葉夢(mèng)雄

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)的發(fā)展，給各領(lǐng)域帶來日新月異的變革，也使得高等教育工作逐步實(shí)現(xiàn)了信息化。對(duì)于高等教育系統(tǒng)而言，教務(wù)管理工作是核心環(huán)節(jié)，對(duì)整個(gè)教學(xué)的高效運(yùn)作影響極大。目前我國(guó)許多高校在實(shí)際工作中已經(jīng)應(yīng)用了教務(wù)管理系統(tǒng)，并針對(duì)教務(wù)管理工作中涉及海量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，提供如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢等功能，顯著提高了教務(wù)管理工作的效率和質(zhì)量。在教學(xué)過程中，不斷積累的歷史數(shù)據(jù)含有大量的、有價(jià)值的信息，但是現(xiàn)有的教務(wù)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(wù)管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上，融入高效的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，以分析、挖掘教務(wù)管理系統(tǒng)中海量信息，必然能夠幫助高校教務(wù)工作者準(zhǔn)確掌握教務(wù)工作中的潛在規(guī)律，為相關(guān)決策提供更加全面而科學(xué)的有力支持，最終推動(dòng)高校教務(wù)工作的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的人才培養(yǎng)目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)上述構(gòu)想，本文提出了一種基于關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法的教務(wù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)功能需求

教務(wù)管理系統(tǒng)主要由服務(wù)端與客戶端構(gòu)成，主要用戶對(duì)象包括教師、學(xué)生、教務(wù)管理者。其中，教師及學(xué)生為客戶端用戶，而教務(wù)管理者為服務(wù)端用戶。鑒于當(dāng)前我國(guó)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)普及，廣大師生基本上都擁有智能手機(jī)等移動(dòng)終端[1]，因此本文所提出的教務(wù)管理系統(tǒng)的客戶端，主要依托于智能移動(dòng)終端。該系統(tǒng)采用實(shí)名注冊(cè)方式，用戶登錄系統(tǒng)時(shí)需要輸入姓名、登錄密碼以及身份驗(yàn)證信息。同時(shí)，根據(jù)教務(wù)管理工作的實(shí)際需要，本文對(duì)教務(wù)管理系統(tǒng)的功能需求進(jìn)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(duì)于學(xué)生用戶而言，教務(wù)管理系統(tǒng)需要具備系統(tǒng)登錄、學(xué)籍管理以及選課管理等功能模塊；對(duì)于教師用戶而言，教務(wù)管理系統(tǒng)需要具備系統(tǒng)登錄、成績(jī)管理以及教學(xué)管理等功能模塊；對(duì)于教務(wù)工作者而言，教務(wù)管理系統(tǒng)除了需要成績(jī)管理、教學(xué)管理等功能模塊外，還需要具備系統(tǒng)設(shè)置、排課管理等功能模塊。具體來說，教學(xué)管理功能模塊主要包括教學(xué)時(shí)間、教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)地點(diǎn)等；成績(jī)管理功能模塊包括對(duì)學(xué)生或班級(jí)成績(jī)的錄入、修改、查詢以及統(tǒng)計(jì)分析等；選課管理功能模塊主要是為不同專業(yè)學(xué)生提供課程選擇[2]；排課管理功能模塊主要是為教務(wù)工作者提供課程安排的功能。

2 教務(wù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

教務(wù)管理系統(tǒng)主要由服務(wù)器與客戶端兩個(gè)部分構(gòu)成，其中服務(wù)器的核心作用是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的邏輯運(yùn)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(wù)器能夠支持常見的C/S以及B/S架構(gòu)模式，通信協(xié)議則兼容SOCKET以及HTTP；客戶端主要針對(duì)目前已廣泛應(yīng)用的智能手機(jī)移動(dòng)終端，采用C/S架構(gòu)模式。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)目的，本文所設(shè)計(jì)的教務(wù)管理系統(tǒng)包含了應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)及通訊服務(wù)器、終端等，具體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

從圖2和圖3中可以看到，教務(wù)管理系統(tǒng)基于分層原理進(jìn)行開發(fā)，通過關(guān)聯(lián)規(guī)則的數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)對(duì)所有數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，同時(shí)采取防火墻等措施來加強(qiáng)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(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的教務(wù)管理系統(tǒng)兼容了現(xiàn)有教務(wù)管理系統(tǒng)的主要功能，同時(shí)融入了大數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的應(yīng)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(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)功能詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 登錄流程設(shè)計(jì)

用戶登錄模塊的流程設(shè)計(jì)如圖5所示。用戶通過智能手機(jī)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(yàn)證信息，向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求；服務(wù)器收到請(qǐng)求后從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取用戶信息進(jìn)行身份驗(yàn)證，并將驗(yàn)證結(jié)果反饋至客戶端[4]；客戶端接收到服務(wù)器的響應(yīng)后，當(dāng)用戶滿足登錄條件則跳轉(zhuǎn)至用戶身份所對(duì)應(yīng)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(cuò)誤。

圖5 登錄模塊流程設(shè)計(jì)

3.2 數(shù)據(jù)倉庫設(shè)計(jì)

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

圖6 教務(wù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉庫體系結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)源經(jīng)過數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)裝載等步驟進(jìn)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(guān)系型在線處理分析(ROLAP)的方式進(jìn)行存儲(chǔ)；用戶登錄教務(wù)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(duì)其中所包含的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、維護(hù)等相關(guān)操作；通過數(shù)據(jù)挖掘所得到的知識(shí)，經(jīng)由客戶端的用戶界面展示給用戶。

3.3 關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘設(shè)計(jì)

3.3.1Apriori算法改進(jìn)

Apriori算法誕生于20世紀(jì)末，是最早的關(guān)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(dǎo)致掃描時(shí)間長(zhǎng)，進(jìn)而降低了挖掘的效率和準(zhǔn)確度。對(duì)此，為提高對(duì)學(xué)生課程推薦的準(zhǔn)確度，本文做了兩方面的改進(jìn)。

1)在傳統(tǒng)Apriori算法的基礎(chǔ)上，引入加權(quán)關(guān)聯(lián)規(guī)則。假設(shè)在項(xiàng)目集I(I={i1,i2,…,im})中，任意一個(gè)項(xiàng)目im都存在一個(gè)權(quán)值wj，其中0≤wj≤1，j=1,2,…,m。通過這個(gè)權(quán)值，可以衡量該項(xiàng)目在整個(gè)集合當(dāng)中的重要性。該權(quán)值越大，說明其重要性越突出。將集合中的項(xiàng)目按照權(quán)值的大小進(jìn)行排序，從而得到一個(gè)由大到小的排列結(jié)合，最后構(gòu)成一個(gè)線性序集。用X,Y表示項(xiàng)目集I中的元素，X

定義X的加權(quán)支持度為w(X)×Sup(X)，其中Sup(X)為關(guān)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(wù)總數(shù)為數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。

如果w(X)×Sup(X)≥wminSup，那么x為加權(quán)頻繁項(xiàng)目集，其中wminSup表示用戶的最小加權(quán)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(shí)在記錄中出現(xiàn)的次數(shù)。

在以上的關(guān)聯(lián)規(guī)則中，課程的權(quán)重是依據(jù)相關(guān)的專家對(duì)課程重要性進(jìn)行設(shè)置的。但是，單純考慮加權(quán)支持度和加權(quán)置信度的話，則得到的關(guān)聯(lián)規(guī)則數(shù)目非常多，從而導(dǎo)致推薦的課程缺乏實(shí)際的指導(dǎo)意義，為了提高推薦的準(zhǔn)確率，引入了興趣度[5]。

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

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

結(jié)合以上兩種方式，定義(X?Y)，并且滿足RI(X?Y)≥minRI，則認(rèn)為(X?Y)滿足最小興趣度的關(guān)聯(lián)規(guī)則。

3.3.2數(shù)據(jù)挖掘流程設(shè)計(jì)

教務(wù)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(shí)現(xiàn)

4.1 登錄模塊實(shí)現(xiàn)

用戶登錄教務(wù)管理系統(tǒng)時(shí)，首先在輸入框中輸入姓名、密碼等信息，然后點(diǎn)擊登錄按鈕。若用戶通過驗(yàn)證，則客戶端根據(jù)該用戶角色跳轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)

教務(wù)管理者成功登錄教務(wù)管理系統(tǒng)后，其客戶端跳轉(zhuǎn)至課程推薦模塊，如圖9所示。用戶在課程推薦界面,可以對(duì)“喜歡課程選擇”、“設(shè)置最小支持度”等篩選條件進(jìn)行具體設(shè)置，由關(guān)聯(lián)規(guī)則算法得出篩選結(jié)果。如以計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、最小支持度3為條件，得到課程推薦結(jié)果為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、JAVA 程序設(shè)計(jì)。

圖8 用戶登錄界面

5 結(jié)束語

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

圖9 課程推薦界面