大數(shù)據(jù)可視化 教案 1-2Matplotlib繪制基礎(chǔ)圖形

《大數(shù)據(jù)可視化》教案（學(xué)年第學(xué)期）課程名稱： 大數(shù)據(jù)可視化所屬專業(yè)： 大數(shù)據(jù)技術(shù)所屬系部： 計算機(jī)與軟件技術(shù)授課班級：課程總學(xué)時： 任課教師：PAGEPAGE1序號：1一、教學(xué)分析課題名稱Matplotlib圖表繪制（基礎(chǔ)圖）課程大數(shù)據(jù)可視化系部計算機(jī)與軟件技術(shù)系任課教師教材《大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)》課題類型理論+實(shí)踐課課時2課時地點(diǎn)實(shí)訓(xùn)機(jī)房班級內(nèi)容提要與時間分配：1、學(xué)習(xí)目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)小組協(xié)作能力問題處理能力知識目標(biāo)了解11種基礎(chǔ)圖表技能目標(biāo)掌握折線圖的繪制掌握直方圖的繪制掌握柱狀圖的繪制掌握堆疊條形圖的繪制掌握水平條形圖的繪制掌握帶標(biāo)簽的分組條形圖的繪制掌握面積圖的繪制掌握散點(diǎn)圖的繪制掌握氣泡圖的繪制掌握餅圖的繪制掌握雷達(dá)圖的繪制2、教學(xué)內(nèi)容內(nèi)容布置：折線圖直方圖柱狀圖堆疊條形圖水平條形圖帶標(biāo)簽的分組條形圖面積圖散點(diǎn)圖氣泡圖餅圖雷達(dá)圖內(nèi)容引入：使用matplotlib進(jìn)行大數(shù)據(jù)可視化時會使用的較為常用的圖表我們會在這兩堂課中依次介紹知識講解：11中圖形的繪制內(nèi)容總結(jié)：總結(jié)本節(jié)課程中遇到的問題，并對涉及到的知識點(diǎn)進(jìn)行梳理。3、本次課程內(nèi)容特點(diǎn)：4、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：11中基礎(chǔ)圖表繪制難點(diǎn)：堆疊條形圖、水平條形圖、帶標(biāo)簽的水平條形圖、雷達(dá)圖5、學(xué)情分析1、學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程之前已掌握了可視化的基礎(chǔ)知識，包括可視化有哪些圖表組成，初步學(xué)習(xí)Matplotlib工具。6、教學(xué)設(shè)計基本原則：1、將教學(xué)內(nèi)容與信息資源進(jìn)行有機(jī)整合，利用實(shí)訓(xùn)平臺創(chuàng)造一個同時具備項(xiàng)目式體驗(yàn)功能、教學(xué)實(shí)施功能、學(xué)習(xí)效果評測功能和實(shí)時互動交流功能的多功能信息化教學(xué)環(huán)境。2、充分利用教材、學(xué)習(xí)通教學(xué)平臺、多媒體課件和實(shí)訓(xùn)室等信息化教學(xué)手段，調(diào)動學(xué)生積極性和主動性，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和主動學(xué)習(xí)。7、教學(xué)方法、手段：1、案例教學(xué)法：本情境教學(xué)開始引入可視化案例，引出課程目標(biāo)及重點(diǎn)和難點(diǎn)。2、過程互動教學(xué)法：教學(xué)過程中使學(xué)生積極回答問題，小組內(nèi)展開討論，并組間進(jìn)行分享。3、“任務(wù)驅(qū)動”法，下發(fā)隨堂任務(wù)，由學(xué)生獨(dú)立完成，教師當(dāng)堂進(jìn)行考核和講評，解決學(xué)生遇到的問題，并就共性問題進(jìn)行點(diǎn)評。8、內(nèi)容提要與時間分配環(huán)節(jié)一：課程回顧（5分鐘）環(huán)節(jié)二：折線圖（5分鐘）環(huán)節(jié)三：直方圖（5分鐘）環(huán)節(jié)四：柱狀圖（5分鐘）環(huán)節(jié)五：堆疊柱狀圖（10分鐘）環(huán)節(jié)六：水平條形圖（10分鐘）環(huán)節(jié)七：帶標(biāo)簽的分組條形圖（10分鐘）環(huán)節(jié)八：面積圖（5分鐘）環(huán)節(jié)九：散點(diǎn)圖（5分鐘）環(huán)節(jié)十：氣泡圖（5分鐘）環(huán)節(jié)十一：餅圖（5分鐘）環(huán)節(jié)十二：雷達(dá)圖（10分鐘）環(huán)節(jié)十五：任務(wù)總結(jié)（10分鐘）9、教學(xué)材料教材《大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)》二、教學(xué)組織方式（專業(yè)課程知識點(diǎn)擊思政微課任務(wù)驅(qū)動方式、結(jié)合專業(yè)教師引導(dǎo)，完善理實(shí)一體的教學(xué)環(huán)境及方法。三、學(xué)習(xí)資源使用多媒體教學(xué)平臺完成課前復(fù)習(xí)、教學(xué)資源分發(fā)、作業(yè)評分。微課教學(xué)平臺完成在線課自學(xué)、教師操作視頻演示、及課程思政微課的展示。3.教學(xué)反饋平臺完成學(xué)情調(diào)查、教學(xué)實(shí)施效果調(diào)查，了解學(xué)生學(xué)情和課堂教學(xué)反饋。四、教學(xué)實(shí)施環(huán)節(jié)一：課程回顧（思維導(dǎo)圖）（5分鐘）課程回顧：通過思維導(dǎo)圖，對前一章節(jié)課程知識點(diǎn)進(jìn)行回顧。思維導(dǎo)圖如下：環(huán)節(jié)二：折線圖（5分鐘）通過知識準(zhǔn)備初步了解Matplotlib繪圖函數(shù)，通過業(yè)務(wù)操作1講解折線圖繪制與實(shí)踐。本節(jié)我們首先來介紹如何創(chuàng)建折線圖，它是一個由點(diǎn)和線組成的統(tǒng)計圖表，常用來表示數(shù)值隨連續(xù)時間間隔或有序類別的變化。教師以在四六級單詞中以各個字母開頭的單詞統(tǒng)計數(shù)據(jù)的折線圖繪制作演示繪制折線圖。學(xué)生跟著教師同步實(shí)踐。學(xué)生參考教師示例，繪制折線圖，學(xué)生實(shí)施過程中（根據(jù)教材給出的示例代碼），遇到問題可隨時向教師咨詢，任課教師負(fù)責(zé)整體進(jìn)度把控，及問題解決。環(huán)節(jié)三：直方圖（5分鐘）環(huán)節(jié)四：柱狀圖（5分鐘）講解柱狀圖繪制與實(shí)踐。教師對柱狀圖定義和適用場景進(jìn)行講授。條形圖是一種以長方形的長度為變量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計的圖表，柱狀圖適用在較小數(shù)據(jù)集的分析，可以直觀展示個體之間數(shù)據(jù)的差異。柱狀圖一般使用bar()函數(shù)實(shí)現(xiàn)繪制，只需在函數(shù)中定義需要繪制的兩組數(shù)據(jù)，并且可以通過適當(dāng)調(diào)整參數(shù)來設(shè)置顏色寬度等屬性。教師對柱狀圖函數(shù)和參數(shù)進(jìn)行講授，然后帶領(lǐng)學(xué)生一起編寫程序?qū)嵺`，繪制結(jié)果如下圖：環(huán)節(jié)五：堆疊條形圖（10分鐘）講授堆疊條形圖繪制與實(shí)踐。堆疊條形圖與條形圖類似，常被用于比較不同類別的數(shù)值,而且它的每一類數(shù)值內(nèi)部又被劃分為多個子類別，這些子類別一般用不同的顏色來表示，有助于分解整體從而對各部分進(jìn)行比較。堆疊條形圖同樣是調(diào)用bar函數(shù)，只是在參數(shù)設(shè)置上面做了調(diào)整。教師對函數(shù)和參數(shù)進(jìn)行講解，然后帶領(lǐng)學(xué)生一起編寫程序?qū)嵺`，繪制結(jié)果如下圖：環(huán)節(jié)六：水平條形圖（10分鐘）講授水平條形圖繪制與實(shí)踐。教師對水平直方圖的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行講授，水平條形圖一般通過barh函數(shù)實(shí)現(xiàn)，每個柱形按照給定的對齊方式定位在y軸的指定位置，在繪制水平方向的堆疊條形圖時，需要將參數(shù)bottom改為left，將參數(shù)width改為height，其他的和垂直方向的條形圖的繪制類似。教師對函數(shù)和參數(shù)進(jìn)行講解，然后帶領(lǐng)學(xué)生一起編寫程序?qū)嵺`，繪制結(jié)果如下圖：環(huán)節(jié)七：帶標(biāo)簽的分組條形圖（10分鐘）講解帶標(biāo)簽的分組條形圖繪制與實(shí)踐。分組條形圖應(yīng)用的也是繪制條形圖使用的bar()方法，這里需要通過設(shè)置坐標(biāo)來實(shí)現(xiàn)，繪制的方法是：在一組畫布上進(jìn)行多組數(shù)據(jù)的繪制，調(diào)整數(shù)據(jù)的橫縱坐標(biāo)來實(shí)現(xiàn)分組繪制，教材代碼中中的po_l和po_r分別表示兩組數(shù)據(jù)的橫坐標(biāo)數(shù)據(jù)，不同的組別一般使用填充顏色進(jìn)行區(qū)分，使用legend()函數(shù)顯示圖例，在繪制之后使用plt.xticks()函數(shù)重新設(shè)置刻度。教師對函數(shù)和參數(shù)進(jìn)行講解，然后帶領(lǐng)學(xué)生一起編寫程序?qū)嵺`，繪制結(jié)果如下圖：環(huán)節(jié)八：面積圖（5分鐘）講解面積圖繪制與實(shí)踐。折線圖常用于描述某指標(biāo)隨某個時間序列的變化。往往一條折線圖可以根據(jù)某個分組變量拆分成為多個折線圖，其面積也通?？梢杂幸欢ǖ暮x，可以幫助我們有效觀察總量的趨勢，因此可以借助Matplotlib中的stackplot()函數(shù)繪制面積圖。教師對函數(shù)和參數(shù)進(jìn)行講解，然后帶領(lǐng)學(xué)生一起編寫程序?qū)嵺`，繪制結(jié)果如下圖：環(huán)節(jié)九：散點(diǎn)圖（5分鐘）講解散點(diǎn)圖繪制與實(shí)踐。散點(diǎn)圖有助于分析兩個變量之間的相關(guān)性，或找出趨勢和規(guī)律。散點(diǎn)圖是折線圖的近親，可以使用plot()函數(shù)實(shí)現(xiàn)繪制，也可以使用scatter()函數(shù)。教師利用兩種方法完成散點(diǎn)圖的繪制，教師帶領(lǐng)學(xué)生編寫代碼，并進(jìn)行結(jié)果演示。方法一：學(xué)生參考教材中的plt.plot()方法繪制散點(diǎn)圖方法二：學(xué)生參考教材中的plt.scatter()方法繪制散點(diǎn)圖學(xué)生參考教師示例，繪制折線圖，學(xué)生實(shí)施過程中（根據(jù)教材給出的示例代碼），遇到問題可隨時向教師咨詢，任課教師負(fù)責(zé)整體進(jìn)度把控，及問題解決。繪制結(jié)果如下圖：環(huán)節(jié)十：氣泡圖（5分鐘）講解氣泡圖繪制與實(shí)踐。氣泡圖與使用scatter()方法繪制的散點(diǎn)圖步驟類似，只需要在繪制散點(diǎn)圖的scatter()函數(shù)基礎(chǔ)之上改變參數(shù)即可獲得氣泡圖，在示例代碼中，通過設(shè)置s,c,linwidth等參數(shù)改變點(diǎn)的大小、顏色、線寬等屬性，實(shí)現(xiàn)氣泡圖的繪制。教師編寫代碼，并進(jìn)行結(jié)果演示。學(xué)生完成同步實(shí)踐。程序運(yùn)行結(jié)果如下圖所示。環(huán)節(jié)十一：餅圖（5分鐘）講解餅圖繪制與實(shí)踐。在數(shù)據(jù)分析中，餅圖經(jīng)常被用來概覽不同類別占總體的比值，在Matplotlib中一般使用pie()函數(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)餅圖繪制，在示例代碼中ax.pie()函數(shù)傳入的參數(shù)有：繪制數(shù)據(jù)x、各區(qū)塊顏色colors、餅圖半徑radius、餅圖中心位置center、邊界wedgeprops、設(shè)置frame為True繪制軸框架。教師編寫代碼，并進(jìn)行結(jié)果演示。學(xué)生完成同步實(shí)踐。程序運(yùn)行結(jié)果如下圖所示。環(huán)節(jié)十二：雷達(dá)圖（5分鐘）講解雷達(dá)圖繪制與實(shí)踐在圖形繪制過程中，首先創(chuàng)建畫布并在新建的畫布上面使用add_subplot()建一個表，通過設(shè)置polar值為True繪制一個極坐標(biāo)，取定義數(shù)據(jù)的第一維[38,29,8,7,28]為繪制數(shù)據(jù)values，將360度均分設(shè)置為繪制數(shù)據(jù)的角度angles(這里也可以進(jìn)行自定義)，定義好數(shù)據(jù)和角度后就可以通過折線圖plot()設(shè)置雷達(dá)圖的x軸和y軸，以及設(shè)置顏色線條等屬性，畫好折線圖后使用fill()填充圖形區(qū)域。教師編寫代碼，并進(jìn)行結(jié)果演示。學(xué)生完成同步實(shí)踐。程序運(yùn)行結(jié)果如下圖所示。環(huán)節(jié)十五：任務(wù)總結(jié)（5分鐘）歸納總結(jié)本任務(wù)內(nèi)容。根據(jù)本節(jié)課程進(jìn)度及學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握情況，教師布置課后作業(yè)及測試：課后進(jìn)一步分析教師所提供的應(yīng)用樣例，使用不同數(shù)據(jù)源進(jìn)行可視化。在學(xué)習(xí)通發(fā)布測試題，對本次課教師所講知識點(diǎn)進(jìn)行考核?！舅颊鳂I(yè)】請搜集2016年-2022年《中國移動源環(huán)境管理年報》，參考以下數(shù)據(jù)樣本：數(shù)據(jù)：2021年，全國機(jī)動車四項(xiàng)污染物排放總量為1557.7萬噸。其中，一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化物（NOx）、顆粒物（PM）排放量分別為768.3萬噸、200.4萬噸、582.1萬噸、6.9萬噸。選擇合適的圖形，繪制全國機(jī)動車四項(xiàng)污染物排放總量的變化曲線圖，以及一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化物（NOx）、顆粒物（PM）排放量近5年的變化曲線圖，請結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的變化趨勢，分析環(huán)境變化與移動污染源的相關(guān)性，并為下一步的環(huán)境治理工作提出合理的意見和建議。五、教學(xué)效果與課后反思1.教學(xué)效果通過多媒體教學(xué)平臺，完成課前復(fù)習(xí)、任務(wù)分發(fā)、指導(dǎo)書下載、作業(yè)評分，方便學(xué)生實(shí)時學(xué)習(xí)。微課教學(xué)平臺，完成在線課自學(xué)、教師操作視頻演示、及課程思政微課的展示，培養(yǎng)并提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。教學(xué)反饋平臺，完成學(xué)情調(diào)查、教學(xué)實(shí)施效果調(diào)查，了解學(xué)生學(xué)情和課堂教學(xué)反饋。運(yùn)用興趣導(dǎo)向教學(xué)方法，將知識點(diǎn)實(shí)例化，逐步構(gòu)建學(xué)生創(chuàng)新思維，突出教學(xué)重點(diǎn)，解決教學(xué)難點(diǎn)，提高學(xué)生實(shí)訓(xùn)的興趣。（6）教師踐行工匠精神，將