基于數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)挖掘?qū)嶒?yàn)平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李夢雪，宋 艷，2*

（1.上海外國語大學(xué) 人工智能數(shù)據(jù)工程中心，上海 201620；2.上海外國語大學(xué) 國際工商管理學(xué)院，上海 201620）

近年來，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云存儲等相關(guān)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域都產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，如社交網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、金融統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及企業(yè)工商數(shù)據(jù)等。然而，海量數(shù)據(jù)中往往蘊(yùn)藏著具有寶貴價(jià)值的信息，可以為輿情分析、商業(yè)決策及預(yù)警監(jiān)控等給予重要且有效的數(shù)據(jù)支持和決策參考。在此環(huán)境下，數(shù)據(jù)挖掘作為最常用的數(shù)據(jù)分析手段在各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[1]，同時(shí)其也是一門實(shí)踐性、應(yīng)用性極強(qiáng)的交叉學(xué)科。許多學(xué)者認(rèn)為，數(shù)據(jù)挖掘課程的教學(xué)過程中需要借助網(wǎng)絡(luò)資源以及信息技術(shù)方式，而實(shí)踐教學(xué)是不可或缺的一部分[2-4]；同時(shí)，還存在課程內(nèi)容難，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高以及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絾我坏膯栴}[5]。在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為一種全新的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，可以很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室在經(jīng)費(fèi)、場地、設(shè)備及開放性等方面的限制[6]。對比傳統(tǒng)教學(xué)模式，線上實(shí)驗(yàn)平臺的建立可以填充課程實(shí)踐教學(xué)的空白，極大地便利師生間交流，提高效率。同時(shí)，教師引導(dǎo)式學(xué)習(xí)，有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)，還可根據(jù)學(xué)生對課程知識點(diǎn)的理解程度定制實(shí)驗(yàn)，滿足個(gè)性化發(fā)展需要，實(shí)現(xiàn)因材施教。本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)挖掘在線實(shí)驗(yàn)平臺，在瀏覽器輸入網(wǎng)址登錄后即可使用，可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)、完成課程任務(wù)、提交報(bào)告及共享交流等功能，滿足教師管理學(xué)生、課程實(shí)驗(yàn)資源以及報(bào)告評閱等需求。

1 需求分析

該平臺的設(shè)計(jì)目標(biāo)是搭建一個(gè)操作方便、響應(yīng)友好以及擁有可視化展示的實(shí)驗(yàn)平臺。課程實(shí)驗(yàn)平臺的主要使用用戶是教授課程的老師和學(xué)習(xí)課程的學(xué)生。所以，將平臺的用戶角色劃分為教師和學(xué)生。平臺是基于瀏覽器/客戶端模式，考慮到用戶賬號信息安全，需要在用戶登錄時(shí)進(jìn)行登錄認(rèn)證，對角色進(jìn)行權(quán)限控制。

從學(xué)生角度來看，基本需求應(yīng)包含實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)提問、交流共享、提交報(bào)告和歷史記錄等。學(xué)生進(jìn)入系統(tǒng)后，如果教師已經(jīng)發(fā)布實(shí)驗(yàn)任務(wù)則可以進(jìn)入該任務(wù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)過程中遇到問題可以在指定窗口中提問；根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求編寫代碼并執(zhí)行，補(bǔ)全實(shí)驗(yàn)報(bào)告并提交；還可以使用共享功能，上傳有意義的代碼或數(shù)據(jù)集到系統(tǒng)。如果教師沒有發(fā)布實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以選擇自主實(shí)驗(yàn)，根據(jù)自身需求進(jìn)行代碼的編寫及執(zhí)行。其中，每次代碼執(zhí)行的結(jié)果都會保存在歷史記錄中，可以隨時(shí)查看。

從教師的角度來看，基本需求應(yīng)包含實(shí)驗(yàn)檢索、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)建、實(shí)驗(yàn)授權(quán)、實(shí)驗(yàn)問答、報(bào)告評閱、共享監(jiān)控及用戶管理。教師登錄系統(tǒng)后的操作主要包含檢索實(shí)驗(yàn)資源，若有滿足課程建設(shè)的資源則授權(quán)到指定班級，否則新增實(shí)驗(yàn)資源后再授權(quán)，只有成功授權(quán)給班級，該班學(xué)生才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)；回答學(xué)生的提問；對已經(jīng)提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告打分；監(jiān)控學(xué)生上傳共享資源的有效性，從而審批是否通過檢驗(yàn)。只有通過檢驗(yàn)的資源才會開放給所有學(xué)生使用。此外，還有管理個(gè)人、班級和學(xué)生相關(guān)信息的操作，包括修改密碼，添加班級、學(xué)生，密碼重置以及賬號的啟用與禁用等。

基于以上需求分析繪制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)據(jù)流圖

數(shù)據(jù)流圖是一種常用的圖形化建模技術(shù)，描繪數(shù)據(jù)流從輸入移動(dòng)到輸出的過程中所受的變換[7]。數(shù)據(jù)流圖涉及數(shù)據(jù)源/終點(diǎn)、加工、數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)流4 種元素，表現(xiàn)形式依次為矩形框、圓角矩形、開口矩形及箭頭。基于以上需求分析，分別繪制用戶登錄、實(shí)驗(yàn)管理、在線實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告填寫、實(shí)驗(yàn)報(bào)告評閱、共享數(shù)據(jù)以及用戶管理的數(shù)據(jù)流圖并對其進(jìn)行相應(yīng)描述。

2.1 用戶登錄

用戶登錄過程中需要請求用戶表進(jìn)行驗(yàn)證，只有與用戶表中信息一致的用戶才能驗(yàn)證成功。成功之后，請求角色權(quán)限表，根據(jù)用戶角色反饋系統(tǒng)功能界面。系統(tǒng)中的角色為教師和學(xué)生。該功能對應(yīng)數(shù)據(jù)流圖如圖2 所示。

圖2 用戶登錄數(shù)據(jù)流圖

2.2 實(shí)驗(yàn)管理

教師請求系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)資源或者根據(jù)課程要求新增實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)授權(quán)給指定班級，只有獲得授權(quán)的班級學(xué)生才可以進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)。其中，授權(quán)記錄會存儲在班級授權(quán)表中，若新增實(shí)驗(yàn)，其明細(xì)會存儲在實(shí)驗(yàn)明細(xì)表中，實(shí)驗(yàn)涉及的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)保存在系統(tǒng)指定位置。該功能對應(yīng)數(shù)據(jù)流圖如圖3 所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)管理數(shù)據(jù)流圖

2.3 在線實(shí)驗(yàn)

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)?zāi)K中可以看到教師發(fā)布的所有實(shí)驗(yàn)列表，選擇相應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行代碼學(xué)習(xí)，可以查看實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⑷蝿?wù)，學(xué)習(xí)示例代碼，學(xué)習(xí)結(jié)束后開始在線實(shí)驗(yàn)，在線根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)編寫代碼并運(yùn)行調(diào)試。如果學(xué)生實(shí)驗(yàn)列表中沒有找到教師授權(quán)的實(shí)驗(yàn)，可以選擇自主實(shí)驗(yàn)進(jìn)行代碼編寫運(yùn)行。并且，在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生可以隨時(shí)提問，輸入問題提交后，則反饋到教師界面由教師解答，問答情況存儲在問答表中。其中，所有執(zhí)行過的代碼以及產(chǎn)生的結(jié)果，會以文件的形式保存在系統(tǒng)指定的位置并將其路徑信息存儲在歷史記錄表中，學(xué)生也可以隨時(shí)查看歷史代碼以及運(yùn)行結(jié)果。該功能對應(yīng)數(shù)據(jù)流圖如圖4 所示。

圖4 在線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)流圖

2.4 實(shí)驗(yàn)報(bào)告填寫

學(xué)生確認(rèn)并下載符合實(shí)驗(yàn)要求的代碼及其產(chǎn)生的結(jié)果，在我的考核模塊中，選擇實(shí)驗(yàn)任務(wù)并補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)心得、實(shí)驗(yàn)輸出以及代碼和結(jié)果附件，預(yù)覽實(shí)驗(yàn)報(bào)告，確認(rèn)無誤后提交。注意，報(bào)告一經(jīng)提交就不能修改，只有在未提交之前可以進(jìn)行修改，每次修改的記錄都會保存在實(shí)驗(yàn)報(bào)告表中。該功能對應(yīng)數(shù)據(jù)流圖如圖5 所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)報(bào)告填寫數(shù)據(jù)流圖

2.5 實(shí)驗(yàn)報(bào)告評閱

教師請求查看學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交情況，系統(tǒng)查詢實(shí)驗(yàn)報(bào)告表，將結(jié)果反饋到教師界面，教師只能看到已經(jīng)提交的報(bào)告。教師根據(jù)學(xué)生提交報(bào)告情況進(jìn)行評閱打分，分?jǐn)?shù)會被更新在實(shí)驗(yàn)報(bào)告表中。教師完成打分后，學(xué)生在我的考核對應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)K請求查看該實(shí)驗(yàn)報(bào)告表則會看到分?jǐn)?shù)。該功能對應(yīng)數(shù)據(jù)流圖如圖6 所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)報(bào)告評閱數(shù)據(jù)流圖

2.6 共享數(shù)據(jù)

學(xué)生將本地磁盤中有學(xué)習(xí)或使用價(jià)值的數(shù)據(jù)集、代碼上傳到系統(tǒng)中，該文件會被保存在系統(tǒng)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的指定位置，相關(guān)信息會被存儲在共享記錄表中。教師請求查看共享表，監(jiān)控學(xué)生共享數(shù)據(jù)的質(zhì)量，根據(jù)監(jiān)控情況，更新共享數(shù)據(jù)表，只有表中標(biāo)識為通過的共享記錄對應(yīng)文件才能被所有學(xué)生使用。學(xué)生通過請求共享表查看系統(tǒng)中現(xiàn)有的共享資源，以及自身共享數(shù)據(jù)的審核情況。該功能對應(yīng)數(shù)據(jù)流圖如圖7 所示。

圖7 共享數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)流圖

2.7 用戶管理

用戶向系統(tǒng)請求用戶信息，系統(tǒng)反饋其賬號信息，可以更改密碼，更新用戶表。用戶角色為教師時(shí)，可以管理其名下班級中所有學(xué)生的賬號信息，實(shí)現(xiàn)密碼重置、添加學(xué)生、賬號禁啟用等功能。該功能對應(yīng)數(shù)據(jù)流圖如圖8 所示。

圖8 用戶管理數(shù)據(jù)流圖

3 概念模型設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在經(jīng)歷過需求分析階段后，將進(jìn)入概念模型設(shè)計(jì)階段。該階段通過總結(jié)、歸納以及抽象用戶需求，產(chǎn)生一個(gè)實(shí)體-聯(lián)系圖，也就是E-R 圖。E-R 圖是一種描述現(xiàn)實(shí)世界的概念模型，提供了表示聯(lián)系、實(shí)體類型和屬性（元素）的方法[8]。平臺的全局E-R 圖，如圖9 所示。矩形框表示實(shí)體，菱形框表示實(shí)體的聯(lián)系，聯(lián)系兩端上的數(shù)字則表示實(shí)體間的聯(lián)系，實(shí)體間有一對一、一對多、多對多3 種聯(lián)系，分別用1∶1、1∶n、n∶m 表示。

圖9 課程實(shí)驗(yàn)平臺全局E-R 圖

4 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，是將E-R 圖轉(zhuǎn)換為關(guān)系模式的過程，關(guān)系模式根據(jù)實(shí)體間的聯(lián)系類型，進(jìn)行相應(yīng)的合并轉(zhuǎn)換。依據(jù)概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到全局E-R 模型，首先進(jìn)行初始關(guān)系模式的設(shè)計(jì)，然后對關(guān)系模式進(jìn)行規(guī)范化處理，最后進(jìn)行模式的評價(jià)和改進(jìn)[9]。整理后得到關(guān)系模式如下所示。

1）用戶（用戶編號，用戶名，真實(shí)姓名，密碼，角色編號，班級編號）

2）角色（角色編號，角色名稱）

3）權(quán)限（權(quán)限編號，角色編號）

4）功能（功能編號，功能界面）

5）權(quán)限對應(yīng)功能（權(quán)限編號，功能編號）

6）實(shí)驗(yàn)明細(xì)（實(shí)驗(yàn)編號，教師編號，實(shí)驗(yàn)名稱，實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，實(shí)驗(yàn)任務(wù)，示例代碼，創(chuàng)建時(shí)間）

7）班級（班級編號，教師編號，班級名稱）

8）班級實(shí)驗(yàn)權(quán)限（班級實(shí)驗(yàn)編號，班級編號，實(shí)驗(yàn)編號）

9）實(shí)驗(yàn)報(bào)告（實(shí)驗(yàn)報(bào)告編號，實(shí)驗(yàn)編號，學(xué)生編號，實(shí)驗(yàn)過程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，心得體會，結(jié)果附件，實(shí)驗(yàn)代碼，報(bào)告評分，首次創(chuàng)建時(shí)間，提交時(shí)間，修改次數(shù)）

10）問答記錄（問答編號，學(xué)生編號，問題描述，回答情況，提問時(shí)間，回答時(shí)間）

11）共享記錄（共享編號，學(xué)生編號，共享描述，審批情況，共享文件，文件類型，下載次數(shù)，共享時(shí)間）

12）歷史記錄（歷史編號，學(xué)生編號，實(shí)驗(yàn)編號，歷史代碼，歷史結(jié)果，創(chuàng)建時(shí)間）

13）問答情況（問答編號，教師編號，班級編號）

14）共享監(jiān)控（共享編號，教師編號，班級編號）

15）審閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告（實(shí)驗(yàn)報(bào)告編號，教師編號，班級編號）

5 數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)

基于以上關(guān)系模式和系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)表，分別為用戶表、角色表、功能表、角色權(quán)限對照表、實(shí)驗(yàn)明細(xì)表、實(shí)驗(yàn)報(bào)告表、班級表、班級實(shí)驗(yàn)對照表、問答記錄表、共享記錄表以及歷史記錄表，共11 張表。數(shù)據(jù)表遵循數(shù)據(jù)庫命名規(guī)范，數(shù)據(jù)庫表基本情況見表1，包含表字段數(shù)、對應(yīng)主鍵以及外鍵。

表1 數(shù)據(jù)庫表基本情況

6 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

B/S 架構(gòu)（Browser/Server，即瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)），以TCP/IP 協(xié)議為基礎(chǔ)，是一種符合網(wǎng)絡(luò)化、信息化發(fā)展的設(shè)計(jì)架構(gòu)[10]。系統(tǒng)使用Idea 作為開發(fā)工具，基于B/S 架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，利用http 請求服務(wù)器，使得用戶只需要通過瀏覽器訪問網(wǎng)址，即可反饋登錄入口，通過登錄驗(yàn)證后，服務(wù)器根據(jù)用戶提交的請求執(zhí)行相應(yīng)的功能并將結(jié)果反饋到用戶的前端界面中。

平臺主要?jiǎng)澐譃閷?shí)驗(yàn)?zāi)K、共享模塊、實(shí)驗(yàn)問答和考核模塊4 部分，根據(jù)登錄系統(tǒng)的用戶角色顯示其相應(yīng)功能。平臺登錄界面如圖10（a）所示。學(xué)生登錄后功能欄目如圖10（b）所示，可查看實(shí)驗(yàn)室規(guī)則，在實(shí)驗(yàn)?zāi)K欄目中完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)以及進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)；在共享模塊中，可上傳或查看共享資源以及共享記錄的審核情況，實(shí)驗(yàn)問答中再次提問以及查看問答情況；在我的考核欄目中提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及查看打分情況，在歷史代碼中查看或下載執(zhí)行過的代碼和結(jié)果。教師登錄后功能欄目如圖10（c）所示，在實(shí)驗(yàn)?zāi)K欄目中檢索實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)、上傳實(shí)驗(yàn)資源以及授權(quán)實(shí)驗(yàn)；在上傳監(jiān)控欄目中檢驗(yàn)學(xué)生共享資源的有效性；在實(shí)驗(yàn)答疑模塊中回答學(xué)生提問；在作業(yè)評閱模塊中給學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告打分，統(tǒng)計(jì)學(xué)生報(bào)告提交以及審批情況；在學(xué)生管理欄目中新增班級，管理學(xué)生賬號。

圖10 數(shù)據(jù)挖掘課程實(shí)驗(yàn)平臺界面

7 結(jié)束語

隨著社會迭代，新形勢下的高校教育工作更應(yīng)緊跟時(shí)代發(fā)展，通過將現(xiàn)代科技與教育教學(xué)相結(jié)合，可以為學(xué)生提供更加優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)資源與渠道，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提高教學(xué)質(zhì)量。本文借助Idea 開發(fā)工具，遵循B/S 架構(gòu)，使用了LayUI、jQuery、Spring boot 等多種技術(shù)開發(fā)了數(shù)據(jù)挖掘在線實(shí)驗(yàn)平臺。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基于教師和學(xué)生兩大需求用戶，使學(xué)生在利用該平臺時(shí)不用額外配置開發(fā)環(huán)境即可完成在線編碼實(shí)驗(yàn)，同時(shí)可在線與同學(xué)或教師實(shí)時(shí)交流以及提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并讓教師可以專心于實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)和引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，在線即可完成實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)建發(fā)布、實(shí)驗(yàn)報(bào)告審閱及實(shí)驗(yàn)資源和學(xué)生管理。數(shù)據(jù)挖掘在線實(shí)驗(yàn)平臺的開發(fā)為師生提供一個(gè)在線實(shí)驗(yàn)與交流的學(xué)習(xí)平臺，不受時(shí)間與空間的限制，為學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)營造了良好環(huán)境，同時(shí)也為教師教學(xué)工作提供助力。