基于關聯(lián)規(guī)則挖掘算法的教務管理系統(tǒng)設計

葉夢雄

(西安航空職業(yè)技術學院，陜西 西安 710089)

計算機與信息技術的發(fā)展，給各領域帶來日新月異的變革，也使得高等教育工作逐步實現(xiàn)了信息化。對于高等教育系統(tǒng)而言，教務管理工作是核心環(huán)節(jié)，對整個教學的高效運作影響極大。目前我國許多高校在實際工作中已經(jīng)應用了教務管理系統(tǒng)，并針對教務管理工作中涉及海量數(shù)據(jù)的特點，提供如數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢等功能，顯著提高了教務管理工作的效率和質量。在教學過程中，不斷積累的歷史數(shù)據(jù)含有大量的、有價值的信息，但是現(xiàn)有的教務管理系統(tǒng)普遍缺乏數(shù)據(jù)分析及發(fā)掘的功能。若在現(xiàn)有的教務管理系統(tǒng)基礎上，融入高效的數(shù)據(jù)挖掘技術，以分析、挖掘教務管理系統(tǒng)中海量信息，必然能夠幫助高校教務工作者準確掌握教務工作中的潛在規(guī)律，為相關決策提供更加全面而科學的有力支持，最終推動高校教務工作的創(chuàng)新，實現(xiàn)個性化的人才培養(yǎng)目標。為實現(xiàn)上述構想，本文提出了一種基于關聯(lián)規(guī)則挖掘算法的教務管理系統(tǒng)設計方案。

1 系統(tǒng)功能需求

教務管理系統(tǒng)主要由服務端與客戶端構成，主要用戶對象包括教師、學生、教務管理者。其中，教師及學生為客戶端用戶，而教務管理者為服務端用戶。鑒于當前我國移動互聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)普及，廣大師生基本上都擁有智能手機等移動終端[1]，因此本文所提出的教務管理系統(tǒng)的客戶端，主要依托于智能移動終端。該系統(tǒng)采用實名注冊方式，用戶登錄系統(tǒng)時需要輸入姓名、登錄密碼以及身份驗證信息。同時，根據(jù)教務管理工作的實際需要，本文對教務管理系統(tǒng)的功能需求進行分析，最終確定了系統(tǒng)整體用例圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體用例圖

從圖1可以看到，對于學生用戶而言，教務管理系統(tǒng)需要具備系統(tǒng)登錄、學籍管理以及選課管理等功能模塊；對于教師用戶而言，教務管理系統(tǒng)需要具備系統(tǒng)登錄、成績管理以及教學管理等功能模塊；對于教務工作者而言，教務管理系統(tǒng)除了需要成績管理、教學管理等功能模塊外，還需要具備系統(tǒng)設置、排課管理等功能模塊。具體來說，教學管理功能模塊主要包括教學時間、教學內(nèi)容以及教學地點等；成績管理功能模塊包括對學生或班級成績的錄入、修改、查詢以及統(tǒng)計分析等；選課管理功能模塊主要是為不同專業(yè)學生提供課程選擇[2]；排課管理功能模塊主要是為教務工作者提供課程安排的功能。

2 教務管理系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)整體架構設計

教務管理系統(tǒng)主要由服務器與客戶端兩個部分構成，其中服務器的核心作用是實現(xiàn)應用程序的邏輯運行；客戶端的核心作用是為用戶提供交互及展示等功能。在該系統(tǒng)中，服務器能夠支持常見的C/S以及B/S架構模式，通信協(xié)議則兼容SOCKET以及HTTP；客戶端主要針對目前已廣泛應用的智能手機移動終端，采用C/S架構模式。

根據(jù)上述設計目的，本文所設計的教務管理系統(tǒng)包含了應用服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、網(wǎng)絡及通訊服務器、終端等，具體架構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)邏輯架構設計

系統(tǒng)整體網(wǎng)絡拓撲結構設計如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)整體網(wǎng)絡拓撲結構設計圖

從圖2和圖3中可以看到，教務管理系統(tǒng)基于分層原理進行開發(fā)，通過關聯(lián)規(guī)則的數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)對所有數(shù)據(jù)的存儲，同時采取防火墻等措施來加強系統(tǒng)的安全性和可靠性[3]，保障數(shù)據(jù)信息的安全。

2.2 系統(tǒng)功能設計

本文所設計的教務管理系統(tǒng)兼容了現(xiàn)有教務管理系統(tǒng)的主要功能，同時融入了大數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)挖掘技術的應用。此外，該系統(tǒng)還支持智能終端訪問。具體功能模塊如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能模塊設計

3 系統(tǒng)功能詳細設計

3.1 登錄流程設計

用戶登錄模塊的流程設計如圖5所示。用戶通過智能手機客戶端訪問本系統(tǒng)的登錄界面，在該界面中輸入姓名、密碼以及身份驗證信息，向服務器發(fā)送請求；服務器收到請求后從數(shù)據(jù)庫中調取用戶信息進行身份驗證，并將驗證結果反饋至客戶端[4]；客戶端接收到服務器的響應后，當用戶滿足登錄條件則跳轉至用戶身份所對應的頁面；若用戶輸入的登錄信息不合法，則返回系統(tǒng)登錄界面并提示錯誤。

圖5 登錄模塊流程設計

3.2 數(shù)據(jù)倉庫設計

為了提高數(shù)據(jù)挖掘的效率，在教務管理系統(tǒng)中建立了數(shù)據(jù)倉庫，以此簡化數(shù)據(jù)挖掘的過程。系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉庫體系結構如圖6所示。

圖6 教務管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉庫體系結構

數(shù)據(jù)源經(jīng)過數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)轉換以及數(shù)據(jù)裝載等步驟進入數(shù)據(jù)集市，數(shù)據(jù)集市經(jīng)整合成為數(shù)據(jù)倉庫，并以關系型在線處理分析(ROLAP)的方式進行存儲；用戶登錄教務管理系統(tǒng)后，可以利用數(shù)據(jù)挖掘等數(shù)據(jù)分析工具訪問數(shù)據(jù)倉庫，對其中所包含的數(shù)據(jù)進行管理、維護等相關操作；通過數(shù)據(jù)挖掘所得到的知識，經(jīng)由客戶端的用戶界面展示給用戶。

3.3 關聯(lián)規(guī)則挖掘設計

3.3.1Apriori算法改進

Apriori算法誕生于20世紀末，是最早的關聯(lián)規(guī)則挖掘算法。傳統(tǒng)的Apriori算法的候選頻繁集數(shù)量多，導致掃描時間長，進而降低了挖掘的效率和準確度。對此，為提高對學生課程推薦的準確度，本文做了兩方面的改進。

1)在傳統(tǒng)Apriori算法的基礎上，引入加權關聯(lián)規(guī)則。假設在項目集I(I={i1,i2,…,im})中，任意一個項目im都存在一個權值wj，其中0≤wj≤1，j=1,2,…,m。通過這個權值，可以衡量該項目在整個集合當中的重要性。該權值越大，說明其重要性越突出。將集合中的項目按照權值的大小進行排序，從而得到一個由大到小的排列結合，最后構成一個線性序集。用X,Y表示項目集I中的元素，X

定義X的加權支持度為w(X)×Sup(X)，其中Sup(X)為關聯(lián)規(guī)則中的支持度。

式中：Support_count(X)為元素X在記錄中出現(xiàn)的次數(shù)；事務總數(shù)為數(shù)據(jù)的個數(shù)。

如果w(X)×Sup(X)≥wminSup，那么x為加權頻繁項目集，其中wminSup表示用戶的最小加權支持度。

2)在置信度方面，如果X，Y∈I，X∩Y=φ,那么定義(X?Y)的置信度為：

式中：Support_count(X∪Y)表示X和Y同時在記錄中出現(xiàn)的次數(shù)。

在以上的關聯(lián)規(guī)則中，課程的權重是依據(jù)相關的專家對課程重要性進行設置的。但是，單純考慮加權支持度和加權置信度的話，則得到的關聯(lián)規(guī)則數(shù)目非常多，從而導致推薦的課程缺乏實際的指導意義，為了提高推薦的準確率，引入了興趣度[5]。

假設P(X)表示X發(fā)生的概率，P(XY)表示事件X和Y同時發(fā)生的概率。如果P(XY)≠P(X)P(Y)，則表示X和Y相關；如果P(XY)=P(X)P(Y)，則表示X和Y相互獨立。由此，在關聯(lián)規(guī)則中，(X?Y)的興趣度RI可以表示為:

當RI>1時，表示X和Y正相關，即X的出現(xiàn)可帶動Y出現(xiàn)；當RI≤1時，則表示X和Y為負相關，即X的出現(xiàn)阻礙了Y的出現(xiàn)。

結合以上兩種方式，定義(X?Y)，并且滿足RI(X?Y)≥minRI，則認為(X?Y)滿足最小興趣度的關聯(lián)規(guī)則。

3.3.2數(shù)據(jù)挖掘流程設計

教務管理系統(tǒng)具體的數(shù)據(jù)挖掘流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)挖掘流程

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 登錄模塊實現(xiàn)

用戶登錄教務管理系統(tǒng)時，首先在輸入框中輸入姓名、密碼等信息，然后點擊登錄按鈕。若用戶通過驗證，則客戶端根據(jù)該用戶角色跳轉至系統(tǒng)功能界面；具體登錄界面如圖8所示。

4.2 課程推薦模塊實現(xiàn)

教務管理者成功登錄教務管理系統(tǒng)后，其客戶端跳轉至課程推薦模塊，如圖9所示。用戶在課程推薦界面,可以對“喜歡課程選擇”、“設置最小支持度”等篩選條件進行具體設置，由關聯(lián)規(guī)則算法得出篩選結果。如以計算機科學與技術、最小支持度3為條件，得到課程推薦結果為計算機基礎、數(shù)據(jù)結構、JAVA 程序設計。

圖8 用戶登錄界面

5 結束語

本文提出的教務管理系統(tǒng)設計方案，不僅保留了現(xiàn)有教務管理系統(tǒng)的主要功能，同時引入數(shù)據(jù)挖掘技術，使其增加了挖掘歷史數(shù)據(jù)的新功能。此外，該設計方案從實際情況出發(fā)，客戶端依托于智 能手機等移動終端，為用戶使用該系統(tǒng)提供了便利。

圖9 課程推薦界面