做科研時(shí)，冗長(zhǎng)凌亂的科研數(shù)據(jù)是否讓你無(wú)從下手？寫(xiě)論文時(shí)，不知如何簡(jiǎn)明扼要地呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否讓你一籌莫展？這時(shí)，就需要一種跨越語(yǔ)言的力量——可視化藝術(shù)來(lái)破局。通過(guò)Origin和Python等科研領(lǐng)域主流作圖軟件，結(jié)合Adobe Illustrator的圖形美化技巧，就能將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成兼具科學(xué)性和美學(xué)價(jià)值的圖表，這便是“科研作圖與數(shù)據(jù)可視化”課程的魅力所在。

數(shù)據(jù)破滯礙 匠心致精微

13張撲克牌在講臺(tái)上被打亂順序，隨著學(xué)生隨機(jī)報(bào)出的數(shù)字，老師逐張將牌數(shù)到桌面。三次看似隨意的操作后，原本的底牌竟奇跡般躍至牌頂。再一次數(shù)牌后，撲克牌赫然恢復(fù)初始順序。伴隨著雷鳴般的掌聲，授課老師開(kāi)始揭秘其中蘊(yùn)含的數(shù)學(xué)原理……這是山西大學(xué)“科研作圖與數(shù)據(jù)可視化”課堂上的真實(shí)場(chǎng)景。課程首創(chuàng)“數(shù)學(xué)魔術(shù) + 編程實(shí)踐”的融合教學(xué)模式——將魔術(shù)表演的視覺(jué)沖擊力、數(shù)學(xué)原理的邏輯嚴(yán)謹(jǐn)性與編程工具的實(shí)操性深度結(jié)合，讓學(xué)生在驚嘆與思考中，深刻理解數(shù)據(jù)呈現(xiàn)與視覺(jué)感受的奧秘?！斑@種充滿趣味與智慧的教學(xué)方式，讓我不再覺(jué)得Python難學(xué)，它如同魔法鑰匙，能把神秘的數(shù)學(xué)現(xiàn)象還原成可解釋、可操作的過(guò)程?！睌?shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院碩士研究生趙志魚(yú)對(duì)這門(mén)課的特色教學(xué)模式頗有感觸。

這一創(chuàng)新教學(xué)模式已引發(fā)學(xué)界與社會(huì)的廣泛關(guān)注：受邀在“國(guó)際數(shù)學(xué)日”主講“魔法π日：見(jiàn)證魔術(shù)奇跡，領(lǐng)略數(shù)學(xué)魅力”科普講座(線下300余人參與，蔻享平臺(tái)直播觀看量達(dá)6000 余人次)，近期在“師說(shuō)三晉”平臺(tái)推出的“魔術(shù)？數(shù)學(xué)！預(yù)言牌&讀心術(shù)的神秘邏輯”在線講座更是吸引了超過(guò)132萬(wàn)人次觀看直播。

“科研作圖與數(shù)據(jù)可視化”課程由祁宏教授擔(dān)綱主講，其研究方向涵蓋計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)。課程將生物、物理、數(shù)學(xué)等多領(lǐng)域思維融入教學(xué)，為學(xué)生提供兼具科學(xué)性與創(chuàng)新性的學(xué)習(xí)視角。授課老師在本碩博的學(xué)術(shù)生涯及從教過(guò)程中，敏銳察覺(jué)到學(xué)生科研作圖能力培養(yǎng)的缺失。無(wú)論是本科生的畢業(yè)論文，還是研究生的學(xué)術(shù)成果，因作圖能力不足導(dǎo)致的返工與延誤屢見(jiàn)不鮮，嚴(yán)重制約科研效率與成果質(zhì)量?！白源T士階段起，我便通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)自學(xué)數(shù)據(jù)可視化知識(shí)，在反復(fù)實(shí)踐中攻克諸多難題，也逐步提煉出一套行之有效的解決方案?！被跀?shù)據(jù)可視化知識(shí)體系，祁宏教授精心編撰了一套簡(jiǎn)潔實(shí)用的入門(mén)教程。這套教程首先在課題組內(nèi)部進(jìn)行分享，收獲良好反饋后，進(jìn)一步面向部分學(xué)院師生推廣。由于院校教學(xué)計(jì)劃中一直缺乏相關(guān)課程，他便將這套成熟的教學(xué)體系納入通識(shí)課程，由此開(kāi)啟了“科研作圖與數(shù)據(jù)可視化”課程。

“科研作圖與數(shù)據(jù)可視化”課程自2019年至今已開(kāi)設(shè)四次，累計(jì)吸引350名選課學(xué)生。教學(xué)過(guò)程中，課程影響力持續(xù)輻射至不同學(xué)術(shù)群體，每年均有很多研究生主動(dòng)申請(qǐng)旁聽(tīng)，更吸引來(lái)自我校及太原理工大學(xué)、中北大學(xué)、山西財(cái)經(jīng)大學(xué)、太原師范學(xué)院、運(yùn)城學(xué)院等多所省內(nèi)高校的青年教師慕名參與學(xué)習(xí)，形成了“本科生—研究生—青年教師”的多層次跨校交流學(xué)習(xí)場(chǎng)景。無(wú)論是初涉科研的新手小白，還是醉心于鉆研數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)愛(ài)好者，這門(mén)課都將成為打開(kāi)通往“一圖勝千言”的啟蒙之門(mén)的金鑰匙。

課程常以選課學(xué)生的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與社會(huì)熱點(diǎn)事件作為切入點(diǎn)，將抽象的數(shù)據(jù)可視化概念轉(zhuǎn)化為具象的視覺(jué)沖擊，引導(dǎo)學(xué)生直觀感受數(shù)據(jù)可視化的魅力，迅速點(diǎn)燃學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。隨后，在課程中系統(tǒng)闡釋科研作圖與數(shù)據(jù)可視化的基本流程和指導(dǎo)思想。在此基礎(chǔ)上，聚焦Adobe Illustrator、Origin、Excel、Python等常用繪圖和數(shù)據(jù)可視化軟件，幫助學(xué)生掌握這些軟件的基本操作和繪圖技巧。最后，引導(dǎo)學(xué)生突破技術(shù)層面，學(xué)習(xí)顏色搭配原理，探索科研成果藝術(shù)化表達(dá)，提升圖表審美與創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。物理電子工程學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的陳罡目前在華東師范大學(xué)攻讀碩士學(xué)位，他回憶道：“通過(guò)該課程，我學(xué)習(xí)到了各種作圖與數(shù)據(jù)可視化的方法，對(duì)未來(lái)學(xué)習(xí)和工作將產(chǎn)生重要影響。”

課程精心打造了極具特色的教學(xué)素材庫(kù)，將專業(yè)性與趣味性深度融合，幫助學(xué)生直觀感受數(shù)據(jù)可視化的強(qiáng)大能力。素材庫(kù)分為“學(xué)生畫(huà)像”與“社會(huì)洞察”兩大模塊。前者生動(dòng)解構(gòu)學(xué)生群體特征，如用矩形樹(shù)圖呈現(xiàn)學(xué)生姓氏分布，用旭日?qǐng)D顯示不同學(xué)院和專業(yè)的比例，用氣泡圖展示班級(jí)分布，用玉玦圖表述選課原因，用南丁格爾玫瑰圖揭示出生月份情況等。后者則以社會(huì)熱點(diǎn)為載體，如用峰巒圖展示太原市四季氣溫變遷、借柱狀圖對(duì)比各省GDP發(fā)展態(tài)勢(shì)、以堆疊柱狀圖解析奧運(yùn)獎(jiǎng)牌格局、用維諾圖揭示世界杯進(jìn)球數(shù)的分布情況。

課程助發(fā)展 來(lái)者皆收獲

“科研作圖與數(shù)據(jù)可視化”課程旨在教授學(xué)生使用軟件實(shí)現(xiàn)科研圖表制作和數(shù)據(jù)可視化，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題及清晰呈現(xiàn)研究成果的能力，提升其科研素養(yǎng)，引導(dǎo)其養(yǎng)成循序漸進(jìn)、勇于探究、樂(lè)學(xué)善學(xué)的學(xué)習(xí)習(xí)慣。優(yōu)秀的圖表和可視化作品，能將作者的成果與觀點(diǎn)生動(dòng)、直觀地傳遞給讀者，讓人快速捕捉數(shù)據(jù)背后隱藏的模式、問(wèn)題或機(jī)遇。圖像與數(shù)據(jù)可視化在科研成果的呈現(xiàn)、產(chǎn)品業(yè)務(wù)的介紹、各類(lèi)工作的總結(jié)等幾乎所有行業(yè)的很多場(chǎng)景中均具有獨(dú)特而重要的地位，切實(shí)賦能學(xué)生的科研發(fā)展與職業(yè)規(guī)劃。曾獲全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽一等獎(jiǎng)的物理與電子科學(xué)學(xué)院的李晨凱，目前為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士研究生。他系統(tǒng)地學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)可視化方面的知識(shí)長(zhǎng)達(dá)三年：“在數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽中，我不僅利用這門(mén)課所學(xué)技能繪制出了精美的圖，還練就了從數(shù)據(jù)中迅速得到準(zhǔn)確結(jié)果的能力。每當(dāng)需要繪圖時(shí)，我都會(huì)利用所學(xué)技能輕松完成任務(wù)。數(shù)據(jù)可視化不僅提升了我的科研表達(dá)能力，更讓我建立起了數(shù)據(jù)思維，學(xué)會(huì)關(guān)注數(shù)據(jù)背后的結(jié)構(gòu)與規(guī)律，這已成為我科研道路上的核心競(jìng)爭(zhēng)力?！?/p>

由于選課學(xué)生來(lái)自不同專業(yè)，知識(shí)基礎(chǔ)與需求也不盡相同。針對(duì)這一特點(diǎn)，課程一方面精心設(shè)計(jì)一系列通俗易懂的經(jīng)典教學(xué)案例，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生直觀感受數(shù)據(jù)可視化的價(jià)值；另一方面系統(tǒng)介紹不同數(shù)據(jù)可視化軟件，兼顧不同基礎(chǔ)學(xué)生的能力提升。選修該課程的數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)的呂峰同學(xué)回憶：“老師以貝克漢姆、馬云、姚明的身高、財(cái)富數(shù)據(jù)為例，直觀展現(xiàn)圖表在數(shù)據(jù)對(duì)比中的優(yōu)勢(shì)；結(jié)合自身對(duì)足球的熱愛(ài)，用雷達(dá)圖分析球員技能得分，引導(dǎo)我們思考球員定位，這種貼近年輕人興趣的教學(xué)方式讓人印象深刻；疫情趨勢(shì)、天氣變化、文學(xué)作品等數(shù)據(jù)，都能通過(guò)不同圖表清晰呈現(xiàn)，極具啟發(fā)性?！?/p>

在編程軟件教學(xué)中，課程以Python、R語(yǔ)言和Matlab為例，通過(guò)入門(mén)級(jí)案例講解數(shù)據(jù)可視化邏輯，對(duì)比編程語(yǔ)言與鼠標(biāo)操作類(lèi)軟件的特點(diǎn)，幫助學(xué)生根據(jù)專業(yè)需求選擇工具。數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院統(tǒng)計(jì)學(xué)專業(yè)的王世苗現(xiàn)在是北京計(jì)算科學(xué)研究中心的博士研究生。她表示，課程對(duì)科研繪圖零基礎(chǔ)的學(xué)生十分友好，手把手、沉浸式的實(shí)操訓(xùn)練讓她快速入門(mén)?；趯?duì)課程的興趣，她加入祁宏老師課題組深入學(xué)習(xí)編程與科學(xué)研究，期間參與發(fā)表兩篇SCI論文，利用科研作圖與數(shù)據(jù)可視化的知識(shí)撰寫(xiě)畢業(yè)論文，并榮獲校級(jí)本科優(yōu)秀畢業(yè)論文。

智匯數(shù)據(jù)海 藝啟未來(lái)門(mén)

圖為選課學(xué)生諶雨杰可視化作品創(chuàng)意

“銳意創(chuàng)新，不斷進(jìn)取”是貫穿教學(xué)課程的核心理念。為不斷提升教師業(yè)務(wù)素質(zhì)，采取“以教促學(xué)”的方式，祁宏老師與劉利利老師在周末舉辦R語(yǔ)言和Python數(shù)據(jù)可視化學(xué)習(xí)班，不僅幫助學(xué)生掌握前沿的數(shù)據(jù)可視化技能，也促使教師在教學(xué)相長(zhǎng)中不斷深化對(duì)課程內(nèi)容的理解，讓這門(mén)課程愈發(fā)專業(yè)。

“科研作圖與數(shù)據(jù)可視化”的課堂始終保持對(duì)學(xué)術(shù)與社會(huì)熱點(diǎn)的敏銳洞察，每年都為學(xué)生復(fù)現(xiàn)當(dāng)年的諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)科普?qǐng)D表，從圖表的色彩搭配、構(gòu)圖邏輯到數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式進(jìn)行全方位剖析，讓學(xué)生在實(shí)踐中領(lǐng)悟頂尖學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)可視化思路。針對(duì)Nature、Science、Cell等頂刊最新發(fā)表的研究成果，帶領(lǐng)學(xué)生拆解圖表背后的數(shù)據(jù)邏輯，分析如何通過(guò)可視化手段將復(fù)雜的科研發(fā)現(xiàn)清晰地傳遞給讀者。在社會(huì)熱點(diǎn)結(jié)合上，將社會(huì)熱搜事件轉(zhuǎn)化為可視化教學(xué)素材，引導(dǎo)學(xué)生思考如何用數(shù)據(jù)圖表講好現(xiàn)實(shí)故事。

課程對(duì)經(jīng)典教學(xué)案例進(jìn)行精益求精的優(yōu)化，力求每個(gè)案例都能精準(zhǔn)傳遞科學(xué)內(nèi)涵與視覺(jué)美感，讓學(xué)生既能學(xué)到扎實(shí)的技術(shù)，又能培養(yǎng)出良好的圖表審美能力。隨著AI技術(shù)的爆發(fā)式發(fā)展，課程將向“AI融合教學(xué)”升級(jí)，探索大語(yǔ)言模型在數(shù)據(jù)預(yù)處理、輔助圖表生成等場(chǎng)景的應(yīng)用，讓課程始終站在技術(shù)革新的潮頭。

在數(shù)字化浪潮席卷科研與職場(chǎng)的今天，“科研作圖與數(shù)據(jù)可視化”的價(jià)值早已超越“軟件操作教學(xué)”的范疇。課程提出構(gòu)建“技術(shù)—思維—藝術(shù)”三位一體的培養(yǎng)體系：既涵蓋Origin、Python等工具的前沿技法，又注重“數(shù)據(jù)敘事思維”的培養(yǎng)——讓學(xué)生學(xué)會(huì)用圖表揭示研究邏輯、用視覺(jué)語(yǔ)言增強(qiáng)學(xué)術(shù)說(shuō)服力。當(dāng)散點(diǎn)圖的軌跡勾勒變量關(guān)聯(lián)，氣泡圖的半徑丈量數(shù)據(jù)差異，學(xué)生經(jīng)歷的不僅是軟件操作訓(xùn)練，更是科學(xué)與藝術(shù)的共振。正如物理電子工程學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的諶雨杰同學(xué)所言：“老師從初學(xué)者角度入手教會(huì)學(xué)生如何使用各類(lèi)工具，使我受益匪淺，我憑借課程所學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)于圓周率的可視化作品得到了老師的高度稱贊！”

站在AI與大數(shù)據(jù)的新起點(diǎn)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)以銳意創(chuàng)新為帆，持續(xù)豐富課程內(nèi)容與教學(xué)形式，讓課程成為連接科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性與藝術(shù)創(chuàng)造力的橋梁：每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都是故事的起點(diǎn)，每幅圖表都是學(xué)術(shù)影響力的延伸，引領(lǐng)學(xué)生在數(shù)據(jù)海洋中錨定科研與職業(yè)的雙維發(fā)展方向，培養(yǎng)出兼具技術(shù)能力、創(chuàng)新思維和美學(xué)素養(yǎng)的復(fù)合型人才。

（責(zé)編 黃晶 通訊員 張馨文 編輯 蘭亞丹）