“数据处理与分析”课程教学展示平台设计.pdf

科技与创新Science and Technology&Innovation922023 年 第 19 期文章编号：2095-6835（2023）19-0092-03“数据处理与分析”课程教学展示平台设计杨玉蟾，吴自然，何少芳，王明春（湖南农业大学信息与智能科学技术学院，湖南 长沙 410128）摘要：现代化技术教育的发展，催生了许多用于辅助教学的教学平台。以“数据处理与分析”课程为研究对象，对教学展示平台设计目的和技术路线进行分析，并对平台展示模块内容进行详细规划；通过有机融合教学内容，以模块化的方式建立章节知识点的结构与联系，利用网页开发技术构建一个能直观形象地展示教学内容且具有交互功能的平台。课程教学中辅以展示平台的应用，不仅能提高学生学习效率，还有助于提升学生对知识体系的认识。关键词：数字化；教学平台；“数据处理与分析”课程；平台设计中图分类号：TP311.52文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.19.028随着信息化进程不断加快，高校信息化技术教育发展如火如荼，越来越多的高校通过引进数字化教学平台并开展线上线下混合式教学。目前，各种教育教学平台已经被广泛应用到日常教学中，为现代化教学工作提供便利的同时，还能提高学生的学习效率1。尤其是大数据时代背景下，对高校的教学平台建设提出了新的要求，未来的教育平台应该朝信息化、智能化的模式发展2。然而，由于对数字化教学的研究起步较晚，中国高校对数字化平台的建设仍处于探索阶段，加之不同学科对数字化平台需求不同，因此，至今仍没有标准的建设范本可供参考3。中国高校的数字化教育发展迅速，但在教学资源和教学平台方面仍存在一些问题。比如，在数字化教学过程中，某些数字化教学资源，内容方面不方便组织与建设4，常见的数字化教学资源多数是依据教材章节目录单章节建设，缺乏组织性和系统性，且在教学过程中常出现知识的简单堆砌和满堂灌现象，学生参与进来的机会非常少。为解决这些问题，实现多样化课堂教学，对教学内容展示形式进行改革，通过有效整合“数据处理与分析”课程的优质数字化资源，设计了一个“数据处理与分析”课程辅助教学展示平台，将“数据处理与分析”课程的主要教学内容如数据探索、数据预处理、数据建模和数据可视化中的典型案例通过网页方式展示出来。这些教学内容分别以网页导航的功能模块来呈现，其中的案例除了可展示学习还兼具交互功能。“数据处理与分析”课程教学展示平台的设计，将“数字化”与“教学”有机结合起来，以提高课堂教学方法多样性，为信息化教育技术更好地服务于教学添砖加瓦。1教学平台概述1.1平台设计目的目前常用的“数据处理与分析”课程教学方式是以教室为中心，利用 PPT 等教学资源进行内容讲授，以静态知识为主进行单方输出的教学内容讲解是常见形式，教学过程中学生不能参与教学案例参数的修改与设置及实时观察结果的变化。本文设计的“数据处理与分析”教学平台兼具展示与交互功能，课堂学习过程中，学生可扫描二维码访问案例展示页面，实时观察代码运行结果，还可自行更改模型参数观察结果的变化差异。该平台使课堂教学互动更具直观性、真实性、及时性等特点，学生在学习知识的过程中，通过参与案例的实现过程进一步深入理解其原理。因此，教学平台的构建，架起了一座学与用的桥梁，既丰富了课堂教学形式又增加了课程内容学习的趣味性。1.2平台特点本平台是根据教学需求进行设计用于辅助教学的页面展示型平台，其界面友好、操作简单便捷。数据库具有较强的安全性，其数据具有添加、删除等功能。1.3平台资源教学展示平台的构建是一项系统工程，导航主题和知识模块的安排合理与否直接影响教学效果和用户体验效果，本文的设计工作就是通过充分了解“数据处理与分析”课程各个知识点的结构与联系，精选出数据探索、数据预处理、数据建模和数据可视化教学基金项目湖南省创新创业训练计划项目（湘教通2022174 号，编号：s202210537087）；湖南省教育厅教学改革研究资助项目（湘教通2019291 号，编号：HNJG-2020-0322）Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 19 期93内容中的典型案例，同时充分了解案例中参数设置对结果的影响，让学生在参与的过程中深刻体会案例中算法的原理及其参数的作用。平台资源采用导航加模块的呈现方式，既方便教师教学又利于学生提高学习效率。2技术路线平台设计流程主要包括需求分析、整体规划和前端与后端，如图 1 所示。其中需求分析重点明确平台功能为“数据处理与分析”主要任务的展示。整体规划中通过多层次导航方式展示各个功能模块。前端程序设计以页面设计图和页面布局为依据，通过代码编写实现页面界面各项功能；后端开发结合平台功能进行数据库设计，并整合前后端完善平台各模块功能，最后对平台的交互性和功能实现效果进行测试。图 1平台设计技术线路3需求分析以“数据处理与分析”课程教学大纲为蓝本，结合学生学情，设计一个能直观、具体地展示教学内容且具有交互功能的网页型教学辅助展示平台，用于日常教学过程中知识点的讲授和实例的操作与体验。平台的功能需求主要包括以下方面：知识结构体现功能。有机整合教学内容，利用导航与模块建立知识结构体系，学生可以通过导航了解知识结构。基础实例操作功能。在数据处理与分析过程中进行数据探索、数据预处理、数据建模和数据可视化的关键知识点的实例操作。数据与模型参数修改功能。可以修改实例中的数据与模型参数，通过交互方式让学生切身体验实例的实现原理。运行结果可视化功能。学生可以在网页提交书写代码，也可以实现代码运行结果的可视化。查看相关知识功能。可以在平台的拓展知识模块通过链接查看与知识点相关的课外知识。4平台系统功能构架设计为了对“数据处理与分析”课程学习内容进行准确定位，将教学大纲上要求的教学内容最大程度地优化整合，强化课程内容的综合性，保障学生在学习过程中能够递进式地学习与积累知识。结合展示内容和展示层次，以简洁的页面设计与布局为依托，规划后的平台架构如图 2 所示。平台主页导航包括“数据处理与分析”的四大模块，即数据探索、数据预处理、数据建模和数据可视化，每个模块下都有相应的教学主题，以数据建模模块为例，它包含以分类应用为主题的实例、以回归任务为主题的实例和以聚类任务为主题的实例。图 2“数据处理与分析”教学展示平台导航4.1数据探索模块数据探索考虑的是数据处理与分析过程中，样本数据集的数量与质量是否满足后期数据建模的要求，主要从数据质量分析、数据统计分析和数据特征分析3 方面进行探索，如图 3 所示。数据质量分析的主要任务是检查原始数据中是否存在脏数据，如缺失值和异常值，展示平台将以实例示意缺失值的统计与处理方法；而异常值的示例中，除了统计分析外，还将结合数据可视化模块中的箱型图分析法。数据特征分析包括定量和定性数据的分布分析、对比分析、统计量分析、周期性分析、贡献度分析和相关性分析，数据可视化穿插其中，辅助展示数据分析结果。由数据探索模块下的教学实例可知，每种分析任务并非独立进行，数据可视化作为数据探索的有效辅助工具，在展示平“数据处理与分析”教学展示平台导航整体规划整体规划用户群体平台功能需求分析需求分析平台类型前端与后端前端与后端对数据探索、数据预处理、数据建模及数据可视化任务进行展示平台目的网页型教学辅助展示平台学生通过平台体验加深学生对数据处理与分析任务的理解多层次导航：展示内容下包括若干子导航，其下包括多个模块展示内容数据探索、数据预处理、数据建模及数据可视化任务将程序功能与界面进行整合，前后端配合进行功能调试展示层次页面设计页面布局确定页面版心区域、导航布局页面设计图、颜色前端程序设计后端数据库设计根据设计图进行代码编写，实现网页的界面与功能前后端系统整合测试验收对平台的交互效果、功能实现效果进行测试根据平台功能，进行后端数据库设计数据探索数据预处理绘图区域切分聚类数据归约数据统计分析三维图回归数据集成数据特征分析二维图分类数据清洗数据质量分析数据可视化数据建模科技与创新Science and Technology&Innovation942023 年 第 19 期台中更有助于用户直观形象地理解数据探索 3 种分析技术原理与分析结果。图 3数据探索模块知识结构4.2数据预处理模块数据预处理模块主要包括数据清洗、数据集成和数据归约。数据清洗展示利用拉格朗日插值法对缺失值进行插补的示例，数据集成以规范化和连续属性离散化为实例在平台上展示，而数据归约则展示主成分分析降维实例。4.3数据建模模块教学平台的数据建模模块主要展示分类、回归和聚类三大应用的典型案例，如图 4 所示。其中分类主题以使用朴素贝叶斯对中文邮件分类和使用支持向量机实现手写数字图像识别为展示实例；回归主题以使用线性回归模型、决策树和随机森林模型预测儿童身高为展示实例；聚类主题则展示使用 K-Means 和分层聚类算法压缩图像实例。三大应用主题皆挑选数据建模中的经典案例，结合可视化方法展示模型性能评估结果。页面设计中，建模原代码将展示在网页左边区域，建模结果及可视化将同步展示于页面右边区域。此外，展示页面还具备模型参数设置和选择功能，用户可修改模型参数，体验不同参数下的数据建模效果。图 4数据建模模块知识结构4.4可视化模块数据可视化始终贯穿数据探索和数据建模的各个主题任务中，是数据处理与分析过程中不可或缺的重要技术，也是本平台加深用户体验的有效工具之一。平台上主要展示的数据可视化实例有二维的折线图、散点图、条形图、直方图和饼图绘制，三维曲线和曲面绘制及切分绘图区域，在每个子图区域绘制图形。页面除了展示绘图结果，还将在左侧区域展示绘图案例的实现代码，将代码与图形相结合，加强学生对绘图原理的理解。此外，教学平台展示页面还提供二维码和参数修改功能，用户扫码访问网页后，可按个人喜好选择和设置绘图函数的相关参数，从而获得具有个性化的绘图结果。具有交互功能的可视化模块网页设计，不仅有助于加深学生对绘图参数的理解，还能调动学生学习的积极性，将单向的知识传授转化成良好的师生双向互动。5技术实现5.1配置 Django 的 Web 服务器前端开发主要利用 Python 下 Django 网页开发技术，页面设计风格以简洁为主，为使平台用户获得更优的体验效果，网页设计与开发时增加二维码元素，使用户在学习过程中可以通过扫描二维码实现平台访问；此外，网页开发还提供数据修改、参数设置与选择功能，使网页访问更具个性化。利用 Django 自带的MVC 构架，使开发时间得到缩减，降低开发和维护用户接口的技术含量。MVC 是软件工程中常见的一种软件架构模式，该模式把软件系统分为 3 个基本部分，即模型（Model）、视图（View）和控制器（Controller）。5.1.1Django 框架Django 是一个开放源代码的 Web 应用框架，由Python 写成。使用该框架，可以方便、快捷地创建高品质、易维护、数据库驱动的应用程序。Django 框架封装了控制层的代码，所以少写很多代码，大大提高了开发效率。5.1.2MVC 构架利用 Django 自带的 MVC 构架，能做到多个视图共享一个模型，同一个模型可以被不同的视图使用，大大提高了代码的可重用性，也能使开发时间得到缩减，降低开发和维护用户接口的技术含量。5.2数据库配置后端使用 MySQL 数据库管理系统管理数据，将展示实例中的大型数据保存在不同的表中，以增加数据访问速度。该平台使用 MySQL 数据库的主要原因如下：支持多种操作系统，这种系统特性不会导致由于更换操作系统而需要重新进行编写；支持多线程，该特性可以充分利用 CPU（Central Processing Unit，中央处理器）资源，减少对系统资源的占用。6结束语数字化教学平台的建设是信息化时代教学领域的一次尝试，这种新型的知识组织模式，给理工学科的教学带来极大的便捷。本文以“数据处理与分析”课程教学内容展示为切入点，从平台设计技术路线出发，通过对课程教学内容有机整合，以网页导航与主题模块（下转第 97 页）K-MeansK-MeansScience and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 19 期97（b）未悬臂侧导梁挠度（c）悬臂导梁应力（d）未悬臂导梁应力图 3施工阶段 CS3 的悬臂、未悬臂的导梁应力应变图4结论本文依托某斜交钢箱梁顶推施工的实际工程参数，基于 Abaqus 有限元模型，详细分析了在顶推施工过程中导梁结构的受力情况，得到以下结论：在斜交顶推施工各工况下，导梁结构所有构件受力均满足强度要求；斜交顶推施工过程中，应重点关注结构处于非对称支承状态下的悬臂端导梁的挠度变形和支承端导梁的横撑及支点位置处的局部应力；本文发现非对称支承阶段下导梁最前端横向连接处应力显著增大，因此考虑可以对该位置处的横向连接系进行一定强化。参考文献：1杨弦.高墩大跨径连续刚构桥施工控制分析D.武汉：武汉理工大学，2014.2林统励，伍明强，赵江林.顶推施工中工字形导梁优化设计J.兰州工业学院学报，2015，22（6）：62-67.3王天鹏，周先雁，贺国京，等.大跨柔性钢梁顶推施工导梁结构优化及局部受力分析J.公路，2016，61（7）：121-124.4王卫锋，林俊锋，马文田.桥梁顶推施工导梁的优化分析J.工程力学，2007（2）：132-138.5李文科.顶推法桥梁施工中贝雷片导梁的受力分析及稳定性分析D.西安：长安大学，2014.6赵人达，张双洋.桥梁顶推法施工研究现状及发展趋势J.中国公路学报，2016，29（2）：32-43.作者简介：杨昊晖（1995），男，本科，工程师，研究方向为工程管理与施工。通信作者：宋盛（1999），男，本科，研究方向为桥梁施工。（编辑：丁琳）（上接第 94 页）的形式对数据处理与分析过程中的各项关键技术进行展示，并融入二维码和参数修改与选择功能实现师生互动。在“数据处理与分析”课程教学中，教学内容的讲解辅以教学平台案例展示，让学生以沉浸式体验数据处理与分析过程，在学习理论知识的同时进行实践。参考文献：1蒋玉婷.基于 JAVA 的教育教学综合平台设计与实现J.教育现代化，2018，5（47）：214-215.2白鹤.大数据视阈下应用本科院校教学平台建设研究J.价值工程，2018，37（3）：188-190.3张琳，张薇，王广学.高校艺术设计数字化教学平台建设研究J.艺术教育，2016（6）：274-275.4朱青.高校数字化教学存在的问题及对策分析J.电子技术，2013，42（10）：64-65，63.作者简介：杨玉蟾（2003），女，土家族，湖南张家界人，本科生，研究方向为计算机科学与技术。通信作者：吴自然（2003），男，湖南岳阳人，本科生，研究方向为计算机科学与技术。（编辑：丁琳）