陳力帆 畢振波

（浙江海洋大學(xué)信息工程學(xué)院 浙江省舟山市 316000）

1 引言

立德樹人是高校培養(yǎng)人才的根本任務(wù)，高校需要把思想政治工作貫穿教學(xué)全過程，而在傳統(tǒng)的高校教學(xué)中，思政知識僅放在為數(shù)不多的幾門政治課中教授，專業(yè)課程只涉及專業(yè)教學(xué)，忽略思政知識。為解決高校教學(xué)中專業(yè)課程與思政課程不平衡的問題，亟需全面推進課程思政建設(shè)工作[1]。在計算機教育領(lǐng)域，課程思政建設(shè)已成為教學(xué)改革的重要內(nèi)容，以數(shù)據(jù)庫課程為例，數(shù)據(jù)庫技術(shù)作為現(xiàn)代化信息管理的重要工具，相關(guān)從業(yè)人員不僅要注重數(shù)據(jù)的搜集、存儲和管理，更需要學(xué)會正確使用和保護數(shù)據(jù)。因此高校教師要將思想政治教育融入數(shù)據(jù)庫課程教學(xué)中，可以幫助學(xué)生培養(yǎng)法治意識，提升數(shù)據(jù)從業(yè)者的數(shù)據(jù)倫理道德。

隨著互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，人們獲取信息的方式越發(fā)多樣化[2]。信息過載和各種碎片化信息導(dǎo)致教師很難從海量、龐雜的資源中篩選出能夠滿足教學(xué)需要的思政資源，學(xué)生也無法找到自己感興趣的資源學(xué)習。

針對此類特殊場景，利用個性化推薦算法分析用戶的行為記錄，篩選出用戶感興趣的課程思政資源，結(jié)合Springboot框架技術(shù)進行Web開發(fā)，設(shè)計一個基于個性化推薦的課程思政資源庫，對推進高校的課程思政建設(shè)有著深遠意義。

2 系統(tǒng)分析與設(shè)計

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 個性化推薦算法

（1）協(xié)同過濾推薦算法。其主要思想是以當前己有的歷史評分信息來計算用戶或物品項目之間的相似度，從而尋找用戶的相似群體，獲取相似群體感興趣的物品生成推薦列表[3]。推薦流程分為以下幾步。

第一步：構(gòu)建評分矩陣。從系統(tǒng)中獲取用戶對物品的評分信息，構(gòu)建的評分矩陣如公式（1）所示。其中rAB表示A用戶對B物品的評分，如果用戶對物品有過瀏覽或者評分行為，矩陣中rAB的值可以通過多個用戶行為加權(quán)計算得出，如果用戶對某個物品沒有評分則對應(yīng)位置為0。

第二步：計算相似度。利用上述矩陣計算用戶之間的相似度，找出與當前用戶興趣接近的用戶。相似度的計算有以下幾種方法。

基于標準的余弦相似度。即任意兩個用戶之間的夾角余弦值，夾角越大余弦值越小，兩個用戶之間的相似度就越低；相反夾角越小余弦值越大，兩個用戶之間的相似度就越高。計算公式如公式（2）所示，其中rui和rvi表示用戶u和用戶v對物品i的評分。

基于修正的余弦相似度。修正的余弦相似度算法使用了項目得分和平均得分之間的差值，如公式（3）所示。其中rui和rvi表示用戶u和用戶v對物品i的評分，表示用戶u和用戶v對物品評分的平均值。

皮爾森相似度。該方法不會計算所有物品，而是計算用戶共同評分項。其中Itemuv為用戶公共評分集，如公式（4）所示。

第三步：選取推薦集合。對上一步計算出的相似度降序排序，選取前n個用戶作為當前用戶興趣相似的用戶，根據(jù)當前用戶與相似用戶的相似度，得到相似用戶的偏好物品，計算當前用戶對其未有過行為記錄的物品偏好度，把偏好度最高的物品集合最為推薦候選集。計算方式如公式（5）所示。其中Nuv表示與用戶u有共同評分的用戶集合，rvi表示用戶v對物品i的實際評分。

（2）基于內(nèi)容推薦算法?；趦?nèi)容的推薦算法的主要過程是通過分析物品的屬性信息賦予物品關(guān)鍵字或標簽，建立物品特征，然后基于用戶偏好和物品特征構(gòu)建兩種特征向量，計算用戶興趣特征向量和物品特征向量的匹配程度，將匹配程度高的項目作為候選集推薦給用戶?；趦?nèi)容推薦算法主要分為三步：構(gòu)造物品特征向量、構(gòu)造用戶特征向量得出用戶偏好度、計算用戶偏好度和物品特征向量的匹配程度[4]。

第一步，構(gòu)造物品特征向量。從系統(tǒng)中獲取到物品的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行信息抽取，分解出可以用于做標簽的數(shù)據(jù)作為該物品的特征值，構(gòu)建特征向量，又叫做特征提取。

第二步，得出用戶偏好度。利用用戶歷史評分物品的物品特征向量，學(xué)習用戶的興趣愛好，從而構(gòu)造用戶特征向量。

第三步，相似度匹配計算。把獲取到的物品特征與用戶偏好度匹配，通過相似度計算方法計算物品特征和用戶偏好的匹配程度，從物品的數(shù)據(jù)集中找到用戶感興趣的物品。選取前N個作為推薦候選集推薦給用戶。

（3）混合推薦算法。其主要的思想是將兩種或兩種以上的推薦算法組合使用，利用多種算法的互補特性改善推薦效果?；旌贤扑]算法不單單是算法之間的混合，還包括了選取數(shù)據(jù)之間的混合、算法使用場景之間的混合?；旌贤扑]算法常見的組合方式主要分為以下幾種[5]：

第一種，加權(quán)式。通過賦予幾種推薦算法不同的權(quán)重，將多種推薦算法產(chǎn)生的結(jié)果以權(quán)重組合，對候選集物品得分最終加權(quán)計算得出的結(jié)果進行排序推薦。加權(quán)混合的得分計算如公式（6）所示，其中βk為第k個算法所占的權(quán)重，reck(u,i)為第k個算法中用戶u對物品i的評分。 （6）

第二種，瀑布式。瀑布式混合是將一個推薦算法的推薦結(jié)果作為下一個推薦算法的初始值，產(chǎn)生的推薦集合在作為下一種的初始值，以此類推，逐層過濾，得到精確的推薦結(jié)果。

第三種，特征組合式。利用多個推薦算法從中抽取出特征數(shù)據(jù)，在選擇其中一個算法作為主推薦算法生成最終結(jié)果。

第四種，摻雜式?；旌隙鄠€推薦算法的結(jié)果，對不同推薦算法的結(jié)果去重、排序得到的物品集合推薦給用戶。

第五種，切換式。根據(jù)用戶的狀態(tài)、用戶行為記錄的數(shù)量、物品的數(shù)量、標簽的數(shù)量等變量，選取不同的推薦算法，對于剛注冊的新用戶可以根據(jù)用戶注冊時選擇的標簽采用基于內(nèi)容推薦，對于老用戶可以選擇協(xié)同過濾推薦。

經(jīng)過長期的發(fā)展，混合推薦算法因其良好的推薦效果逐漸成為一種主流的趨勢。本文課程思政資源庫采用混合模式的推薦算法。

2.1.2 Springboot框架

Springboot[6]是為了改進Spring開發(fā)中配置繁瑣、部署效率低下而設(shè)計，旨在幫助開發(fā)者更加快速搭建Spring框架，Springboot極大地簡化了Spring應(yīng)用的搭建、開發(fā)、部署過程，取消了xml文件的配置，只要通過注解的方式配置即可。Springboot還默認嵌入了Tomcat容器，開發(fā)者直接將項目打成jar包即可運行，無需以war包的形式部署。Springboot構(gòu)建的項目中使用starter模塊來引用所需要的依賴，使項目的依賴管理更加簡單，功能模塊整合更加輕巧，易于理解和使用。

2.1.3 Vue框架

Vue[7]是一個可構(gòu)建用戶可視化界面的漸進式企業(yè)級前端框架，采用自底向上的設(shè)計模式，作為一種輕量級框架，Vue對于第三方庫有很強的集成能力，同時，Vue可以和現(xiàn)代工具箱和各種支持類庫相結(jié)合，還可以為復(fù)雜的應(yīng)用程序提供驅(qū)動程序。Vue中的核心是響應(yīng)式數(shù)據(jù)綁定與組合視圖組件，響應(yīng)式數(shù)據(jù)綁定可以根據(jù)數(shù)據(jù)變化自動更新視圖，組合視圖組件通過封裝代碼可以提高代碼復(fù)用性以及降低數(shù)據(jù)耦合度。

2.2 功能需求分析

課程思政資源庫的使用者分為普通用戶和管理員兩類，普通用戶分為學(xué)生用戶和教師用戶，學(xué)生用戶可以對資源庫中的資源查看、下載和評分，教師用戶可以查看、下載和上傳資源。功能性需求主要為用戶功能性需求、資源推薦功能性需求、管理員功能性需求。普通用戶必須先注冊個人信息才能登錄查看、下載資源和對資源評分。管理員輸入自己賬號密碼登錄后可以對用戶和資源的信息進行查看審核、添加資源、修改資源信息、刪除資源等操作。系統(tǒng)的推薦功能可以通過讀取用戶對資源的行為記錄從而找到相似的資源推薦給當前用戶。功能模塊圖如圖1所示。

圖1：課程思政資源庫功能模塊圖

2.3 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的需求分析和業(yè)務(wù)邏輯，可以將系統(tǒng)分為三層架構(gòu)，分別是數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層、界面表示層。

數(shù)據(jù)訪問層主要負責系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的存儲和交互，包括用戶信息、思政資源信息、系統(tǒng)日志信息、推薦列表信息，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的增加、修改、刪除、查看都是在數(shù)據(jù)訪問層完成。

業(yè)務(wù)邏輯層作為系統(tǒng)的核心架構(gòu)層，負責整個系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程和邏輯處理，業(yè)務(wù)邏輯層可以調(diào)用數(shù)據(jù)訪問層獲取用戶數(shù)據(jù)和資源數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶對資源的行為記錄采用皮爾森和余弦相似度計算用戶、資源之間的相似度，通過混合推薦算法對其進行分析，得出資源推薦列表，將推薦數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

界面表示層作為系統(tǒng)程序的入口，負責在終端向用戶提供操作和展示的界面，用戶首先在界面表示層提交請求，隨后該層就會調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯層已經(jīng)封裝好的方法，最后服務(wù)器會將后臺處理完成的數(shù)據(jù)通過表示層再展示給用戶。在課程思政資源庫中用戶可以在表示層注冊登錄、查看個人信息、在線瀏覽搜索評價資源以及查看推薦列表。

2.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

課程資源庫的設(shè)計采用了MySQL數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲，根據(jù)系統(tǒng)的整體功能和各實體之間的關(guān)系，利用關(guān)系規(guī)范化理論設(shè)計數(shù)據(jù)庫表。主要包含了學(xué)生表（student）、教師表（teacher）、管理員表（admin）、章節(jié)表（chapter）、資源表（source）、評分表（score）。

2.4.1 管理員表

管理員登錄系統(tǒng)后，權(quán)限有：學(xué)生管理、教師管理、資源管理。管理員表信息字段和字段格式如表1所示。2.4.2 學(xué)生表

表1：管理員表

學(xué)生表主要包含學(xué)生的基本信息，字段和格式如表2所示。

表2：學(xué)生表

2.4.3 教師表

教師表包含教師基本信息，字段和格式如表3所示。

表3：教師表

2.4.4 章節(jié)表

章節(jié)表存儲思政資源所屬的課程章節(jié)信息，課程中每個章節(jié)內(nèi)容不同，所融入的思政元素類型也不相同。章節(jié)表的字段和格式如表4所示。

表4：章節(jié)表

2.4.5 資源表

資源表主要存儲思政資源信息，有文本資源、音頻資源、視頻資源三種類型，每個資源有相對應(yīng)的章節(jié)。字段和格式如表5所示。

表5：資源表

2.4.6 評分表

評分表主要記錄學(xué)生用戶對當前所學(xué)資源的評分，學(xué)生根據(jù)自己對資源的偏好度對資源進行打分。評分表字段和格式如表6所示。

表6：評分表

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 開發(fā)平臺及運行環(huán)境

系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)使用IDEA作為開發(fā)工具，由于IDEA對Spring框架有了完善的整合，便于項目開發(fā)。前端采用Vue框架，后端采用Springboot框架，數(shù)據(jù)庫使用MySQL，Navicat作為數(shù)據(jù)庫管理工具，服務(wù)器采用Tomcat8.5。

3.2 用戶模塊實現(xiàn)

3.2.1 用戶注冊

用戶模塊的基本功能包括用戶注冊、用戶登錄、用戶個人中心。用戶注冊首先輸入用戶名、手機號、密碼等個人信息，由于新用戶對系統(tǒng)內(nèi)的資源沒有行為記錄，存在冷啟動的問題，所以新用戶在注冊時系統(tǒng)會提供思政資源的標簽供用戶選擇，這樣用戶在剛進入系統(tǒng)沒有行為記錄的情況下，系統(tǒng)會根據(jù)用戶選擇的感興趣的標簽優(yōu)先給用戶推薦相關(guān)資源，在新用戶對資源有過瀏覽、評分后會重新計算用戶和資源之間的相似度，更新用戶畫像，再重新推薦資源。

用戶完成個人信息填寫和標簽選擇后，點擊立即注冊，JS腳本會首先驗證用戶信息的規(guī)范性，例如用戶名、密碼和手機號不能為空，兩次密碼輸入必須一致，當有信息為空或者兩次密碼輸入不一致時，系統(tǒng)會提示用戶需要重新輸入。如果用戶信息輸入規(guī)范，系統(tǒng)會將用戶表單中的數(shù)據(jù)傳到后臺，進入下一步驗證。

后端收到前端傳來的數(shù)據(jù)后，通過調(diào)用findUserByName方法訪問系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫檢測是否存在重復(fù)的用戶名，如果存在，提示用戶重新輸入用戶名，如果不存在，則用戶注冊成功，進入登錄界面。

3.2.2 用戶登錄

用戶登錄功能主要是驗證能否在數(shù)據(jù)庫中找到用戶名、手機號和密碼，從而判斷用戶信息的正確性。用戶填寫完個人信息后，點擊登錄按鈕，前端將登錄請求傳到后端，收到請求后首先使用MD5加密工具類將用戶密碼加密成字符串形式，隨后將用戶名和加密后的密碼交給UserController類中的login方法處理，login方法以用戶名為參數(shù)調(diào)用UserService的findUserByName方法從數(shù)據(jù)庫中查找用戶信息，若用戶名或密碼與數(shù)據(jù)庫中的信息不匹配，則登錄失敗并返回錯誤碼，提示用戶名或密碼錯誤，若信息一樣，則提示登錄成功，并且服務(wù)端根據(jù)用戶信息隨機生成64位或者128位token，放入Redis數(shù)據(jù)庫中，然后返回給客戶端并存儲在cookie中，設(shè)置一個有效期，在有效期內(nèi)用戶每次訪問都攜帶此token，服務(wù)端去Redis中校驗是否有此用戶即可，無需再去數(shù)據(jù)庫中查找，提高了服務(wù)器運行效率，同時避免用戶每次登錄重復(fù)輸入，提升了用戶的體驗感。

3.2.3 用戶個人中心

用戶個人中心主要是用戶信息維護功能，包括個人信息查詢和修改。當用戶點擊查看個人信息時，服務(wù)器收到請求以用戶編號為參數(shù)調(diào)用getUserList方法進入數(shù)據(jù)庫查詢用戶信息，將得到的用戶信息返回給瀏覽器。當用戶點擊編輯個人信息，完成信息修改并保存后，服務(wù)器同樣以用戶編號為參數(shù)調(diào)用updateUser方法修改相應(yīng)的信息，將修改后的信息重新保存到數(shù)據(jù)庫中。

3.3 資源模塊實現(xiàn)

資源模塊主要包括教師用戶上傳資源、學(xué)生用戶瀏覽和下載資源、系統(tǒng)資源個性化推薦功能。

3.3.1 資源上傳

教師用戶完成注冊和登錄操作后會進入教師平臺，在這里教師用戶可以瀏覽下載相應(yīng)的資源。資源上傳是教師平臺的核心功能，教師用戶可以上傳文本、音頻、視頻三種類型的資源，在資源上傳過程中，首先選擇需要上傳的資源文件并填寫資源名稱、關(guān)鍵詞以及資源包含的思政要素所屬的章節(jié)目錄，內(nèi)容填寫完畢后點擊資源上傳。服務(wù)器收到請求后會調(diào)用SourceController的addSource方法將資源添加到數(shù)據(jù)庫中，并返回添加成功的提示信息。

3.3.2 資源瀏覽

學(xué)生用戶和教師用戶可以在資源展示界面瀏覽資源，資源庫中的思政資源是以章節(jié)為目錄進行展示。該資源庫以數(shù)據(jù)庫技術(shù)課程為例，根據(jù)數(shù)據(jù)庫理論概述、關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計、數(shù)據(jù)庫表操作、數(shù)據(jù)庫編程、數(shù)據(jù)庫安全這五個章節(jié)中的有關(guān)內(nèi)容融入了相應(yīng)的思政元素，將思政資源以文本、音頻、視頻三種形式分類展示以供學(xué)生更加直觀清晰地瀏覽學(xué)習，點擊視頻資源時，會進入資源詳情頁面，資源詳情包含資源介紹和關(guān)鍵字，方便學(xué)生在學(xué)習之前對資源有一個大致的了解。資源展示頁面如圖2所示。

圖2：思政資源展示頁面

3.3.3 資源個性化推薦

當用戶處于登錄狀態(tài)時，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的行為和資源的屬性進行個性化推薦。該課程資源庫使用協(xié)同過濾和基于內(nèi)容推薦的混合推薦算法，具體流程為：針對沒有歷史行為記錄的新用戶，系統(tǒng)無法個性化推薦，會在用戶注冊時選擇資源標簽，從而根據(jù)用戶選擇的標簽推薦相應(yīng)的資源，也就是基于內(nèi)容推薦。如果是有行為記錄的老用戶，首先讀取包含用戶編號、物品編號、用戶評分三個屬性的CSV數(shù)據(jù)集文件。第二步是計算用戶之間的相似度，這里用的是基于修正的余弦相似度來計算，得到與用戶偏好相似的k個近鄰用戶，若k＞50，則選取前50個用戶作為近鄰。最后讀取這些近鄰用戶所偏好的資源，根據(jù)資源名稱從數(shù)據(jù)庫中查找是否與目標用戶偏好的資源一致，篩選出近鄰用戶喜愛的資源而目標用戶無偏好的資源作為最終推薦列表，設(shè)置推薦列表數(shù)量為5，選取前5個資源作為結(jié)果。

4 結(jié)語

綜上所述，本文基于Springboot和Vue框架設(shè)計一個數(shù)據(jù)庫技術(shù)課程思政資源庫，并提出一種基于協(xié)同過濾和內(nèi)容推薦的個性化推薦算法作為該資源庫推薦功能的技術(shù)?；趥€性化推薦的課程思政資源庫主要具備用戶登錄、注冊、個人信息維護、資源上傳、資源瀏覽、資源推薦等基本功能模塊，根據(jù)數(shù)據(jù)庫技術(shù)課程的章節(jié)分別融入相關(guān)內(nèi)容的思政元素，以文本、音頻、視頻形式展現(xiàn)出來，有效解決了思政資源數(shù)量繁雜、內(nèi)容不精的問題，對今后高校的課程思政建設(shè)以及學(xué)生道德素質(zhì)的培養(yǎng)具有重大意義。