Python數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用-從數(shù)據(jù)獲取到可視化（第2版）教案-教學(xué)設(shè)計 第7章 時間序列分析

博學(xué)谷——讓IT教學(xué)更簡單，讓IT學(xué)習(xí)更有效PAGE12PAGE7《Python數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用：從數(shù)據(jù)獲取到可視化（第2版）》教學(xué)設(shè)計課程名稱：授課年級：授課學(xué)期：教師姓名：年月課題名稱第7章時間序列分析計劃課時5課時教學(xué)引入在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時，除了前面章節(jié)中介紹的數(shù)值形式的數(shù)據(jù)之外，有時還需要對時間序列進(jìn)行分析。pandas庫作為數(shù)據(jù)分析的利器，它提供了一套標(biāo)準(zhǔn)的處理時間序列的功能，可以幫助用戶非常高效地處理時間序列。本章將針對時間序列的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)地講解。教學(xué)目標(biāo)使學(xué)生了解時間序列，能夠說出時間序列、時間戳、時間差、時期的概念使學(xué)生掌握時間序列的基本操作，能夠創(chuàng)建時間序列并獲取其子集使學(xué)生掌握固定頻率的時間序列，能夠創(chuàng)建固定頻率的時間序列使學(xué)生掌握時期的相關(guān)操作，能夠創(chuàng)建帶時期索引的對象，并轉(zhuǎn)換時期的頻率使學(xué)生掌握重采樣的方法，能夠通過resample()方法實(shí)現(xiàn)降采樣和升采樣使學(xué)生掌握滑動窗口，能夠使用rolling()方法實(shí)現(xiàn)滑動窗口教學(xué)重點(diǎn)創(chuàng)建帶時間戳的時間序列獲取時間序列子集創(chuàng)建固定頻率的時間序列時間序列的頻率與偏移量教學(xué)難點(diǎn)滑動窗口教學(xué)方式課堂教學(xué)以PPT講授為主，并結(jié)合多媒體進(jìn)行教學(xué)教學(xué)過程第一課時（時間序列概述、創(chuàng)建帶時間戳的時間序列、獲取時間序列子集、創(chuàng)建固定頻率的時間序列、時間序列的頻率與偏移量）一、創(chuàng)設(shè)情景，導(dǎo)入新課教師通過向?qū)W生提問問題，例如問題是：大家都見過哪些類型的數(shù)據(jù)，并根據(jù)學(xué)生的問題進(jìn)行總結(jié)，引出時間序列類型的數(shù)據(jù)是比較常見的，pandas針對這種類型的數(shù)據(jù)提供了一套標(biāo)準(zhǔn)的功能，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)入新課的目的。二、新課講解知識點(diǎn)1-時間序列概述教師通過PPT講解時間序列概述。（1）什么是時間序列時間序列是指將同一統(tǒng)計指標(biāo)的數(shù)值按其發(fā)生的時間先后順序排列而成的數(shù)列。時間序列中的時間可以是年份、季度、月份或其他任何時間形式。（2）時間序列的分類固定頻率：數(shù)值是定期出現(xiàn)的。不固定的頻率：數(shù)值是不定期出現(xiàn)的。（3）時間序列相關(guān)的概念時間戳?xí)r間差時期（4）時間序列概念相關(guān)的類知識點(diǎn)2-創(chuàng)建帶時間戳的時間序列教師通過PPT結(jié)合實(shí)操的形式講解創(chuàng)建帶時間戳的時間序列。（1）帶時間戳?xí)r間序列的基本創(chuàng)建方式如果要創(chuàng)建帶時間戳的時間序列，可以先使用to_datetime()函數(shù)創(chuàng)建一個DatetimeIndex類的對象，該對象中包含一組時間戳，再將該對象作為Series類或DataFrame類的對象的索引。（2）通過代碼演示如何使用上述方式創(chuàng)建帶時間戳的時間序列（3）帶時間戳?xí)r間序列的其他創(chuàng)建方式在創(chuàng)建Series類或DataFrame類的對象時將包含多個datetime對象的列表傳給index參數(shù)，這樣也會生成一個帶時間戳的時間序列。（4）通過代碼演示如何使用上述方式創(chuàng)建帶時間戳的時間序列（5）通過代碼演示如何創(chuàng)建有時間戳索引的DataFrame類的對象知識點(diǎn)3-獲取時間序列子集教師通過PPT結(jié)合實(shí)操的形式講解獲取時間序列子集。（1）獲取時間序列子集的方式使用位置索引使用datetime構(gòu)建的日期對象使用日期字符串（2）通過代碼演示如何使用以上幾種方式獲取時間序列的子集（3）獲取某年或某月數(shù)據(jù)的方式對象['年份']對象['月份']（4）通過代碼演示如何使用以上方式獲取某年或某月的數(shù)據(jù)（5）truncate()方法的作用（6）通過代碼演示如何使用truncate()方法獲取一部分?jǐn)?shù)據(jù)知識點(diǎn)4-創(chuàng)建固定頻率的時間序列教師通過PPT結(jié)合實(shí)操的形式講解創(chuàng)建固定頻率的時間序列。（1）date_range()函數(shù)的語法格式（2）通過代碼演示根據(jù)起始日期和終止日期生成一組時間戳（3）通過代碼演示根據(jù)起始日期或結(jié)束日期和數(shù)量生成一組時間戳（4）通過代碼演示生成一組頻率是5天的時間戳（5）通過代碼演示生成一組帶時間信息的時間戳（6）通過代碼演示生成一組標(biāo)準(zhǔn)化到當(dāng)天午夜0點(diǎn)的時間戳知識點(diǎn)5-時間序列的頻率與偏移量教師通過PPT結(jié)合實(shí)操的形式講解時間序列的頻率與偏移量。（1）頻率的特點(diǎn)在pandas中，頻率是由一個基礎(chǔ)頻率和倍數(shù)組成的。（2）時間序列的基礎(chǔ)頻率（3）生成偏移量的方式創(chuàng)建一個DateOffset類的對象使用偏移量類型（4）通過代碼演示使用上述兩種方式生成偏移量（5）通過代碼演示如何根據(jù)偏移量創(chuàng)建DatetimeIndex類的對象三、歸納總結(jié)教師回顧本節(jié)課所講的內(nèi)容，并通過測試題的方式引導(dǎo)學(xué)生解答問題并給予指導(dǎo)。四、布置作業(yè)教師通過高校教輔平臺（）布置本節(jié)課作業(yè)以及下節(jié)課的預(yù)習(xí)作業(yè)。第二課時（時間序列的移動、創(chuàng)建帶時期索引的對象、時期的頻率轉(zhuǎn)換、重采樣方法、降采樣）一、復(fù)習(xí)鞏固教師通過上節(jié)課作業(yè)的完成情況，對學(xué)生吸收不好的知識點(diǎn)進(jìn)行再次鞏固講解。二、通過直接引入的方式導(dǎo)入新課上節(jié)課我們主要學(xué)習(xí)了創(chuàng)建帶時間戳的時間序列、獲取時間序列子集、創(chuàng)建固定頻率的時間序列、時間序列的頻率與偏移量，本節(jié)課將學(xué)習(xí)時間序列相關(guān)的知識，包括時間序列的移動、創(chuàng)建帶時期索引的對象、時期的頻率轉(zhuǎn)換、重采樣方法、降采樣。三、新課講解知識點(diǎn)1-時間序列的移動教師通過PPT結(jié)合實(shí)操的形式講解時間序列的移動。（1）什么是時間序列的移動移動（shifting）是指沿著時間軸方向?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行前移或后移。（2）shift()方法的語法格式（3）向前移動和向后移動的示意圖（4）通過代碼演示使用shift()方法實(shí)現(xiàn)遷移和后移的效果知識點(diǎn)2-創(chuàng)建帶時期索引的對象教師通過PPT結(jié)合實(shí)操的形式講解創(chuàng)建帶時期索引的對象。（1）什么是時期Period類表示一個標(biāo)準(zhǔn)的時期，比如某年、某月、某日、某小時等。（2）創(chuàng)建Period類的對象在Period類的構(gòu)造方法中以字符串或整數(shù)的形式傳入一個日期，這樣就可以創(chuàng)建一個Period類的對象。（3）通過代碼演示如何創(chuàng)建Period類的對象（4）Period類對象與標(biāo)量的數(shù)學(xué)運(yùn)算如果Period對象加上或者減去一個整數(shù)，則會根據(jù)具體的時間單位進(jìn)行位移操作。（5）通過代碼演示Period類的對象與標(biāo)量的數(shù)學(xué)運(yùn)算（6）頻率相同的Period類對象的數(shù)學(xué)運(yùn)算如果頻率相同的兩個Period類的對象進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，那么計算結(jié)果為它們的單位數(shù)量。（7）通過代碼演示兩個Period類的對象的數(shù)學(xué)運(yùn)算（8）創(chuàng)建PeriodIndex類對象的方式period_range()函數(shù)PeriodIndex類的構(gòu)造方法（9）通過代碼演示使用以上兩種方式創(chuàng)建PeriodIndex類的對象（10）通過代碼演示創(chuàng)建基于時期索引的DataFrame類對象知識點(diǎn)3-時期的頻率轉(zhuǎn)換教師通過PPT結(jié)合實(shí)操的形式講解時期的頻率轉(zhuǎn)換。（1）asfreq()方法的語法格式（2）通過代碼演示如何使用asfreq()方法轉(zhuǎn)換時期的頻率知識點(diǎn)4-重采樣方法教師通過PPT結(jié)合實(shí)操的形式講解重采樣方法。（1）什么是重采樣重采樣是指將時間序列從一個頻率轉(zhuǎn)換到另一個頻率的處理過程。（2）重采樣的分類降采樣：高頻率數(shù)據(jù)聚合到低頻率數(shù)據(jù)。升采樣：低頻率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到高頻率數(shù)據(jù)。（3）resample()方法的語法格式（4）通過代碼演示如何使用resample()方法實(shí)現(xiàn)重采樣操作知識點(diǎn)5-降采樣教師通過PPT結(jié)合實(shí)操的形式講解降采樣。（1）降采樣的特點(diǎn)時間顆粒會變大數(shù)據(jù)量會減少（2）通過代碼演示降采樣操作（3）通過代碼演示如何采用分組的方式實(shí)現(xiàn)降采樣操作四、歸納總結(jié)教師回顧本節(jié)課所講的內(nèi)容，并通過測試題的方式引導(dǎo)學(xué)生解答問題并給予指導(dǎo)。五、布置作業(yè)教師通過高校教輔平臺（）布置本節(jié)課作業(yè)以及下節(jié)課的預(yù)習(xí)作業(yè)。第三課時（升采樣、滑動窗口、案例：某城市報警記錄分析）一、復(fù)習(xí)鞏固教師通過上節(jié)課作業(yè)的完成情況，對學(xué)生吸收不好的知識點(diǎn)進(jìn)行再次鞏固講解。二、通過直接引入的方式導(dǎo)入新課上節(jié)課我們主要學(xué)習(xí)了時間序列的移動、創(chuàng)建帶時期索引的對象、時期的頻率轉(zhuǎn)換、重采樣方法、降采樣，本節(jié)課將繼續(xù)學(xué)習(xí)升采樣、滑動窗口，以及圍繞所學(xué)的知識完成一個案例。三、新課講解知識點(diǎn)1-升采樣教師通過PPT結(jié)合實(shí)操的形式講解升采樣。（1）升采樣的特點(diǎn)時間顆粒會變小。數(shù)據(jù)量會增多。部分時間戳缺的數(shù)據(jù)。（2）通過代碼演示升采樣的操作（3）解決缺失值的問題通過ffill(limit)或bfill(limit)方法填充缺失值。通過fillna(‘ffill’)或fillna(‘bfill’)方法填充缺失值。使用interpolate()方法根據(jù)插值算法補(bǔ)全。（4）通過代碼演示如何解決升采樣操作出現(xiàn)的缺失值知識點(diǎn)2-滑動窗口教師通過PPT結(jié)合實(shí)操的形式講解滑動窗口。（1）什么是滑動窗口滑動窗口指的是根據(jù)指定的單位長度來框住時間序列，從而計算框內(nèi)的統(tǒng)計指標(biāo)。（2）滑動窗口的舉例（3）rolling()方法的語法格式（4）通過代碼演示如何基于滑動窗口對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理知識點(diǎn)3-案例：某城市報警記錄分析教師通過PPT結(jié)合實(shí)操的形式講解案例。（1）通過PPT介紹案例的需求（2）通過代碼演示如何讀取數(shù)據(jù)、查看摘要信息、設(shè)置行標(biāo)簽索引（3）通過代碼演示案例的實(shí)現(xiàn)步驟四、歸納總結(jié)教師回顧本節(jié)課所講的內(nèi)容，并通過測試題的方式引導(dǎo)學(xué)生解答問題并給予指導(dǎo)。五、布置作業(yè)教師通過高校教輔平臺（）布置本節(jié)課作業(yè)以及下節(jié)課的預(yù)習(xí)作業(yè)。第四、五課時（上機(jī)練習(xí)）上機(jī)練習(xí)主要針對本章中需要重點(diǎn)掌握的知識點(diǎn)，以及在程序中容易出錯的內(nèi)容進(jìn)行練習(xí)，通過上機(jī)練習(xí)可以考察同學(xué)對知識點(diǎn)的掌握情況，對代碼的熟練程度。上機(jī)一：（考察知識點(diǎn)為創(chuàng)建帶時間戳的時間序列、獲取時間序列子集、創(chuàng)建固定頻率的時間序列、時間序列的頻率與偏移量、時間序列的移動）形式：單獨(dú)完成題目：練習(xí)7.2和7.3節(jié)