运用Python可视化技术 提高中学编程教学趣味性

毛星皓

摘要：如何提高学生的积极性，是中学编程教学始终需要关注的问题。本文以词云制作为例，探讨在Python教学中，通过合理设计教学任务，综合运用Jieba、Wordcloud、Matplotlib和Numpy等库提供的分词、可视化等技术，采取循序渐进、不断完善的教学方法，逐步实现教学目标。同时，降低编程教学的门槛，提高趣味性，帮助学生克服畏难情绪，充分调动积极性、主动性，有效提升教学效果。

关键词：高中信息技术;Python;词云;分词;图形绘制

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）17-0136-02

1概述

随着人工智能时代的到来，编程技术已成为未来人才的必备技能。具备良好的编程思维和编程技术，不仅是信息产业从业人员的基本素养，也必将成为所有产业对人才的根本需求。因此，世界各国纷纷将编程教学列入义务教育的必修内容。自2014年起，英国在义务教育中加入了编程课程。美国于2015年提出在10年内普及中小学生编程教育。澳大利亚于2016年正式将编程引入全国必修课程。日本则提出，自2020年起，小学必须确保为学生提供计算机编程体验和学习机会，到2021年，初中必须提供计算机编程课程。在我国教育部于2019年3月13日发布的《2019年教育信息化和网络安全工作要点》中也明确指出，国家将推动在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育。可见，编程教学在今后的教育体系中，必将占据日益重要的地位。

与成人教育有所不同，面向中学生开展编程教学，不仅需要传授扎实的编程知识，培养良好的编程习惯，更重要的是要科学设计教学任务，合理安排教学过程，以便提高编程的趣味性和成就感，充分调动学生的学习兴趣，获得较好的教学效果。在这方面，Python语言具有很大的优势。

Python语言的语法结构清晰，代码形式简洁，是公认的最接近自然语言的编程语言。与传统的编程语言如C、Java等相比，语法细节较少，记忆负担较轻。可视化手段丰富，能够便捷地实现生动、直观的输出效果，有利于提高编程的趣味性和成就感，对于中学生来说，更容易上手和灵活应用。同时，Python語言开放性好，库资源丰富，能够方便地实现数据采集、清洗和分析，编程效率高，当前在数据分析、机器学习等领域得到了非常广泛的应用，发展前景广阔。因此，在国外一些发达国家排名前百的高中和大学中，有超过6成均开设了Python 以及相关课程，部分学校已经将计算机专业课程设计中的第一编程语言从Java改成了Python（于雁2019）。

以Wordcloud库为例，该库是一个功能强大的第三方库，不仅可以根据文本中词语的出现频率绘制词云，还可灵活设定词云的字体、颜色、形状等，从而从视觉上凸显高频词及其相应的频次，揭示文本的主要参与者和故事脉络，是一种优秀的数据呈现形式。本文将充分利用Wordcloud库及相关库的功能，结合中学生的喜好，合理设计教学任务和过程，循序渐进，做到寓教于乐，有效提高编程教学的趣味性。

2教学目标及编程环境准备

本案例的教学目标是指导学生运用Python的库资源，制作一个文本的词云，并通过设置参数，控制输出图像的尺寸、内容和形状等。制作词云通常分为三个步骤，即分词、图像绘制和输出，分别使用Jieba、Wordcloud和Matplotlib三个库，涉及Windows命令提示符环境下的指令输入、数据类型、文件操作以及Python库的安装、调用以及参数传递等重要知识点。

首先，指导学生启动命令提示符，依次输入命令，安装Jieba、Wordcloud和Matplotlib等本程序所需的库，由此学习Python第三方库的安装方法（例1）。如果在安装过程中，提示pip工具版本过低，就应该先更新Pip包管理工具（例2）。当Pip更新到最新版本后，如果安装Wordcloud还是报错，我们就必须采取第二种安装方法，即根据当前使用的Python版本，在https：//www.lfd.uci.edu/～gohlke/pythonlibs/#wordcloud网页上选择正确的安装文件（如3.7.x版本的Python必须匹配cp37的包）并下载。随后，在命令提示符环境下输入以下语句进行安装（例3）。

（1） pip install （库名，如jieba等）

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

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

要运行Wordcloud，还需要Pillow、Numpy和Matplotlib库的支持。如果系统还没有安装这些库，程序会自动下载并安装。

最后，我们需要准备一个文本文件作为解析对象，可由学生自由选择，以提高编程的趣味性。本案例使用的是一部在中学生中很受欢迎的网络小说《全职高手》。

3程序的编制与完善

要实现基本的词云绘制功能，只需要使用Jieba和Wordcloud库。其中，Jieba是目前最好的中文分词工具，提供精确模式、全模式和搜索引擎模式三种分词方式。本案例使用其默认的精确模式。Wordcloud则是词云制作工具。在教学过程中，教师需要着重讲解的内容包括库的导入、功能调用和参数传递等。学生只需编写6条语句，就能完成库导入、读文本、分词、调用Wordcloud、生成词云和保存图像（例4-9），从而实现程序的基本功能，并获得词云的图像文件（图1）。在此基础上，教师可以指导学生通过修改例7中“width”“height”“background_color”以及“font_path”等参数，调整图片的宽、高、背景色以及字体。

（4） import jieba，wordcloud

（5） text = open（"全职高手.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"）

在完成基础程序编制的基础上，教师可以指导学生设置一些属性，进一步完善词云的分析结果和显示效果。例如，观察图1我们发现，“叶修”一词最大，说明其出现频率最高，是该小说的核心人物。但是，“他们”“但是”“已经”“这样”等词尽管使用也很频繁，却缺乏指向性。因此，最好作为停用词予以排除。Wordcloud的停用词应设为set（集合）类型，并在调用该库时将其作为“Stopwords”属性传递给Wordcloud（例10-12）。如果停用词较多，我们还可以将其统一设为数组，并用for循环，逐一添加进Stopwords（篇幅关系，代码省略）。在排除“他们”“但是”“这样”“自己”“就是”“没有”等16个停用词后，获得了新的词云（图2）。在该图中，除“叶修”外，“君莫笑”“陈果”等人物也凸显出来。同时，“现在”“此时”的出现频率很高，说明作品中对故事发生时的场景描写较多。“角色”“攻击”“技能”“选手”等词使用较多，也符合作品描写主人公如何成长成为一名游戏选手的故事情节。可见，排除部分停用词后，故事的出场人物和相关信息更加清晰了。

（10） Stopwords=set（""）

（11） Stopwords.add（"他们"）

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

Wordcloud默認绘制的方形图片尽管内容翔实，但仍不够有趣。因此，教师可以指导学生通过mask属性设置蒙板，改变输出图像的形状，进一步提高编程的趣味性。该属性需要一个二值化的mask。为此，我们导入绘图库Matplotlib以及Numpy数学函数库，用前者提供的图像处理功能打开构建蒙板所用的图片文件（图3），并用后者的array指令完成由彩色图片向二值化数据的转化（例13）。在将mask属性传递给Wordcloud后（例14），高频词将被显示在蒙板图片中非白色的位置上（图4）。于是，程序输出更加生动、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结语

本文以词云制作为例，探讨了如何科学规划教学内容，合理设计教学过程，巧妙运用可视化等技术，提高Python编程教学的趣味性。尽管在教学过程中，涉及命令提示符环境下的指令输入、数据类型、文件操作以及Jieba、Wordcloud、Matplotlib和Numpy等重要的库的导入、功能调用和参数传递等众多知识点，但并不显得枯燥、晦涩。由于采取了循序渐进、不断完善的教学方法，且输出形式直观、生动，因此学习过程较为轻松，富有乐趣。

综上所述，Python语言具有良好的开放性，第三方库资源丰富、强大，语法较为简单、代码量较少，有效地降低了程序编制的门槛，非常适合中学生学习。目前，Python语言已进入中学信息技术课程。但时间尚短，教学体系有待完善，教学内容有待丰富，急需我们结合中学生习得特点，充分发挥其综合优势，科学设计教学内容，合理规划教学过程，引导学生运用Matplotlib等绘制图表，运用爬虫技术制作单词表或运用Pygame等编制游戏，从而帮助他们获得更多乐趣和成就感，消除畏难情绪，充分调动学习积极性和主动性，以便快速提高编程水平，有效提升教学效果。

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【通联编辑：王力】