面向新工科的Python數(shù)據(jù)分析課程內(nèi)容淺析

孟繁成

摘要：新工科是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國工程教育改革方向，是對工科學科建設(shè)的優(yōu)化再造和內(nèi)容升級。新工科的建設(shè)和發(fā)展有重要的意義。面向新工科，當前誰能更好地處理分析數(shù)據(jù)，誰就能真正搶得時代的先機。研究數(shù)據(jù)分析課程的內(nèi)容設(shè)置，能很好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力與邏輯思維能力，本研究基于當前數(shù)據(jù)分析最重要的編程語言 Python，從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點、學生已有的編程基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)來源的多樣性、數(shù)據(jù)分析流程、數(shù)據(jù)分析實戰(zhàn)等五個方面探討Python數(shù)據(jù)分析課程教學內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：新工科;Python;知識體系;數(shù)據(jù)分析;教學內(nèi)容

一、新工科是工科發(fā)展的必然

近年，以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈等為代表的新一代信息技術(shù)深刻地影響了人類社會的發(fā)展。高等教育領(lǐng)域也不例外遙新一代信息技術(shù)也在改變著傳統(tǒng)高等工程教育的實現(xiàn)方式和教育內(nèi)容，并促使新工科的產(chǎn)生和發(fā)展。新工科是工科教育發(fā)展的必然。工科是指應(yīng)用科學原理，結(jié)合生產(chǎn)實踐所積累的技術(shù)經(jīng)驗而發(fā)展起來的學科。主要特征有三：一是依據(jù)一定的科學技術(shù)原理，二是造出人工物機器，三是解決實際問題。傳統(tǒng)工科教育過分強調(diào)課程的工程性，忽視了對學生人文素質(zhì)等方面的培養(yǎng)。同時傳統(tǒng)工科的課程設(shè)置不太合理，培養(yǎng)出來的學生很難適應(yīng)新的社會發(fā)展要求。高校需新的工科教育教學理念，來培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的新型工程技術(shù)人才。

2017 年 12 月，國務(wù)院辦公廳《關(guān)于深化產(chǎn)教融合的若干意見》提出，“適應(yīng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革及新經(jīng)濟發(fā)展，促進學科專業(yè)交叉融合，加快推進新型工科建設(shè)。”新工科是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國工程教育改革方向，是對工科學科建設(shè)的優(yōu)化再造和內(nèi)容升級，也是對未來工科學生培養(yǎng)目標、培養(yǎng)方式、培養(yǎng)內(nèi)容的探索。

二、Python 數(shù)據(jù)分析課程

當今世界對信息技術(shù)的依賴程度日益加深，每天都會產(chǎn)生和存儲海量的數(shù)據(jù)。面對海量數(shù)據(jù)，誰能更好地處理分析數(shù)據(jù)，誰就能真正搶得時代的先機。對數(shù)據(jù)的分析已經(jīng)成為了企業(yè)、政府非常重要且迫切的需求。Python程序設(shè)計語言是一種解釋型、面向?qū)ο蟆討B(tài)數(shù)據(jù)類型的高級程序設(shè)計語言。具有開源、簡潔易讀、快速上手、多場景應(yīng)用等優(yōu)點。Python程序設(shè)計語言在數(shù)據(jù)分析與挖掘領(lǐng)域中的地位非常突出，已經(jīng)當仁不讓地成為數(shù)據(jù)分析人員的一把野利器冶遙數(shù)據(jù)分析人員用適當?shù)臄?shù)學模型對收集來的大量數(shù)據(jù)進行行業(yè)應(yīng)用分析，以求最大化地開發(fā)數(shù)據(jù)背后隱藏的價值，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)的預(yù)測指導(dǎo)功能。其目的在于把隱沒在雜亂無章的數(shù)據(jù)中的有用信息集中，萃取和提煉出來。工科不同學科之間差異很大，不同學科對數(shù)據(jù)分析的內(nèi)容及能力要求差別也很大，在此，筆者主要以工科中軟件工程學科為例。基于當前數(shù)據(jù)分析最流行的Python程序設(shè)計語言來探討數(shù)據(jù)分析的知識體系以及具體應(yīng)用的實現(xiàn)。以期為新工科數(shù)據(jù)分析課程建設(shè)提供一種參考。

三、面向新工科的 Python 數(shù)據(jù)分析課程內(nèi)容

不同的人對數(shù)據(jù)分析有不同的定義，我們具體地將Python數(shù)據(jù)分析課程分為四部分教學內(nèi)容。學生要深刻理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點及價值所在，要在這個基礎(chǔ)上創(chuàng)新數(shù)據(jù)分析的方法，而不僅僅是掌握傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)倉庫等技術(shù)。

下面分別論述：第一部分，課程以 Python 程序設(shè)計語言的學習為數(shù)據(jù)分析技術(shù)提供支撐，但對軟件工程學科的學生來說，他們已經(jīng)具備了基本的程序設(shè)計能力，因而教師只需簡要介紹Python 程序設(shè)計語言的特點、Python安裝方法、編寫Python代碼的方式等內(nèi)容。而要重點介紹Python的基本數(shù)據(jù)類型。之后，教師會向?qū)W生講授Python程序控制結(jié)構(gòu)、函數(shù)、正則表達式、文件與文件夾、數(shù)據(jù)可視化等知識。第二部分，由于數(shù)據(jù)來源的多樣性，數(shù)據(jù)模式的多樣性，教師要向?qū)W生介紹Python各種類型數(shù)據(jù)庫的常用操作。課程重點在于教師基于連接的數(shù)據(jù)庫特點及相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲模式特點開展數(shù)據(jù)分析的創(chuàng)新性應(yīng)用。從而讓學生綜合掌握Python數(shù)據(jù)存儲的相關(guān)知識。因此，該門課程也需引入Python語言來開發(fā)數(shù)據(jù)存儲的實際系統(tǒng)，課程教師會系統(tǒng)介紹Python操作Myspl數(shù)據(jù)庫、 MongoDB數(shù)據(jù)庫、 Python 操作、 SQLite 數(shù)據(jù)庫、Redis數(shù)據(jù)庫的常用方法。第三部分，課程將以數(shù)據(jù)分析的流程為重點，數(shù)據(jù)質(zhì)量分析主要包括缺失值分析、異常值分析、一致性分析和數(shù)據(jù)特征分析。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括講解數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)規(guī)范化、數(shù)據(jù)離散化、數(shù)據(jù)規(guī)約和數(shù)據(jù)降維。在數(shù)據(jù)分析方法方面，教師重點講解相似性和相異性的度量以及分類分析方法、回歸分析方法、聚類分析方法。

值得注意的是，數(shù)據(jù)質(zhì)量分析是數(shù)據(jù)分析中數(shù)據(jù)準備過程的重要環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)預(yù)處理的前提、也是數(shù)據(jù)分析結(jié)論有效性和準確性的基礎(chǔ)。沒有高質(zhì)量的可信數(shù)據(jù)，構(gòu)建的數(shù)據(jù)分析模型將是野空中樓閣冶。

數(shù)據(jù)質(zhì)量分析的關(guān)鍵任務(wù)是檢查原始數(shù)據(jù)中是否存在臟數(shù)據(jù)。所謂臟數(shù)據(jù)，一般是指不符合行業(yè)應(yīng)用要求、不能直接進行相應(yīng)分析的數(shù)據(jù)。具體包括缺失值、異常值、不一致地值、重復(fù)數(shù)據(jù)及含有特殊符號的數(shù)據(jù)。其主要表現(xiàn)形式為數(shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)重復(fù)、數(shù)據(jù)錯誤、數(shù)據(jù)不可用等。同時，數(shù)據(jù)分析工作始終是以數(shù)據(jù)為中心開展的，分類、聚類、回歸、關(guān)聯(lián)分析以及可視化等工作的順利進行完全是建立在良好的數(shù)據(jù)輸入的基礎(chǔ)之上的。采集到的原始數(shù)據(jù)通常來自多個異構(gòu)數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)在準確性、完整性和一致性等方面存在一些問題，在數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘之前，教師要讓學生明確：首先要做的就是對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，處理數(shù)據(jù)中的臟數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)分析的準確性和有效性。

第四部分，教師要講解數(shù)據(jù)分析實戰(zhàn)。許多商家希望通過用戶評論來及時了解產(chǎn)品的優(yōu)缺點及用戶滿意度，文本情感分析技術(shù)可自動地從海量評論語料中挖掘有用信息，并對這些信息進行組織和分類，然后直觀展示給用戶和商家。此外，通過大眾輿論導(dǎo)向分析，政府部門可以了解公眾對熱門事件的情感傾向，從而掌握大眾輿論導(dǎo)向袁為政府制定相關(guān)政策提供一定支持等，由此展現(xiàn)了數(shù)據(jù)分析的重要性與數(shù)據(jù)分析課程的過程。

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