基于普開平臺(tái)的“數(shù)據(jù)分析（Python）”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法研究

陳園 周科 曹文麗

摘? 要：為適應(yīng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)需要，針對(duì)“數(shù)據(jù)分析（Python）”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目停留在算法驗(yàn)證、教學(xué)方法與實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用脫節(jié)、學(xué)生解決現(xiàn)實(shí)問題能力差的現(xiàn)象，通過分析目前主流的大數(shù)據(jù)平臺(tái)的特點(diǎn)，以武昌工學(xué)院已建普開大數(shù)據(jù)平臺(tái)為基礎(chǔ)，重建了“數(shù)據(jù)分析（Python）”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，提出了線上線下教學(xué)模式，并將理論算法與實(shí)際應(yīng)用案例相結(jié)合，實(shí)踐結(jié)果表明，該方法有效地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高了學(xué)生理論與實(shí)踐結(jié)合的能力，提高了教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)分析；普開大數(shù)據(jù)平臺(tái)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：TP39；G434? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2023）24-0189-05

Research on the Experimental Teaching Method of Data Analysis （Python） Course Based on Pukai Big Data Platform

CHEN Yuan， ZHOU Ke， CAO Wenli

（Wuchang Institute of Technology， Wuhan? 430065， China）

Abstract： In order to meet the needs of cultivating application-oriented talents， in the experimental teaching of the “Data Analysis （Python） ” course， the experimental projects remain focused on algorithm validation， the disconnection between teaching methods and practical applications， and the poor ability of students to solve practical problems. By analyzing the characteristics of the current mainstream big data platform and based on the already established Pukai big data platform at Wuchang Institute of Technology， the experimental teaching system of the Data Analysis （Python） course has been reconstructed， the online and offline teaching mode is proposed， and theoretical algorithms are combined with practical application cases. The practical results show that this method effectively stimulate students' learning enthusiasm， improves their ability to combine theory with practice， and improves teaching quality.

Keywords： data analysis; Pukai big data platform; experimental teaching reform

0? 引? 言

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及科技的進(jìn)步，人們已進(jìn)入到大數(shù)據(jù)的時(shí)代，人們的生活中處處都是大數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)越來越廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用型數(shù)據(jù)分析的需求和對(duì)大數(shù)據(jù)人才的培養(yǎng)需求也越來越迫切?！皵?shù)據(jù)分析（Python）”課程根據(jù)目前數(shù)據(jù)分析發(fā)展?fàn)顩r，將數(shù)據(jù)分析具象化，使用Python進(jìn)行科學(xué)計(jì)算、可視化繪圖、數(shù)據(jù)處理，分析與建模，并詳細(xì)拆解學(xué)習(xí)聚類、回歸、分類三個(gè)企業(yè)案例，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，為將來從事數(shù)據(jù)分析挖掘研究、工作奠定基礎(chǔ)。

本文結(jié)合“數(shù)據(jù)分析（Python）”課程在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題和現(xiàn)狀，通過對(duì)比目前主流的大數(shù)據(jù)平臺(tái)優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合我校實(shí)際情況以及人才培養(yǎng)目標(biāo)和要求，對(duì)該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和實(shí)施過程進(jìn)行了研究，構(gòu)建了基于普開大數(shù)據(jù)平臺(tái)的符合時(shí)代要求和課程特點(diǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，在提高學(xué)生理論與實(shí)踐結(jié)合的能力的基礎(chǔ)上，以期為計(jì)算機(jī)類其他專業(yè)課程的建設(shè)提供參考與借鑒。

1? “數(shù)據(jù)分析（Python）”的課程特點(diǎn)以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

“數(shù)據(jù)分析（Python）”的課程特點(diǎn)以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀：

1）課程知識(shí)點(diǎn)難，學(xué)生基礎(chǔ)情況各有不同?！皵?shù)據(jù)分析（Python）”這門課中的理論知識(shí)原理，包含了多門學(xué)科知識(shí)，需要Python編程基礎(chǔ)的同時(shí)，還需要了解數(shù)據(jù)庫、機(jī)器學(xué)習(xí)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等多門學(xué)科的知識(shí)。因此，學(xué)好這門課就需要學(xué)生具有一定的編程能力和扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及邏輯思維能力。這對(duì)學(xué)生的基礎(chǔ)提出了較高要求，“數(shù)據(jù)分析（Python）”是新時(shí)代新課程，具有內(nèi)容多且廣、交叉性強(qiáng)等特點(diǎn)，覆蓋的知識(shí)點(diǎn)綜合性穿插較強(qiáng)，對(duì)于編程能力較弱、數(shù)學(xué)分析基礎(chǔ)差的學(xué)生來說，課程的難度很大，導(dǎo)致這部分學(xué)生有可能在這門課的學(xué)習(xí)上失去信心，從而失去了學(xué)習(xí)的動(dòng)力。

2）時(shí)代日新月異，教學(xué)工具滯后脫節(jié)。“數(shù)據(jù)分析（Python）”與時(shí)代的脫節(jié)主要表現(xiàn)在教材與時(shí)代脫節(jié)以及教學(xué)工具的陳舊。目前，據(jù)了解，較多高校所使用的教材內(nèi)容是3-5年前的舊版本，教材內(nèi)容沒有與時(shí)代、技術(shù)的變化同步上，更無法及時(shí)應(yīng)用到教學(xué)中去。另外，在教學(xué)工具上，教師們所使用的工具也比較陳舊，多數(shù)的軟件、集成開發(fā)環(huán)境的版本較早，沒有使用較新或者最新的版本，教材和教學(xué)工具的落后跟不上日新月異的技術(shù)變化，久而久之，是非常不利于學(xué)生們?cè)趯W(xué)習(xí)中做到理論與實(shí)踐相結(jié)合。

3）重理論輕實(shí)踐，缺乏行業(yè)應(yīng)用。目前的“數(shù)據(jù)分析（Python）”課程的教學(xué)多以理論為主，課堂上主要是填鴨式的方法教授課程原理，布置作業(yè)習(xí)題，學(xué)生課后完成相應(yīng)的習(xí)題，總體來說，在課時(shí)的分配以及教師的教學(xué)中，重點(diǎn)還是以理論為主。而在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐上，多數(shù)教師是按照教學(xué)大綱，在實(shí)驗(yàn)機(jī)房內(nèi)教授學(xué)生對(duì)數(shù)值計(jì)算、可視化、數(shù)據(jù)處理、分類、聚類以及回歸等相關(guān)算法使用Python進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)與分析驗(yàn)證，課時(shí)設(shè)置不多，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡單，且實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果只讓學(xué)生停留在對(duì)算法原理的理解層面，缺乏對(duì)課程感性認(rèn)識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用能力，這樣一方面致使學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，另一方面，這樣的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代教學(xué)的要求。

4）實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊，實(shí)驗(yàn)資源有限。在開設(shè)了大數(shù)據(jù)專業(yè)的眾多高校中，教學(xué)中最需要解決的問題就是配套的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。目前大多數(shù)高校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊，許多設(shè)備使用年限長，且實(shí)驗(yàn)環(huán)境只能滿足傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)類實(shí)驗(yàn)需求，而對(duì)于“數(shù)據(jù)分析（Python）”課程以及大數(shù)據(jù)專業(yè)其他專業(yè)課程，例如Hadoop等，沒有專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。同時(shí)，課程實(shí)驗(yàn)難度大，目前的教學(xué)也缺乏配套課程實(shí)驗(yàn)資源、教程、指導(dǎo)書、數(shù)據(jù)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)難度越來越大。即使有些高校的更新了計(jì)算機(jī)設(shè)備，但是沒有搭建專門的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，出現(xiàn)了無法對(duì)大數(shù)據(jù)環(huán)境進(jìn)行快速部署，配置難度較高的難題。因此，為提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，建設(shè)一個(gè)配置簡單的、符合“數(shù)據(jù)分析（Python）”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)十分必要。

2? 普開大數(shù)據(jù)平臺(tái)介紹

目前，主流數(shù)據(jù)分析與挖掘平臺(tái)可大致分為兩類：

1）非商業(yè)化、免費(fèi)開源的數(shù)據(jù)分析與挖掘軟件：以Sklearn、Weka為代表，集成了“數(shù)據(jù)分析（Python）”中常見的機(jī)器學(xué)習(xí)的算法，用戶可以在平臺(tái)中集成自己的算法，源碼開放，用戶可以進(jìn)行二次開發(fā)，滿足用戶一些個(gè)性化的需求。但此類軟件對(duì)數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)分析挖掘的任務(wù)支持并不完整，且缺乏具體的行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，不能支持長時(shí)間的學(xué)習(xí)，更不能支持商業(yè)級(jí)的應(yīng)用。

2）企業(yè)級(jí)大數(shù)據(jù)分析與可視化分析平臺(tái)。市面上中通用數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘軟件昂貴且難以使用，大量的專業(yè)術(shù)語、專業(yè)業(yè)務(wù)理論、數(shù)學(xué)知識(shí)和挖掘模型讓人無從下手。

與之對(duì)應(yīng)，普開大數(shù)據(jù)平臺(tái)是商業(yè)化的數(shù)據(jù)分析和挖掘?qū)嶒?yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的框架如圖1所示。

具有如下明顯優(yōu)勢(shì)：

1）數(shù)據(jù)分析功能豐富。平臺(tái)集成了百余種算法組件，覆蓋數(shù)據(jù)預(yù)處理、回歸、分類、聚類等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析內(nèi)容，而且涵蓋情感分析、個(gè)性化推薦社交網(wǎng)絡(luò)分析等多種綜合應(yīng)用場(chǎng)景。

2）真機(jī)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。平臺(tái)各模塊相對(duì)獨(dú)立，交互式的實(shí)驗(yàn)任務(wù)、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、項(xiàng)目上機(jī)操作，教學(xué)視頻、考試評(píng)分、數(shù)據(jù)監(jiān)控等，保障學(xué)生靈活、快速地掌握“數(shù)據(jù)分析（Python）”核心技術(shù)及項(xiàng)目開發(fā)能力。

3）行業(yè)案例豐富。提供10大行業(yè)典型應(yīng)用案例的數(shù)據(jù)包和視頻包，以及配套實(shí)驗(yàn)手冊(cè)，邊學(xué)邊練，通過實(shí)際項(xiàng)目上機(jī)演練，多方位學(xué)習(xí)及訓(xùn)練，很大程度上提高了學(xué)生對(duì)行業(yè)的認(rèn)知，能夠做到理論與實(shí)踐相結(jié)合，與時(shí)代相接軌，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力。

4）良好的交互性。提供完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目體系、在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)，平臺(tái)提供以“數(shù)據(jù)分析（Python）”課程學(xué)習(xí)、在線視頻、習(xí)題、線上測(cè)試、線上實(shí)驗(yàn)為主線，典型案例貫穿知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)模式，確保學(xué)生“數(shù)據(jù)分析（Python）”知識(shí)和應(yīng)用技能。

5）操作簡單。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用B/S架構(gòu)，學(xué)生無須安裝客戶端軟件，只需打開瀏覽器便能輕松訪問。簡潔易懂的交互界面，讓教學(xué)更輕松、更便捷。

3? 基于普開大數(shù)據(jù)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

“數(shù)據(jù)分析（Python）”依托于普開大數(shù)據(jù)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施流程如圖2所示。

3.1? 課前

在實(shí)驗(yàn)課前，教師在普開大數(shù)據(jù)平臺(tái)準(zhǔn)備好教學(xué)資料（視頻、指導(dǎo)書、實(shí)驗(yàn)環(huán)境）后，學(xué)生可以通過登錄普開大數(shù)據(jù)平臺(tái)訪問“數(shù)據(jù)分析（Python）”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可先根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和資料預(yù)習(xí)實(shí)習(xí)內(nèi)容，同時(shí)，教師可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)在平臺(tái)上發(fā)布預(yù)習(xí)作業(yè)，以了解學(xué)生對(duì)課前學(xué)習(xí)材料的掌握情況，從而保證實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)效果。

3.2? 課中

“數(shù)據(jù)分析（Python）”實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及實(shí)驗(yàn)課的開展上，如圖3所示，普開大數(shù)據(jù)平臺(tái)提供師生可視化操作平臺(tái)的方式，供教師和學(xué)生進(jìn)行操作。學(xué)生直接在瀏覽器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，除了主界面，兩側(cè)界面分為左右兩欄，左欄為虛擬機(jī)與主機(jī)的交互操作，可供學(xué)生上傳下載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；右側(cè)界面為課中實(shí)驗(yàn)提供了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)，可供學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中記錄實(shí)驗(yàn)筆記。在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，提供了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書以及實(shí)驗(yàn)視頻，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)，可在線觀看實(shí)驗(yàn)視頻，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書一步一步完成實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行記錄。

在學(xué)生課前充分的預(yù)習(xí)后，教師提前準(zhǔn)備了實(shí)驗(yàn)環(huán)境虛擬機(jī)以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)學(xué)生使用Python語言對(duì)數(shù)據(jù)分析中基本理論和算法進(jìn)行驗(yàn)證，包括的Numpy、Pandas、Matplotlib、Sklearn庫的基本操作，因此在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上，針對(duì)這部分基礎(chǔ)知識(shí)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生一步一步完成基本操作，為后續(xù)的綜合性實(shí)驗(yàn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

除了基本算法和操作的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)之外，普開大數(shù)據(jù)平臺(tái)提供了綜合應(yīng)用場(chǎng)景供學(xué)生進(jìn)行實(shí)操性實(shí)驗(yàn)，如圖4所示。

因此，在本課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目上，為了加強(qiáng)學(xué)生實(shí)操能力，除了常規(guī)的基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，須在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目上增加綜合性操作實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可根據(jù)平臺(tái)提供的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在虛擬機(jī)中根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書部署實(shí)驗(yàn)環(huán)境，按照數(shù)據(jù)分析的流程一步一步完成數(shù)據(jù)的讀取、預(yù)處理、標(biāo)準(zhǔn)化，并根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景，選擇合適的模型進(jìn)行分析，最終完成行業(yè)應(yīng)用的分析，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

上述的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，得益于普開大數(shù)據(jù)平臺(tái)，所有的實(shí)驗(yàn)操作過程可記錄、可視，教師可見，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不再局限于簡單語法驗(yàn)證，而時(shí)深入于行業(yè)應(yīng)用，可以達(dá)到學(xué)以致用的目的。

3.3? 課后

學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中記錄在普開大數(shù)據(jù)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)筆記，按照教師要求，可課后登錄普開大數(shù)據(jù)平臺(tái)，利用課后時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行整理，對(duì)未解決的問題或者未完成的內(nèi)容繼續(xù)進(jìn)行，同時(shí)，整理實(shí)驗(yàn)過程中記錄的實(shí)驗(yàn)筆記，在線完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并提交給教師。同時(shí)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)課的反饋也可以通過普開平臺(tái)反饋給老師。如圖5、圖6所示。

教師除了可以通過平臺(tái)來發(fā)布實(shí)驗(yàn)測(cè)試和批閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告，還可通過平臺(tái)后臺(tái)，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行智能分析，包括學(xué)習(xí)路徑分析、簽到分析、考試分析、實(shí)驗(yàn)報(bào)告分析。普開大數(shù)據(jù)平臺(tái)可進(jìn)行實(shí)時(shí)在線或離線答疑，為師生提供快速實(shí)時(shí)的交流平臺(tái)，鞏固學(xué)生課堂所學(xué)知識(shí)，教師也可以根據(jù)分析結(jié)果以及學(xué)生的反饋，對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)。同時(shí)，平臺(tái)支持課件、視頻、手冊(cè)、圖片、軟件、數(shù)據(jù)及其他資源的上傳、下載、共享及刪除，可通過普開大數(shù)據(jù)平臺(tái)來構(gòu)建“數(shù)據(jù)分析（Python）”課程的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源共享平臺(tái)，為學(xué)生提供豐富多樣教學(xué)資源，方便學(xué)生提交作業(yè)和提問。如圖7所示。

4? 結(jié)? 論

本文結(jié)合普開大數(shù)據(jù)平臺(tái)的特點(diǎn)以及“數(shù)據(jù)分析（Python）”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，提出了適用于應(yīng)用型本科院校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路，利用該平臺(tái)來建設(shè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。除常規(guī)驗(yàn)證性項(xiàng)目，提出了更高一層次的案例式實(shí)驗(yàn)，力求將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際行業(yè)應(yīng)用，在打好基礎(chǔ)理論知識(shí)基礎(chǔ)的同時(shí)，也讓學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)有了感性認(rèn)識(shí)，調(diào)動(dòng)了學(xué)生積極性，更在很大程度了鍛煉和提高了學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。因此，基于普開大數(shù)據(jù)平臺(tái)的“數(shù)據(jù)分析（Python）”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方法總體上來說相對(duì)于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，提高了教學(xué)效率，保證了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，更加貼近教學(xué)目標(biāo)，更加符合“數(shù)據(jù)分析（Python）”這門課開設(shè)的初衷。

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作者簡介：陳園（1983.10—），女，漢族，湖北武漢人，高級(jí)工程師，碩士研究生，研究方向：數(shù)據(jù)分析、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)；周科（1992.12—），男，漢族，湖北仙桃人，助教，碩士研究生，研究方向：大數(shù)據(jù)技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)；曹文麗（1999.05—），女，漢族，湖北大冶人，碩士在讀，研究方向：大數(shù)據(jù)技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺。

收稿日期：2023-04-04

基金項(xiàng)目：武昌工學(xué)院2023年度校級(jí)教學(xué)改革研究項(xiàng)目（2023JY10）