《數(shù)據(jù)可視化》課程教學(xué)大綱

《數(shù)據(jù)可視化》教學(xué)大綱課程名稱：數(shù)據(jù)可視化課程編號(hào)：2182英文名稱：DataVisualization學(xué)時(shí)：48學(xué)時(shí) 學(xué)分：3學(xué)分開課學(xué)期：第6學(xué)期適用專業(yè)：數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)課程類別：理論+實(shí)踐課課程性質(zhì)：專業(yè)核心課先修課程：Python程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集與清洗、算法設(shè)計(jì)與分析、數(shù)據(jù)挖掘與機(jī)器學(xué)習(xí)一、課程的性質(zhì)及任務(wù)《數(shù)據(jù)可視化》課程是數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)專業(yè)學(xué)生的專業(yè)核心課，該門課利用圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來(lái)，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。它涉及到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域，成為研究數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)處理、決策分析等一系列問(wèn)題的綜合技術(shù)。該課程注重于開發(fā)滿足用戶所關(guān)注的數(shù)據(jù)信息，借助于圖形化手段，清晰有效地傳達(dá)與溝通信息。依據(jù)河北工程大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃，本課程需要培養(yǎng)學(xué)生的能力是：能夠?qū)?shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)相關(guān)知識(shí)用于大數(shù)據(jù)工程問(wèn)題解決方案的比較與綜合（畢業(yè)要求指標(biāo)1.4）掌握基本的大數(shù)據(jù)開發(fā)環(huán)境的配置和應(yīng)用，熟練掌握軟件開發(fā)語(yǔ)言(如Python、Java語(yǔ)言等)，并能夠運(yùn)用集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行復(fù)雜程序設(shè)計(jì)（畢業(yè)要求指標(biāo)5.1）具備使用大數(shù)據(jù)平臺(tái)以及軟件對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行仿真的能力，理解其使用要求、運(yùn)用范圍和局限性（畢業(yè)要求指標(biāo)5.3）了解大數(shù)據(jù)系統(tǒng)工程及產(chǎn)品全周期、全流程的成本構(gòu)成，理解其中涉及的工程管理與經(jīng)濟(jì)決策問(wèn)題（畢業(yè)要求指標(biāo)11.2）能夠在多學(xué)科環(huán)境下(包括模擬環(huán)境)，在設(shè)計(jì)開發(fā)解決方案的過(guò)程中，運(yùn)用工程管理與經(jīng)濟(jì)決策方法（畢業(yè)要求指標(biāo)11.3）二、課程目標(biāo)與要求2.1課程目標(biāo)1、本課程的目的是提高學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)可視化原理和方法的理解。2、能分析、設(shè)計(jì)和實(shí)施滿足給定功能要求的可視化圖表。3、通過(guò)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和項(xiàng)目制作等環(huán)節(jié)，以團(tuán)隊(duì)合作方式讓學(xué)生掌握如何根據(jù)功能要求提出可視化設(shè)計(jì)方案、進(jìn)行可視化系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)。4、培養(yǎng)學(xué)生對(duì)現(xiàn)有可視化系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)能力。5、培養(yǎng)學(xué)生問(wèn)題發(fā)現(xiàn)與解決能力。6、培養(yǎng)學(xué)生書面表達(dá)與口頭答辯能力。7、培養(yǎng)學(xué)生個(gè)人分工與團(tuán)隊(duì)合作能力。8、通過(guò)項(xiàng)目全過(guò)程訓(xùn)練強(qiáng)化學(xué)生的問(wèn)題抽象、發(fā)散思維和實(shí)際動(dòng)手能力。

數(shù)據(jù)可視化課程教學(xué)大綱PAGE16PAGE2292.2課程目標(biāo)與畢業(yè)要求對(duì)應(yīng)關(guān)系課程目標(biāo)畢業(yè)要求二級(jí)指標(biāo)畢業(yè)要求12345678●●●1-4能夠?qū)?shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)相關(guān)知識(shí)用于大數(shù)據(jù)工程問(wèn)題解決方案的比較與綜合。1.工程知識(shí)應(yīng)用能力：具有扎實(shí)的數(shù)學(xué)與自然科學(xué)知識(shí)和工程基礎(chǔ)，系統(tǒng)地掌握數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)領(lǐng)域的基本理論、基礎(chǔ)知識(shí)，并綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決復(fù)雜工程問(wèn)題?！瘛?-1掌握基本的大數(shù)據(jù)開發(fā)環(huán)境的配置和應(yīng)用，熟練掌握軟件開發(fā)語(yǔ)言(如Python、Java語(yǔ)言等)，并能夠運(yùn)用集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行復(fù)雜程序設(shè)計(jì)；5.使用現(xiàn)代工具能力：能夠針對(duì)大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的復(fù)雜工程問(wèn)題，開發(fā)、選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代信息技術(shù)工具，包括對(duì)大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的復(fù)雜工程問(wèn)題的預(yù)測(cè)與仿真，并能夠理解其局限性?！瘛瘛?-3具備使用大數(shù)據(jù)平臺(tái)以及軟件對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行仿真的能力，理解其使用要求、運(yùn)用范圍和局限性?！瘛瘛瘛?1-2了解大數(shù)據(jù)系統(tǒng)工程及產(chǎn)品全周期、全流程的成本構(gòu)成，理解其中涉及的工程管理與經(jīng)濟(jì)決策問(wèn)題。11.項(xiàng)目管理能力：具有一定的項(xiàng)目管理知識(shí)和能力，理解并掌握大數(shù)據(jù)工程管理原理與經(jīng)濟(jì)決策方法，并能在多學(xué)科環(huán)境中應(yīng)用●●●11-3能夠在多學(xué)科環(huán)境下(包括模擬環(huán)境)，在設(shè)計(jì)開發(fā)解決方案的過(guò)程中，運(yùn)用工程管理與經(jīng)濟(jì)決策方法。2.3課程目標(biāo)與培養(yǎng)環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)矩陣序號(hào)課程目標(biāo)理論教學(xué)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)課后作業(yè)1本課程的目的是提高學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)可視化原理和方法的理解。HL2能分析、設(shè)計(jì)和實(shí)施滿足給定功能要求的可視化圖表。HL3通過(guò)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和項(xiàng)目制作等環(huán)節(jié)，以團(tuán)隊(duì)合作方式讓學(xué)生掌握如何根據(jù)功能要求提出可視化設(shè)計(jì)方案、進(jìn)行可視化系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)。HL4培養(yǎng)學(xué)生對(duì)現(xiàn)有可視化系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)能力。HL5培養(yǎng)學(xué)生問(wèn)題發(fā)現(xiàn)與解決能力。MH6培養(yǎng)學(xué)生書面表達(dá)與口頭答辯能力。MM7培養(yǎng)學(xué)生個(gè)人分工與團(tuán)隊(duì)合作能力。MM8通過(guò)項(xiàng)目全過(guò)程訓(xùn)練強(qiáng)化學(xué)生的問(wèn)題抽象、發(fā)散思維和實(shí)際動(dòng)手能力。HL注：H表示該能力的在此環(huán)節(jié)重點(diǎn)培養(yǎng)；M表示該能力在此環(huán)節(jié)有應(yīng)用要求；L表示該能力在此環(huán)節(jié)有所涉及。Python程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)大綱PAGE2PAGE2352.4目標(biāo)達(dá)成度的評(píng)價(jià)1、課程目標(biāo)1、2、3、4主要通過(guò)理論教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行培養(yǎng)，在課后作業(yè)中有所涉及。主要通過(guò)課堂測(cè)試、課后作業(yè)和期末考試中概念性、原理性題目進(jìn)行考核。目標(biāo)達(dá)成綜合以上內(nèi)容進(jìn)行評(píng)價(jià)。2、課程目標(biāo)5主要通過(guò)理論教學(xué)環(huán)節(jié)、課后作業(yè)進(jìn)行培養(yǎng)，在課內(nèi)實(shí)驗(yàn)有應(yīng)用要求。主要通過(guò)課堂測(cè)試，課后作業(yè)和期末考試考核，在3、課程目標(biāo)6主要通過(guò)理論教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行培養(yǎng)。目標(biāo)達(dá)成綜合以上內(nèi)容進(jìn)行評(píng)價(jià)。4、課程目標(biāo)7主要通過(guò)理論教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行培養(yǎng)，在課后作業(yè)、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)有應(yīng)用要求。目標(biāo)達(dá)成綜合以上內(nèi)容進(jìn)行評(píng)價(jià)。5、課程目標(biāo)8主要通過(guò)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)，在課后作業(yè)中有所涉及。目標(biāo)達(dá)成綜合以上內(nèi)容進(jìn)行評(píng)價(jià)。三、教學(xué)方法及手段理論教學(xué)以課堂講授為主，面向基礎(chǔ)知識(shí)的準(zhǔn)確、扎實(shí)掌握，突出對(duì)原理的分析、對(duì)方法的總結(jié)以及理論體系的完整建立；理論教學(xué)強(qiáng)調(diào)將各種算法可視化圖形繪制出來(lái)，面向知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用；課程強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)通過(guò)自學(xué)的方式消化、吸收課程的龐大知識(shí)量，并在此基礎(chǔ)上舉一反三。四、課程的基本內(nèi)容與教學(xué)要求第一章緒論從介紹概念和發(fā)展簡(jiǎn)史談起，探討數(shù)據(jù)本身、視覺(jué)感知以及可視化美學(xué)三個(gè)層次的原理，通過(guò)介紹經(jīng)典數(shù)據(jù)可視化作品，讓學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)可視化建立初步的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)對(duì)該課程的興趣。本章各節(jié)安排如下：1.1小節(jié)講解了數(shù)據(jù)可視化概念與簡(jiǎn)史。1.2小節(jié)概括數(shù)據(jù)可視化的基本原理。第二章數(shù)據(jù)可視化工具與元素本章主要內(nèi)容分為兩個(gè)部分：一是介紹數(shù)據(jù)可視化工具，從集成軟件、編程語(yǔ)言以及后期制作三個(gè)角度探討，每個(gè)角度介紹三種左右的主流工具，要求學(xué)生對(duì)這些工具有初步的認(rèn)識(shí)。二是介紹數(shù)據(jù)可視化元素（視覺(jué)編碼），并結(jié)合數(shù)據(jù)類型介紹基本的編碼組合。本章各節(jié)安排如下。2.1節(jié)介紹數(shù)據(jù)可視化工具。2.2節(jié)介紹數(shù)據(jù)可視化元素。第三章結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)可視化圖形介紹常用的數(shù)據(jù)可視化圖形，每一類圖形從四個(gè)角度探討：一是圖形所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類型，二是圖形所用到的視覺(jué)編碼元素，三是如何讀懂圖形，四是Python的圖形繪制實(shí)踐。在第一節(jié)和第二節(jié)中，還會(huì)介紹基于分類變量的分組或分面操作。本章各節(jié)安排如下。3.1節(jié)介紹基本數(shù)據(jù)圖形。3.2節(jié)介紹描述分布圖形。3.3節(jié)介紹多維數(shù)據(jù)圖形。第四章基于算法模型的可視化分析針對(duì)回歸、分類和聚類三大機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)和降維方法介紹常用算法或模型的可視化分析，主要從兩個(gè)角度出發(fā)：一是探索性數(shù)據(jù)分析；二是分析結(jié)果的展示。本章各節(jié)安排如下。4.1節(jié)介紹線性回歸模型可視化分析。4.2節(jié)介紹決策樹算法可視化分析。4.3節(jié)介紹聚類算法可視化分析。4.4節(jié)介紹降維算法可視化分析。第五章非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)可視化介紹常見(jiàn)的非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)可視化，如數(shù)據(jù)的時(shí)空關(guān)系、社交網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和文本數(shù)據(jù)等。本章各節(jié)安排如下。5.1節(jié)介紹時(shí)間數(shù)據(jù)可視化。我們常說(shuō)的時(shí)間數(shù)據(jù)（timedata），有時(shí)也稱時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)（temporaldata），簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是指隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)時(shí)間戳（timestamp）數(shù)據(jù)表示在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)狀態(tài)的數(shù)據(jù)，是大數(shù)據(jù)時(shí)代的典型特征之一，比如網(wǎng)站的網(wǎng)頁(yè)日志就是典型的時(shí)間戳數(shù)據(jù)時(shí)間序列（timeseries）數(shù)據(jù)，指按照時(shí)間順序把事物的變化發(fā)展記錄下來(lái)的數(shù)據(jù)，研究隨時(shí)間變化發(fā)展的規(guī)律，常用于金融建模和預(yù)測(cè)本節(jié)重點(diǎn)介紹時(shí)間序列數(shù)據(jù)的可視化5.2節(jié)介紹了空間數(shù)據(jù)可視化。在某些空間區(qū)域的多個(gè)地點(diǎn)取得觀測(cè)如果同時(shí)獲得了這些地點(diǎn)的位置，并且位置與觀測(cè)相關(guān)聯(lián)，則稱之為空間數(shù)據(jù)探索空間數(shù)據(jù)最簡(jiǎn)單的方法就是用地圖，把數(shù)據(jù)放在地理坐標(biāo)系中，以經(jīng)緯度表示位置5.3節(jié)介紹了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可視化。5.4節(jié)介紹文本數(shù)據(jù)可視化。書面或口頭表達(dá)的詞匯序列，如一本書、一封電子郵件，或一條微博等很多時(shí)候，我們不只是分析一段文本，而是分析整個(gè)文本語(yǔ)料庫(kù)語(yǔ)料庫(kù)（Corpus）是一組大型、結(jié)構(gòu)化的文本（通常以電子方式存儲(chǔ)和處理）5.5節(jié)介紹可視化實(shí)戰(zhàn)。第六章用數(shù)據(jù)講故事數(shù)據(jù)本身很難有效傳遞知識(shí)，因此我們需要采用可視化手段對(duì)數(shù)據(jù)講故事，將數(shù)據(jù)提煉成信息，將信息總結(jié)成知識(shí)，將知識(shí)升華成智慧。單一的可視化圖形可能未必會(huì)構(gòu)成一個(gè)好的可視化作品，其信息傳遞受限，因此需要以某種圖形邏輯將多個(gè)圖形組合起來(lái)，并添加交互元素，形成有效視覺(jué)信息傳遞的Infographics作品。本章各節(jié)安排如下。6.1節(jié)介紹不同場(chǎng)景與受眾對(duì)數(shù)據(jù)可視化的影響。6.2節(jié)介紹信息圖。六、課程學(xué)時(shí)分配講次授課章節(jié)內(nèi)容學(xué)時(shí)分配講課實(shí)驗(yàn)上機(jī)設(shè)計(jì)其他1第一章數(shù)據(jù)可視化概念與簡(jiǎn)史22第一章數(shù)據(jù)可視化的基本原理23第二章數(shù)據(jù)可視化工具24第二章數(shù)據(jù)可視化元素25第三章結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)可視化圖形3.1基本數(shù)據(jù)圖形3.2描述分布圖形226第三章結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)可視化圖形3.3多維數(shù)據(jù)圖形227第四章基于算法模型的可視化分析4.1線性4.2決策樹28第四章基于算法模型的可視化分析4.3聚類4.4降維29第四章可視化分析實(shí)踐2410第五章非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)可視化5.1時(shí)間數(shù)據(jù)211第五章非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)可視化5.3空間數(shù)據(jù)212第五章非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)可視化5.3網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)213第五章非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)可視化5.4文本數(shù)據(jù)214第五章可視化分析實(shí)踐2415第六章用數(shù)據(jù)講故事2216第六章用數(shù)據(jù)講故事22注：實(shí)驗(yàn)課由實(shí)驗(yàn)教師負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)安排時(shí)間，原則上安排在課堂教學(xué)結(jié)束后、考試之前一周以上完成。七、課程考核與成績(jī)?cè)u(píng)定7.1考核方式考核環(huán)節(jié)包括課程學(xué)習(xí)過(guò)程考核和期末大作業(yè)，其中課程過(guò)程考核占總成績(jī)的40%，分別由課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行評(píng)定；期末大作業(yè)成績(jī)占總成績(jī)的60%。各環(huán)節(jié)的比重如下?？己谁h(huán)節(jié)比重合計(jì)過(guò)程考核（平時(shí)成績(jī)）課堂表現(xiàn)15%40%作業(yè)15%實(shí)驗(yàn)10%期末考核期末大作業(yè)60%60%總計(jì)100%100%7.2考核內(nèi)容及要求本課程為考察課?？己藘?nèi)容及分值分配如下。考核方式考核內(nèi)容分值課程目標(biāo)總分值期末考核60%對(duì)數(shù)據(jù)可視化基礎(chǔ)概念的理解2～4目標(biāo)1100分對(duì)數(shù)據(jù)可視化基礎(chǔ)概念的運(yùn)用2～5目標(biāo)2、7編程實(shí)現(xiàn)可視化圖形5～15目標(biāo)5、6、7對(duì)可視化圖形的創(chuàng)新5～15目標(biāo)3選題完成情況5～10目標(biāo)5、6團(tuán)隊(duì)協(xié)作10～20目標(biāo)4、5、6個(gè)人表現(xiàn)5～15目標(biāo)4、5、6文檔整體寫作情況15～30目標(biāo)4、5、6過(guò)程考核40%課堂表現(xiàn)課堂測(cè)試、出勤情況15目標(biāo)1、2、3、4、5、6、7課后作業(yè)作業(yè)完成情況15目標(biāo)2、3、4、6、7實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)出勤、實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告10目標(biāo)5、6、7、87.3成績(jī)?cè)u(píng)定1.課堂表現(xiàn)課堂表現(xiàn)總分15分，由課堂測(cè)試與課堂出勤情況評(píng)定。其中，課堂測(cè)試滿分10分，以客觀題（填空、選擇、判斷）為主，每學(xué)期隨堂測(cè)試15~20次，每次測(cè)試1~2道題目，每答錯(cuò)一道題目扣0.5分（直到扣滿10分為止）；課堂出勤滿分5分，缺勤一次扣1分，遲到或請(qǐng)假扣0.5分。2.課后作業(yè)課后作業(yè)總分15分，由作業(yè)完成情況評(píng)定。每學(xué)期布置作業(yè)5次，每次作業(yè)占3分，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如下；評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)分值標(biāo)準(zhǔn)描述課后作業(yè)3能夠按時(shí)認(rèn)真完成作業(yè)、作業(yè)態(tài)度認(rèn)真、書寫清楚、分析計(jì)算正確。2能夠按時(shí)完成作業(yè)、作業(yè)態(tài)度較好、書寫較清楚、分析計(jì)算基本正確1能夠按時(shí)完成作業(yè)、作業(yè)態(tài)度一般、書寫不清楚、分析計(jì)算錯(cuò)誤較多0不交作業(yè)或作業(yè)態(tài)度不認(rèn)真、抄襲他人作業(yè)3.實(shí)驗(yàn)成績(jī)實(shí)驗(yàn)成績(jī)占所學(xué)課程的10%，即10分。根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告結(jié)果，進(jìn)行綜合評(píng)定。4.期末考核采用大作業(yè)形式進(jìn)行，期末成績(jī)?yōu)榘俜种?，?jì)入總成績(jī)時(shí)乘以60%，考核完成后在綜合教務(wù)系統(tǒng)中按照設(shè)定的占比系數(shù)錄入成績(jī)。八、課程評(píng)價(jià)與持續(xù)改進(jìn)8.1課程評(píng)價(jià)課程評(píng)價(jià)周期定為每1年評(píng)價(jià)一次。設(shè)置達(dá)成情況目標(biāo)值，采用成績(jī)分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)。課程達(dá)成評(píng)價(jià)根據(jù)數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)專業(yè)課程達(dá)成評(píng)價(jià)方法進(jìn)行計(jì)算，評(píng)價(jià)結(jié)果用于持續(xù)改進(jìn)。大數(shù)據(jù)系負(fù)責(zé)人組織教師實(shí)施課程評(píng)價(jià)，制定持續(xù)改進(jìn)措施，監(jiān)督持續(xù)改進(jìn)過(guò)程。課程負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)撰寫課程考核總結(jié)報(bào)告，實(shí)施課程評(píng)價(jià)持續(xù)改進(jìn)。8.2持續(xù)改進(jìn)1）日常教學(xué)：根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況，教師采取座談會(huì)、與學(xué)生單獨(dú)交流，及時(shí)調(diào)整教學(xué)方法、進(jìn)度，做出教學(xué)改進(jìn)。2）實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)：根據(jù)學(xué)生數(shù)據(jù)