大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)在高校計(jì)算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用研究

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)可視化；計(jì)算機(jī)教學(xué)；應(yīng)用研究

大數(shù)據(jù)已成為當(dāng)前信息技術(shù)領(lǐng)域的前沿研究方向，其已融入社會(huì)各領(lǐng)域，成為推動(dòng)社會(huì)創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵推動(dòng)力之一。在高校教育教學(xué)中，大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，有效提升了教學(xué)效率與水平。作為高?；A(chǔ)課程之一，計(jì)算機(jī)課程引入大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，有助于克服傳統(tǒng)教學(xué)的不足，提升教學(xué)效率與水平。因此，探索大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)在計(jì)算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用，對(duì)于推動(dòng)教學(xué)創(chuàng)新、提高教學(xué)質(zhì)量具有重要意義。

1 大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)概述

大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)旨在將復(fù)雜、海量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀的圖形、圖表或地圖，以視覺手段揭示數(shù)據(jù)中的模式、趨勢(shì)和關(guān)聯(lián)，幫助用戶更好地理解和分析數(shù)據(jù)。該技術(shù)起源于科學(xué)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析領(lǐng)域，近年來，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、人機(jī)交互界面等領(lǐng)域的發(fā)展，以及人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法的融合，大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)不斷發(fā)展，已成為數(shù)據(jù)科學(xué)重要組成部分。

大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)具有可視性、多維性與交互性等顯著特點(diǎn)。可視性是指通過圖像、圖表、地圖等多種視覺形式展示數(shù)據(jù)，使用戶能夠直觀地觀察、理解和分析數(shù)據(jù)。多維性是指用戶可以不同條件、維度為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類、排序、組合并進(jìn)行展示，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的多角度觀察與分析[1]。交互性是指用戶可進(jìn)行縮放、過濾、 drill-down 等操作，與可視化數(shù)據(jù)進(jìn)行互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的深入分析與探索。

2 大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)在高校計(jì)算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值

2.1 直觀展示數(shù)據(jù)，化抽象為具體

在高校計(jì)算機(jī)教學(xué)中，大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)能夠?qū)⒎睆?fù)且抽象的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀易懂的視覺呈現(xiàn)形式。大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)可通過圖形、圖表、地圖以及其他視覺元素，揭示數(shù)據(jù)信息變化趨勢(shì)與相關(guān)之間的關(guān)聯(lián)，從而簡(jiǎn)化復(fù)雜概念，具體化抽象概念。

例如，在數(shù)據(jù)分析課程中，教師可以利用可視化工具向?qū)W生展示大規(guī)模數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計(jì)特性，如分布、集中趨勢(shì)和離散程度，幫助學(xué)生直觀理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和屬性。在機(jī)器學(xué)習(xí)或人工智能課程里，可視化技術(shù)能夠幫助學(xué)生觀察模型訓(xùn)練過程中的性能變化，如準(zhǔn)確率、損失函數(shù)隨迭代次數(shù)的變化曲線，從而深刻理解算法的優(yōu)化過程和潛在問題。這種將抽象概念具象化的過程，極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生數(shù)據(jù)解讀能力。

2.2 輔助教師教學(xué)，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)

首先，大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)可幫助教師通過數(shù)據(jù)深入了解學(xué)生學(xué)習(xí)行為與學(xué)習(xí)效果。教師可收集并分析學(xué)生登錄頻率、學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)、參與討論次數(shù)等課堂互動(dòng)數(shù)據(jù)，使用可視化工具生成學(xué)生學(xué)習(xí)行為熱圖、時(shí)間序列分析圖等，識(shí)別出學(xué)生遇到的學(xué)習(xí)難點(diǎn)或興趣點(diǎn)。基于圖像數(shù)據(jù)，教師可以針對(duì)性地調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和方法，以提高教學(xué)效果。例如，教師可以設(shè)計(jì)包含多種題型的在線測(cè)試，通過可視化分析學(xué)生答題情況，迅速識(shí)別學(xué)生知識(shí)點(diǎn)掌握情況?；诖耍處熆梢栽诤罄m(xù)教學(xué)活動(dòng)中加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)講解和練習(xí)，確保每位學(xué)生都能達(dá)到課程目標(biāo)[2]。例如，教師在計(jì)算機(jī)課堂中布置當(dāng)堂測(cè)試題，并通過可視化技術(shù)分析學(xué)生答題情況，如圖1所示。教師可借助餅狀圖，直觀掌握學(xué)生課堂學(xué)習(xí)情況，并針對(duì)性調(diào)整教學(xué)設(shè)計(jì)，提高教學(xué)效率與水平。

其次，大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)還促進(jìn)了教師之間經(jīng)驗(yàn)交流與資源共享。教師可以創(chuàng)建數(shù)據(jù)可視化報(bào)告，分享自身教學(xué)創(chuàng)新成果和成功案例。這有助于構(gòu)建一個(gè)持續(xù)學(xué)習(xí)和改進(jìn)的教學(xué)環(huán)境，使教師探索更多元化教學(xué)策略，提升教學(xué)質(zhì)量。

2.3 促進(jìn)學(xué)生能力培養(yǎng)，提升綜合素質(zhì)

大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)還可直接培養(yǎng)學(xué)生能力，提升學(xué)生綜合素質(zhì)。首先，其強(qiáng)化了學(xué)生數(shù)據(jù)分析與處理能力。在可視化工具幫助下，學(xué)生能夠直觀地理解復(fù)雜數(shù)據(jù)集，學(xué)會(huì)從海量信息中提煉關(guān)鍵指標(biāo)，培養(yǎng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策思維。

其次，大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)促進(jìn)了跨學(xué)科知識(shí)融合。學(xué)生在運(yùn)用可視化工具解決實(shí)際問題過程中，往往需要結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)乃至心理學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域知識(shí)。在此過程中，學(xué)生既拓寬了自身知識(shí)面，提高了創(chuàng)新意識(shí)，也有效鍛煉了解決實(shí)際問題的能力。例如，教師可以選取統(tǒng)計(jì)學(xué)教學(xué)中所應(yīng)用的數(shù)據(jù)集，如某大學(xué)圖書館1～4月各類型人員圖書借閱量數(shù)據(jù)。教師應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)集特點(diǎn)以及代表含義進(jìn)行講解，并在講解過程中充分利用大數(shù)據(jù)可視化工具處理數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清理與分析，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制圖表，展示數(shù)據(jù)之間關(guān)聯(lián)性與變化趨勢(shì)，如圖2所示。教師可根據(jù)可視化圖表引導(dǎo)學(xué)生觀察數(shù)據(jù)變化情況，使學(xué)生深度思索時(shí)間因素及其相關(guān)因素（如期末考試、假期、教師科研）與圖書借閱量之間的聯(lián)系。

3 高校計(jì)算機(jī)教學(xué)中大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的應(yīng)用

3.1 案例分析，加強(qiáng)理論與實(shí)踐結(jié)合

在計(jì)算機(jī)教學(xué)中，教師利用大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，要通過案例分析的形式，有效地將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解與掌握[3]。例如，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程中，通過大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，教師可以將復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如樹、圖、鏈表等）以直觀的圖形形式展示出來，幫助學(xué)生更好地理解抽象概念。

具體而言，教師可以利用可視化工具，如Tab? leau、D3.js等，展示實(shí)際數(shù)據(jù)集的處理和分析過程。例如，在教授排序算法時(shí)，用大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)動(dòng)態(tài)展示不同排序算法的執(zhí)行過程和效率對(duì)比。通過圖表和動(dòng)畫的方式，學(xué)生能夠直觀地看到各個(gè)算法在不同數(shù)據(jù)規(guī)模下的性能差異，加深對(duì)算法時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度的理解。如圖3所示，大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)將多種排序算法性能對(duì)比情況進(jìn)行直觀展示，使學(xué)生迅速而全面地掌握不同排序算法的特點(diǎn)與不同場(chǎng)景下的性能優(yōu)劣情況，并在此基礎(chǔ)上思考不同排序算法的適宜應(yīng)用場(chǎng)景，掌握相應(yīng)知識(shí)。

此外，大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)還可被用于展示數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)中的實(shí)際案例。例如，教師可以選擇一個(gè)真實(shí)的商業(yè)數(shù)據(jù)集，使用可視化工具展示數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征工程、模型訓(xùn)練和評(píng)估的全過程。學(xué)生通過案例分析可以更深入地理解數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)的基本原理，掌握實(shí)際操作技能，增強(qiáng)實(shí)踐能力。

此外，在案例分析過程中，學(xué)生可將理論知識(shí)與實(shí)際操作緊密結(jié)合，深入掌握課堂知識(shí)內(nèi)容的同時(shí)提高解決實(shí)際問題的能力和創(chuàng)新思維能力。這種教學(xué)方法有效地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升了教學(xué)效果，推動(dòng)了高校計(jì)算機(jī)教學(xué)的改革與創(chuàng)新。

3.2 互動(dòng)教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)探究

首先，教師可利用大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)構(gòu)建互動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)，使學(xué)生能夠在課堂內(nèi)外自主探究。一方面，教師要尋找并應(yīng)用適宜課堂教學(xué)使用的在線數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，學(xué)生可通過平臺(tái)訪問各種數(shù)據(jù)集，并使用可視化工具進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與可視化展示。在此過程中，學(xué)生可通過自主操作更好地理解數(shù)據(jù)分析過程與方法。另一方面，教師要在課堂上展示實(shí)時(shí)互動(dòng)圖表，學(xué)生可在課堂中參與數(shù)據(jù)輸入與分析過程。例如，在教授統(tǒng)計(jì)學(xué)或數(shù)據(jù)挖掘課程時(shí)，學(xué)生可實(shí)時(shí)輸入數(shù)據(jù)，生成圖表，并討論分析結(jié)果。

其次，教師可通過大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)設(shè)計(jì)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的探究學(xué)習(xí)活動(dòng)。教師應(yīng)將學(xué)生分成小組，每組負(fù)責(zé)一個(gè)數(shù)據(jù)分析項(xiàng)目。教師提供數(shù)據(jù)集和分析目標(biāo)，學(xué)生通過數(shù)據(jù)可視化技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、分析和展示。項(xiàng)目結(jié)束后，學(xué)生需要展示其分析結(jié)果，并通過可視化圖表進(jìn)行解釋和討論。

最后，實(shí)時(shí)反饋與調(diào)整。學(xué)生在課堂中使用大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，要及時(shí)向教師反饋?zhàn)陨韺W(xué)習(xí)狀態(tài)。教師則利用大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)生成學(xué)生反饋圖表，針對(duì)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)過程中所遇到的問題進(jìn)行全面分析，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容與節(jié)奏，針對(duì)性解答學(xué)生疑問。同時(shí)，將圖表反饋至學(xué)生，幫助學(xué)生了解自身計(jì)算機(jī)課程學(xué)習(xí)狀況。例如，生成學(xué)習(xí)進(jìn)度條、成績(jī)分布圖等，幫助學(xué)生更好地管理和規(guī)劃自己的學(xué)習(xí)。

3.3 推動(dòng)跨學(xué)科教學(xué)，拓展應(yīng)用領(lǐng)域

首先，教師要結(jié)合計(jì)算機(jī)教學(xué)計(jì)劃，融合大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)設(shè)計(jì)跨學(xué)科項(xiàng)目，促使學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用中掌握跨學(xué)科知識(shí)和技能[4]。例如，教師可以組織計(jì)算機(jī)科學(xué)與其他學(xué)科（如經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)、環(huán)境科學(xué)等）的聯(lián)合項(xiàng)目。學(xué)生在項(xiàng)目中需要收集和分析跨學(xué)科的數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)可視化工具展示分析結(jié)果。

例如，計(jì)算機(jī)科學(xué)與環(huán)境科學(xué)聯(lián)合項(xiàng)目——分析城市空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI） 。在此項(xiàng)目學(xué)習(xí)中，學(xué)生需要從政府生態(tài)環(huán)境部門的公開數(shù)據(jù)庫(kù)中下載空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站的歷史數(shù)據(jù)，包括二氧化硫（SO2） 、二氧化氮（NO2） 、顆粒物（PM2.5和PM10） 、臭氧（O3） 和一氧化碳（CO） 等污染物的濃度數(shù)據(jù)。同時(shí)，還需要收集同期的氣象數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向等。在獲取數(shù)據(jù)后，學(xué)生將使用Python等編程語言清洗數(shù)據(jù)，并應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法和機(jī)器學(xué)習(xí)算法來識(shí)別污染物濃度的模式和趨勢(shì)，以及氣象條件對(duì)空氣質(zhì)量的影響。例如，使用相關(guān)性分析來檢查溫度和濕度與PM2.5濃度之間的關(guān)系。為使分析結(jié)果更加直觀清晰，學(xué)生將使用大數(shù)據(jù)可視化工具，創(chuàng)建時(shí)間序列圖、熱力圖、散點(diǎn)圖等圖表，用于展示時(shí)間段內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)城市AQI變化、空氣質(zhì)量情況以及氣象條件與污染物濃度之間的關(guān)系。此項(xiàng)目可使學(xué)生掌握數(shù)據(jù)清洗、統(tǒng)計(jì)分析與大數(shù)據(jù)可視化等技能，增強(qiáng)了學(xué)生跨學(xué)科學(xué)習(xí)與實(shí)踐能力。

其次，教師要向?qū)W校申請(qǐng)組織開展跨學(xué)科競(jìng)賽與實(shí)踐活動(dòng)。一方面，學(xué)?？山M織跨學(xué)科數(shù)據(jù)科學(xué)競(jìng)賽，學(xué)生組成跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)，利用大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)解決實(shí)際問題。競(jìng)賽題目涉及不同學(xué)科領(lǐng)域，如健康數(shù)據(jù)分析、社會(huì)問題研究、市場(chǎng)預(yù)測(cè)等。學(xué)生通過競(jìng)賽，不僅能夠鍛煉數(shù)據(jù)分析和可視化能力，還能培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作和跨學(xué)科思維能力。另一方面，開展跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，如數(shù)據(jù)分析工作坊、黑客馬拉松等，學(xué)生在實(shí)踐活動(dòng)中利用大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)進(jìn)行跨學(xué)科研究。

3.4 分析學(xué)生需求，實(shí)施個(gè)性化教學(xué)

首先，教師要收集和分析學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)[5]。教師可從學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)上收集學(xué)生學(xué)習(xí)行為信息數(shù)據(jù)，包括在線學(xué)習(xí)時(shí)間、訪問頻率、作業(yè)提交情況、測(cè)試成績(jī)等。利用大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)生成學(xué)習(xí)行為分析圖表，展示學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)態(tài)度。在此基礎(chǔ)上，分析學(xué)生在各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)情況，如作業(yè)完成度、答題發(fā)言次數(shù)、各次考試成績(jī)等。教師將學(xué)生學(xué)習(xí)情況以可視化技術(shù)繪制成圖表，迅速掌握學(xué)生在不同知識(shí)點(diǎn)上的掌握情況。

其次，制定個(gè)性化教學(xué)計(jì)劃。基于學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，教師可結(jié)合不同學(xué)生學(xué)習(xí)需求制定個(gè)性化教學(xué)計(jì)劃與方案，幫助每一個(gè)學(xué)生收獲學(xué)習(xí)成果[6]。例如，對(duì)基礎(chǔ)較差的學(xué)生，提供更多基礎(chǔ)知識(shí)的講解和練習(xí)，幫助學(xué)生掌握基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)知識(shí)與技能；對(duì)進(jìn)度較快的學(xué)生，提供更具挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)材料。

最后，實(shí)施個(gè)性化輔導(dǎo)和評(píng)價(jià)。一方面，教師要根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，識(shí)別需要額外輔導(dǎo)的學(xué)生。利用大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)生成輔導(dǎo)需求圖表，針對(duì)性地安排個(gè)別輔導(dǎo)或小組輔導(dǎo)。另一方面，教師要通過大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，設(shè)計(jì)學(xué)生自評(píng)和互評(píng)系統(tǒng)，收集學(xué)生對(duì)自己和同學(xué)的學(xué)習(xí)表現(xiàn)和參與度的評(píng)價(jià)。利用可視化圖表生成評(píng)價(jià)結(jié)果，幫助教師了解學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和教學(xué)效果[7]。

4 結(jié)束語

綜上所述，高校計(jì)算機(jī)教學(xué)中應(yīng)用大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，具有多方面價(jià)值意義，有助于將抽象的計(jì)算機(jī)知識(shí)具象化，幫助學(xué)生理解復(fù)雜概念，提高學(xué)習(xí)興趣；同時(shí)，也為教師提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析工具，有助于優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)、實(shí)施個(gè)性化教學(xué)，最終提升教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。未來，高校計(jì)算機(jī)教師應(yīng)積極探索大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的應(yīng)用，將其與教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法深度融合，不斷提高計(jì)算機(jī)課程教學(xué)效率與水平。