申志軍，高 靜

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機(jī)與信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010020）

0 引言

實(shí)踐教學(xué)是本科教學(xué)的一個重要環(huán)節(jié)，學(xué)生從中可獲得對理論知識的感性認(rèn)識，增強(qiáng)對理論知識的理解，提升其工程實(shí)踐能力［1］.早在2012年教育部、宣傳部等在《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高校實(shí)踐育人工作的若干意見》［2］中明確提到要“強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)”，同時指出“實(shí)踐教學(xué)是學(xué)校教學(xué)工作的重要組成部分，是深化課堂教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，是學(xué)生獲取、掌握知識的重要途徑”.從結(jié)果上看，實(shí)踐教學(xué)效果的優(yōu)劣事關(guān)學(xué)生工程實(shí)踐能力［3］，事關(guān)畢業(yè)生就業(yè)率和學(xué)校的社會滿意度.因此，關(guān)于實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)模式、教學(xué)方法、實(shí)踐平臺、實(shí)踐基地、效果評價等已成為高校教育的研究熱點(diǎn)［4-7］.

目前，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)效果評價依然是人才培養(yǎng)過程中的薄弱環(huán)節(jié)［8］，具體表現(xiàn)如下：成績量化困難.理論教學(xué)效果可直觀地用“會不會”來判斷，可直接使用卷面成績來度量.實(shí)踐教學(xué)效果具有天然的模糊空間，該教的都教了，學(xué)生該做的也做了，但效果的優(yōu)劣難以用直觀的尺度來衡量.

答案重復(fù)率高.理論教學(xué)一般不會出現(xiàn)大量雷同試卷，重復(fù)率較低.實(shí)踐教學(xué)持續(xù)時間較長，難以對過程作嚴(yán)密的監(jiān)控，導(dǎo)致答案的相似程度偏高且難以辨識.

最后是結(jié)果區(qū)分度不高.尤其是對于分組完成特定任務(wù)的情況，組內(nèi)各成員之間的貢獻(xiàn)難以量化，完全憑借同學(xué)們的自覺往往并不可靠，客觀上造成學(xué)生的成績差異不顯著.

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)數(shù)據(jù)處理及可視化教學(xué)團(tuán)隊在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中同樣遇到了上述問題，經(jīng)過多輪教學(xué)實(shí)踐，逐步探索了一套科學(xué)合理且可操作性較強(qiáng)的實(shí)踐教學(xué)評價方案.

1 數(shù)據(jù)處理及可視化實(shí)踐教學(xué)效果評價存在的問題

1.1數(shù)據(jù)處理及可視化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的內(nèi)容數(shù)據(jù)處理及可視化是數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)的核心課程，課程教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和對分析結(jié)果的可視化繪圖.知識點(diǎn)較為零碎且需要大量的實(shí)踐操作，不適合采用閉卷的方式考核，因此，一般采用學(xué)生自由分組并完成特定項目的方式進(jìn)行考核，如對給定的數(shù)據(jù)集進(jìn)行缺失值、重復(fù)值和異常值處理，之后對數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分、合并、分組、變形等操作，最后對分析結(jié)果進(jìn)行可視化處理，一般需要根據(jù)數(shù)據(jù)的性質(zhì)和內(nèi)容選擇合適圖形來展示，如柱形圖、折線圖、雷達(dá)圖、氣泡圖等.對于部分特別優(yōu)秀、動手能力較強(qiáng)的團(tuán)隊允許自行從網(wǎng)絡(luò)爬取數(shù)據(jù)，之后根據(jù)既定的項目工作內(nèi)容進(jìn)行后續(xù)操作.數(shù)據(jù)處理及可視化課程的實(shí)踐內(nèi)容包括numpy、pandas和matplotlib三個包的運(yùn)用，pandas應(yīng)用實(shí)踐的主要內(nèi)容如圖1所示.

圖1 pandas部分的實(shí)踐內(nèi)容Fig.1 The practical contents of pandas

1.2早期實(shí)踐教學(xué)評價存在的問題數(shù)據(jù)處理及可視化實(shí)踐教學(xué)中的工程案例往往內(nèi)容較多，課堂教學(xué)時間內(nèi)難以對學(xué)生的部分成果作出科學(xué)客觀的評價，只能允許學(xué)生在課下完成，其結(jié)果是過程不可控，學(xué)生帶來的結(jié)果多數(shù)類似，錯誤的地方也相似，難以客觀評價真實(shí)的學(xué)習(xí)效果.圖2所示為2018—2019學(xué)年100名學(xué)生的分?jǐn)?shù)統(tǒng)計結(jié)果.

圖2（a）所示為學(xué)生成績分布的散點(diǎn)圖，橫軸為學(xué)生序號，縱軸為最終的考核分?jǐn)?shù)，主要反映學(xué)生成績的散布情況；圖2（b）所示為100名學(xué)生成績的頻數(shù)直方圖和概率密度圖，主要反映學(xué)生成績是否從整體上服從正態(tài)分布，是否符合正常的統(tǒng)計學(xué)規(guī)律.

圖2 2018—2019學(xué)年100名學(xué)生的分?jǐn)?shù)統(tǒng)計Fig.2 Score statistics of 100 students in 2018—2019 school year

從圖2（a）可以看出，因2018—2019學(xué)年當(dāng)時尚未使用本文所提出的實(shí)踐教學(xué)效果評價方案，學(xué)生提交的結(jié)果相似度較高且區(qū)分困難，100名學(xué)生成績都集中在75～88之間，不能有效反映實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)效果.從圖2（b）可以看出學(xué)生成績不符合正態(tài)分布，不符合正常的統(tǒng)計學(xué)規(guī)律.

2 數(shù)據(jù)處理及可視化實(shí)踐教學(xué)效果評價的優(yōu)化方案

2.1優(yōu)化后的實(shí)踐教學(xué)評價過程作者對數(shù)據(jù)處理及可視化實(shí)踐教學(xué)評價方法不斷進(jìn)行迭代優(yōu)化，最終形成包含分組、選題、工程實(shí)踐、答辯和文檔撰寫5個步驟的實(shí)踐教學(xué)效果評價過程，如圖3所示.

圖3優(yōu)化后的實(shí)踐教學(xué)評價過程Fig.3 Optimized practice teaching evaluation steps

2.1.1 分組鼓勵同學(xué)之間通過自由組合組成總數(shù)不超過3名同學(xué)的戰(zhàn)隊共同完成任務(wù)，每組設(shè)組長一人，要求按照工程實(shí)踐的3部分內(nèi)容（numpy、pandas和matplotlib）進(jìn)行明確分工.要求組長對整個技術(shù)路線和細(xì)節(jié)最為熟悉，同時負(fù)責(zé)本組的任務(wù)分配和工作協(xié)調(diào)、最后要作為主要答辯人進(jìn)行答辯.

第二成員，負(fù)責(zé)一個知識點(diǎn)的所有技術(shù)實(shí)踐，同時作為該知識點(diǎn)的主要答辯人，負(fù)責(zé)撰寫本組工程項目的技術(shù)文檔.

第三成員，負(fù)責(zé)一個知識點(diǎn)的所有技術(shù)實(shí)踐，同時作為該知識點(diǎn)的主要答辯人.

為鼓勵團(tuán)隊合作，總成績中設(shè)團(tuán)隊合作基礎(chǔ)分，團(tuán)隊人數(shù)在2人或3人的，該組可自動獲得10分.但同時也允許某些同學(xué)一個人完成所有任務(wù)，這種情況下將無法獲得團(tuán)隊合作基礎(chǔ)分.

2.1.2 選題分組完成后需要在教師給定的題目范圍內(nèi)進(jìn)行選題，選題的首要原則就是必須保證各小組的選題不能重復(fù)，為此本教學(xué)團(tuán)隊開展了數(shù)據(jù)集的建設(shè)工作.

首先在數(shù)量上滿足要求，團(tuán)隊通過下載、網(wǎng)絡(luò)爬取以及數(shù)據(jù)脫敏［9］等技術(shù)手段，建設(shè)完成了一個基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，包含200多個不同領(lǐng)域、不同數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)文件，同時還計劃每年增加10～20個數(shù)據(jù)文件.數(shù)據(jù)處理及可視化課程每年選修人數(shù)在120左右，按照分組要求，每年的實(shí)踐考核需要50個左右的數(shù)據(jù)文件作為原始素材，200個數(shù)據(jù)文件足以保證數(shù)據(jù)素材不重復(fù)，基本解決了重復(fù)選題和重復(fù)答卷問題.

其次在質(zhì)量方面精益求精，團(tuán)隊要求備選數(shù)據(jù)文件既要具有豐富的多維數(shù)值型數(shù)據(jù)滿足對常規(guī)的算術(shù)運(yùn)算、關(guān)系運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、統(tǒng)計和排序等進(jìn)行訓(xùn)練，還要有字符型數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)One-hot編碼等需求.力求覆蓋到所有的知識點(diǎn)以提升考核過程的深度和廣度.

最后，對于動手能力較強(qiáng)且具有爬蟲編程能力的小組，團(tuán)隊允許在教師認(rèn)可的前提下通過網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)爬取真實(shí)的行業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析和可視化操作.

2.1.3 工程實(shí)踐各小組在完成選題后，即可在組長的協(xié)調(diào)下進(jìn)行分工合作，首先了解數(shù)據(jù)，根據(jù)具體的數(shù)據(jù)素材規(guī)劃好數(shù)據(jù)分析的目標(biāo)和任務(wù)，在做好相關(guān)計劃的基礎(chǔ)上通過查閱API文檔、網(wǎng)站資料和書籍等方法獲取尚未掌握的技術(shù)方法和手段，然后通過具體實(shí)踐逐步完成既定的任務(wù).

2.1.4 答辯每組在完成既定任務(wù)后需要答辯，答辯時所有組員同時上場，按事先約定的責(zé)任劃分，回答各自范圍內(nèi)的問題，在一定程度上避免濫竽充數(shù)現(xiàn)象，答辯成績共80分，由如下4個部分組成：數(shù)據(jù)處理占20分、數(shù)據(jù)分析占20分、數(shù)據(jù)可視化占20分、難度/完整度占20分.答辯時，由團(tuán)隊3名以上老師集體打分，取算術(shù)平均值作為每個小組的答辯環(huán)節(jié)得分.

2.1.5 撰寫文檔答辯之后，每個小組應(yīng)將實(shí)踐過程在Jupyter Notebook環(huán)境中的命令和輸出結(jié)果以及目錄和注釋信息保存為pdf文件作為該組的工程文檔，注釋要盡可能詳盡，文檔質(zhì)量占10分.

綜上所述，每個小組的組成績滿分為100分，由團(tuán)隊合作的基礎(chǔ)分10分、答辯環(huán)節(jié)的80分和小組最終的技術(shù)文檔10分組成.通過上述考核過程，可獲得每個小組的組成績.

2.2個人成績折算方案 上述考核過程通過諸多環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了對每個小組的學(xué)習(xí)效果評價，但并未明確給出每個成員的得分.一般而言，很難精確認(rèn)定組內(nèi)各成員的貢獻(xiàn)，通過多輪課程的實(shí)踐總結(jié)和調(diào)整優(yōu)化，團(tuán)隊最終確定引入貢獻(xiàn)權(quán)重的計算方法核算每位成員的得分，方案如下：

若令第i小組的組成績?yōu)镾i，其組長、第二成員和第三成員的貢獻(xiàn)權(quán)重分別為w1，w2和w3，組長、第二成員和第三成員的個人成績分別記為S1i，S2i和S3i.則有：

采用上述方案可調(diào)動學(xué)生承擔(dān)責(zé)任的積極性，在一定程度了減少了“掛名”現(xiàn)象，客觀上提高了學(xué)生成績之間的區(qū)分度及合理性.

3 數(shù)據(jù)處理及可視化實(shí)踐教學(xué)評價方案的實(shí)際效果

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)據(jù)處理及可視化教學(xué)團(tuán)隊在2019—2020學(xué)年連續(xù)兩個學(xué)期使用優(yōu)化后的實(shí)踐教學(xué)評價方案對實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行考核，第一學(xué)期選修人數(shù)116人，個人成績折算系數(shù)選擇w1=1.0，w2=0.9，w3=0.8，學(xué)生成績統(tǒng)計如圖4所示.從圖4可以看出，學(xué)生的成績散布在61～92的區(qū)間內(nèi)，樣本標(biāo)準(zhǔn)差約為5.4，表現(xiàn)出較優(yōu)的區(qū)分度，且整體成績服從正態(tài)分布，符合統(tǒng)計學(xué)規(guī)律.

2019—2020學(xué)年第二學(xué)期，數(shù)據(jù)處理及可視化選修人數(shù)為122人，個人成績折算系數(shù)選擇w1=1.0，w2=0.85，w3=0.7，學(xué)生成績統(tǒng)計結(jié)果如圖5所示.從圖5可以看出，調(diào)整貢獻(xiàn)權(quán)重后學(xué)生的分值差距變大了，分布在53～99之間，樣本標(biāo)準(zhǔn)差為8.6，整體成績同樣符合正態(tài)分布.但很明顯，貢獻(xiàn)權(quán)重的調(diào)整會使第三組員的成績顯著降低，整體不及格率上升，因此在實(shí)踐中應(yīng)考慮實(shí)際情況選擇合理的貢獻(xiàn)權(quán)重.

圖4 2019—2020學(xué)年第一學(xué)期的分?jǐn)?shù)統(tǒng)計Fig.4 Score statistics of the first semester of 2019—2020 school year

圖5 2019—2020學(xué)年第二學(xué)期的分?jǐn)?shù)統(tǒng)計Fig.5 Score statistics of the second semester of 2019—2020 school year

無論采用哪種貢獻(xiàn)權(quán)重，圖4和圖5的結(jié)果相對圖2而言，明顯具有更優(yōu)的成績區(qū)分度，也更符合正常的統(tǒng)計學(xué)規(guī)律.統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明數(shù)據(jù)處理及可視化教學(xué)團(tuán)隊針對實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)所設(shè)計的考核方案在學(xué)生學(xué)習(xí)效果評價方面具有明顯的可適用、可解釋和可操作性.

4 總結(jié)

本文對數(shù)據(jù)處理及可視化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)生學(xué)習(xí)的評價方案進(jìn)行了研究和探索，目前初步解決了評價方法的適用性和可操作性，接下來通過逐步改進(jìn)和優(yōu)化，使之能夠適用于更多的實(shí)踐教學(xué)課程評價.事實(shí)上，在2018年教學(xué)評估中廣為詬病的平時成績問題和實(shí)踐教學(xué)評價問題具有較強(qiáng)的相似性，即同屬于過程考核環(huán)節(jié).因此本文的研究對于平時成績的考核也具有一定的參考價值.