高校智能選課輔助系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究

蔣雨恬 陳思宇 吳冰 劉江岳

摘? 要 以蘇州大學(xué)為例，開(kāi)發(fā)智能選課輔助系統(tǒng)，創(chuàng)新性提出利用學(xué)生的興趣愛(ài)好、就職傾向、生活習(xí)慣等多維度信息作為樞紐，搭建高校本科生和通識(shí)選修課程之間的橋梁，系統(tǒng)獲得通識(shí)選修課程對(duì)多維度的貢獻(xiàn)值并輔助學(xué)生完成相關(guān)維度的量表測(cè)量，通過(guò)計(jì)算匹配，按照貢獻(xiàn)度推薦學(xué)生適切的課程，旨在解決學(xué)生選課過(guò)程中的盲目問(wèn)題。

關(guān)鍵詞 高校;智能選課輔助系統(tǒng);通識(shí)選修課程;機(jī)器學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：G647? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）12-0029-04

Abstract This article uses Suzhou University as an example to?develop an intelligent course selection assistance system. Innovative use of the students raised interest hobby， inauguration tendencies， habits and other multi-dimensional information as a hub， to build relationship between universities and undergraduate general educa-tion electives. The system obtains the contribution of general electivecourses to multiple dimensions and assists students to complete the scale measurement of relevant dimensions. By calculating the?matching， the students are recommended to the appropriate courses?according to their contribution. It aims to solve the blind phenomenonin the course selection of students.Key words colleges and universities; intelligent elective assistance system; general elective courses; machine learning

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2018年4月，教育部印發(fā)《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》，強(qiáng)調(diào)將“人工智能”“大數(shù)據(jù)”和“互聯(lián)網(wǎng)+”融入高校本科教學(xué)管理，彌補(bǔ)人工智能技術(shù)在教學(xué)管理領(lǐng)域的缺失。搭建高校智能選課輔助系統(tǒng)，幫助本科生選擇適切的通識(shí)選修課程，不僅能更好地服務(wù)于學(xué)生，也能夠減輕學(xué)校教務(wù)管理工作負(fù)擔(dān)。

通識(shí)教育經(jīng)歷了從無(wú)到有、從抽象到具體的發(fā)展過(guò)程，已成為高校本科教育的核心組成部分。早在20世紀(jì)70年代末，美國(guó)就組建了NSFNET（國(guó)家科學(xué)基金網(wǎng)），學(xué)生通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)絡(luò)教學(xué)管理系統(tǒng)，進(jìn)行入學(xué)報(bào)名、選課、考試及畢業(yè)論文提交等學(xué)習(xí)生活。可見(jiàn)，國(guó)外的教學(xué)管理軟件起步早、更成熟。

眾多研究者指出國(guó)內(nèi)當(dāng)代高校選課過(guò)程的不合理性。學(xué)生選課存在盲目現(xiàn)象，學(xué)生為修滿學(xué)分或取得高分，不了解課程間相關(guān)性，不清楚專業(yè)的方向性，選課隨意性大。

目前，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)高校的選課系統(tǒng)沒(méi)有通識(shí)選修課程的信息，學(xué)生只能單憑課程名稱進(jìn)行選擇。至于提供課程信息的高校，課程眾多且系統(tǒng)中課程的信息不能及時(shí)更新，學(xué)生選課前需花費(fèi)大量時(shí)間了解課程信息，使得選課成為學(xué)生業(yè)余時(shí)間里一項(xiàng)繁雜的任務(wù)。以蘇州大學(xué)為例，選課系統(tǒng)中共有179門通識(shí)選修課程的信息，粗略估計(jì)15分鐘瀏覽一門課程信息，則看完所有信息至少需要44個(gè)小時(shí)?？紤]到系統(tǒng)支持在線操作的用戶數(shù)量，學(xué)校提供給學(xué)生的搶課時(shí)間僅有10分鐘，且選課系統(tǒng)需在校園網(wǎng)下訪問(wèn)。

為更好了解蘇州大學(xué)通識(shí)選修課的情況，做了相關(guān)調(diào)查，調(diào)查對(duì)象為蘇州大學(xué)在校本科生，問(wèn)卷有效回收率為99%。被調(diào)查對(duì)象中男生占44.5%，女生占55.5%;文科生占35.00%，理科生占58.89%;2015級(jí)、2016級(jí)、2017級(jí)、2018級(jí)學(xué)生分別占10.5%、39%、28.5%、12%。據(jù)調(diào)查，在選課前有高達(dá)74.5%的學(xué)生對(duì)課程略有了解，而很了解的不到20%;學(xué)生選課的依據(jù)，39%來(lái)自專業(yè)的關(guān)聯(lián)性，71%來(lái)自興趣愛(ài)好，52.5%源自對(duì)未來(lái)職業(yè)生涯規(guī)劃的貢獻(xiàn)，而46.5%考慮是否容易通過(guò);在課程結(jié)束之后，有多達(dá)一半的學(xué)生出現(xiàn)后悔，其中53.76%的學(xué)生認(rèn)為選擇與當(dāng)初標(biāo)準(zhǔn)不同，55.91%的學(xué)生表示沒(méi)有選擇到心儀的課程，51.61%的學(xué)生認(rèn)為課程內(nèi)容枯燥無(wú)聊;在上課期間有少量學(xué)生基本沒(méi)有上過(guò)課，多半以上的學(xué)生沒(méi)有認(rèn)真聽(tīng)講;且60%的學(xué)生認(rèn)為通識(shí)選修課程效果一般，沒(méi)有太多的幫助。

出于對(duì)通識(shí)選修課程了解的缺乏，學(xué)生選擇了不感興趣、不適合的課程，上課缺乏積極性，導(dǎo)致出現(xiàn)曠課、缺課等現(xiàn)象。且學(xué)生對(duì)課程的滿意度也不高，教育資源大有浪費(fèi)之嫌。學(xué)校教務(wù)對(duì)于這一現(xiàn)象的管理也毫無(wú)突破。基于大數(shù)據(jù)的智能選課輔助系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，不僅能更好地服務(wù)于學(xué)生，也能夠減輕學(xué)校教務(wù)管理工作的負(fù)擔(dān)。

2 系統(tǒng)概述

基于大數(shù)據(jù)的智能選課輔助系統(tǒng)利用興趣愛(ài)好、生活習(xí)慣、就職傾向等信息作為樞紐，將高校在校學(xué)生與學(xué)校通識(shí)選修課程聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)計(jì)算匹配，給學(xué)生推薦適合他們個(gè)人特質(zhì)的選修課程。

首先，開(kāi)發(fā)智能輔助系統(tǒng)，將通識(shí)選修課程的多維度信息特征參數(shù)與興趣愛(ài)好、生活習(xí)慣、就職傾向匹配，獲取匹配的數(shù)值，即課程對(duì)興趣愛(ài)好、生活習(xí)慣、就職傾向等多維度的貢獻(xiàn)度。前期采用機(jī)器自動(dòng)讀取選修課程關(guān)鍵信息與人工訓(xùn)練相結(jié)合的方式得到選修課程貢獻(xiàn)度的數(shù)值，后期改善為機(jī)器學(xué)習(xí)計(jì)算得出。

其次，在學(xué)生選課前，系統(tǒng)輔助學(xué)生填寫關(guān)于興趣愛(ài)好、生活習(xí)慣、就職傾向等自然維度與興趣維度的量表。學(xué)生在填寫量表、提交數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)反饋學(xué)生用戶自畫像并生成推薦對(duì)各維度貢獻(xiàn)值高的課程;對(duì)于未填寫量表的學(xué)生，系統(tǒng)還提供一系列多層次的課程信息關(guān)鍵詞，通過(guò)關(guān)鍵詞漸進(jìn)式遴選課程，最終推薦與該生需求相符或相近的課程。

在項(xiàng)目后期完善中，改善智能選課容易支配學(xué)生的缺陷。對(duì)于一些貢獻(xiàn)度低、容易被忽視的課程，利用推送的方式介紹其價(jià)值意義，提示學(xué)生給予關(guān)注。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

選課輔助系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，由客戶層、邏輯層和數(shù)據(jù)層組成。數(shù)據(jù)層采用Microsoft SQL Server關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，邏輯層采用ASP.NET，而客戶層是支持HTML、CSS、JavaScript的瀏覽器。具體結(jié)構(gòu)如下：

客戶層：瀏覽器（支持HTML、CSS、JavaScript）

邏輯層：ASP.NET

數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)庫(kù)（SQL Server）

ASP.NET是基于.NET13框架的Web開(kāi)發(fā)平臺(tái)。ASP.NET的重要新特性之一是多語(yǔ)言支持。除此之外，還有高性能、可管理高效性等顯著特點(diǎn)。在ASP.NET中采用C#語(yǔ)言，它是一種由C和C++衍生出來(lái)面向?qū)ο蟮母呒?jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。無(wú)論是對(duì)于簡(jiǎn)單應(yīng)用的編寫，還是大型商業(yè)軟件的編寫，都是最合適的選擇，對(duì)于系統(tǒng)后期的完善與改進(jìn)也極其便利。且ASP.NET可通過(guò)Ado.net訪問(wèn)Microsoft SQL Server關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。SQL Server是一種客戶機(jī)/服務(wù)器系統(tǒng)，采用T-SQL語(yǔ)句，能幫助系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者更好地管理操作數(shù)據(jù)庫(kù)。

系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)? 選課輔助系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。下面是選課輔助系統(tǒng)中各數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)用途，做以解釋說(shuō)明。

1）用戶表（表1），存儲(chǔ)用戶登錄的賬戶、密碼及權(quán)限類型，其中0代表學(xué)生、1代表教師、2代表管理員。

2）學(xué)生基本信息表（表2），存儲(chǔ)學(xué)生的信息資料，如學(xué)號(hào)、姓名、專業(yè)、興趣愛(ài)好等。

3）教師基本信息表（表3），存儲(chǔ)教師的信息資料。

4）課程信息表（表4），存儲(chǔ)蘇州大學(xué)通識(shí)選修課程的信息。

5）維度分類表（表5），存儲(chǔ)各維度關(guān)鍵詞。

6）機(jī)器自動(dòng)比對(duì)貢獻(xiàn)度表（表6），存儲(chǔ)機(jī)器自動(dòng)比對(duì)的貢獻(xiàn)值。

7）人工訓(xùn)練貢獻(xiàn)度信息表（表7），人工訓(xùn)練得到的課程貢獻(xiàn)值。

8）課程貢獻(xiàn)度表（表8），課程最終貢獻(xiàn)值參考自動(dòng)比對(duì)的貢獻(xiàn)度、人工訓(xùn)練的課程貢獻(xiàn)度計(jì)算。

9）課程匹配信息表（表9），記錄每一位學(xué)生在不同維度的匹配課程。

系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

1）通識(shí)選修課程特征參數(shù)設(shè)置。每門課程可以看作由g個(gè)維度、n個(gè)課程描述參數(shù)（取值范圍為大于等于0且小于等于10的實(shí)數(shù)）組成的二維數(shù)組向量，因此，每個(gè)課程表示為一個(gè)二維數(shù)組向量，稱為課程貢獻(xiàn)向量，用C表示：

專業(yè)、興趣愛(ài)好、職業(yè)、生活習(xí)慣等這g個(gè)參數(shù)是描述學(xué)生對(duì)通識(shí)選修課程的需求，稱為學(xué)生需求向量，用S表示：

課程貢獻(xiàn)向量和學(xué)生需求向量的對(duì)應(yīng)分量須設(shè)為同一門課程描述的參數(shù)，確保后續(xù)計(jì)算算法和計(jì)算結(jié)果有意義。

2）課程推薦機(jī)制。

①余弦相似度。計(jì)算課程和學(xué)生之間的相似度——余弦相似度（CosineSimilarity）。余弦相似度用向量空間中兩個(gè)向量夾角的余弦值作為衡量?jī)蓚€(gè)個(gè)體間差異的大小。余弦值越接近1，就表明夾角越接近0°，兩個(gè)向量越相似。

余弦相似度計(jì)算公式為：

②加權(quán)余弦相似度。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于不同學(xué)生來(lái)說(shuō)，維度的參數(shù)所占貢獻(xiàn)值是不一致的。為解決參數(shù)貢獻(xiàn)值不均勻的問(wèn)題，引入權(quán)重的概念。某一指標(biāo)的權(quán)重指該指標(biāo)在整體評(píng)價(jià)中相對(duì)重要程度。權(quán)重向量W：

學(xué)生需求向量S、待比較的課程貢獻(xiàn)向量C及其權(quán)重向量W：

③課程推薦機(jī)制。教務(wù)系統(tǒng)中的所有共m門可選通識(shí)選修課程c1，c2，…，cm，組成一個(gè)課程集合C={c1，c2，…，

cm}，教務(wù)系統(tǒng)中的所有共n名在冊(cè)學(xué)生s1，s2，…，sn組成一個(gè)學(xué)生集合S={s1，s2，…，sn}。對(duì)于S中的學(xué)生s1，遍歷一次整個(gè)課程集合C，以該學(xué)生對(duì)應(yīng)的多個(gè)維度的學(xué)生需求向量對(duì)每一個(gè)課程描述向量進(jìn)行一次相似度的計(jì)算，最終得到g×m×n條記錄。

在每組內(nèi)按相似度降序?qū)λ杏涗涍M(jìn)行排序，序數(shù)值越小的記錄的課程，就和該學(xué)生的需求越一致。

3）機(jī)器學(xué)習(xí)。機(jī)器學(xué)習(xí)需生成訓(xùn)練模型，在生成模型的過(guò)程中加載數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)處理以訓(xùn)練模型;若有評(píng)估數(shù)據(jù)，還可對(duì)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行評(píng)估，生成各種指標(biāo)。

采用ML.NET準(zhǔn)備加載用于訓(xùn)練數(shù)據(jù)的模型時(shí)，需將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成CSV文件進(jìn)行加載，再建立模型。訓(xùn)練模型采用矩陣分解（matrix factorization）的機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)。設(shè)有一個(gè)評(píng)分矩陣Rui，其中u代表學(xué)生個(gè)數(shù)，i代表課程個(gè)數(shù)，學(xué)生u對(duì)課程i評(píng)級(jí)為Rui。矩陣分解可將R分解為兩個(gè)矩陣乘積，即Rui=Puf*Qfi，其中f為隱因子個(gè)數(shù)，P中一行表示一個(gè)學(xué)生對(duì)各因子喜歡程度，Q中一列表示一門課程隱因子分布概率。兩者相乘，最終得出學(xué)生對(duì)課程的評(píng)分：

訓(xùn)練模型的任務(wù)是使所有Rui≠0時(shí)，rui與最大程度上靠近，即：

同時(shí)，為防止Puf與Qfi太極端，需要加一個(gè)正則項(xiàng)：

求解上述無(wú)約束最優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，用到梯度下降法，在第t+1次時(shí)：

系統(tǒng)發(fā)布? 選課輔助系統(tǒng)的發(fā)布利用IIS Web服務(wù)器。其通過(guò)超文本傳輸協(xié)議（HTTP）傳輸信息，且提供文件傳輸協(xié)議（FTP）等其他服務(wù)，是最廣泛使用的服務(wù)器之一。被試通過(guò)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備即可訪問(wèn)選課輔助系統(tǒng)，完成相關(guān)維度的量表測(cè)量后，獲得系統(tǒng)推薦的貢獻(xiàn)值高的通識(shí)選修課程。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中最重要的一環(huán)，能確保系統(tǒng)的健壯性和實(shí)用性。在測(cè)試過(guò)程中分別從系統(tǒng)的兩類用戶使用進(jìn)行測(cè)試。其中管理員子系統(tǒng)通過(guò)維護(hù)用戶信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，包括添加、刪除、查詢和修改功能;學(xué)生子系統(tǒng)通過(guò)更新學(xué)生修改的信息和推薦給學(xué)生合適選修課程的匹配時(shí)長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行測(cè)試。在系統(tǒng)測(cè)試結(jié)束后，與參與系統(tǒng)測(cè)試的學(xué)生訪談，獲得對(duì)系統(tǒng)的改進(jìn)建議，并在進(jìn)一步的測(cè)試過(guò)程中改進(jìn)系統(tǒng)中的錯(cuò)誤和不足。

5 結(jié)語(yǔ)

學(xué)生利用選課輔助系統(tǒng)選擇適切性的通識(shí)選修課程，有利于提升學(xué)習(xí)興趣和熱情，更積極地參加課堂學(xué)習(xí)，達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果。學(xué)生選擇到適合的通識(shí)選修課程，課堂活躍度被大幅度提升，課堂積極性被充分調(diào)動(dòng)，對(duì)通識(shí)選修課程的滿意度也會(huì)大有提升，選修課的質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)提升。學(xué)校教務(wù)部可以根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行供給課改革，加大選擇量多的通識(shí)選修課程的開(kāi)設(shè)，滿足學(xué)生的需求，也能夠更好地管理通識(shí)選修課程。

基于大數(shù)據(jù)的人工智能選課輔助系統(tǒng)的特色在于將大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)運(yùn)用到高校本科學(xué)生選修通識(shí)選修課程過(guò)程中，利用興趣愛(ài)好、生活方式、就職傾向等維度作為樞紐，搭建起學(xué)生與選修課程之間的橋梁，開(kāi)拓了大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)在教學(xué)管理領(lǐng)域的應(yīng)用。

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