1、教科版教科版 2019 信息技术必修信息技术必修 1 数据与计算数据与计算第第 5 单元数据分析与人工智能单元数据分析与人工智能 5.1 走近数据分析教学设计走近数据分析教学设计【教材分析】【教材分析】信息技术与经济社会的交汇融合引发了数据迅猛增长，数据已成为国家基础性战略资源。数据分析和大数据是当前最流行的两个话题。教材在起始节对数据分析的内容已经有所涉及。在本节，学生将基于对数据与计算有全面认识的基础上，综合运用所学知识，从解决实际问题的角度，较为深入地经历数据分析的完整过程和体验大数据分析的应用。本部分的内容对应数据与计算模块的数据处理与应用部分。数据分析的一般过程是根据分析的目标提出假
2、设，然后收集有关数据，选择恰当的分析方法进行分析，验证假设是否正确，继而得出相应的结论。教材首先创设了问题情境：某同学和妈妈的乘车体验，从而引发问题，希望学生自己提出分析假设，在数据分析基础上验证假设的真实性。这个项目的知识点包含数据分析的基本方法：对比分析和平均分析；数据可视化表达的方法；数据分析报告的结构和规范表述。由于篇幅所限，教材只简要提及数据分析报告包含分析目的和背景、分析过程和结果建议等。教师可以给出范例，让学生结合项目任务选择恰当的结构和表述方式。随着数据规模的扩大，人们无法在可承受的时间范围内使用常规软件工具采集、管理和处理数据，因此需要新的数据分析方式，于是大数据分析成为当前
3、最热门的数据应用领域。2015年促进大数据行动发展纲要中指出：大数据是以容量大、类型多、存取速度快、应用价值高为主要特征的数据集合；维克托迈尔-舍恩伯格及肯尼斯库克耶编写的大数据时代中指出大数据时代的三大特征：不是随机样本，而是所有数据；不是精确性，而是混杂性；不是因果关系，而是相关关系。本节通过实时公交软件的大数据应用实例，初步接触大数据的概念、特点和工作机制，在体会和实践的基础上，逐步形成对大数据应用的正确认识。【教学建议】本节我们将围绕“感受智能公交”项目展开学习。本项目主要包含“体验公交出行”和“体验实时公交”两个任务。“体验实时公交”任务主要从感受一个完整的数据分析过程出发，了解数据
4、分析和可视化表达的基本方法，以及分析报告的撰写；“体验实时公交”则侧重学生感受大数据的含义和大数据在生活中的应用。任务一的“体验公交出行”着眼于传统的数据分析。本节开头创设了某同学和他妈妈乘车的情境，希望学生通过数据分析验证两者的乘车体验。首先教师可以引导学生根据情境提出假设，如 27 路车客流量小于 49 路车；某同学乘车时间不是客流高峰，因此乘客人数较少；27 路车在部分时间段的客流量较少等。第二步教师可以根据学生提出的假设有目的的收集数据，在数据收集中引导学生思考平均客流量的问题，从而为平均分析埋下伏笔。第三步，给出 27 路和 49路各时段数据表请学生依据提出的假设进行对比分析。第四步
5、得出结论。这四个步骤对应了数据分析的一般过程，在教学时要引导学生主动探索，在体验中总结数据分析的具体方法。任务二“体验实时公交”着眼于大数据分析。大数据分析的案例较多，教师可以适当补充，拓展学生的视野。教材中选用了比较贴近学生生活的手机实时公交 APP。很多地图类软件如“百度地图”“高德地图”都兼有实时公交的功能，但由于地域的差异，教师也可选用有本城市特色的软件。教师通过创设实际的出行情境，让学生在实践中感受软件的操作流程，并体会其中的大数据的体量和大数据分析的特点。【教学目标】1、了解数据分析的几种常用方法。2、体验对比分析和平均分析的一般分析过程。3、了解大数据的含义，认识大数据分析在信息
6、社会的重要作用。【教学重点】了解数据分析的基本方法（对比分析法和平均分析）；了解数据可视化表达的特点；了解分析报告的一般结构和表述规范。【教学重点、难点】1数据分析的几种常用方法。对比分析和平均分析的一般分析过程。大数据的含义，认识大数据分析在信息社会的重要作用。【教学方法】讲授法，演示法，任务驱动法【教学过程】引入引入让机器具有智能，是人类千百年来的梦想。计算机技术的飞速发展，为人类的这一-梦想插上了翅膀。特别是在当前的信息时代，遍布生活各个角落的海量数据积累，使人工智能技术及其应用得到了迅速的发展，并广泛地渗透进我们的生活。每一天，你都置身其中。当你打开手机或电脑，新闻客户端推送的是高度个
7、性化的新闻，地图软件提供的是更便捷的行车路线，天气软件给出了友好的生活指数建议.计算机技术为什么能够实现“智能”?大数据在其中又发挥了怎样的作用?在本单元中，我们将以若干典型应用为例，了解数据分析的常用方法，知道人工智能的概念及应用领域，体验数据分析和人工智能，感受大数据和人工智能给人类生活带来的深刻变化。信息时代的日常生活中，碎片化的数据不断产生，它们往往杂乱而无序，仿佛并没有太大的价值。数据分析就是对数据进行计算、处理，从而得出一-些有意义的结论的技术。了解数据分析并具备-定的数据分析能力，是大数据时代对我们的基本要求。在本节中，我们将结合实例，通过对比分析和平均分析的实际操作，形成对数据
8、分析的认识，并在此基础上，初步接触大数据的概念、特点和工作机制，感受大数据应用的魅力。随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快，城市人口和机动车辆日益增多，城市交通拥堵现象日益严重。科学地发展和管理公共交通是解决问题的有效途径之一。例如，如何合理安排公交车辆的发车频率，方便乘车人选择交通线路等，都可以通过数据分析来实现。本节我们将围绕“感受智能公交”项目展开学习。同学们将通过该项目的活动，了解数据分析的几种常用方法，感受数据分析的一般过程，体验大数据应用给生活带来的便利。本项目主要包含“体验公交出行”和“体验实时公交”两个任务。任务一体验公交出行任务一体验公交出行活动活动 1 分析公交高峰期分
9、析公交高峰期某同学每天 7:00乘坐 27 路车去学校，17:00 左右放学回家。他觉得每天往返途中，公交车上并不拥挤。而妈妈每天 8:00 乘坐 49 路车出发，18:00 下班。她总是抱怨乘车者太多。请尝试进行数据分析。数据分析的方法数据分析的方法数据分析主要用于现状分析、原因分析和预测分析。进行数据分析时，首先要根据分析的目标提出假设，然后选择恰当的分析方法进行分析，验证假设是否正确，继而得出相应的结论。数据分析的方法有很多，如对比分析和平均分析。对比分析对比分析对比分析是指将两个或两个以上的数据进行比较，分析它们的差异，从而揭示这些数据所代表的事物的发展变化情况和规律。对比有横向对比和
10、纵向对比两种情况。横向对比是在类似的或同类的事物之间进行比较，而纵向对比是将相同事物的不同时期进行比较。例如，我们可以横向比较 27 路和 49 路公交线路的客流量，以分析哪一条线路更加繁忙;也可以纵向比较同一条公交线路一天内 不同时段的客流量，分析高峰期出现的时间。平均分析平均分析平均分析是指运用计算平均值的方法反映总体在-定时间、地点条件下某一-数量特征的一般水平。平均分析和对比分析常结合使用，例如比较不同线路的平均客流量。例子例子步骤一，依据活动 1 要求，提出假设:步骤二，27 路和 49 路公交线路的月平均分时段客流量如表 5.1.1 所示，表中“6”表示时段 6:00-7:00,其
11、他以此类推。请对比分析表中数据。数据可视化表达数据可视化表达 以图形、图像和动画等方式更加直观生动地呈现数据及数据分析结果，揭示数据之间的关系、趋势和规律等的表达方式称为数据可视化表达。数据可视化的应用范围广泛，如图 5.1.1所示的第五届世界互联网大会关键词云和图 5.1.2 所示的手机记录的健身数据。图表是最常用的数据可视化表达方式之一-。基本图表类型，如柱状图、饼图和折线图等，利用一般的表格加工软件即可绘制。如需创建表现形式更为丰富或者具有互动功能的图表，则必须借助专业性工具。例子例子 绘制如图 5.1.3 所示的折线图，进一步验证假设，并分析两条公交线路的高峰期出现时间和特点。活动 2
12、 完成分析报告活动 2 完成分析报告 数据分析报告是对整个数据分析过程的一个总结与呈现。请通过数据分析报告，将活动 1中所做数据分析的起因、过程、结果及建议完整地呈现出来。数据分析报告数据分析报告 数据分析报告是项目研究结果的展示，也是数据分析结论的有效承载形式。通过报告不仅把数据分析的起因、过程、结果及建议完整地展现出来，还可以为决策者提供科学、严谨的决策依据。例如，中国互联网络信息中心每半年发布一次的中国互联网络发展状况统计报告即是一份典型的反映我国互联网发展的数据分析报告。在数据分析报告中，首先要明确数据分析的目的和背景，阐述目前存在的问题及通过分析希望解决的问题;其次需要描述数据来源和
13、数据分析的思路、方法和模型;最后要重点呈现数据分析的过程、结论和建议。信息时代的社会生活中，每天都在产生大量的数据，这些数据也在改变着我们的生活。让我们一起来感受数据给出行带来的变化。第二课时第二课时任务二体验实时公交活动 1 我在哪里任务二体验实时公交活动 1 我在哪里 假如来到一个陌生的地方，需要知道自己所处的具体位置，手机里的地图软件可以很方便地帮助你定位、计算并推荐去目的地的路线。打开地图软件，屏幕上的蓝色标记就是使用者所处的位置，如图 5.1.4 所示。很多地图软件还提供了“全景”模式。选择“查看全景”可以展示实地拍摄的“全景”照片，如图 5.1.5 所示。在照片上滑动手指，可以多角
14、度查看场景。点击移动方向箭头，场景则根据位置改变。让我们估算一下全景模式下照片数据的“体量”。根据全景照片的拍摄规则，一个拍摄点需要多角度拍摄数张照片进行拼接。如果一个拍摄点需要拍摄 8 张照片，每张照片的大小约为 4MB，1 个拍摄点的照片数据量是多少?考虑到地图的连续性，如果相邻拍摄点间隔为 16 米，那么一条长 1 千米的街道需要多少张照片?数据量是多少?如果是一个城市呢?大数据大数据 大数据是以容量大、类型多、存取速度快、应用价值高为主要特征的数据集合，它正快速发展为对数量巨大、来源分散、格式多样的数据进行采集、存储和关联分析，从中发现新知识、创造新价值、提升新能力的新一代信息技术和服
15、务业态。大数据的“大”是一个相对概念，没有具体标准，如果一定要定一个标准，那么 10TB 100TB通常称为大数据的门槛。实际应用中，很多企业级用户把多个数据集放在-起，已经形成了 PB级的数据量。而且随着数据来源的多样化，数据的类型也更加复杂，如网络日志、音频、视频、图片和地理位置信息等。大数据的意义在于，我们有可能从如此庞杂的数据中挖掘出有价值的数据，并运用于管理、农业、金融、医疗和教育等各个社会领域，为社会发展服务。活动 2 公交车距离我多远活动 2 公交车距离我多远 在地图软件中输入起点和终点，点击搜索按钮就可以获得所需的公交方案。但是在公交站台等车，久等不来总令人焦急。实时公交信息查
16、询软件则可以实时反馈公交车辆的运行信息，提升乘客的出行效率，如图 5.1.6 所示。大数据分析的应用大数据分析的应用 面对海量的数据，为了搜索、处理、分析、归纳和总结其深层次的规律，大数据分析应运而生。大数据分析是指对规模巨大的数据进行分析。它的应用日益丰富，例如实时公交系统根据用户当前位置，迅速定位最近的公交站点，查找系统中公交车辆的位置数据，选出经过该站点所有线路车辆的即将到站信息，使用户可以直观地在手机上查看车辆实时位置。用户和车辆的位置信息通常通过卫星定位系统、Wi-Fi 热点和基站的位置确定。例子例子 下载一款实时公交信息查询软件，使用后填写表 5.1.2，感受大数据分析在支持实时公
17、交方面的应用。大数据分析带来价值的同时，也在隐私保护、安全问题等方面带来危机。因此，合理、健康地使用大数据，遵循“数据道德”是我们的必备品质。拓展拓展1.调查分析:根据数据分析提出合理化建议。某市第-期建设了 46 个公共自行车站点，主要布局在居民生活工作区、公交车站附近等地。1240 个锁车柱已经全部建成，1000 辆 自行车也已经配备到位。在使用一段时间之后，相关管理部门对公共自行车使用数据进行采集(数据表见教科书配套资源中的“某市公共自行车-月份运营数据.xIs)，同时对使用者进行访谈。受访者均表达了公共自行车方便了自己的出行，但也提出了很多问题，如自行车损坏严重、借不到车，以及还车桩满
18、等问题。请阅读整理相关文字和表格数据资料;对资料进行分析，发现该市公共自行车使用中存在的问题，为二期工程建设提出合理化建议，完成某市公共自行车使用情况调查分析报告。2.案例分析:根据大数据发现人们的出行规律。在美国旧金山举行的 KDD2016 学术会议上，罗格斯大学的熊辉等学者向大家报告了他们的研究论文。论文指出，北京在 2014 年的前 9 个月就有 350 名扒手在地铁交通系统上被抓，490名扒手在公交车上被抓。因此，他们认为可以通过对北京智能公交一卡通 数据进行分析研究，根据异常交通记录分析来抓小偷。如要实现这个功能，要调用哪些数据呢?同学们也可以上网搜索相关资料，了解大数据专家是如何分
19、析的。【拓展训练】【拓展训练】1.案例分析：根据大数据发现人们的出行规律案例分析：根据大数据发现人们的出行规律在美国旧金山举行的 KDD2016 学术会议上，罗格斯大学的熊辉等学者向大家报告了他们的研究论文。论文指出，北京在 2014 年的前 9 个月就有 350 名扒手在地铁交通系统上被抓，490 名扒手在公交车上被抓。因此，他们认为可以通过对北京智能公交一卡通数据进行分析研究，根据异常交通记录分析来抓小偷。如要实现这个功能，要调用哪些数据呢？同学们也可以上网搜索相关资料，了解大数据专家是如何分析的。参考答案：案例来源于熊辉等学者提交的论文。论文中阐述了他收集乘客的公交一卡通数据记录，分析了
20、 896 条地铁经过的 44524 个公交车站和 18 条地铁经过的 320 个地铁站的数据。从出行轨迹提取特征。例如正常行人在从 A 地区到 B 地区会考虑最短时间、距离，或者最少换乘，但是类似“A-C-D-B”这种无目的的异常交通方式为异常行为。如果异常行为足够多，则他可能是一名扒手。具体的算法和模型，可见论文详细描述。2.调查分析：根据数据分析提出合理化建议。调查分析：根据数据分析提出合理化建议。某市第一期建设了 46 个公共自行车站点，主要布局在居民生活工作区、公交车站附近等地。1240 个锁车柱已经全部建成，1000 辆自行车也已经配备到位。在一段使用时间之后，相关管理部门对公共自行
21、车使用数据进行采集（数据表见教科书配套资源中的“某市公共自行车一月份运营数据.xls”），同时对使用者进行访谈。受访者均表达了公共自行车方便了自己的出行，但也提出了很多问题，如自行车损坏严重、借不到车，以及还车桩满等问题。请阅读整理相关文字和表格数据资料；对资料进行分析，发现该市公共自行车使用中存在的问题，为二期工程建设提出合理化建议，完成某市公共自行车使用情况调查分析报告。参考答案：A 市公共自行车运营情况调查报告市公共自行车运营情况调查报告作者：XXX时间：XXX调查背景调查背景随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快，城市人口和机动车辆日益增多，城市交通拥堵现象日益严重。大力发展公共交通
22、成为解决问题的有效途径之一。随着公交、地铁等公共交通工具的发展，“公交最后 1 公里”的问题日益凸显。为了解决此问题，公共自行车应运而生，成为城市公共交通的重要组成部分。项目说明项目说明某市第一期建设了 50 个公共自行车站点，主要布局在居民生活工作集聚区出入口、公交车站附近等地。在一段使用时间之后，相关管理部门对公共自行车使用情况进行了调查。受访者均表达了公共自行车方便了自己的出行，但也提出了很多问题。如自行车损坏严重，借不到车，还车桩满等问题。下表为第一季度运行数据。我小组依据表中数据，发现其中的问题，为二期工程建设提出合理化建议。【数据来源：A 市公共自行车 50 个投放站点一月份运营数
23、据】分析思路分析思路本项目将从各站点公共自行车借还数量、平均毎桩借还数、还车维修率等角度进行分析，得出有效建议及改进方案。数据呈现数据呈现 图 1 A 市自行车借还数量对比图 如图 1 所示，一月 07、09、10、16、22、23、28、32、33、37 借还数量高于其他站点，属于热点区域。另 06、44、46、48 几个站点借还数量明显低于其他站点，属于冷门区域。图 2 A 市自行车平均毎桩借还数图 如图 2 所示，10 个热门站点中 16、32 两个站点平均毎桩借还数明显高于其他站点，可能存在公共自行车不够使用的风险，同时，冷门站点中 44、46、48 三个站点平均毎桩借还数明显低于其他
24、站点，公共自行车利用效率很低。图 3 A 市自行车还车数与维修量比图进一步研究维修数量和还车数量的比值。如图所示，48 号,46 号和 44 号维修数量与还车数量之比明显高于其他站点。结论和建议结论和建议数据表明我市共享单车非常受欢迎，市民使用量很大，但仍有热点站点需扩大以满足需求。为了使我市共享单车二期工程更加便于广大市民使用，满足大家的需求，提出以下优化改善方案。1向 10,16,32 这样的热点站点适量建设更多的桩，或者在这些站点附近增设新站点，并酌情投入共享单车以缓解压力。244、46、48 三个冷门站点共享单车使用效率低，且维修工作量大，建议取消这些站点。3对于借还差值数量加大的站点
25、加强巡查次数。对借还差为负值的站点要及时将车桩上的车挪走，对借还差为正值的站点要及时补充车辆。【教学反思】【教学反思】维修数量与还车数量之比0.00%1.00%2.00%3.00%4.00%5.00%6.00%7.00%8.00%GXZXC001GXZXC003GXZXC005GXZXC007GXZXC009GXZXC011GXZXC013GXZXC015GXZXC017GXZXC019GXZXC021GXZXC023GXZXC025GXZXC027GXZXC029GXZXC031GXZXC033GXZXC035GXZXC037GXZXC039GXZXC041GXZXC043GXZXC045GXZXC047GXZXC049维修数量与还车数量之比
