Python數(shù)據(jù)分析與應用-從數(shù)據(jù)獲取到可視化（第2版）教案-教學設計 第7章 時間序列分析

博學谷——讓IT教學更簡單，讓IT學習更有效PAGE12PAGE7《Python數(shù)據(jù)分析與應用：從數(shù)據(jù)獲取到可視化（第2版）》教學設計課程名稱：授課年級：授課學期：教師姓名：年月課題名稱第7章時間序列分析計劃課時5課時教學引入在進行數(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行分析。pandas庫作為數(shù)據(jù)分析的利器，它提供了一套標準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內(nèi)容進行詳細地講解。教學目標使學生了解時間序列，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生掌握時期的相關操作，能夠創(chuàng)建帶時期索引的對象，并轉(zhuǎn)換時期的頻率使學生掌握重采樣的方法，能夠通過resample()方法實現(xiàn)降采樣和升采樣使學生掌握滑動窗口，能夠使用rolling()方法實現(xiàn)滑動窗口教學重點創(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難點滑動窗口教學方式課堂教學以PPT講授為主，并結合多媒體進行教學教學過程第一課時（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)設情景，導入新課教師通過向?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)學生的問題進行總結，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)提供了一套標準的功能，從而實現(xiàn)導入新課的目的。二、新課講解知識點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）時間序列相關的概念時間戳時間差時期（4）時間序列概念相關的類知識點2-創(chuàng)建帶時間戳的時間序列教師通過PPT結合實操的形式講解創(chuàng)建帶時間戳的時間序列。（1）帶時間戳時間序列的基本創(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）帶時間戳時間序列的其他創(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3-獲取時間序列子集教師通過PPT結合實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()方法獲取一部分數(shù)據(jù)知識點4-創(chuàng)建固定頻率的時間序列教師通過PPT結合實操的形式講解創(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準化到當天午夜0點的時間戳知識點5-時間序列的頻率與偏移量教師通過PPT結合實操的形式講解時間序列的頻率與偏移量。（1）頻率的特點在pandas中，頻率是由一個基礎頻率和倍數(shù)組成的。（2）時間序列的基礎頻率（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學生解答問題并給予指導。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)課的預習作業(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、復習鞏固教師通過上節(jié)課作業(yè)的完成情況，對學生吸收不好的知識點進行再次鞏固講解。二、通過直接引入的方式導入新課上節(jié)課我們主要學習了創(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)課將學習時間序列相關的知識，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1-時間序列的移動教師通過PPT結合實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()方法實現(xiàn)遷移和后移的效果知識點2-創(chuàng)建帶時期索引的對象教師通過PPT結合實操的形式講解創(chuàng)建帶時期索引的對象。（1）什么是時期Period類表示一個標準的時期，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類對象與標量的數(shù)學運算如果Period對象加上或者減去一個整數(shù)，則會根據(jù)具體的時間單位進行位移操作。（5）通過代碼演示Period類的對象與標量的數(shù)學運算（6）頻率相同的Period類對象的數(shù)學運算如果頻率相同的兩個Period類的對象進行數(shù)學運算，那么計算結果為它們的單位數(shù)量。（7）通過代碼演示兩個Period類的對象的數(shù)學運算（8）創(chuàng)建PeriodIndex類對象的方式period_range()函數(shù)PeriodIndex類的構造方法（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3-時期的頻率轉(zhuǎn)換教師通過PPT結合實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4-重采樣方法教師通過PPT結合實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()方法實現(xiàn)重采樣操作知識點5-降采樣教師通過PPT結合實操的形式講解降采樣。（1）降采樣的特點時間顆粒會變大數(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現(xiàn)降采樣操作四、歸納總結教師回顧本節(jié)課所講的內(nèi)容，并通過測試題的方式引導學生解答問題并給予指導。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)課的預習作業(yè)。第三課時（升采樣、滑動窗口、案例：某城市報警記錄分析）一、復習鞏固教師通過上節(jié)課作業(yè)的完成情況，對學生吸收不好的知識點進行再次鞏固講解。二、通過直接引入的方式導入新課上節(jié)課我們主要學習了時間序列的移動、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)學習升采樣、滑動窗口，以及圍繞所學的知識完成一個案例。三、新課講解知識點1-升采樣教師通過PPT結合實操的形式講解升采樣。（1）升采樣的特點時間顆粒會變小。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2-滑動窗口教師通過PPT結合實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。（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)進行平滑處理知識點3-案例：某城市報警記錄分析教師通過PPT結合實操的形式講解案例。（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、設置行標簽索引（3）通過代碼演示案例的實現(xiàn)步驟四、歸納總結教師回顧本節(jié)課所講的內(nèi)容，并通過測試題的方式引導學生解答問題并給予指導。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)課的預習作業(yè)。第四、五課時（上機練習）上機練習主要針對本章中需要重點掌握的知識點，以及在程序中容易出錯的內(nèi)容進行練習，通過上機練習可以考察同學對知識點的掌握情況，對代碼的熟練程度。上機一：（考察知識點為創(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：單獨完成題目：練習7.2和7.3節(jié)