数据可视化课程教学大纲

数据可视化课程教学大纲课程基本信息课程代码：课程名称（中/英）：数据可视化/DataVisualization学分：3总学时：45理论学时：33实践学时：12课程性质：选修开课学期：5适用专业：计算机类先修课程：高级程序设计开课单位：计算机学院大纲版本：2024.4一、课程简介数据可视化是计算机科学与认知心理学两大科学相结合的产物，是当前最为活跃的研究方向之一。数据是记录科学现象和客观世界的基本信息单元。当今世界每时每刻都在产生大量的数据。数据可视化主要是借助于图形化手段，清晰有效地传达与沟通信息，从而为人类洞察数据的内涵、理解数据蕴藏的规律提供了重要的手段。随着计算机的广泛应用，人机交互与数据可视化已在多个领域发挥越来越多的作用。本课程是计算机科学技术专业一门重要的专业选修课，主要讲述人机交互与数据可视化的基本概念和基本方法，以及可视化展示和交互技术。主要内容有：(1)原理篇：人机交互和可视化概述、数据可视化基础、数据可视化过程、数据可视化方法。(2)技术篇：介绍可视化工具ECharts的综合应用，同时介绍流行语言Python可视化上的应用。(3)应用篇：可视化在微信公众号舆情系统中的应用。二、课程目标（一）课程具体目标1．理解人机交互与可视化基础知识，了解数据基本概念，视觉感知，理解数据可视化的流程，数据可视化方法，以及人机交互与可视化的关系。2.掌握绘制可视图形和界面布局方法，能够按照数据需求进行可视形态设计和界面布局呈现。3.能够根据应用领域需求，选择恰当的可视形态、交互技术并结合数据可视化方法开发完整的交互式可视化系统。4.理解数据可视化在不同行业领域的实际应用案例。

（二）课程目标与专业毕业要求的关系毕业要求指标点课程目标相关教学活动如何支撑指标点1-4分析人工智能系统的复杂性，优选解决人工智能系统工程问题的解决方案。1．理解人机交互与可视化基础知识，了解数据基本概念，视觉感知，理解数据可视化的流程，数据可视化方法，以及人机交互与可视化的关系。达成途径：通过课堂讲解和讨论、作业，使学生了解人机交互与数据可视化的价值，能够使用技术手段解决人工智能系统工程问题。评价方式：通过随堂测试和期末考核，综合评价学生目标能力的达成程度。3-2设计特定需求算法，能够合理地组织数据、有效地存储和处理数据，编写程序，并进行算法分析和评价。2掌握绘制可视图形和界面布局方法，能够按照数据需求进行可视形态设计和界面布局呈现。达成途径：通过课堂讲解和讨论、作业和上机，使学生理解各类数据可视化形态的绘制方法和界面布局的应用，编写程序以分析、评价可视化设计。评价方式：通过上机作业和期末考核，综合评价学生目标能力的达成程度。3-3掌握基本的算法、硬件架构和软硬件资源管理，设计针对特定功能要求的硬件控制模块，并完成器件选型和硬件调试等。3.能够根据应用领域需求，选择恰当的可视形态、交互技术并结合数据可视化方法开发完整的交互式可视化系统。达成途径：通过课堂讲解、讨论、作业和上机，使学生掌握可视化开发方法和开发技术，实现一个完整的交互式可视化系统。评价方式：通过上机作业和期末考核，综合评价学生目标能力的达成程度。7-2了解信息化与环境保护、信息化与社会可持续发展的关系，并深入理解人工智能专业工程实践在信息安全方面给社会可持续发展带来的影响。4.理解数据可视化在不同行业领域的实际应用案例。达成途径：课堂讲解和讨论、作业和上机，使学生理解交互式可视化技术在不同行业领域的解决方案。评价方式：通过上机作业和期末考核，综合评价学生目标能力的达成程度。表1课程目标与专业毕业要求关系表（三）课程对解决复杂工程问题能力的培养本课程的教学过程应充分体现和落实对学生解决复杂工程问题能力的培养，理解复杂工程问题的内涵，认识复杂工程问题的特征，有针对性的培养和提高学生在数据可视化等领域应用实践中解决复杂工程问题的能力。在课程理论知识讲授环节，不但注重培养学生对数据可视分析基本概念原理的深入理解，使学生掌握数据可视分析领域复杂工程问题所需的基本理论以及了解相关技术对数据可视化、社会文化等的影响，跟踪人机交互与可视化技术发展前沿，探讨当前热点问题激发学生学习兴趣。并通过适当的课后作业锻炼检验学生解决复杂工程问题的能力。在上机环节中，以培养学生解决复杂工程问题的能力为目的，围绕课程目标安排上机项目，设计上机内容，明确上机要求，指导上机过程，严格上机成果考核。在课程考核环节，根据课程目标选择合适的考核方式，考题设置完全覆盖课程支撑的毕业要求指标点，考题设计充分体现对学生解决复杂工程问题能力的考查，考题的难度和深度应能够体现复杂工程问题的特征。总之，本课程的教学通过在理论讲授、课后作业、课内上机、课程考核等环节充分贯彻培养学生解决复杂工程问题能力的理念和要求，实现本课程目标。

三、教学内容及基本要求（一）理论教学第1单元人机交互与可视化概述（2学时）1．教学内容（1）数据可视化发展历程（2）数据可视化的目标和作用（3）数据可视化的优势（4）数据可视化与人机交互技术2．基本要求（1）掌握人机交互与可视化的基本概念；（2）理解可视化的目标、作用和优势；（3）了解数据可视化的发展历程，以及人机交互的关系。3．支撑的课程目标本单元教学通过“互动、开放”的课堂形式，采用探究式学习、基于问题的教学方法，使学生掌握人机交互与可视化的基本概念、理解数据可视化的目标、作用和优势，以及人机交互与可视化的关系，激发学生的学习兴趣，依据所掌握的知识点，提高分析解决复杂工程问题的能力，从而达到课程目标的要求。可以支撑课程目标1。第2单元数据可视化基础（4学时）1．教学内容（1）数据对象与属性类型（2）数据的基本统计描述（3）数据的相似性和相异性度量（4）视觉感知（5）视觉通道（6）可视化的组件 2．基本要求（1）理解视觉感知视觉通道；（2）掌握数据基本概念、统计描述和数据度量；（3）熟悉概念模型；（4）了解可视化的组件；3．支撑的课程目标本单元教学通过“互动、开放”的课堂形式，采用探究式学习、基于问题的教学方法，使学生理解视觉感知和视觉通道等认知原理，掌握数据基本概念、统计描述和数据度量，提高学生解决复杂工程问题的能力；依据所掌握的知识点，分析相关因素的影响，并发表自己的见解，达到课程目标的要求。可以支撑课程目标1。第3单元数据可视化过程（2学时）1．教学内容（1）数据可视化流程（2）数据处理和数据变换（3）可视化映射2．基本要求（1）理解数据可视化流程；（2）掌握数据处理和数据变换；（3）掌握可视化映射；3．支撑的课程目标本单元教学通过“互动、开放”的课堂形式，采用探究式学习、基于问题的教学方法，使学生理解数据可视化流程，掌握数据处理、数据变换和可视化映射，提高学生解决复杂工程问题的能力；依据所掌握的知识点，分析相关因素的影响，并发表自己的见解，达到课程目标的要求。可以支撑课程目标1、课程目标2和课程目标3。第4单元数据可视化方法（4学时）1．教学内容（1）二维标量场数据可视化方法（2）三维标量场数据可视化方法（3）向量场可视化方法（4）时间序列数据可视化方法（5）地理空间数据可视化方法（6）文本与文档可视化方法（7）层次数据可视化方法2．基本要求（1）了解二维标量场、三维标量场和向量场可视化方法；（2）理解文本与文档可视化方法；（3）掌握时间序列数据、地理空间数据和层次数据可视化方法；3．支撑的课程目标本单元教学通过“互动、开放”的课堂形式，采用探究式学习、基于问题的教学方法，使学生了解二维标量场、三维标量场和向量场可视化方法、掌握时间序列数据、地理空间数据和层次数据可视化方法、加深理解文本与文档可视化方法，提高学生解决复杂工程问题的能力；依据所掌握的知识点，分析相关因素的影响，并发表自己的见解，达到课程目标的要求。可以支撑课程目标1和课程目标3。第5单元可视化开发基础（4学时）1．教学内容（1）ECharts简介和使用（2）Javascript编程基础（3）SVG基础知识（4）DOM（5）Canvas（6）CSS语法基础2．基本要求（1）了解ECharts简介和使用；（2）理解DOM和CSS；（3）掌握Javascript、SVG、Canvas；3．支撑的课程目标本单元教学通过“互动、开放”的课堂形式，采用探究式学习、基于问题的教学方法，使学生了解ECharts简介和使用，理解DOM和CSS，掌握Javascript、SVG和Canvas编程基础；提高学生解决复杂工程问题的能力；依据所掌握的知识点，分析相关因素的影响，并发表自己的见解，达到课程目标的要求。可以支撑课程目标1。第6单元ECharts绘制图表入门（2学时）1．教学内容（1）ECharts图表入门（2）ECharts配置项和组件（3）ECharts数据集（4）获取外部数据2．基本要求（1）理解ECharts的基本概念、应用场景及其重要性。理解绘制柱状图和折线图。（2）理解并掌握ECharts配置项的结构和常用配置项的使用方法。（3）掌握数据绑定和获取外部数据方法。3．支撑的课程目标本单元教学通过“互动、开放”的课堂形式，采用探究式学习、基于问题的教学方法，使学生理解并掌握ECharts配置项和组件，掌握数据绑定和获取外部数据方法，提高学生解决复杂工程问题的能力；依据所掌握的知识点，分析相关因素的影响，并发表自己的见解，达到课程目标的要求。可以支撑课程目标1和课程目标2。第7单元ECharts常用图表绘制（4学时）1．教学内容（1）颜色（2）SVG（3）图形生成器（4）绘制柱状图（5）绘制折线图2．基本要求（1）了解ECharts所提供的各类图表类型。（2）独立使用ECharts创建各类图表，并熟悉图表的初始化、配置项设置和基本的样式调整。（3）掌握如何根据数据特点和可视化需求选择合适的图表类型，以及如何通过调整配置项来优化图表的显示效果。3．支撑的课程目标本单元教学使学生掌握ECharts所提供的各类图表类型实现方法，能够根据具体需求快速选择合适的图表类型，掌握ECharts常用图表可视化的制作技巧。培养学生的数据可视化设计能力，使其能够根据数据特点和业务需求，设计并制作出美观、直观、有效的数据可视化图表。可以支撑课程目标2和课程目标3。第8单元ECharts高级应用（4学时）1．教学内容（1）图表混搭和多图表联动（2）切换主题（3）自定义ECharts主题、ECharts中的事件和行为（4）使用异步数据加载和显示加载动画2．基本要求（1）理解ECharts中图表混搭和多图表联动的概念。（3）熟悉ECharts提供的动态切换主题功能。（4）理解ECharts中的事件机制，知道如何监听和处理图表中的各类事件，以及如何通过行为（如单击、悬停等）触发特定的操作或动画。（5）熟练掌握ECharts的异步数据加载功能。3．支撑的课程目标通过本单元学习，学生应能够熟练运用ECharts的图表混搭和多图表联动功能，提升数据加载与处理能力。设计出具有复杂交互和数据同步能力的数据可视化作品。可以支撑课程目标2和课程目标3。第9单元Python科学计算和可视化应用（3学时）1．教学内容（1）Python基础知识（2）NumPy库的使用（3）Matplotlib绘图可视化（4）文本可视化实战——爬取豆瓣影评生成词云2．基本要求（1）了解Python基础知识（2）掌握NumPy库的使用和Matplotlib绘图可视化。（2）理解文本可视化实战。3．支撑的课程目标本单元教学通过“互动、开放”的课堂形式，采用探究式学习、基于问题的教学方法，使学生掌握Python环境下NumPy库的使用和Matplotlib绘图可视化，提高学生解决复杂工程问题的能力；可以支撑课程目标2、课程目标3和课程目标4。第10单元可视化在微信公众号舆情系统中的应用（2学时）1．教学内容（1）系统背景（2）功能需求（3）系统实现2．基本要求（1）理解功能需求。（2）掌握交互式可视化系统实现方案。3．支撑的课程目标本单元教学通过“互动、开放”的课堂形式，采用探究式学习、基于问题的教学方法，使学生掌握交互式可视化系统实现方案，提高学生解决复杂工程问题的能力；可以支撑课程目标3和课程目标4。（二）上机教学上机项目1．ECharts环境安装配置（2学时）1．上机内容（1）下载ECharts开发包和简单例子；（2）配置本地ECharts运行环境；（3）运行示例；（4）改变数据比较运行结果；（5）配置浏览器调试环境。2．基本要求（1）掌握搭建ECharts运行环境和调试环境；（2）理解ECharts可视化数据绑定机制；（3）掌握柱状图的绘制。折线图的绘制。3．支撑的课程目标本上机通过启发方式引导学生依据所掌握的相关知识点，掌握搭建ECharts运行环境和调试环境，加深对ECharts可视化数据绑定机制的理解，达到课程目标要求。可以支撑课程目标1和课程目标2。上机项目2．绘制图表（2学时）1．上机内容（1）基于数据集的基本图表绘制；（2）饼图、折线图、雷达图和热图的绘制。2．基本要求（1）熟悉ECharts开发环境。（2）掌握ECharts的配置项和数据格式。（3）掌握饼图、折线图、雷达图和热图的绘制。3．支撑的课程目标本上机通过启发方式引导学生依据所掌握的相关知识点，学生将掌握ECharts的基本使用方法，能够绘制出常见的图表类型，如柱状图、折线图、饼图、雷达图和热图等，并理解ECharts的配置项和数据格式。可以支撑课程目标2和课程目标3。上机项目3．销售数据可视化（2学时）1．上机内容（1）编写二维数据JSON；（2）绘制对应散点图、柱状图、圆饼图和折线图。（3）编写动态改变数据项进行展示事件；2．基本要求（1）掌握JSON数据格式（2）熟悉常见图表可视化方法（3）掌握可视化中事件机制3．支撑的课程目标本上机通过启发方式引导学生依据所掌握的相关知识点，掌握JSON数据格式，熟悉常见二维图可视化方法，掌握可视化中事件机制，达到课程目标要求。可以支撑课程目标2和课程目标3。上机项目4．个人电脑目录可视化（2学时）1．上机内容（1）编写树型目录可视化算法。（2）增加单击节点展开细节。（3）实现界面布局缩放。2．基本要求（1）熟悉常见树型可视化形态编码。（2）掌握按需展开细节。（3）掌握界面布局缩放等交互技术。3．支撑的课程目标本上机通过启发方式引导学生依据所掌握的相关知识点，，熟悉常见树型可视化形态编码，掌握按需展开细节和界面布局缩放等交互技术，达到课程目标要求。可以支撑课程目标2、课程目标3。上机项目5．Python环境下标签云可视化（2学时）1．上机内容（1）以一段文本为例，计算出该文本的词频向量。（2）用标签云进行可视化。（3）增加交互功能。2．基本要求（1）熟悉Python可视化开发环境。（2）掌握Python环境下的可视化实现方法。（3）掌握交互技术。3．支撑的课程目标本上机通过启发方式引导学生依据所掌握的相关知识点，搭建Python可视化开发环境，掌握Python环境下的可视化实现方法，掌握滤镜和鱼眼交互技术，达到课程目标要求。可以支撑课程目标2、课程目标3和课程目标4。上机项目6．班级同学微信帐户可视化（2学时）1．上机内容（1）用力导向图实现整体网络布局。（2）用树型图实现信息传播路径。（3）用统计图形展示各种分析。（4）综合运用多种交互技术。2．基本要求（1）掌握力导向图的网络布局方法（2）熟悉树型图展示层次信息。（3）掌握动态联动和控需展开细节交互技术。3．支撑的课程目标本上机通过启发方式引导学生依据所掌握的相关知识点，掌握力导向图的网络布局方法，掌握动态联动和控需展开细节交互技术，达到课程目标要求。可以支撑课程目标2、课程目标3和课程目标4。(三)思想政治教育元素1.在教学中介绍我国计算机及人机交互与可视化发展现状及国家相关政策，激发学生的爱国热情和对专业的喜爱。2.在教学中多与学生进行思想交流，循循善诱，使他们认清学习的重要性，坚定其学习的信念，提高其学习的积极性。3.让学生了解《计算机软件保护条例》、《中华人民共和国计算机信息系统安全保护条例》等相关法规条例，树立法律意识，逐步建立自己的职业四、教学方式、教学方法及课时安排1.教学方式表2课程目标与教学环节序号课程目标教学环节讲授上机作业实验1理解人机交互与可视化基础知识，了解数据基本概念，视觉感知，理解数据可视化的流程，数据可视化方法，以及人机交互与可视化的关系。2掌握绘制可视图形和界面布局方法，能够按照数据需求进行可视形态设计和界面布局呈现。3能够根据应用领域需求，选择恰当的可视形态、交互技术并结合数据可视化方法开发完整的交互式可视化系统。4理解数据可视化在不同行业领域的实际应用案例。以课堂讲授为主，结合课堂讲授内容安排课内上机练习与实验，加深对教学内容的理解和提高应用知识解决实际复杂工程问题的能力。2.教学方法本课程教学以“学生主体、教师主导”教学思想，通过教学的“互动、开放”的课堂形式，具体以课堂教学为主，结合自学、上机练习和实验教学，采用启发式、问题式的教学方法，基于项目的实际问题，提高学生解决数据可视化领域中复杂工程问题的能力，达到课程目标的要求。相关课程目标支撑如下：课堂教学主要人机交互与可视化的基本理论、实现方法和交互技术，并将实际工程应用中所遇到的数据分析问题融入课堂的讲解，使同学们更好地熟悉或掌握数据可视化理论与应用，提高学生对该课程的兴趣、熟悉数据可视化思维方式和研究方法。课堂教学尽量引入互动环节，通过问题导入教学，引导学生寻找解决方案，提高教学效果，达到课程目标1、课程目标2、课程目标3、课程目标4。通过上机作业，进一步巩固课堂教学的重点、难点知识，培养学生应用所学知识解决问题的综合能力，达到课程目标1、课程目标2、课程目标3、课程目标4。3.课时安排本课程总学时45学时，其中：讲授33学时，上机12学时。具体教学安排如下表：表3学时分配与教学方法序号课程内容学时教学方式1人机交互与可视化概述2讲授2数据可视化基础4讲授3数据可视化过程2讲授4数据可视化方法4讲授5