基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的教務(wù)綜合管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)

周日輝

關(guān)鍵詞：教育信息化；數(shù)據(jù)挖掘；教務(wù)管理；軟件工程；關(guān)聯(lián)挖掘

1 教育數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

教育領(lǐng)域的信息化腳步是影響目前教育信息數(shù)據(jù)的快速增長(zhǎng)的重要原因。面對(duì)如此龐大的教育資源數(shù)據(jù)，充分運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)把數(shù)據(jù)背后一系列有用的知識(shí)深度挖掘出來，比如隱藏的規(guī)律，相互影響的因素，相互關(guān)聯(lián)的成分等，并且在一定程度上加以靈活地二次運(yùn)用，這不單只是教育資源的充分利用，對(duì)于教育資源的決策者、教育工作者、學(xué)生來說，更是一個(gè)福音，這也是教育數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)出現(xiàn)的原因[1]。

教育過程數(shù)據(jù)挖掘和學(xué)習(xí)分析技術(shù)是目前數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在教育領(lǐng)域中研究應(yīng)用的兩大主要方向。教育過程數(shù)據(jù)挖掘是在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，通過利用數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)等方法[2]，對(duì)教與學(xué)過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)剖析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)行為和學(xué)習(xí)過程進(jìn)行量化建模，進(jìn)而揭示教學(xué)規(guī)律。其關(guān)鍵任務(wù)需要解決教育過程中的幾大問題，如何調(diào)整教學(xué)順序適應(yīng)不同學(xué)生，影響優(yōu)異學(xué)習(xí)成績(jī)的因素，預(yù)示學(xué)習(xí)質(zhì)量的學(xué)生行為，在線學(xué)習(xí)環(huán)境的優(yōu)化等。而學(xué)習(xí)分析技術(shù)是為探索新的學(xué)習(xí)模式，為理解和優(yōu)化學(xué)習(xí)模式以及學(xué)習(xí)情境，一般通過對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象以及學(xué)習(xí)環(huán)境的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、匯總與分析。其主要應(yīng)用是監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)，及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)問題、做出干預(yù)、規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

2 需求分析

2.1 功能性與非功能性需求

基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的教務(wù)綜合管理平臺(tái)以高職院校作為研究切入點(diǎn)與服務(wù)對(duì)象，為其教育管理者、教師、學(xué)生等提供一個(gè)綜合數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，在實(shí)現(xiàn)基本教務(wù)功能的基礎(chǔ)上，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法及數(shù)據(jù)挖掘中的關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法進(jìn)行成績(jī)分析[3]，挖掘成績(jī)之間的相關(guān)性模式并對(duì)這些模式進(jìn)行二次使用，具體主要的功能性需求描述如下：

1） 考慮到平臺(tái)的實(shí)用性，基本確定使用范圍主要為教學(xué)管理人員（管理員）、教務(wù)分析人員（分析員），以及校內(nèi)教師用戶。通過深入使用范圍內(nèi)的群體進(jìn)行調(diào)研和訪談，結(jié)合系統(tǒng)在功能表現(xiàn)上的各種約束條件，基本可以確認(rèn)管理員的使用需求，以用戶管理、系統(tǒng)管理、教務(wù)管理及成績(jī)數(shù)據(jù)管理為主，分析員進(jìn)行成績(jī)關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘以建立知識(shí)庫(kù)為主，教師用戶以成績(jī)查詢、上傳、數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析以及二次使用挖掘模式為主。

2） 平臺(tái)以學(xué)生成績(jī)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，與成績(jī)數(shù)據(jù)相關(guān)的一些基本教務(wù)功能要求可以實(shí)現(xiàn)，利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)進(jìn)行學(xué)生成績(jī)數(shù)據(jù)的增、刪、改、查。為方便大批量成績(jī)數(shù)據(jù)的添加可使用文件上傳和編輯添加兩種方式。對(duì)于存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中的歷年成績(jī)數(shù)據(jù)，為適應(yīng)使用者的使用目標(biāo)，通過設(shè)置精確或模糊的多種條件，把范圍小到學(xué)生個(gè)人，大到整個(gè)專業(yè)的各學(xué)期階段成績(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢并展示。

3） 針對(duì)查詢得到的成績(jī)數(shù)據(jù)結(jié)果，對(duì)特定科目進(jìn)行常規(guī)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析。利用不同的圖表形式，縱向和橫向?qū)Ρ瘸煽?jī)的各分?jǐn)?shù)段比率、優(yōu)秀率、及格率、平均分、最高分，最低分、標(biāo)準(zhǔn)差、超平均分比率等統(tǒng)計(jì)信息?？v向?qū)Ρ仁峭ㄟ^比較同一專業(yè)不同年級(jí)的情況實(shí)現(xiàn)，橫向?qū)Ρ仁峭ㄟ^比較同一學(xué)年不同專業(yè)或不同班級(jí)的情況實(shí)現(xiàn)。如此統(tǒng)計(jì)比較可以一方面讓教學(xué)人員充分了解當(dāng)前自身的教學(xué)質(zhì)量情況及學(xué)生對(duì)科目的學(xué)習(xí)情況，通過兩向?qū)Ρ全@取教學(xué)建議，另一方面通過圖表化統(tǒng)計(jì)對(duì)比獲知的信息可以引導(dǎo)進(jìn)一步地關(guān)聯(lián)挖掘分析成績(jī)數(shù)據(jù)之間規(guī)律。

4） 平臺(tái)為探索學(xué)生成長(zhǎng)成才的因素及因素之間的聯(lián)系，建立抽象模型，把各種人才培養(yǎng)分析的因素“成績(jī)化”，包括學(xué)科成績(jī)、素質(zhì)成績(jī)、發(fā)展能力成績(jī)?nèi)N類型。通過此模型可以把握人才培養(yǎng)分析的多個(gè)維度。

5） 平臺(tái)利用關(guān)聯(lián)規(guī)則分析算法進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘工作[4]，首先提供用戶進(jìn)行準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的選擇，為確保通過挖掘算法能夠最終挖掘出有利用價(jià)值的模式信息，通過界面用戶選擇有效條件，從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取成績(jī)數(shù)據(jù)，此有效條件主要從數(shù)量及質(zhì)量上體現(xiàn)；然后能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的預(yù)處理，預(yù)處理主要工作是把成績(jī)數(shù)據(jù)從分?jǐn)?shù)值、連續(xù)型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為離散型數(shù)據(jù)，并通過界面展示預(yù)處理結(jié)果；最后對(duì)預(yù)處理結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘，界面展示得到成績(jī)數(shù)據(jù)中的強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則并確認(rèn)是否存檔。

6） 平臺(tái)對(duì)于已存檔于數(shù)據(jù)庫(kù)中的強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則基礎(chǔ)庫(kù)可進(jìn)行二次利用[5]，實(shí)現(xiàn)根據(jù)學(xué)生現(xiàn)有的成績(jī)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)后續(xù)的成績(jī)狀態(tài)，從而規(guī)避劣勢(shì)課程成績(jī)的發(fā)生，或者根據(jù)現(xiàn)有成績(jī)狀態(tài)進(jìn)行溯因，查找可能導(dǎo)致此狀態(tài)的原因（當(dāng)前成績(jī)狀態(tài)），從而方便教學(xué)人員調(diào)整教學(xué)順序或策略。

作為對(duì)功能性需求的補(bǔ)充，在對(duì)平臺(tái)進(jìn)行需求分析的過程中，還識(shí)別到一些非功能性的需求，用于描述系統(tǒng)性能或運(yùn)行情形的要求和約束等。主要內(nèi)容包括：

1） 響應(yīng)的實(shí)時(shí)性，平臺(tái)要求對(duì)用戶在界面上的操作能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)，對(duì)于操作引起的數(shù)據(jù)庫(kù)上數(shù)據(jù)的變更，能實(shí)時(shí)地反映在后續(xù)操作上。

2） 數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，由于平臺(tái)中的數(shù)據(jù)要為數(shù)據(jù)挖掘工作提供準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的支持，所以在數(shù)據(jù)的錄入、修改、保存的過程中，需要在每個(gè)環(huán)節(jié)上設(shè)定條件規(guī)范數(shù)據(jù)的合理性，保證數(shù)據(jù)完整、準(zhǔn)確。

3） 平臺(tái)針對(duì)不同用戶類型設(shè)置相應(yīng)權(quán)限，保證系統(tǒng)的安全性及可靠性，此外系統(tǒng)設(shè)計(jì)上使用B/S模式，允許多用戶同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)使用系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同操作。

2.2 用例圖

針對(duì)前文關(guān)于平臺(tái)系統(tǒng)的需求描述，系統(tǒng)使用的角色有管理員、分析員以及教師用戶三類，對(duì)系統(tǒng)核心的功能需求建立用例圖，如圖1所示。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的教務(wù)綜合管理平臺(tái)的架構(gòu)設(shè)計(jì)是符合MVC[6]（模型Model－視圖View－控制器Controller）模式的B/S（Browser/Server）解決方案，遵循“統(tǒng)一管理平臺(tái)，統(tǒng)一操作界面”的總體設(shè)計(jì)思路，從系統(tǒng)架構(gòu)功能邏輯上劃分為表示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)層及基礎(chǔ)層四層體系結(jié)構(gòu)作為構(gòu)建應(yīng)用的基礎(chǔ)，其中以業(yè)務(wù)邏輯層即中間層作為架構(gòu)的核心，以下對(duì)整體的設(shè)計(jì)思路作闡述。

表示層，B/S解決方案使得用戶終端的訪問及操作在Web瀏覽器上進(jìn)行，程序的運(yùn)行及數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問等在服務(wù)器上完成，統(tǒng)一簡(jiǎn)約風(fēng)格的操作界面，菜單管理和輸入顯示的邏輯清晰明了，結(jié)合操作便捷靈活的H5頁(yè)面設(shè)計(jì)，界面適配不同尺寸及分辨率終端，讓操作體驗(yàn)更具人性化和便捷性。

業(yè)務(wù)邏輯層，是系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的功能和管理核心，實(shí)現(xiàn)用戶面對(duì)系統(tǒng)的基本應(yīng)用功能，基本應(yīng)用包括基礎(chǔ)的系統(tǒng)管理、操作日志管理及權(quán)限管理，教務(wù)管理實(shí)現(xiàn)學(xué)院基礎(chǔ)信息的完善，其中學(xué)科管理維護(hù)學(xué)院人才培養(yǎng)分析的參數(shù)“學(xué)科成績(jī)化”模型，學(xué)生成績(jī)管理維護(hù)本系統(tǒng)的成績(jī)樣本基礎(chǔ)庫(kù)及進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析，核心應(yīng)用業(yè)務(wù)對(duì)成績(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)挖掘分析，功能以Weka數(shù)據(jù)挖掘引擎為基礎(chǔ)[7]，并改進(jìn)其技術(shù)支撐，Tomcat中間件服務(wù)器作為應(yīng)用服務(wù)器。

數(shù)據(jù)層，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢和共享，靈活的數(shù)據(jù)庫(kù)存放及讀取操作，數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行合理的邏輯分區(qū)，通過多源數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)與學(xué)院原教務(wù)系統(tǒng)的信息共享， 以方便業(yè)務(wù)邏輯層使用，此外構(gòu)建學(xué)生原始成績(jī)數(shù)據(jù)文件庫(kù)，ARFF文件庫(kù)[7]，以方便核心業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)挖掘功能的實(shí)現(xiàn)。

基礎(chǔ)層，包括有物理網(wǎng)絡(luò)及云服務(wù)器等相關(guān)設(shè)備，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，以及作為系統(tǒng)底層網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)基礎(chǔ)。

以上為系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)，其邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

3.2 系統(tǒng)功能模塊

根據(jù)前述對(duì)平臺(tái)的需求分析，結(jié)合系統(tǒng)架構(gòu)功能邏輯，對(duì)本系統(tǒng)各功能需求進(jìn)行梳理，在進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)過程中，將按以下功能模塊圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體見圖3。

系統(tǒng)的功能模塊主要分成四個(gè)模塊、系統(tǒng)管理、教務(wù)管理、學(xué)生成績(jī)管理及基于關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘的成績(jī)分析。

1） 系統(tǒng)管理模塊：包括用戶管理、角色管理、菜單管理、操作日志管理、數(shù)據(jù)庫(kù)備份還原等系統(tǒng)相關(guān)的日常維護(hù)管理功能，其中用戶管理及角色管理對(duì)管理員、分析員、教師用戶三類用戶信息及權(quán)限設(shè)置進(jìn)行管理。

2） 教務(wù)管理模塊：包括專業(yè)管理、年級(jí)管理、班級(jí)管理，學(xué)科管理以及學(xué)生信息管理，對(duì)學(xué)生簡(jiǎn)單的個(gè)人基本學(xué)籍信息情況數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)，教師任課管理維護(hù)各學(xué)期分配給教師用戶的教學(xué)任務(wù)信息，學(xué)科管理根據(jù)需求分析，將學(xué)科進(jìn)行分類，各項(xiàng)學(xué)科成績(jī)根據(jù)實(shí)際情況均定為100分制，在模型中成績(jī)數(shù)據(jù)包括學(xué)科成績(jī)、素質(zhì)成績(jī)、發(fā)展能力成績(jī)?nèi)N類型。

3） 學(xué)生成績(jī)管理模塊：功能主要包括管理學(xué)生成績(jī)數(shù)據(jù)的基本操作。如，成績(jī)數(shù)據(jù)的上傳錄入；教師用戶在規(guī)定格式文件中，登記本學(xué)期擔(dān)任學(xué)科班級(jí)的成績(jī)，并通過系統(tǒng)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)中；成績(jī)查詢編輯：管理員對(duì)需重錄成績(jī)進(jìn)行修改，用戶均可查詢學(xué)生的成績(jī)數(shù)據(jù)，教師用戶可查詢本人擔(dān)任學(xué)科班級(jí)成績(jī)；成績(jī)統(tǒng)計(jì)分析：分析員及教師用戶對(duì)查詢的成績(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析，并圖例展示。

4） 基于關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘的成績(jī)分析模塊：這是整個(gè)系統(tǒng)最核心的業(yè)務(wù)模塊，分成成績(jī)關(guān)聯(lián)挖掘分析子模塊和成績(jī)預(yù)測(cè)及溯因子模塊。前者包含對(duì)成績(jī)數(shù)據(jù)樣本完整的數(shù)據(jù)挖掘流程，后者是對(duì)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)規(guī)則知識(shí)庫(kù)進(jìn)行查詢。

3.3 系統(tǒng)用例分析與設(shè)計(jì)

根據(jù)需求分析，系統(tǒng)用例較多，本節(jié)僅以關(guān)聯(lián)挖掘用例為例進(jìn)行分析。用例分析包括用例的功能描述、用例的交互過程和用例的類（邊界類、控制類、業(yè)務(wù)類、實(shí)體類）分析與設(shè)計(jì)。

關(guān)聯(lián)挖掘用例功能描述：分析員在完成數(shù)據(jù)預(yù)處理工作后對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果文件利用關(guān)聯(lián)挖掘算法以獲得強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則的工作。

關(guān)聯(lián)挖掘用例交互過程：關(guān)聯(lián)挖掘?qū)儆诨陉P(guān)聯(lián)挖掘成績(jī)分析功能里最重要的一個(gè)子過程，分析員用戶在獲得預(yù)處理數(shù)據(jù)文件ARFF文件后，讀取文件并轉(zhuǎn)換成事務(wù)集合，根據(jù)設(shè)定的“最小支持度上限”“最小支持度下限”“最小置信度”“支持度增量”“最優(yōu)規(guī)則數(shù)量”以及“優(yōu)化算法的支持度峰值”運(yùn)行改進(jìn)Apriori算法[8]獲取關(guān)聯(lián)規(guī)則結(jié)果頁(yè)面顯示，并保存至數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)聯(lián)規(guī)則表中。

關(guān)聯(lián)挖掘用例的類分析和設(shè)計(jì)。

1） 邊用界戶類界：面關(guān)類聯(lián)）挖，該掘類的負(fù)邊責(zé)界顯類示為關(guān)A聯(lián)sso規(guī)cia則tio列nI表nte以r?及獲取關(guān)聯(lián)挖掘各項(xiàng)參數(shù)。

2） 控制類：頁(yè)面類MiningAction.java對(duì)邏輯對(duì)象Apriori.java進(jìn)行調(diào)用，負(fù)責(zé)接收對(duì)象傳遞數(shù)據(jù)及領(lǐng)域?qū)ο髷?shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

3） 業(yè)務(wù)類：Apriori.java類是挖掘算法的核心類，執(zhí)行Apriori算法運(yùn)算流程，為實(shí)現(xiàn)算法功能對(duì)邏輯對(duì)象Instances.java、AprioriItemSet.java以及Association? Rules.java 進(jìn)行調(diào)用；Instances.java 類調(diào)用邏輯對(duì)象PreproResultData.java，該類的作用是從數(shù)據(jù)源中向程序讀入所有數(shù)據(jù)記錄，通過實(shí)現(xiàn)此類，生成算法所需的事務(wù)集Instances并返回；PreproResultData.java類讀取本地ARFF文件并解釋成數(shù)據(jù)源；AprioriItemSet. java類是改進(jìn)Apriori算法的頻繁項(xiàng)集類[9]，處理挖掘頻繁項(xiàng)集的主體工作并返回頻繁項(xiàng)集集合；Associa? tionRules.java類是Apriori算法的關(guān)聯(lián)規(guī)則類，從頻繁項(xiàng)集集合中生成關(guān)聯(lián)規(guī)則并返回，調(diào)用邏輯對(duì)象RulesResult.java。

4） 實(shí)體類：規(guī)則結(jié)果類RulesResult.java可實(shí)例化存儲(chǔ)各條關(guān)聯(lián)規(guī)則的序號(hào)、規(guī)則前件、規(guī)則后件、參數(shù)信息、備注信息等屬性的規(guī)則結(jié)果對(duì)象。

4 結(jié)束語

綜上所述，在大數(shù)據(jù)時(shí)代的背景下，在教育領(lǐng)域，僅提供普通事務(wù)處理的傳統(tǒng)信息管理平臺(tái)已經(jīng)不能滿足日新月異的教學(xué)場(chǎng)景需求，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在傳統(tǒng)的教務(wù)管理平臺(tái)進(jìn)行功能拓展，構(gòu)建具備決策支持的教務(wù)綜合管理平臺(tái)符合教育信息化的發(fā)展趨勢(shì)。文章根據(jù)高職院校的教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行需求分析，對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為推進(jìn)該方面系統(tǒng)技術(shù)的實(shí)施應(yīng)用做出努力。