(北京林業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，北京 100083)

2015年，北京林業(yè)大學(xué)信息學(xué)院開(kāi)始實(shí)行大類招生。新生入學(xué)后通過(guò)3個(gè)學(xué)期的計(jì)算機(jī)類基礎(chǔ)課程和通識(shí)課程的學(xué)習(xí)，依據(jù)自身的學(xué)習(xí)情況及未來(lái)的職業(yè)規(guī)劃，在大二第一學(xué)期結(jié)束后，可自主選擇心儀的專業(yè)，達(dá)到計(jì)劃學(xué)分后準(zhǔn)予畢業(yè)。為確保大類招生專業(yè)分流指標(biāo)的科學(xué)性，充分發(fā)揮大類招生制度的優(yōu)越性，學(xué)校依據(jù)學(xué)生的成績(jī)、志愿、專業(yè)培養(yǎng)要求等要素進(jìn)行綜合評(píng)測(cè)后確定專業(yè)分流結(jié)果。然而對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)等各要素的數(shù)據(jù)收集耗時(shí)費(fèi)力，加之近年來(lái)高校的辦學(xué)規(guī)模不斷擴(kuò)大，以往的專業(yè)分流經(jīng)驗(yàn)已不能適應(yīng)目前的實(shí)際情況。例如，隨著學(xué)校辦學(xué)規(guī)模的擴(kuò)大，招生人數(shù)不斷增加，參與專業(yè)分流的學(xué)生人數(shù)逐年增多，傳統(tǒng)的紙質(zhì)化專業(yè)分流工作既耗費(fèi)人力又浪費(fèi)資源。同時(shí)在專業(yè)分流過(guò)程中，參與分流的學(xué)生無(wú)法全方位獲得志愿填報(bào)的整體情況，導(dǎo)致部分分?jǐn)?shù)中等的學(xué)生錯(cuò)失進(jìn)入更好專業(yè)的機(jī)會(huì)。為解決以上問(wèn)題，筆者提出開(kāi)發(fā)基于協(xié)同過(guò)濾算法的大類專業(yè)分流實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，以便于教務(wù)管理人員、教師與學(xué)生之間進(jìn)行溝通，提高專業(yè)分流的效率，節(jié)省人力資源。此系統(tǒng)可以根據(jù)學(xué)生的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行專業(yè)推薦，學(xué)生可自主選擇專業(yè)，保證了大類專業(yè)分流工作的公開(kāi)、公平和公正。

一、協(xié)同過(guò)濾算法的內(nèi)涵

(一)協(xié)同過(guò)濾算法的基本思想

目前計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中適用范圍較廣的推薦算法主要有基于規(guī)則推薦的算法、基于內(nèi)容推薦的算法、協(xié)同過(guò)濾推薦算法和混合推薦算法(又稱組合推薦算法)[1]，這4種算法各有優(yōu)缺點(diǎn)。常用于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的推薦算法及優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算機(jī)領(lǐng)域常用的推薦算法及其優(yōu)缺點(diǎn)

其中協(xié)同過(guò)濾算法的基本思想是：找到與當(dāng)前用戶Ccur相似(比如興趣相似)的其他用戶Cjs，計(jì)算對(duì)象S對(duì)于用戶的效益值u(Cjs，S)，利用效益值對(duì)所有S進(jìn)行排序或者加權(quán)操作，找到最適合當(dāng)前用戶Ccur的對(duì)象S*[2]。協(xié)同過(guò)濾算法的基本思想非常易于理解，就像在日常生活中，人們往往會(huì)利用網(wǎng)絡(luò)或前輩經(jīng)驗(yàn)對(duì)一些事物作出個(gè)人的判斷和選擇?，F(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外推薦系統(tǒng)大部分是基于其相似用戶對(duì)某一內(nèi)容的評(píng)價(jià)向目標(biāo)用戶進(jìn)行推薦，而在本系統(tǒng)智能專業(yè)推薦模塊使用的算法中，只需找到最相似的用戶即可。因此，本系統(tǒng)基于此算法構(gòu)建大類專業(yè)分流實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。

根據(jù)協(xié)同過(guò)濾算法的基本思想可知，協(xié)同過(guò)濾算法需要將基礎(chǔ)用戶作為參考才能進(jìn)行協(xié)同推薦，基礎(chǔ)用戶對(duì)該算法而言是不可或缺的要素。

(二)協(xié)同過(guò)濾算法的核心

相似度計(jì)算是協(xié)同過(guò)濾推薦算法的核心，要尋找最適合當(dāng)前用戶Ccur的對(duì)象S*需要計(jì)算用戶之間的相似度。根據(jù)霍蘭德[3]人職匹配理論，人格一共被分為6種不同的類型，每一種類型的人格都有著不一樣的特點(diǎn)。筆者基于霍蘭德人職匹配理論，查閱相關(guān)資料提取出15個(gè)區(qū)分度明顯的關(guān)鍵詞，依據(jù)15個(gè)關(guān)鍵詞設(shè)計(jì)了40道具有專業(yè)區(qū)分度的測(cè)試題目，并形成調(diào)查問(wèn)卷，面向大類專業(yè)分流的學(xué)生開(kāi)展了調(diào)查，共發(fā)放問(wèn)卷300份，收回有效問(wèn)卷203份。

通過(guò)余弦?jiàn)A角公式(1)計(jì)算出當(dāng)前用戶Ccur和4個(gè)基礎(chǔ)用戶C的余弦相似度(similarity)，將余弦相似度(similarity)最小的基礎(chǔ)用戶C作為推薦專業(yè)，經(jīng)過(guò)測(cè)試得出推薦結(jié)果的精確度為67.3%。

余弦?jiàn)A角公式(1)

通過(guò)皮爾森相關(guān)系數(shù)公式(2)計(jì)算當(dāng)前用戶Ccur和5個(gè)基礎(chǔ)用戶C的皮爾森相關(guān)系數(shù)r，將皮爾森相關(guān)系數(shù)r最小的基礎(chǔ)用戶C作為推薦專業(yè)，經(jīng)過(guò)測(cè)試得到推薦結(jié)果的精確度為70.2%：

皮爾森相關(guān)系數(shù)公式(2)

由此可見(jiàn)，使用公式(2)得到的推薦結(jié)果精確度較高，因此將公式(2)作為大類專業(yè)分流實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同過(guò)濾推薦算法中用戶間相似度的計(jì)算方法。

二、基于協(xié)同過(guò)濾算法對(duì)大類專業(yè)分流實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的分析

(一)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流的分析

首先，筆者從數(shù)據(jù)傳遞和加工的角度，以圖形的方式刻畫(huà)數(shù)據(jù)流從輸入到輸出的移動(dòng)變換過(guò)程。對(duì)于復(fù)雜的含有多重功能的系統(tǒng)可以按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐步分解，并以分層結(jié)構(gòu)流程圖來(lái)反映這種結(jié)構(gòu)關(guān)系，從而可以清楚地表達(dá)和理解整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)涵[4]。基于協(xié)同過(guò)濾算法的大類專業(yè)分流實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中涉及到的主要數(shù)據(jù)流包括學(xué)生基本信息、學(xué)生志愿填報(bào)信息、學(xué)生排名信息等。學(xué)生基本信息數(shù)據(jù)流程見(jiàn)圖1。

圖1 學(xué)生基本信息的數(shù)據(jù)流程

輸入學(xué)生的基本信息后，本系統(tǒng)會(huì)將學(xué)生的基本信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，并在前端頁(yè)面顯示出來(lái)。學(xué)生填報(bào)志愿的數(shù)據(jù)流程見(jiàn)圖2。

圖2 學(xué)生填報(bào)志愿的數(shù)據(jù)流程

學(xué)生填報(bào)完志愿后，本系統(tǒng)會(huì)將學(xué)生的志愿信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并根據(jù)成績(jī)顯示排名，專業(yè)分流結(jié)束后，學(xué)生可以打印最終志愿表。

(二)系統(tǒng)功能需求的分析

本系統(tǒng)主要涉及學(xué)生、教師和教務(wù)管理人員3個(gè)角色。

學(xué)生通過(guò)此系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)查看自己在本專業(yè)的排名、進(jìn)行專業(yè)傾向測(cè)試、推斷出適合自己的專業(yè)、了解更多的專業(yè)信息、查看往屆專業(yè)分流的結(jié)果、獲取往屆學(xué)生的建議、進(jìn)行志愿填報(bào)、查看專業(yè)分流結(jié)果、下載最終志愿表。教師可利用該系統(tǒng)發(fā)布所在專業(yè)相關(guān)的資料和資訊，增加學(xué)生了解專業(yè)的途徑，并且可以統(tǒng)一解答學(xué)生對(duì)于專業(yè)的疑問(wèn)，確定專業(yè)分流名單。教務(wù)管理人員使用本系統(tǒng)發(fā)布專業(yè)分流結(jié)果的通知，設(shè)置專業(yè)分流的起止時(shí)間，下載專業(yè)分流的結(jié)果。

三、基于協(xié)同過(guò)濾算法的大類專業(yè)分流實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

(一)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的是B/S 三層架構(gòu)模式。通常意義上的三層架構(gòu)就是將整個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用劃分為表現(xiàn)層(UI)、業(yè)務(wù)邏輯層(BLL)、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層(DAL)。區(qū)分層次的目的是為了體現(xiàn)“高內(nèi)聚，低耦合”的思想[5]。

1.表現(xiàn)層

表現(xiàn)層位于三層架構(gòu)的最上層，與用戶直接接觸，主要是B/S信息系統(tǒng)中的Web瀏覽頁(yè)面。

2.業(yè)務(wù)邏輯層

業(yè)務(wù)邏輯層位于表現(xiàn)層與數(shù)據(jù)訪問(wèn)層的中間位置，主要功能是對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行邏輯判斷并執(zhí)行操作。當(dāng)業(yè)務(wù)邏輯層接收到表現(xiàn)層的用戶指令后，會(huì)連接數(shù)據(jù)訪問(wèn)層，實(shí)現(xiàn)3層之間的數(shù)據(jù)連接和指令傳達(dá)。

3.數(shù)據(jù)訪問(wèn)層

數(shù)據(jù)訪問(wèn)層是數(shù)據(jù)庫(kù)的主要操作系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)的增加、刪除、修改、查詢等操作功能，并將結(jié)果反饋到業(yè)務(wù)邏輯層。

學(xué)生、教師、教務(wù)管理人員可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)瀏覽器軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行訪問(wèn)操作，所有的操作通過(guò)業(yè)務(wù)邏輯層的應(yīng)用服務(wù)管理進(jìn)行，只有當(dāng)涉及到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的時(shí)候才與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器發(fā)生聯(lián)系。

本系統(tǒng)主要采用Java web的MVC框架實(shí)現(xiàn)的，MVC框架最大的優(yōu)點(diǎn)是將模型(Model)、視圖(View)和控制(Controller)層分離，模塊化的軟件開(kāi)發(fā)形式使得系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)維護(hù)變得更為容易。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)使用開(kāi)源的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)MYSQL，通過(guò)Navicat圖形界面管理工具進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的搭建。B/S三層架構(gòu)與MVC框架的關(guān)系見(jiàn)圖3。

(二)系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)

筆者通過(guò)對(duì)信息學(xué)院大類分流工作的分析，對(duì)本系統(tǒng)應(yīng)具備的功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)?；趨f(xié)同過(guò)濾算法的大類專業(yè)分流實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖3 大類專業(yè)分流實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的B/S 三層架構(gòu)與MVC框架的關(guān)系

圖4 基于協(xié)同過(guò)濾算法的大類專業(yè)分流實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

學(xué)生模塊包括學(xué)生登錄、填寫(xiě)志愿、修改志愿、查看專業(yè)分流結(jié)果、下載志愿去向表、智能專業(yè)推薦等功能。其中智能專業(yè)推薦功能是指學(xué)生在填報(bào)志愿前，要先回答系統(tǒng)提供的40道有關(guān)專業(yè)分流的題目，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生的答題結(jié)果推薦相應(yīng)的專業(yè)。填寫(xiě)志愿功能是指學(xué)生在特定的時(shí)間內(nèi)，按照自己的意愿填報(bào)意向志愿。查看專業(yè)分流結(jié)果功能是指填報(bào)志愿結(jié)束后，學(xué)生在系統(tǒng)里可以查看自己當(dāng)前的專業(yè)排名，也可以查看在全校的排名，從而了解自己的專業(yè)分流結(jié)果。

教師模塊包括教師登錄和上傳資料功能，其中上傳資料功能可幫助學(xué)生在填報(bào)志愿前更好地了解該專業(yè)，同時(shí)教師還可以將專業(yè)的宣傳資料、視頻等上傳到系統(tǒng)。

教務(wù)管理人員模塊包括設(shè)置專業(yè)分流時(shí)間、教務(wù)人員登錄、發(fā)布有關(guān)專業(yè)分流的通知、下載專業(yè)分流結(jié)果等功能。其中，設(shè)置專業(yè)分流時(shí)間包括設(shè)置專業(yè)分流的起始時(shí)間和分流時(shí)長(zhǎng)；發(fā)布有關(guān)專業(yè)分流的通知，包括發(fā)布專業(yè)分流時(shí)間通知和分流結(jié)果通知等；下載分流結(jié)果主要是指在專業(yè)分流工作結(jié)束后下載專業(yè)分流結(jié)果，作為備份資料。

(三)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞將會(huì)對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用效率、功能的擴(kuò)展與完善以及實(shí)現(xiàn)的效果產(chǎn)生直接影響，合理的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以提高存儲(chǔ)的效率，保證數(shù)據(jù)的完整和一致[6]。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)主要由用戶實(shí)體、學(xué)生實(shí)體、教師實(shí)體和專業(yè)實(shí)體組成?；趨f(xié)同過(guò)濾算法的大類專業(yè)分流實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5。

圖5 基于協(xié)同過(guò)濾算法的大類專業(yè)分流實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)

1.用戶實(shí)體

存儲(chǔ)登錄需要的基本信息，包括用戶名、密碼、用戶類型3個(gè)屬性，其中用戶類型決定了用戶登錄成功后進(jìn)入各自所屬的頁(yè)面。

2.學(xué)生實(shí)體

記錄學(xué)生的詳細(xì)信息，包括姓名、學(xué)號(hào)、性別、成績(jī)、聯(lián)系方式等屬性，其中學(xué)生的成績(jī)決定了學(xué)生填報(bào)志愿的順序。

3.教師實(shí)體

記錄教師的詳細(xì)信息，包括姓名、教工號(hào)、性別、聯(lián)系方式等屬性。

4.專業(yè)實(shí)體

記錄專業(yè)的詳細(xì)信息，包括專業(yè)號(hào)、專業(yè)名稱、專業(yè)介紹等屬性。

四、基于協(xié)同過(guò)濾算法的大類專業(yè)分流實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

(一)學(xué)生模塊

學(xué)生登錄頁(yè)面進(jìn)入系統(tǒng)后轉(zhuǎn)向?qū)W生主頁(yè)，學(xué)生主頁(yè)會(huì)顯示學(xué)生的基本信息，學(xué)生可以在這里完善修改自己的基本信息。學(xué)生用戶在進(jìn)行志愿填報(bào)前應(yīng)進(jìn)行智能推薦專業(yè)測(cè)試，學(xué)生可以參考測(cè)試結(jié)果進(jìn)行志愿填報(bào)；之后，學(xué)生要在規(guī)定的時(shí)段內(nèi)填報(bào)志愿并提交，如果需要修改，應(yīng)在填報(bào)志愿規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行；最后專業(yè)分流結(jié)束后，學(xué)生可以下載最終志愿表，其具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。

1.學(xué)生登錄

學(xué)生用戶在前端頁(yè)面輸入用戶名和密碼，點(diǎn)擊提交后會(huì)通過(guò)form表單傳到服務(wù)連接器(servlet)，之后根據(jù)獲得的用戶名和密碼，借助面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)接口(data access object)從數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢用戶名和密碼是否合法，若合法則將學(xué)生的基本信息存入會(huì)話控制(session)中，會(huì)話控制(session)再將學(xué)生的基本信息傳到學(xué)生的主頁(yè)面。

2.智能專業(yè)推薦

學(xué)生在進(jìn)行專業(yè)選擇時(shí)存在自我定位不明確的現(xiàn)象，此功能采用基于用戶相似度的協(xié)同過(guò)濾算法來(lái)實(shí)現(xiàn)學(xué)生用戶的專業(yè)推薦[7]，從專業(yè)的角度為學(xué)生提供參考意見(jiàn)。學(xué)生首先進(jìn)入智能專業(yè)推薦的答題頁(yè)面進(jìn)行答題，之后將答題結(jié)果提交到后臺(tái)。系統(tǒng)依據(jù)皮爾森相關(guān)系數(shù)公式進(jìn)行相似度的計(jì)算，匹配得出相似度最高的專業(yè)，供學(xué)生參考。

3.填報(bào)志愿

學(xué)生在學(xué)校規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行志愿的填報(bào)，志愿填報(bào)采用滑動(dòng)框排序的形式，這種填報(bào)形式可以避免學(xué)生漏填志愿。

專業(yè)排序的結(jié)果以列表的形式傳到服務(wù)連接器(servlet)，并通過(guò)面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)接口(data access object)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)后端將最新的專業(yè)排名存入會(huì)話控制(session)，并在專業(yè)排名頁(yè)面顯示。

(二)教師模塊

1.上傳資料

教師模塊的一個(gè)主要功能為上傳資料。教師前端頁(yè)面提供文件框，教師可在本地文件夾選擇需要上傳的文件，通過(guò)form表單提交到服務(wù)連接器(servlet)，在服務(wù)器中的file文件夾下新建文件，服務(wù)連接器(servlet)通過(guò)文件流的形式將本地的文件復(fù)制到服務(wù)器新建的文件中。

2.確定專業(yè)分流面試名單

教師管理模塊的另一主要功能為確定專業(yè)分流的學(xué)生名單。由于學(xué)生在進(jìn)行志愿填報(bào)時(shí)可能出現(xiàn)選擇某個(gè)專業(yè)的人數(shù)多于預(yù)計(jì)的人數(shù)，此時(shí)就需要對(duì)學(xué)生進(jìn)行面試，教師可以通過(guò)本系統(tǒng)勾選出需要面試的學(xué)生。

(三)教務(wù)管理人員模塊

教務(wù)管理人員模塊最主要的功能是設(shè)置專業(yè)分流的時(shí)間。教務(wù)管理人員點(diǎn)擊設(shè)置專業(yè)分流時(shí)間框后，系統(tǒng)通過(guò)前端JS(Java Script)技術(shù)展示時(shí)間表供教務(wù)管理人員用戶選擇，設(shè)置專業(yè)分流時(shí)間間隔單位為分鐘，默認(rèn)是60分鐘。專業(yè)分流結(jié)束后點(diǎn)擊“提交”按鈕，后臺(tái)會(huì)將這兩個(gè)時(shí)間存入數(shù)據(jù)庫(kù)，此時(shí)通過(guò)Java計(jì)時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，保證學(xué)生用戶在專業(yè)分流時(shí)間開(kāi)始后才能進(jìn)行志愿填報(bào)。

基于協(xié)同過(guò)濾算法的大類專業(yè)分流實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了學(xué)生、教師和教務(wù)管理人員3類用戶所需要的志愿填報(bào)、下載專業(yè)分流結(jié)果、設(shè)置專業(yè)分流時(shí)間等基礎(chǔ)功能，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了基于協(xié)同過(guò)濾算法的智能專業(yè)推薦功能，同時(shí)還能為學(xué)生提供各種專業(yè)參考信息，幫助學(xué)生選擇更適合的專業(yè)。

目前基于協(xié)同過(guò)濾算法的大類專業(yè)分流實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)已在信息學(xué)院部分學(xué)生中進(jìn)行了試用，系統(tǒng)功能的完整性和穩(wěn)定性都經(jīng)受住了考驗(yàn)，并得到了良好的反饋和評(píng)價(jià)。試用結(jié)果顯示，使用本系統(tǒng)進(jìn)行專業(yè)分流，可在一天之內(nèi)結(jié)束專業(yè)分流工作，與利用人工進(jìn)行專業(yè)分流的方式相比，大大提高了專業(yè)分流的質(zhì)量和效率。據(jù)試用此系統(tǒng)的學(xué)生反映，本系統(tǒng)的界面簡(jiǎn)潔，交互性好，有良好的體驗(yàn)度，所以本系統(tǒng)也具有良好的推廣性，可建議其他專業(yè)進(jìn)行試用。

資助項(xiàng)目：北京林業(yè)大學(xué)2018年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目“基于協(xié)同過(guò)濾的大類專業(yè)分流實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的研建”，項(xiàng)目編號(hào)S201810022089。