《python程序设计（AI赋能版）》-项目九 利用 Python 构建智慧城市环境治理数据平台教学设计

项目九利用Python构建智慧城市环境治理数据平台1-4学时教案一、教学整体设计项目名称道路建筑材料利用Python构建智慧城市环境治理数据平台开课学期2026-2027学年第1学期课程类型专业必修课任务名称利用Python构建智慧城市环境治理数据平台授课学时4授课班级学生人数授课地点研讨型智慧实训室授课形式理实一体教学内容1.任务内容通过模块化编程思想，整合NumPy生成模拟数据、Pandas进行数据分析、Matplotlib/Seaborn绘制可视化图表，并利用Tkinter开发图形用户界面（GUI），最终实现一个结构清晰、功能完整的智慧城市数据平台。2.思政内容贯彻“科技自立自强”战略；践行“绿色发展、共享共治”理念；在数据处理中培养严谨求实的科学态度和信息安全意识。教学目标素质目标1.培养模块化工程化思维和严谨的代码规范。

2.增强利用信息技术解决城市环境治理问题的社会责任感。知识目标1.深入理解Python包、模块及__init__.py的作用。

2.掌握Pandas分组聚合统计及数据清洗方法。

3.掌握Tkinter布局管理器与事件绑定机制。能力目标1.能独立完成复杂项目的模块化结构搭建。

2.能从原始CSV数据中提取关键环境指标并进行统计。

3.能开发交互式GUI界面并整合后台分析模块。思政育人目标1.科技自强：在智慧城市建设背景下，提升自主创新意识。

2.绿色治理：通过数据分析辅助决策，内化环保与共享理念。学情分析知识基础学生已掌握Python基本语法和简单函数调用，但对大型项目的目录结构和包管理缺乏实战经验。技能基础具备基础的代码调试能力，接触过简单的数据科学库，但难以独立完成跨模块的功能整合。学习特点与诉求喜欢具有职业场景感（如智慧城市）的项目，但逻辑思维深度不足，尤其在处理复杂数据索引和界面回调逻辑时易产生挫败感。教学重点Python模块化工程结构的搭建、Pandas分组聚合（groupby）统计逻辑、GUI与后台功能的无缝对接。教学难点跨包、跨模块的导入机制、在Tkinter中内嵌并刷新可视化图表、多维数据关联分析逻辑。教学策略教学方式方法任务驱动、小组协作、启发式教学、企业场景模拟教学团队本课程采取双师协作：校内教师负责核心语法讲解与项目实施引导；企业工程师负责提供真实城市治理案例数据需求并参与最终项目工程化评价；学生助教负责课后代码审核。教学资源数字化立体教学资源数字化立体资源：配套智慧城市项目演示视频、数据清洗案例微课、可视化组件手册。2.智慧城市模拟数据集（CSV）、自主开发的项目实施工作手册。教学评价思政融入设计通过“数据清洗”环节，强调数据的真实性与准确性，培养职业诚信。2.通过“环境治理”主题，将绿色发展、生态文明理念融入项目背景。二、教学实施过程教学过程（一）课前预习与前测教学内容教师活动学生活动基础难度基础知识测验：5道选择、5道判断在学习通推送“Python包管理与Pandas基础”微课；发布“基础数据科学库使用现状”调查问卷观看视频，了解__init__.py的基本作用；完成10道基础测验题（聚焦库导入与DataFrame基础操作）（二）课中课程教学设计。遵循学生认知规律和技能形成规律，让学生养成规范化管理的习惯。思政教学设计。工匠精神渗透：在代码编写环节，要求学生严格按照步骤操作，注重细节，培养严谨细致、精益求精的工匠精神。工程素养培育：通过学习python中包的管理和实践，养成工程化的思维。教学环节教学内容教师活动学生活动情景项目引入（15min）智慧城市数据师岗位模拟：新手工程师入职，需构建环境管理平台展示AQI和能耗。导入项目PPT，展示乱序数据与精美平台的对比，强调规范化开发对后续迭代的重要性。认真听讲，理解平台各模块（采集、分析、展示）的逻辑，明确职责。渐进任务分解（30min）模块化架构设计：将项目拆分为数据处理包、可视化包、界面包。引导学生讨论：为何要分包？讨论跨包调用的常见错误。分解出：模拟数据生成、清洗统计、绘图、GUI整合四个子任务。小组协作讨论目录结构；画出数据流向图（CSV->Pandas->Plot->GUI）。组队任务执行（90分钟）核心代码开发：依次实现数据清洗、AQI统计逻辑及交互界面搭建。知识讲解：演示groupby均值分析逻辑及Tkinter按钮触发函数。2.巡回指导：解决学生在import路径和图表中文显示上的技术报错。1.角色扮演：分工为数据架构师（Pandas）、UI设计师（Tkinter）。2.任务执行：协作编写模块代码，录制运行截图。多元技能测评（45分钟）项目联调与成果演示：各组展示集成了分析与绘图功能的智慧城市平台。1.引导互评：重点评价分析结果是否准确，思政点（环保建议）是否在分析中体现。2.锦囊讲解：总结跨模块调用和界面刷新常见故障。1.小组分享：演示平台从加载CSV到生成热力图的全流程。2.生生互评：互相测试对方平台的稳定性和容错性。（三）课后拓展任务内容：以测验巩固：布置进阶测验（聚焦Pandas链式操作与高级布局）。以实操磨炼：拓展任务——修改GUI代码，将Matplotlib图表直接内嵌在主界面的Fra