發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之美
——“數(shù)據(jù)可視化”教學(xué)設(shè)計(jì)

文｜許艷玲

一、教材分析

“數(shù)據(jù)可視化”是高中信息技術(shù)學(xué)科必修一第三章的教學(xué)內(nèi)容，主要講解數(shù)據(jù)可視化的概念、形式、實(shí)現(xiàn)等知識(shí)和技術(shù)。旨在通過(guò)教學(xué)，使學(xué)生在親自參與和體驗(yàn)中能夠很好地掌握數(shù)據(jù)收集和預(yù)處理的相關(guān)知識(shí)，通過(guò)分析編程形成數(shù)據(jù)分析報(bào)告和相關(guān)方案設(shè)計(jì)，以此培養(yǎng)學(xué)生的編程能力、概括能力、分析能力以及聯(lián)系生活實(shí)際的能力，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)。

二、學(xué)情分析

高中生在小學(xué)和初中時(shí)已經(jīng)接觸過(guò)信息技術(shù)，再加上當(dāng)今社會(huì)發(fā)展已進(jìn)入信息技術(shù)時(shí)期，在生活中學(xué)生也經(jīng)常接觸網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)等，對(duì)數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)并不陌生，如手機(jī)上的天氣預(yù)報(bào)，就把天氣數(shù)據(jù)表達(dá)得更直觀，人們很容易就能看到天氣、溫度等變化情況。鑒于高中生挑戰(zhàn)性心理較強(qiáng)的特點(diǎn)，教師通過(guò)設(shè)計(jì)和學(xué)生現(xiàn)實(shí)生活緊密相連的不同任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)小組合作探究等方式完成力所能及的學(xué)習(xí)任務(wù)，進(jìn)而深刻體會(huì)數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之美、數(shù)據(jù)之便利。

三、教學(xué)目標(biāo)

1.讓學(xué)生了解數(shù)據(jù)可視化表達(dá)的常用方式、工具，并能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決生活中的實(shí)際問(wèn)題。

2.讓學(xué)生掌握數(shù)據(jù)可視化的概念、形式、實(shí)現(xiàn)方法等，在真實(shí)的情境和體驗(yàn)中，通過(guò)分析、抽象、概括等，學(xué)會(huì)數(shù)據(jù)可視化的表達(dá)方式，培養(yǎng)學(xué)生的信息技術(shù)核心素養(yǎng)。

3.在完成任務(wù)的過(guò)程中，鍛煉學(xué)生獲取信息、處理信息的能力，體會(huì)學(xué)科和現(xiàn)實(shí)之間的聯(lián)系，感受數(shù)據(jù)讓現(xiàn)實(shí)生活的很多事情變得更便捷和高效，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)可視化的興趣和動(dòng)力。

四、教學(xué)重難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：了解數(shù)據(jù)可視化表達(dá)的方式和實(shí)現(xiàn)方法。

教學(xué)難點(diǎn)：怎樣根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果和具體需求選擇合適的數(shù)據(jù)可視化表達(dá)工具，以傳達(dá)出要表達(dá)的信息，同時(shí)兼具數(shù)據(jù)的美觀和裝飾效果。

五、教學(xué)過(guò)程

（一）情境導(dǎo)入

1.教師利用多媒體導(dǎo)入現(xiàn)實(shí)生活中學(xué)生熟悉的一些生活和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，如城市擁堵數(shù)據(jù)、天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)等，讓學(xué)生體會(huì)各種數(shù)據(jù)的不同表達(dá)方式，拓寬學(xué)生知識(shí)視野的同時(shí)，讓學(xué)生初步了解本節(jié)課要學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容。

2.我們看到了各種各樣的數(shù)據(jù)表達(dá)方式，有我們熟悉的，也有陌生的，今天我們一起走進(jìn)“數(shù)據(jù)可視化”去發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之美。

（設(shè)計(jì)意圖：生動(dòng)形象的圖片、視頻等可以吸引學(xué)生的注意力，讓學(xué)生快速進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，對(duì)數(shù)據(jù)可視化有一個(gè)基本認(rèn)知。）

（二）初步感知

1.請(qǐng)同學(xué)們舉一些生活中常見(jiàn)的例子，可以是你見(jiàn)過(guò)的，也可以是你聽(tīng)別人說(shuō)的，感受數(shù)據(jù)可視化的便捷和魅力。

生1：播放新聞的時(shí)候，我能夠看到一些展示城市交通狀況的數(shù)據(jù)圖。

生2：在一些財(cái)經(jīng)專欄，我可以看到股票趨勢(shì)的數(shù)據(jù)圖。

生3：去樓下商店買東西的時(shí)候，我看到過(guò)體育彩票中獎(jiǎng)號(hào)碼的走勢(shì)數(shù)據(jù)圖。

……

2.教師應(yīng)肯定學(xué)生的回答，讓學(xué)生樹(shù)立學(xué)習(xí)信心。教師還要提出問(wèn)題讓學(xué)生思考，如：是不是我們生產(chǎn)生活中的所有情況都可以用數(shù)據(jù)可視化的方式來(lái)表達(dá)？什么是數(shù)據(jù)可視化？

3.教師利用多媒體展示學(xué)生舉例中的數(shù)據(jù)可視化圖表，如股票趨勢(shì)的折線圖、企業(yè)調(diào)查的員工年齡結(jié)構(gòu)餅狀圖等，讓學(xué)生深刻感受數(shù)據(jù)可視化的不同表達(dá)方式，也深刻感受數(shù)據(jù)可視化和現(xiàn)實(shí)生活的緊密聯(lián)系。

（設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生觀察的生活現(xiàn)象不同，想法也就不同，這時(shí)教師不能只否定，而是要尊重學(xué)生的不同想法，鼓勵(lì)學(xué)生大膽發(fā)言，對(duì)于學(xué)生不太恰當(dāng)?shù)谋磉_(dá)進(jìn)行正確引導(dǎo)。）

（三）新知學(xué)習(xí)

1.不論是哪種圖示或圖表，都是為了讓人們能夠更方便、快速地看到和解讀出其要表達(dá)的信息，從中尋找到我們需要的內(nèi)容，以服務(wù)人們的日常生產(chǎn)生活，使我們的工作、學(xué)習(xí)、生活更便捷和高效。

數(shù)據(jù)可視化：數(shù)據(jù)可視化是以圖形、圖像或動(dòng)畫等方式直觀、生動(dòng)地呈現(xiàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析結(jié)果，揭示數(shù)據(jù)之間的關(guān)系、趨勢(shì)和規(guī)律等，便于人們更好地理解數(shù)據(jù)。在現(xiàn)在這個(gè)信息爆炸的時(shí)代，每天各行各業(yè)都有海量的信息，數(shù)據(jù)的時(shí)效性、質(zhì)量和有效性非常關(guān)鍵。數(shù)據(jù)可視化可以幫助人們更快地發(fā)現(xiàn)和掌握一些需要的數(shù)據(jù)，使得信息更快地傳遞和得到利用，這無(wú)論是對(duì)于有信息需求的個(gè)人，還是企業(yè)、相關(guān)團(tuán)體都有重要作用。

2.在當(dāng)前時(shí)代，數(shù)據(jù)可視化發(fā)揮的作用越來(lái)越重要，那數(shù)據(jù)可視化都有哪些表現(xiàn)形式呢？

數(shù)據(jù)可視化的形式常見(jiàn)的有圖表、詞云等。

（四）深入理解

1.基于以上講解以及學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)可視化的基本認(rèn)識(shí)，教師可以讓學(xué)生自由閱讀本節(jié)教材內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上，發(fā)揮小組學(xué)習(xí)的作用，發(fā)揮集體智慧，讓學(xué)生嘗試總結(jié)出有關(guān)數(shù)據(jù)可視化的形式、效果等知識(shí)，并分工合作將其記錄下來(lái)，可以和以往學(xué)過(guò)的知識(shí)相結(jié)合，進(jìn)行知識(shí)的系統(tǒng)梳理。

2.學(xué)生梳理完成后，教師可以利用多媒體展示出清晰的知識(shí)內(nèi)容，以幫助學(xué)生系統(tǒng)梳理知識(shí)，讓學(xué)生及時(shí)發(fā)現(xiàn)自己總結(jié)的不足之處，進(jìn)而更完善地補(bǔ)充，以便學(xué)生記憶和理解有關(guān)數(shù)據(jù)可視化的知識(shí)。

3.知識(shí)展示：

（設(shè)計(jì)意圖：數(shù)據(jù)可視化的不同表達(dá)形式，在實(shí)用性、實(shí)踐性都很強(qiáng)的高中信息技術(shù)學(xué)習(xí)中的地位至關(guān)重要，通過(guò)學(xué)習(xí)和整理，讓學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)可視化的不同形式有更系統(tǒng)、清晰的認(rèn)識(shí)和理解。）

（五）教師演示

1.既然在現(xiàn)實(shí)生活中數(shù)據(jù)可視化如此重要，那我們應(yīng)該怎樣來(lái)體現(xiàn)和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化呢？在此用實(shí)例說(shuō)明。

2.教師在大屏幕上為學(xué)生演示數(shù)據(jù)可視化的實(shí)現(xiàn)方法，重點(diǎn)演示怎樣生成數(shù)據(jù)可視化的圖表等形式，可以先通過(guò)較簡(jiǎn)單的餅圖、柱形圖操作讓學(xué)生產(chǎn)生想要學(xué)習(xí)和操作的欲望。

3.柱形圖（餅圖）具體操作步驟：

（1）新建一個(gè)Microsoft Excel 文件。

（2）將分析好的數(shù)據(jù)填入表格中。

（3）根據(jù)數(shù)據(jù)要表達(dá)的含義，選項(xiàng)中選擇“插入”柱形圖（餅圖），生成相應(yīng)的圖表。

（4）裝飾圖表，可以根據(jù)需要選擇“圖表元素”，如圖表標(biāo)題、數(shù)據(jù)標(biāo)簽、圖例等，也可以通過(guò)“快速布局”選擇自己喜歡的圖表布局。

（設(shè)計(jì)意圖：相對(duì)來(lái)說(shuō)，柱形圖、餅圖的操作方法較為簡(jiǎn)單，高中生已經(jīng)有了一定的信息技術(shù)基礎(chǔ)和操作經(jīng)驗(yàn)，甚至一些學(xué)生可以在Microsoft Excel 中制作出餅圖、柱形圖。在此基礎(chǔ)上，教師先演示操作步驟，這樣可以使學(xué)生一開(kāi)始就接受正確的引導(dǎo)，節(jié)省時(shí)間，提高課堂效率，不至于在自我探究中迷失方向，而耽誤太多的時(shí)間。）

（六）自主操作

1.在現(xiàn)代信息技術(shù)支持下，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)可視化的軟件很多，今天我們學(xué)習(xí)利用Python 語(yǔ)言來(lái)制作數(shù)據(jù)可視化的圖表，繪制時(shí)可以使用Matplotlib 庫(kù)。Matplotlib 庫(kù)是提供數(shù)據(jù)繪圖功能的第三方擴(kuò)展庫(kù)，其pyplot 子庫(kù)主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)圖表的繪制。

2.具體操作流程教師可以利用教學(xué)計(jì)算機(jī)，一邊操作，一邊講解，并讓學(xué)生做好記錄。如怎樣為圖表添加標(biāo)題、橫縱坐標(biāo)軸的文字說(shuō)明等。

3.在教師示范、操作、講解之后，給學(xué)生布置圖表設(shè)計(jì)任務(wù)，讓學(xué)生嘗試完成，可以以小組合作的形式進(jìn)行。

任務(wù)：用Python 程序設(shè)計(jì)圖表可視化來(lái)呈現(xiàn)南水北調(diào)中線工程各地區(qū)水資源總量數(shù)據(jù)。

前面已經(jīng)做好準(zhǔn)備工作，計(jì)算得出中線工程各地區(qū)水資源總量的10 年平均值，為了方便對(duì)比分析中線工程各地區(qū)水資源情況，需要利用Python 程序編寫繪制適當(dāng)?shù)膱D表來(lái)呈現(xiàn)。

具體流程展示：

（1）分析問(wèn)題

學(xué)生需要制作出圖表來(lái)呈現(xiàn)可視化的水資源數(shù)據(jù)，即供水區(qū)湖北省數(shù)據(jù)，受水區(qū)河南省、河北省、北京市和天津市數(shù)據(jù)。在此選擇用柱形圖來(lái)呈現(xiàn)更合適。

（2）規(guī)劃問(wèn)題求解流程

學(xué)生首先導(dǎo)入繪制圖表要用到的Matplotlib 庫(kù)，然后從“nsbd-avg.esv”文件中讀取出數(shù)據(jù)，再繪制圖表，設(shè)置圖表標(biāo)題和橫、縱坐標(biāo)軸，最后顯示出柱形圖。

（3）編程實(shí)現(xiàn)與調(diào)試

學(xué)生先導(dǎo)入需要的庫(kù)，再讀取數(shù)據(jù)，接著繪制圖表，最后顯示圖表。

（4）保存生成的文件，調(diào)試運(yùn)行程序

程序運(yùn)行結(jié)果可以用可視柱狀圖表示。從圖中可以直觀、清晰地看到供水區(qū)湖北省水資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于受水區(qū)各省市。同時(shí)南水北調(diào)工程的其他數(shù)據(jù)也可以用適當(dāng)?shù)膱D表可視化來(lái)呈現(xiàn)。

（設(shè)計(jì)意圖：在學(xué)生嘗試自己操作過(guò)程中，教師不能放任不管，要巡堂觀察和指導(dǎo)，對(duì)有困難的學(xué)生及時(shí)提供幫助，使他們能夠順利完成任務(wù)。這個(gè)環(huán)節(jié)是以學(xué)生實(shí)踐操作為主。通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)，使學(xué)生由易到難、步步深入、層層提高，使每個(gè)學(xué)生都可以熟悉和慢慢掌握數(shù)據(jù)可視化的表達(dá)方法和圖表制作方法。因?yàn)閷?duì)于信息技術(shù)課來(lái)說(shuō)，只有學(xué)生親自動(dòng)手操作，教師才能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)而對(duì)問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)講解和操作演示，以幫助學(xué)生掌握正確的信息技術(shù)技能。）

（七）成果展示

1.教師分小組展示學(xué)生創(chuàng)作的圖表可視化作品，并讓學(xué)生評(píng)價(jià)每個(gè)作品，對(duì)于亮點(diǎn)部分，教師不僅要給予肯定和贊美，還要引導(dǎo)學(xué)生一起欣賞和表?yè)P(yáng)，在給予他人肯定的同時(shí)，也激勵(lì)其他的學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)。小組中相互評(píng)價(jià)，看看你對(duì)別人能否提出一些合理化的建議。

2.有不少學(xué)生的圖片過(guò)大，影響了柱形圖的美觀。有的學(xué)生圖表的文字大小和顏色看起來(lái)不是很協(xié)調(diào)，有的學(xué)生的圖表布局有些不太舒服……這些問(wèn)題，教師要注意觀察和引導(dǎo)，盡量使用正向化的評(píng)價(jià)，激發(fā)學(xué)生對(duì)信息技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣和操作興趣，讓每個(gè)學(xué)生都能獲得不同程度的提高。

（設(shè)計(jì)意圖：教師可以向?qū)W生展示一些美觀的圖表示例，讓他們仔細(xì)觀察和分析這些圖表、圖示美不美，為什么，以引起學(xué)生對(duì)自己呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)可視化作品的思考并提出改進(jìn)思路。）

（八）課堂小結(jié)

同學(xué)們，看似很復(fù)雜的數(shù)據(jù)可視化圖表其實(shí)制作起來(lái)并不難。只要我們用心，每個(gè)人都可以制作出美觀大方的圖表、圖示，既清晰呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)信息，又展現(xiàn)出數(shù)據(jù)之美，數(shù)據(jù)也可以變得生動(dòng)有趣，變得“活”起來(lái)。