基于大數(shù)據(jù)分析的學(xué)生最優(yōu)選課方案模型的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

史金梅+夏偉

摘 要： 為了提高學(xué)生選課的優(yōu)化配置性能，提高課程資源的利用效能，提出一種基于大數(shù)據(jù)分析的學(xué)生最優(yōu)選課方案模型的設(shè)計(jì)方法。首先構(gòu)建學(xué)生優(yōu)選課方案模型的總體結(jié)構(gòu)模型，采用大數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行學(xué)生選課資源數(shù)據(jù)庫的信息融合和優(yōu)化訪問設(shè)計(jì)，結(jié)合自適應(yīng)均衡博弈和灰色關(guān)聯(lián)度分析，得到學(xué)生選課的綜合決策模型。在Linux內(nèi)核進(jìn)行程序開發(fā)，基于X86架構(gòu)建立學(xué)生選課系統(tǒng)的交叉編譯環(huán)境，在虛擬文件系統(tǒng)配置腳本菜單，網(wǎng)絡(luò)模塊集成了HTTP服務(wù)器和Telnet服務(wù)器功能，實(shí)現(xiàn)課程信息的數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程傳輸。最后進(jìn)行系統(tǒng)軟件開發(fā)和調(diào)試分析，結(jié)果表明，該選課方案模型具有較好的大數(shù)據(jù)分析能力，實(shí)現(xiàn)課程最優(yōu)化配置和選取，模型的可靠性較強(qiáng)。

關(guān)鍵詞： 大數(shù)據(jù)分析； 選課； 模型設(shè)計(jì)； 信息融合

中圖分類號(hào)： TN911?34； TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）14?0030?03

Abstract： In order to improve the optimal allocation performance in students′course selection and utilization efficiency of curriculum resources， a design method of a course selection model based on large data analysis is proposed. The overall structure model of student optimal course selection model is constructed firstly. A large data analysis method is used to conduct information fusion and optimal access design of student course resource database to get comprehensive decision model of student course selection by combining adaptive equilibrium with grey correlation analysis. The program development is performed in Linux kernel. The cross compile environment for student elective system is established based on X86 architecture. A script menu is collocated in the virtual file system. HTTP server and telnet server functions are integrated in the network module to realize data sharing and remote transmission of the curriculum information. The system software development and debugging analysis results show that the course selection scheme model has good data analysis ability and strong reliability， and can realize the optimization configuration and selection of courses.

Keywords： big data analysis； course selection； model design； information fusion

隨著高等教育深化改革和發(fā)展，為了更好地發(fā)揮高等院校的教學(xué)資源優(yōu)勢(shì)，結(jié)合學(xué)生的課程和專業(yè)的差異性，采用選課制進(jìn)行課程搭配設(shè)計(jì)。這樣既尊重了學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求，也更科學(xué)地搭配高校的教學(xué)資源。選課制，也稱課程選修制，允許學(xué)生對(duì)學(xué)校所開設(shè)的課程有一定的選擇自由，對(duì)任課教師、上課時(shí)間以及進(jìn)度僅有一定組合的選課機(jī)制，采用選課制教學(xué)，更有利于擴(kuò)充學(xué)生的知識(shí)面，更好地整合高等教育的教學(xué)資源。然而，學(xué)生在進(jìn)行選課中具有一定的盲目性和自發(fā)性，需要有效的信息系統(tǒng)進(jìn)行指導(dǎo)，設(shè)學(xué)生選課方案優(yōu)化信息管理系統(tǒng)，在大數(shù)據(jù)信息時(shí)代，對(duì)更好地利用高校的教學(xué)資源具有積極重要的意義。

1 學(xué)生最優(yōu)選課方案設(shè)計(jì)總體構(gòu)架

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)大數(shù)據(jù)處理環(huán)境下的學(xué)生最優(yōu)選課方案模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先分析軟件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型，基于大數(shù)據(jù)分析的學(xué)生最優(yōu)選課方案模型是建立在學(xué)生選課資源數(shù)據(jù)庫的信息融合和優(yōu)化訪問設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的，結(jié)合數(shù)據(jù)信息處理模型進(jìn)行學(xué)生最優(yōu)選課方案模型設(shè)計(jì)，采用LabWindows/CVI進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理環(huán)境的選課方案分析[1?2]，結(jié)合均衡博弈思想進(jìn)行選課資源的優(yōu)化配置。學(xué)生最優(yōu)選課方案模型系統(tǒng)建立在嵌入式操作系統(tǒng)Linux基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)基于大數(shù)據(jù)分析的學(xué)生最優(yōu)選課方案模型主要元件包括如下幾個(gè)方面：

（1） 最優(yōu)選課方案的特征采集計(jì)算元件（CE）。選課方案中對(duì)教育資源信息的采樣頻率大于200 Hz，寄存器基器件采用IEEE?488協(xié)議進(jìn)行課程信息緩存和多線程輸出，在集成控制中樞單元對(duì)課程信息進(jìn)行特征提取和網(wǎng)格計(jì)算[3]。

（2） 副本管理器（RM）。采用二元語義信息屬性決策方法，用8 個(gè)32位Maibox寄存器寄存學(xué)生選課的特征信息，在每個(gè)站點(diǎn)控制副本管理的傳輸，實(shí)現(xiàn)學(xué)生選課信息的輸入和耦合[4?5]。

根據(jù)上述總體設(shè)計(jì)構(gòu)架，得到基于大數(shù)據(jù)分析的學(xué)生最優(yōu)選課方案模型的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

由圖1可見，先構(gòu)建學(xué)生優(yōu)選課方案模型的總體結(jié)構(gòu)模型，采用大數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問和資源調(diào)度，構(gòu)建用戶應(yīng)用程序（Application），采用開源Linux系統(tǒng)提供層次模型構(gòu)架。在MVB總線控制過程中，利用大數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行存儲(chǔ)控制和選課過程中的資源調(diào)度和數(shù)據(jù)共享。采用PCI橋接模塊進(jìn)行中斷控制，避免在課程選擇過程中的異常沖突。在信息傳輸?shù)慕K端，通過網(wǎng)口、串口、USB口的控制讀寫功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)選課結(jié)果的打印和輸出。

2 基于大數(shù)據(jù)分析的學(xué)生選課綜合決策設(shè)計(jì)

在上述進(jìn)行了學(xué)生最優(yōu)選課方案設(shè)計(jì)總體構(gòu)架的基礎(chǔ)上，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和學(xué)生選課資源信息處理。采用大數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行學(xué)生選課資源數(shù)據(jù)庫的信息融合和優(yōu)化訪問設(shè)計(jì)，進(jìn)行選課的綜合決策。采用二元語義決策分析方法構(gòu)建學(xué)生最優(yōu)選課的綜合決策方案。學(xué)生最優(yōu)選課二元決策控制的元素sk和ak的含義描述如下：

（1） sk為語義塊的n個(gè)課程設(shè)計(jì)，使得選課的優(yōu)化配置評(píng)價(jià)集S中的第k個(gè)元素根據(jù)學(xué)生最優(yōu)選課過程中的語義單元的語義特征，把決策方案評(píng)價(jià)集S分為十分可行、很可行、可行、一般、不可行、不可選擇等等級(jí)，來評(píng)價(jià)學(xué)生選課搭配的準(zhǔn)確性，確定最優(yōu)方案。描述為S={s6=FZ（十分可行），s5=HZ（很可行），s4=Z（可行），s3=YB（一般），s2=C（不可行），s1=HC（不可選擇）}。根據(jù)上述集合，建立決策矩陣，進(jìn)行學(xué)生選課的語義模糊匹配度不同界限劃分，得到語義單元分析方案。

（2） 稱為最佳語義相關(guān)度值。決策過程中，權(quán)重確定包括學(xué)生進(jìn)行選課的合理、客觀、穩(wěn)定性描述。設(shè)評(píng)價(jià)學(xué)生選課搭配的決策向量集，對(duì)選課的可行性評(píng)價(jià)方案關(guān)于評(píng)價(jià)指標(biāo)的方案優(yōu)劣判斷采用圖2所示的幾何示意圖分析，得到Pi關(guān)于各評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)方案Ij的評(píng)價(jià)值，且滿足 ，定義表示評(píng)價(jià)學(xué)生選課方案Pi對(duì)選課合理性評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)值結(jié)合上述給出選課方案優(yōu)劣判斷的評(píng)價(jià)集合，給出學(xué)生最優(yōu)選課方案的評(píng)價(jià)矩陣和指標(biāo)權(quán)重矩陣分別為：

學(xué)生選課的標(biāo)準(zhǔn)化綜合評(píng)價(jià)矩陣和選課合理性的指標(biāo)權(quán)重控制約束下，根據(jù)選課的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)評(píng)價(jià)，結(jié)合自適應(yīng)均衡博弈和灰色關(guān)聯(lián)度分析，得到學(xué)生選課的決策權(quán)重為，學(xué)生選課綜合決策參考模型選擇為：

基于大數(shù)據(jù)分析的學(xué)生選課綜合決策參數(shù)組合策略表見表1。

根據(jù)上述組合決策模型，作為嵌入式程序內(nèi)核，進(jìn)行學(xué)生最優(yōu)選課方案模型的軟件開發(fā)和設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)軟件開發(fā)設(shè)計(jì)

基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，進(jìn)行學(xué)生選課方案模型的軟件模塊化設(shè)計(jì)，采用存儲(chǔ)器映像控制，間接訪問底層寄存器，結(jié)合嵌入式Linux內(nèi)核進(jìn)行程序開發(fā)，在大數(shù)據(jù)信息處理分析環(huán)境下進(jìn)行最優(yōu)選課方案模型優(yōu)化設(shè)計(jì)。在學(xué)生選課的大數(shù)據(jù)信息處理中，寄存器地址范圍為00H～17H，在虛擬文件系統(tǒng)配置腳本菜單，控制和狀態(tài)查詢均通過讀/寫寄存器實(shí)現(xiàn)，學(xué)生選課方案模型的控制總線設(shè)計(jì)中，由主機(jī)端發(fā)送CMD信號(hào)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)寄存器、鍵值寄存器和計(jì)數(shù)器進(jìn)行總線控制，分別為：

（1） 系統(tǒng)寄存器（SystemReg）。寫32位命令到SDICmdArg，地址00H，復(fù)位值F0H，清除SDICmdSta寄存器的ZLG7290位，進(jìn)行學(xué)生最優(yōu)選課的決策配置。

（2） 鍵值寄存器（Key）。地址01H，設(shè)定標(biāo)志為RspFin，復(fù)位值00H，Key表示被按下鍵的鍵值，執(zhí)行基于大數(shù)據(jù)分析的學(xué)生最優(yōu)選課方案的決策模型的鍵值寄存操作。

（3） 計(jì)數(shù)器（RepeatCnt）。地址02H，最優(yōu)選課二元決策控制的復(fù)位值00H，RepeatCnt=0時(shí)表示標(biāo)志為CmdSent，RepeatCnt大于0時(shí)通過連續(xù)計(jì)數(shù)，設(shè)置timeout周期，判斷選課方案的合理性。

最后在虛擬文件系統(tǒng)配置腳本菜單，網(wǎng)絡(luò)模塊集成了HTTP服務(wù)器和Telnet服務(wù)器功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)共享。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的大數(shù)據(jù)處理環(huán)境下學(xué)生最優(yōu)選課方案模型的應(yīng)用性能，進(jìn)行仿真測(cè)試分析，實(shí)驗(yàn)中，采用嵌入式開發(fā)環(huán)境Qt C++ API，API，Qt/Embedded，利用FrameBuffe函數(shù)庫作為底層開發(fā)軟件，通過發(fā)送WREN指令，進(jìn)行選課方案的初始化參數(shù)配置，發(fā)送寫入的128個(gè)數(shù)據(jù)的首地址，連續(xù)寫入E2PROM穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)，從機(jī)配置SPI接口，要調(diào)節(jié)的數(shù)字量，配置F端口的外設(shè)功能，啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送實(shí)現(xiàn)學(xué)生的最優(yōu)選課方案配置。為了定量測(cè)試選課的合理性，采用選課課程搭配的不合理性權(quán)重系數(shù)為測(cè)試指標(biāo)，得到結(jié)果如圖3所示。從圖3可見，采用本文設(shè)計(jì)模型進(jìn)行選課的不合理性權(quán)重趨于零，能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)選課方案控制，具有一定的應(yīng)用可行性。

5 結(jié) 語

為了提高高校學(xué)生進(jìn)行課程選配的合理性設(shè)計(jì)，本文提出一種基于大數(shù)據(jù)分析的學(xué)生最優(yōu)選課方案模型的設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的選課方案模型具有較好的大數(shù)據(jù)分析能力，實(shí)現(xiàn)可課程最優(yōu)化配置和選取，模型的可靠性較強(qiáng)，具有優(yōu)越性。

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