教學(xué)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化技術(shù)應(yīng)用

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摘要:對(duì)數(shù)據(jù)可視化技術(shù)在教學(xué)管理系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，分析了數(shù)據(jù)可視化的發(fā)展趨勢(shì)及存在的問題，并進(jìn)行了可行性分析，提出了多源數(shù)據(jù)的可視化方法，構(gòu)建了教育大數(shù)據(jù)可視化教學(xué)管理系統(tǒng)，能夠更詳細(xì)準(zhǔn)確地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)模式，提升了教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)可視化技術(shù);教學(xué)管理系統(tǒng)

為了能夠?qū)?shù)據(jù)信息準(zhǔn)確、全面地傳遞給用戶，常見的錯(cuò)綜復(fù)雜的表格可以通過數(shù)據(jù)可視化技術(shù)轉(zhuǎn)化為可見的圖形符號(hào)，并將一些不容易發(fā)現(xiàn)和看起來難以關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律并加以利用，發(fā)現(xiàn)其潛在價(jià)值。這種通過圖形化處理數(shù)據(jù)的方式能夠準(zhǔn)確高效地表達(dá)出數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵信息點(diǎn)，發(fā)掘數(shù)據(jù)中的隱藏規(guī)律，讓用戶對(duì)數(shù)據(jù)的理解更加深刻，這種技術(shù)即為數(shù)據(jù)可視化技術(shù)［1］。

1數(shù)據(jù)可視化技術(shù)在教學(xué)管理系統(tǒng)中的發(fā)展趨勢(shì)及存在的問題

可視化技術(shù)主要體現(xiàn)在宏觀態(tài)勢(shì)可視化、設(shè)備仿真運(yùn)行可視化和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可視化這三個(gè)方面［2］。宏觀態(tài)勢(shì)可視化是在某種特殊條件下對(duì)根據(jù)時(shí)間變化而變化的目標(biāo)實(shí)體進(jìn)行觀察統(tǒng)計(jì)，能夠直觀、準(zhǔn)確、生動(dòng)地表現(xiàn)出宏觀態(tài)勢(shì)，以便迅速掌握整體發(fā)展形勢(shì)和特點(diǎn)。設(shè)備仿真運(yùn)行可視化是借助圖像、三維動(dòng)畫和計(jì)算機(jī)程控技術(shù)與實(shí)體模型相結(jié)合的方式來表現(xiàn)出設(shè)備的可視化，讓決策者對(duì)管理設(shè)備的理解更加生動(dòng)具體，以提高管理效率。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可視化因借助可視化圖表表達(dá)清晰的特點(diǎn)而在教育教學(xué)、智能商業(yè)、政治決策、市場營銷等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。在教育教學(xué)領(lǐng)域，可利用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)發(fā)現(xiàn)教學(xué)環(huán)境中存在的問題，以提高教學(xué)質(zhì)量。各大高校應(yīng)積極引進(jìn)網(wǎng)絡(luò)教育平臺(tái)對(duì)學(xué)生的在線學(xué)習(xí)行為進(jìn)行分析處理。基于數(shù)據(jù)可視化技術(shù)對(duì)教育行業(yè)海量的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行深度剖析時(shí)，可以讓教師和學(xué)生更加容易對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和理解。為了能夠高效地對(duì)教學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，需要建立數(shù)據(jù)文件的方式提取教學(xué)數(shù)據(jù)，對(duì)不同種類和來源的數(shù)據(jù)格式和結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范化處理，為數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。目前，學(xué)生成績數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的都是單一形式的學(xué)生成績［3］，不能提供給學(xué)生、教師以及教務(wù)管理人員更多的信息，無法為專業(yè)的課程設(shè)置、教師人才配置和學(xué)生課程成績的提高做出針對(duì)性指導(dǎo)，因此需要從統(tǒng)計(jì)分析及可視化、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析、成績預(yù)測這三個(gè)不同維度來完成對(duì)學(xué)生成績的分析。

2可行性分析

隨著互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展，日常數(shù)據(jù)分析管理逐漸趨于無紙化，可視化方式可避免文本形式數(shù)據(jù)的混亂和常規(guī)圖表形式的空洞，能夠幫助人們更加便捷完整地獲取數(shù)據(jù)中的信息，充分展現(xiàn)出數(shù)據(jù)的模式、趨勢(shì)和相關(guān)性，以提高工作效率和進(jìn)度?；贐/S(Browser/Server)體系的結(jié)構(gòu)軟件是目前各種應(yīng)用軟件的主要形式［4］。在工作中，需要將數(shù)據(jù)信息用圖表的方法在Web頁面上進(jìn)行展示。各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)可視化后，可實(shí)現(xiàn)人與人、人與機(jī)器之間的圖像通訊，改變了當(dāng)前的文字或數(shù)字通訊。

3關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)據(jù)抽取是指從數(shù)據(jù)源中讀取數(shù)據(jù)的過程。本項(xiàng)目中數(shù)據(jù)抽取源是以文件類型為Excel的數(shù)據(jù)源，創(chuàng)建文件選擇路徑直接導(dǎo)入，數(shù)據(jù)抽取的頻率根據(jù)具體需求來決定。比如課程成績相關(guān)的信息抽取頻率為一學(xué)期一次，統(tǒng)計(jì)的類型可以是個(gè)人成績總和、個(gè)人平均成績等，比較類型為至少兩個(gè)班級(jí)之間的比較。數(shù)據(jù)抽取可通過爬蟲程序或Kettle、ETL等網(wǎng)頁數(shù)據(jù)抽取工具來實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)清洗是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新審查和校驗(yàn)的過程，能夠刪除重復(fù)信息和糾正錯(cuò)誤信息。在數(shù)據(jù)的收集和處理過程中，由于人為或系統(tǒng)問題無法保證數(shù)據(jù)的完全準(zhǔn)確，可能會(huì)產(chǎn)生一些干擾數(shù)據(jù)或殘缺數(shù)據(jù)。相同的數(shù)據(jù)類型在不同數(shù)據(jù)源中的存儲(chǔ)格式和讀取方式也可能不一樣，這些數(shù)據(jù)在多個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中多次抽取和使用會(huì)產(chǎn)生歷史緩存數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)之間會(huì)產(chǎn)生沖突，所以在需要調(diào)用時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和轉(zhuǎn)換，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。數(shù)據(jù)清洗的過程一般是將殘缺數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)、重復(fù)數(shù)據(jù)經(jīng)過一致性檢查及無效值和缺失值的檢查處理來轉(zhuǎn)換為能夠滿足質(zhì)量要求的數(shù)據(jù)。通常采用語法分析和模糊匹配技術(shù)來完成對(duì)多數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)的清理。對(duì)分類數(shù)據(jù)使用可視化技術(shù)能快速獲取數(shù)據(jù)集的范圍及數(shù)據(jù)分布特征。條形圖適用于分類數(shù)據(jù)可視化;餅圖、瀑布圖適用于觀察分類中的比例情況;樹形圖適用于需要一級(jí)分類且還需要子分類的情況。柱狀圖、條形圖的長度有利于直接比較;餅圖、柱形堆疊圖及瀑布圖能在分類數(shù)據(jù)中對(duì)比出占比情況;樹形圖能展示一級(jí)分類的子分類，可以實(shí)現(xiàn)維度的深入分析。隨時(shí)間變化的時(shí)序數(shù)據(jù)可視化技術(shù)主要有兩種模式，一是隨著時(shí)間線索向右延伸的時(shí)序圖，如折線圖、堆積面積圖，等等;二是根據(jù)時(shí)間周期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總的柱形圖、日歷圖、徑向圖，等等。多個(gè)體、多變量的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)可探索數(shù)據(jù)個(gè)體間的差異和數(shù)據(jù)變量間的關(guān)系?？蓪⑸Ⅻc(diǎn)圖、氣泡圖或?qū)⒍鄠€(gè)簡單圖表組合生成圖矩陣，通過對(duì)比圖矩陣可進(jìn)行多元變量的可視化操作。其中散點(diǎn)圖和氣泡圖適合變量相對(duì)較少(如5個(gè)以下)的場景，而對(duì)于變量5個(gè)及以上的場景圖矩陣更為適合。學(xué)生成績可能與學(xué)生的上課考勤、作業(yè)提交、課外活動(dòng)、科技競賽以及教師的年齡、教齡、教學(xué)方式、教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)等眾多因素相關(guān)。通過對(duì)相關(guān)因素進(jìn)行不同維度的統(tǒng)計(jì)分析，并用可視化的形式來表示，這樣可以更直觀、科學(xué)、合理、全面的為教學(xué)安排提供指導(dǎo)?？苫趯W(xué)生的日?？记凇⒆鳂I(yè)提交、課堂聽講情況、課前預(yù)習(xí)情況、社團(tuán)情況、競賽與獲獎(jiǎng)情況、課程考試方式、掛科率等來對(duì)學(xué)生的成績進(jìn)行預(yù)測，并對(duì)有掛科風(fēng)險(xiǎn)的學(xué)生及時(shí)采取補(bǔ)救措施。可基于各個(gè)圖形的優(yōu)勢(shì)對(duì)學(xué)生的成績數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分配。折線圖適用于多個(gè)二維數(shù)據(jù)集的比較，能反映出眾多數(shù)據(jù)集之間的起伏狀態(tài)，常用于連續(xù)排名;柱狀圖用于顯示某一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)變化或各項(xiàng)之間的比較情況，可用于班級(jí)之間的分?jǐn)?shù)對(duì)比;餅圖常用不同的顏色來代表數(shù)據(jù)源中各項(xiàng)數(shù)值與總項(xiàng)的比例關(guān)系，適用于成績段之間的數(shù)據(jù)分布;散點(diǎn)圖可以直觀看出學(xué)生都集中在哪些分?jǐn)?shù)段。

4論證方法

目前，基于python語言的web框架主要有Djan-go、Flask和Tornado。本項(xiàng)目基于Flask作為python的web框架，該框架的優(yōu)點(diǎn)是輕便、易擴(kuò)展。Web前端中使用了Bootstrap框架，它擁有下拉菜單、按鈕組、按鈕下拉菜單、導(dǎo)航條、排版、縮略圖、警告對(duì)話框等豐富的Web組件，根據(jù)這些組件可以快速搭建一個(gè)功能完備的網(wǎng)站。在程序中集成Bootstrap，可以用一個(gè)名為Flask－Bootstrap的Flask擴(kuò)展對(duì)模板進(jìn)行一些有必要的改動(dòng)，簡化集成過程。另外，可使用Flask中一些可選的輔助模塊來讓程序更加簡潔易懂，比如將SQLAl-chemy用于數(shù)據(jù)庫的連接和操作，將Flask－WTForm用于網(wǎng)頁上表單的設(shè)計(jì)。完成開發(fā)環(huán)境搭建后，可基于多源數(shù)據(jù)可視化方法來對(duì)高校的教育數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合利用，構(gòu)建教育大數(shù)據(jù)可視化教學(xué)管理系統(tǒng)，以驗(yàn)證多源數(shù)據(jù)可視化方法的應(yīng)用效果。

5結(jié)語

本項(xiàng)目做了大量的市場調(diào)研，基于教育大數(shù)據(jù)可視化教學(xué)管理系統(tǒng)可深入分析教育數(shù)據(jù)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，并給出可視化的數(shù)據(jù)展示，能夠更詳細(xì)準(zhǔn)確地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)模式，提升了教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn):

［1］程佳軍，游宏梁，湯珊紅，等.數(shù)據(jù)可視化技術(shù)在軍事數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用研究［J］．情報(bào)理論與實(shí)踐，2020，(04):1－9.

［3］曲佳彬，歐石燕.關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)可視化研究進(jìn)展分析［J］．圖書與情報(bào)，2018，(04):57－67.

［4］方思桐，汪隸鋆，高敏，等.交互式電力數(shù)據(jù)可視化與分析［J］．南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2019，42(03):96－106.

作者：張賢杰 單位：黑龍江省科學(xué)院