計算機實踐教學過程質(zhì)量監(jiān)控平臺的研究應(yīng)用

高志宇 趙營穎 閆培玲 楊紫儀 常皓林

摘 ?要：文章針對“計算機實踐教學過程質(zhì)量監(jiān)控平臺”進行了研究設(shè)計與應(yīng)用實現(xiàn)。使用Python數(shù)據(jù)處理技術(shù)采集實驗室電腦的使用數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行“清洗”處理過后，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到有效數(shù)據(jù)，使用MySQL數(shù)據(jù)庫進行存儲數(shù)據(jù)、使用Echart對數(shù)據(jù)進行圖形化表達、采用Springboot技術(shù)和Mybatis Plus框架開發(fā)系統(tǒng)平臺。最終實現(xiàn)了對實踐教學過程的實時監(jiān)控，為后續(xù)的教學質(zhì)量評價提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，從而改善了高校實驗教學環(huán)節(jié)中“忽略實踐過程監(jiān)控”的現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：計算機;實踐教學;過程質(zhì)量監(jiān)控;數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析;數(shù)據(jù)圖形化展示

中圖分類號：TP39;G434 ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）13-0179-06

Research on the Application of Quality Monitoring Platform for Computer Practical Teaching Process

GAO Zhiyu， ZHAO Yingying， YAN Peiling， YANG Ziyi， CHANG Haolin

（School of Information Technology， Henan University of Chinese Medicine， Zhengzhou ?450046， China）

Abstract： This paper focuses on the research， design and application of “Quality Monitoring Platform for Computer Practical Teaching Process”. Python data processing technique is used to collect the used data in laboratory computers. After “cleaning” the data， the data is statistically analyzed to obtain effective data. MySQL database is used to store the data， Echart is used to graphically express the data， Springboot technology and Mybatis Plus framework are used to develop the system platform. Finally， it realizes the real-time monitoring of the practical teaching process， provides reliable data support for the follow-up teaching quality evaluation， and improves the current situation of “ignoring the practical process monitoring” in the experimental teaching link in colleges.

Keywords： computer; practical teaching; process quality monitoring; data statistical analysis; graphical display of data

0 ?引 ?言

近年來，我國高等教育已經(jīng)從外延式發(fā)展階段進入內(nèi)涵式發(fā)展階段，提高高等教育的教學質(zhì)量已經(jīng)成為教育改革的重點和關(guān)鍵，作為其中不可或缺的一環(huán)，加強計算機實踐教學過程質(zhì)量監(jiān)控和保障工作目前已經(jīng)成了各高校實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要保證之一。

為解決現(xiàn)階段高校計算機實踐教學中存在的諸多問題，如“重視理論監(jiān)控，忽略實踐過程監(jiān)控”“教學質(zhì)量監(jiān)控難于實時和精準”“監(jiān)控數(shù)據(jù)靜態(tài)化”和“教學質(zhì)量評價難于客觀”等，本課題利用對實踐教學過程中，學生所使用的設(shè)備進行實時數(shù)據(jù)采集，并進行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理和分析，最終可以得出客觀、精準、直觀的數(shù)據(jù)，有效地對實踐教學過程質(zhì)量進行實時監(jiān)控、反饋、預(yù)警和評價。

1 ?關(guān)鍵技術(shù)簡介

Python數(shù)據(jù)采集分析：Python語言提供了很多效率很高的高級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如隊列（Deque）、Array等，并且Python還支持簡單的面向?qū)ο缶幊?。Pyhton作為一門解釋性語言，其具備的語法以及動態(tài)類型，使其稱為諸多平臺編寫腳本和開發(fā)應(yīng)用的程序的首要編程語言。本次平臺的開發(fā)，就采用了Python語言來進行數(shù)據(jù)的采集與分析任務(wù)，主要使用其中的NumPy，NumPy，jieba，psutil等。

Spring Boot技術(shù)：Spring Boot作為一個非常流行web開發(fā)框架，其設(shè)計目的是用來簡化Spring應(yīng)用程序的初始搭建以及開發(fā)流程。其使用特定的方式來配置初始化項目的環(huán)境，開發(fā)者再也不需要重復(fù)定義那些樣板化的MVC三層架構(gòu)。

Mybatis技術(shù)：Mybatis作為一款優(yōu)秀的持久層框架，其隱藏了原先的一系列關(guān)于jdbc的操作，現(xiàn)在開發(fā)人員只需要關(guān)注SQL語句的書寫，使用的相關(guān)注解或者配置文件來配置映射原始數(shù)據(jù)類型、接口等等為數(shù)據(jù)庫中的記錄。

Bootstrap：作為一個優(yōu)秀的前端框架，其本身是由JS、CSS與字體文件編譯壓縮得來的。其具備的十幾種Jquery插件，可以給網(wǎng)頁添加更多的互動。

ECharts：ECharts是一款基于JavaScript的開源數(shù)據(jù)可視化圖表庫，其提供了生動的，可交互的，還有可個性化定制的圖形圖表，在開發(fā)的時候只需要傳入相應(yīng)的數(shù)據(jù)就可以直接圖形化顯示。

2 ?計算機實踐教學過程質(zhì)量監(jiān)控平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 ?系統(tǒng)架構(gòu)圖

計算機實踐教學過程質(zhì)量監(jiān)控平臺的總體架構(gòu)可分兩大塊。

第一部分：數(shù)據(jù)采集分析。使用程序獲取需要的數(shù)據(jù)，其中數(shù)據(jù)大致可以分為兩類，即電腦狀態(tài)信息和瀏覽器使用信息。由于開始的時候獲取的數(shù)據(jù)繁多且雜亂，其中包含眾多臟數(shù)據(jù)，我們在獲取數(shù)據(jù)后，對原始數(shù)據(jù)進行清洗處理，最終篩選出有用的數(shù)據(jù)。通過對數(shù)據(jù)使用相關(guān)的函數(shù)與算法，找出其中存在的規(guī)律，得出最終的數(shù)據(jù)結(jié)果，將其存儲在阿里云服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫里面，待到之后數(shù)據(jù)展示使用。

第二部分，數(shù)據(jù)展示。用戶通過登陸授權(quán)，進入平臺，查看由分析數(shù)據(jù)構(gòu)成的圖形化圖表以及提前錄入的一些學生，班級，電腦的基本信息。如圖1所示。

2.2 ?系統(tǒng)功能模塊設(shè)計圖

根據(jù)需求分析的內(nèi)容，可以分析得出目標平臺的功能模塊設(shè)計，如圖2所示。

2.3 ?數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計（E-R圖）

R圖在數(shù)據(jù)庫設(shè)計過程中是一個不可或缺的重要部分，它能夠清楚地展示出數(shù)據(jù)庫中各表之間的關(guān)系，清楚看到各個表的屬性，實體與實體之間的關(guān)系，畫E-R圖可以讓后期開發(fā)變得更加容易。系統(tǒng)的整體E-R圖如圖3所示。

2.4 ?數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊的功能主要是為了信息的獲取處理，是整個系統(tǒng)的重中之重，系統(tǒng)的核心之一。

總體控制模塊：該模塊主要負責對數(shù)據(jù)采集處理相關(guān)的模塊的調(diào)用，起到中間人的作用，主導各個模塊之間的信息交互。

數(shù)據(jù)采集模塊：該模塊負責實時的信息采集，所采集的信息主體上分為兩部分。一為電腦狀態(tài)信息，系統(tǒng)通過腳本獲取“任務(wù)管理器”里面的數(shù)據(jù)，“任務(wù)管理器”里面的信息實時反映出電腦在各個時刻的使用情況，是本系統(tǒng)非常有用的信息來源之一;二為瀏覽器使用信息，瀏覽器是學生上計算機實驗課的主要信息查詢工具，要想獲取學生的完整實驗課狀態(tài)，獲取瀏覽器的使用信息，也是必不可少的環(huán)節(jié)。

數(shù)據(jù)清洗模塊：該模塊是對“數(shù)據(jù)采集模塊”采集到的數(shù)據(jù)進行處理，包括無用信息的清洗、有效信息的整理和存儲，從而獲取對系統(tǒng)所需的有效數(shù)據(jù)。而對于清洗的方法包括：空值處理、分類處理、無用字段去除以及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等等[1]。

數(shù)據(jù)分析模塊：該模塊是對數(shù)據(jù)庫中的有效數(shù)據(jù)進行分析處理，主要使用的數(shù)據(jù)分析方法包括聚類算法、平均值、相關(guān)性分析、離散性分析等，為后續(xù)的數(shù)據(jù)展示提供有效數(shù)據(jù)[2]。

數(shù)據(jù)存儲模塊：在本地創(chuàng)建一個連接數(shù)據(jù)庫，發(fā)送數(shù)據(jù)到云端服務(wù)器。

2.5 ?分析結(jié)果展示模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)經(jīng)過上面的模塊進行收集分析發(fā)送后，就需要一個對數(shù)據(jù)進行展示的子模塊。

用戶登錄模塊：對不同用戶進行身份驗證，識別用戶的身份進入不同的界面，實現(xiàn)用戶的權(quán)限隔離。

首頁基礎(chǔ)信息展示模塊：主要用于展示學生的上課情況，遲到情況以及軟件使用情況等等。

班級成績報告模塊：這個模塊主要是對特定班級的上課信息進行整理，分析每個“學生”的學習狀態(tài)，并對學習狀態(tài)進行分類[3]，繼而做出評價，最終形成報告單。

年級成績模塊：這個模塊主要形成了以班級為單位的分析統(tǒng)計報告，從總體上對各個班級進行對比分析，查找發(fā)現(xiàn)問題，為學校的管理層提供有效的評斷依據(jù)。

3 ?系統(tǒng)功能最終實現(xiàn)

3.1 ?用戶登錄功能實現(xiàn)

本功能實現(xiàn)了用戶注冊、登錄、忘記密碼等功能。用戶可通過驗證登錄使用本平臺。如圖4所示。

3.2 ?基本信息展示

本功能實現(xiàn)了在首頁進行班級課程信息的展示，用戶可直接看到實踐教學時“課程進度”“課程安排”等詳細信息，如圖5所示。

3.3 ?班級對比界面

本功能橫向比較了各個班級的課程學習情況，并以條形圖等圖表形式直觀展示，如圖6所示。

3.4 ?形成性報告展示界面

班級學科形成性報告，是對特定班級特定學科、某段時間的學習成果進行一個簡單的總結(jié)、分析與評價，如圖7所示。

4 ?系統(tǒng)平臺測試

4.1 ?功能測試

功能測試采用黑盒測試，測試項目如表1所示。

數(shù)據(jù)采集展示模塊測試，如表2所示。

數(shù)據(jù)分析模塊測試，如表3所示。

學生基本數(shù)據(jù)展示功能測試，如表4所示。

4.2 ?測試結(jié)果

對系統(tǒng)進行黑盒測試。根據(jù)測試用例，完成對平臺的功能驗證，保證其在功能層面不會出現(xiàn)漏洞。

5 ?結(jié) ?論

本課題通過對國內(nèi)高校在實踐教學過程中存在問題的分析，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，使用相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析方法，構(gòu)建一個全體系、多維度的實踐教學質(zhì)量監(jiān)控云平臺，利用云平臺的采集實踐教學各環(huán)節(jié)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，尤其是過程數(shù)據(jù);并對此數(shù)據(jù)進行清理和存儲，再通過數(shù)據(jù)分析混合方法，有效地對實踐教學質(zhì)量進行實時監(jiān)控、反饋、預(yù)警和評價，并實現(xiàn)快速地發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的良好“教、學、管、督”聯(lián)動機制，為學生、教師和管理者提供學習、教學、等綜合評價、反饋和決策提供有力依據(jù)，填補了國內(nèi)高校實驗教學質(zhì)量“過程不夠透明”“數(shù)據(jù)不夠精準”“評價不夠客觀”的短板，對深化高校實驗教學改革有著深遠意義。

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作者簡介：高志宇（1979—），男，漢族，河南社旗人，副教授，碩士，主要研究方向：人工智能及智能計算;趙營穎（1986—），女，漢族，河南禹州人，講師，碩士，主要研究方向：計算機應(yīng)用技術(shù);閆培玲（1985—），女，漢族，河南滎陽人，實驗師，碩士研究生，主要研究方向：Web前端設(shè)計;楊紫儀（2001—），女，漢族，河南駐馬店人，本科在讀，研究方向：計算機應(yīng)用技術(shù);常皓林（1999—），男，漢族，河南許昌人，本科在讀，研究方向：人工智能及智能算法。