運用Python可視化技術 提高中學編程教學趣味性

毛星皓

摘要：如何提高學生的積極性，是中學編程教學始終需要關注的問題。本文以詞云制作為例，探討在Python教學中，通過合理設計教學任務，綜合運用Jieba、Wordcloud、Matplotlib和Numpy等庫提供的分詞、可視化等技術，采取循序漸進、不斷完善的教學方法，逐步實現教學目標。同時，降低編程教學的門檻，提高趣味性，幫助學生克服畏難情緒，充分調動積極性、主動性，有效提升教學效果。

關鍵詞：高中信息技術;Python;詞云;分詞;圖形繪制

中圖分類號：G642 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）17-0136-02

1概述

隨著人工智能時代的到來，編程技術已成為未來人才的必備技能。具備良好的編程思維和編程技術，不僅是信息產業從業人員的基本素養，也必將成為所有產業對人才的根本需求。因此，世界各國紛紛將編程教學列入義務教育的必修內容。自2014年起，英國在義務教育中加入了編程課程。美國于2015年提出在10年內普及中小學生編程教育。澳大利亞于2016年正式將編程引入全國必修課程。日本則提出，自2020年起，小學必須確保為學生提供計算機編程體驗和學習機會，到2021年，初中必須提供計算機編程課程。在我國教育部于2019年3月13日發布的《2019年教育信息化和網絡安全工作要點》中也明確指出，國家將推動在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育。可見，編程教學在今后的教育體系中，必將占據日益重要的地位。

與成人教育有所不同，面向中學生開展編程教學，不僅需要傳授扎實的編程知識，培養良好的編程習慣，更重要的是要科學設計教學任務，合理安排教學過程，以便提高編程的趣味性和成就感，充分調動學生的學習興趣，獲得較好的教學效果。在這方面，Python語言具有很大的優勢。

Python語言的語法結構清晰，代碼形式簡潔，是公認的最接近自然語言的編程語言。與傳統的編程語言如C、Java等相比，語法細節較少，記憶負擔較輕。可視化手段豐富，能夠便捷地實現生動、直觀的輸出效果，有利于提高編程的趣味性和成就感，對于中學生來說，更容易上手和靈活應用。同時，Python語言開放性好，庫資源豐富，能夠方便地實現數據采集、清洗和分析，編程效率高，當前在數據分析、機器學習等領域得到了非常廣泛的應用，發展前景廣闊。因此，在國外一些發達國家排名前百的高中和大學中，有超過6成均開設了Python 以及相關課程，部分學校已經將計算機專業課程設計中的第一編程語言從Java改成了Python（于雁2019）。

以Wordcloud庫為例，該庫是一個功能強大的第三方庫，不僅可以根據文本中詞語的出現頻率繪制詞云，還可靈活設定詞云的字體、顏色、形狀等，從而從視覺上凸顯高頻詞及其相應的頻次，揭示文本的主要參與者和故事脈絡，是一種優秀的數據呈現形式。本文將充分利用Wordcloud庫及相關庫的功能，結合中學生的喜好，合理設計教學任務和過程，循序漸進，做到寓教于樂，有效提高編程教學的趣味性。

2教學目標及編程環境準備

本案例的教學目標是指導學生運用Python的庫資源，制作一個文本的詞云，并通過設置參數，控制輸出圖像的尺寸、內容和形狀等。制作詞云通常分為三個步驟，即分詞、圖像繪制和輸出，分別使用Jieba、Wordcloud和Matplotlib三個庫，涉及Windows命令提示符環境下的指令輸入、數據類型、文件操作以及Python庫的安裝、調用以及參數傳遞等重要知識點。

首先，指導學生啟動命令提示符，依次輸入命令，安裝Jieba、Wordcloud和Matplotlib等本程序所需的庫，由此學習Python第三方庫的安裝方法（例1）。如果在安裝過程中，提示pip工具版本過低，就應該先更新Pip包管理工具（例2）。當Pip更新到最新版本后，如果安裝Wordcloud還是報錯，我們就必須采取第二種安裝方法，即根據當前使用的Python版本，在https：//www.lfd.uci.edu/～gohlke/pythonlibs/#wordcloud網頁上選擇正確的安裝文件（如3.7.x版本的Python必須匹配cp37的包）并下載。隨后，在命令提示符環境下輸入以下語句進行安裝（例3）。

（1） pip install （庫名，如jieba等）

（2） python -m pip install --upgrade pip

（3） pip install wordcloud-1.5.0-cp37-cp37m-win32.whl

要運行Wordcloud，還需要Pillow、Numpy和Matplotlib庫的支持。如果系統還沒有安裝這些庫，程序會自動下載并安裝。

最后，我們需要準備一個文本文件作為解析對象，可由學生自由選擇，以提高編程的趣味性。本案例使用的是一部在中學生中很受歡迎的網絡小說《全職高手》。

3程序的編制與完善

要實現基本的詞云繪制功能，只需要使用Jieba和Wordcloud庫。其中，Jieba是目前最好的中文分詞工具，提供精確模式、全模式和搜索引擎模式三種分詞方式。本案例使用其默認的精確模式。Wordcloud則是詞云制作工具。在教學過程中，教師需要著重講解的內容包括庫的導入、功能調用和參數傳遞等。學生只需編寫6條語句，就能完成庫導入、讀文本、分詞、調用Wordcloud、生成詞云和保存圖像（例4-9），從而實現程序的基本功能，并獲得詞云的圖像文件（圖1）。在此基礎上，教師可以指導學生通過修改例7中“width”“height”“background_color”以及“font_path”等參數，調整圖片的寬、高、背景色以及字體。

（4） import jieba，wordcloud

（5） text = open（"全職高手.txt"）.read（）

（6） text = " ".join（jieba.cut（text））

（7） w=wordcloud.WordCloud（width=1000，height=700，background_color="white"，font_path="C：＼＼Windows＼＼Fonts＼＼msyh.ttc"）

（8） w.generate（text）

（9） w.to_file（"wordcloud.png"）

在完成基礎程序編制的基礎上，教師可以指導學生設置一些屬性，進一步完善詞云的分析結果和顯示效果。例如，觀察圖1我們發現，“葉修”一詞最大，說明其出現頻率最高，是該小說的核心人物。但是，“他們”“但是”“已經”“這樣”等詞盡管使用也很頻繁，卻缺乏指向性。因此，最好作為停用詞予以排除。Wordcloud的停用詞應設為set（集合）類型，并在調用該庫時將其作為“Stopwords”屬性傳遞給Wordcloud（例10-12）。如果停用詞較多，我們還可以將其統一設為數組，并用for循環，逐一添加進Stopwords（篇幅關系，代碼省略）。在排除“他們”“但是”“這樣”“自己”“就是”“沒有”等16個停用詞后，獲得了新的詞云（圖2）。在該圖中，除“葉修”外，“君莫笑”“陳果”等人物也凸顯出來。同時，“現在”“此時”的出現頻率很高，說明作品中對故事發生時的場景描寫較多。“角色”“攻擊”“技能”“選手”等詞使用較多，也符合作品描寫主人公如何成長成為一名游戲選手的故事情節。可見，排除部分停用詞后，故事的出場人物和相關信息更加清晰了。

（10） Stopwords=set（""）

（11） Stopwords.add（"他們"）

（12） w=wordcloud.WordCloud（stopwords=Stopwords，width=1000，height=700，background_color="white"，font_path="C：＼＼Windows＼＼Fonts＼＼msyh.ttc"）

Wordcloud默認繪制的方形圖片盡管內容翔實，但仍不夠有趣。因此，教師可以指導學生通過mask屬性設置蒙板，改變輸出圖像的形狀，進一步提高編程的趣味性。該屬性需要一個二值化的mask。為此，我們導入繪圖庫Matplotlib以及Numpy數學函數庫，用前者提供的圖像處理功能打開構建蒙板所用的圖片文件（圖3），并用后者的array指令完成由彩色圖片向二值化數據的轉化（例13）。在將mask屬性傳遞給Wordcloud后（例14），高頻詞將被顯示在蒙板圖片中非白色的位置上（圖4）。于是，程序輸出更加生動、有趣了。

（13） MaskImg=np.array（Image.open（"mycf.jpg"））

（14） w=wordcloud.WordCloud（mask=MaskImg，width=1000，height=700，background_color="white"，font_path="C：＼＼Windows＼＼Fonts＼＼msyh.ttc"）

4結語

本文以詞云制作為例，探討了如何科學規劃教學內容，合理設計教學過程，巧妙運用可視化等技術，提高Python編程教學的趣味性。盡管在教學過程中，涉及命令提示符環境下的指令輸入、數據類型、文件操作以及Jieba、Wordcloud、Matplotlib和Numpy等重要的庫的導入、功能調用和參數傳遞等眾多知識點，但并不顯得枯燥、晦澀。由于采取了循序漸進、不斷完善的教學方法，且輸出形式直觀、生動，因此學習過程較為輕松，富有樂趣。

綜上所述，Python語言具有良好的開放性，第三方庫資源豐富、強大，語法較為簡單、代碼量較少，有效地降低了程序編制的門檻，非常適合中學生學習。目前，Python語言已進入中學信息技術課程。但時間尚短，教學體系有待完善，教學內容有待豐富，急需我們結合中學生習得特點，充分發揮其綜合優勢，科學設計教學內容，合理規劃教學過程，引導學生運用Matplotlib等繪制圖表，運用爬蟲技術制作單詞表或運用Pygame等編制游戲，從而幫助他們獲得更多樂趣和成就感，消除畏難情緒，充分調動學習積極性和主動性，以便快速提高編程水平，有效提升教學效果。

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【通聯編輯：王力】