jié)果。

3）編輯說明文本時支持Markdown語法。

4）支持LaTeX編寫的數(shù)學(xué)公式的顯示。

5）可展示計算的結(jié)果包括HTML、LaTeX、PNG、SVG等格式。

Python版本分兩個階段，Python2.7和現(xiàn)在流行的Python3.X，但互不兼容。無論單獨安裝哪個版本的Python，都需要對環(huán)境變量要進(jìn)行設(shè)置，這對于初學(xué)者有一定的難度。但Anaconda解決了這些問題，環(huán)境配置與版本匹配問題系統(tǒng)都自動進(jìn)行了處理，盡管“體積”大了些，一般在460MB左右，但對于初學(xué)者來說，免去了安裝和環(huán)境變量的設(shè)置，還自帶安裝了常用的第三方庫。不僅如此，Anaconda還自動安裝了Spyder和JNB兩個編輯器[3]，如圖1所示。

圖1 Anaconda目錄

3 Jupyter NoteBook在教學(xué)中的優(yōu)勢

3.1 JNB具有CDIO教學(xué)模式

按照CDIO工程教育理念[4]，JNB可以在網(wǎng)頁界面進(jìn)行CDIO設(shè)計，并可SPOC形式實驗教學(xué)[5]，結(jié)合相關(guān)的插件，實現(xiàn)功能模塊的劃分與折疊，便于教學(xué)流程的完整性。CDIO項目教學(xué)階段內(nèi)容與步驟如表1[6]所示。

表1 CDIO教學(xué)階段與步驟

3.2 JNB展示格式豐富

JNB不僅擁有類似于PPT的展示功能，還能夠?qū)⒔忉屝晕谋?、代碼、圖表、音頻文件等交混在一起[7]，并實時地進(jìn)行代碼交互，讓課堂教學(xué)能夠獲得動態(tài)結(jié)果，避免了PPT僅展示代碼靜態(tài)結(jié)果。正所謂百聞不如一見，有圖有真相，“實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”。如圖2所示。

圖2 代碼文本交互顯示

3.3 JNB可安裝插件

可以對JNB安裝插件，以便于對代碼框進(jìn)行折疊，如對圖1中的“1.1序列series”下的內(nèi)容進(jìn)行折疊，以節(jié)省展示文本內(nèi)容的界面空間，讓層次感更加清晰，如圖3所示。

圖3 Cell（代碼/文本框）折疊

3.4 代碼交互可試錯

交互式編輯器的教學(xué)，避免了PPT靜態(tài)的代碼呈現(xiàn)結(jié)果。PPT教學(xué)展示的都是教師課前運行代碼獲取的正確結(jié)果，不能獲取真實編程狀態(tài)下遇到的各種問題，和遇到的不可預(yù)見錯誤。在JNB模式下，當(dāng)老師調(diào)試這些錯誤時，學(xué)生能夠直觀地感受到錯誤的形成，錯誤的表現(xiàn)形式，以及錯誤的修正。而這一系列的修正過程，即是學(xué)生最好的學(xué)習(xí)過程，更能從實踐中掌握知識。

3.5 存儲格式豐富

對于上課過程中呈現(xiàn)的各種格式的內(nèi)容，以及穿插其間運行的代碼和結(jié)果，除了可以保存為在其他編輯器中方便使用的py、ipynb格式，還可以導(dǎo)出為pdf或html格式的文件。對于pdf和html可以發(fā)布到網(wǎng)上或者上傳到學(xué)生班級交流群內(nèi)，便于學(xué)生課后交流以及課后復(fù)習(xí)，更是對課堂教學(xué)情景的再現(xiàn)。

通過以上分析，得到JNB和PPT的優(yōu)勢比較，如表2。

表2 PPT與JNB的效果對比

4 教學(xué)應(yīng)用案例設(shè)計

在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時，一般的數(shù)據(jù)難以獲取，隨機生成數(shù)據(jù)又沒有實際的感觀度，通過互聯(lián)網(wǎng)爬取數(shù)據(jù)很容易遭到封IP，所以在設(shè)計數(shù)據(jù)分析的教學(xué)案例時，一般結(jié)合現(xiàn)有的平臺工具實時獲取數(shù)據(jù)，如WPS或者騰訊在線收集表，發(fā)布鏈接讓學(xué)生填寫姓名、學(xué)號、族別、性別、出生年月、對預(yù)期的工資期望、對課程的評價等等。有了這些數(shù)據(jù)就可以讓學(xué)生分析姓氏、性別、族別比，可以做餅圖、柱狀圖，對評價作詞云圖或者情感分析等。

4.1 案例描述

對收集的數(shù)據(jù)，讓學(xué)生分析數(shù)據(jù)中的族別情況，將結(jié)果可視化；對其中的評價進(jìn)行文本處理，將文本可視化。案例檢測的知識點包括：

①讀取給定的Excel數(shù)據(jù)，并顯示數(shù)據(jù)；

②查看數(shù)據(jù)中的族別列，統(tǒng)計族別分類的種數(shù)；

③對同一種族的不同稱謂進(jìn)行處理，如“漢族”和“漢”統(tǒng)一處理為“漢”；

④對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計；

⑤對統(tǒng)計結(jié)果可視化，做成餅圖或柱狀圖；

⑥對評價文本進(jìn)行清洗，并對其分詞；

⑦對分詞結(jié)果作成詞云圖。

4.2 運行環(huán)境

1)Python3.8。使用Anaconda下的spyder編輯器。

2)安裝相應(yīng)的第三方庫。在Anaconda中的Anaconda Prompt下運行命令：

安裝Jieba:pip install jieba

安裝WordCloud:pip install WordCloud

4.3 代碼實現(xiàn)

通過導(dǎo)入相關(guān)的模塊和庫，利用Pandas模塊中read_excel方法讀取數(shù)據(jù)，并提取“族別”列數(shù)據(jù)，通過一系列的數(shù)據(jù)清洗操作，獲得族別數(shù)據(jù)，利用Matplotlib庫可以實現(xiàn)餅圖，實現(xiàn)代碼如下。

4）導(dǎo)出html與ipynb格式

將運行完畢的JNB頁面另存為ipynb格式，便于下次修改和再次運行。導(dǎo)出另存為HTML格式，可以發(fā)布到教師個人主頁或直接發(fā)送給學(xué)生，便于課后交流與復(fù)習(xí)，對課堂授課情景的再現(xiàn)。導(dǎo)出保存如圖4所示。

圖4 導(dǎo)出為html和ipynb格式

5 結(jié)束語

通過使用JNB在Python教學(xué)中的應(yīng)用與探索，并與普通的PPT靜態(tài)代碼教學(xué)相比，JNB在教學(xué)中具有可實時交互代碼，實時顯示代碼執(zhí)行結(jié)果，教學(xué)效果視覺刺激強，具有PPT不可比擬的動態(tài)性，容易激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和探索的熱情。通過數(shù)據(jù)分析教學(xué)案例設(shè)計，實現(xiàn)從數(shù)據(jù)獲取到數(shù)據(jù)清洗分析，再到數(shù)據(jù)可視化的整個流程，讓學(xué)生從感性認(rèn)知再到動手實踐，豐富了教學(xué)方法，實踐了教學(xué)內(nèi)容。