實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

目前，通過信息技術(shù)手段對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理的模式已經(jīng)廣泛使用，并在一定程度上取得了良好的效果，規(guī)范了管理方法，提高了管理效率。通過調(diào)查分析,現(xiàn)有高校使用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)化管理平臺(tái)普遍存在如下2點(diǎn)問題:(1)功能單一不全面?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)化管理平臺(tái)功能單一且沒有細(xì)化,大部分以實(shí)驗(yàn)室管理功能為主,如對(duì)實(shí)驗(yàn)室軟硬件資源的管理,以及對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員的管理和實(shí)驗(yàn)課程的管理等,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程的管理方面支持較弱;(2)缺乏實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)據(jù)分析功能?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)化管理平臺(tái)幾乎沒有實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)據(jù)分析功能,有的只是一些簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表。在如何構(gòu)建數(shù)據(jù)分析模型,對(duì)積累的實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次分析,從而獲取有用的信息指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展方面考慮很少?；谝陨系谋尘?本文提出了一種新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,并重點(diǎn)闡述了實(shí)現(xiàn)方法以及在實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析方面的典型應(yīng)用。1系統(tǒng)規(guī)劃1.1基于b/s的系統(tǒng)總體架構(gòu)首先實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)涉及到多類用戶,如學(xué)生、實(shí)驗(yàn)教師、實(shí)驗(yàn)室管理員、實(shí)驗(yàn)教學(xué)業(yè)務(wù)管理員、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析員以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)主管領(lǐng)導(dǎo)等,每類用戶都具備不同的操作權(quán)限,所以對(duì)每類用戶的業(yè)務(wù)工作需求都進(jìn)行了充分調(diào)研并設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的需求模型;其次該系統(tǒng)也充分考慮到了在開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的環(huán)境下,實(shí)驗(yàn)教學(xué)的靈活性所帶來的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理上的難度,系統(tǒng)也增加了相應(yīng)的輔助支持功能,如實(shí)驗(yàn)預(yù)約管理、實(shí)驗(yàn)過程監(jiān)控等,并支持多種數(shù)據(jù)采集錄入接口,如刷卡機(jī)輸入、視頻監(jiān)控文件以及Excel格式數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入等。最后在系統(tǒng)的架構(gòu)上,考慮到該系統(tǒng)用戶數(shù)量眾多,系統(tǒng)應(yīng)能夠保證即時(shí)的響應(yīng)和良好的維護(hù)性,所以采用了基于B/S的架構(gòu)并在軟件系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)上采用了分層設(shè)計(jì)的思想。該系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。1.2實(shí)驗(yàn)室信息管理在需求分析的基礎(chǔ)上,針對(duì)系統(tǒng)的各類用戶分別設(shè)計(jì)了相應(yīng)功能,其中學(xué)生用戶使用功能包括:實(shí)驗(yàn)預(yù)約、實(shí)驗(yàn)登記、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)資料下載、實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交、網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)查詢等;實(shí)驗(yàn)教師用戶使用功能包括:實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置、實(shí)驗(yàn)資料管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況管理、網(wǎng)上答疑、實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分、實(shí)驗(yàn)成績(jī)統(tǒng)計(jì)等功能;實(shí)驗(yàn)室管理員包括:實(shí)驗(yàn)室基本信息管理、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備信息管理等;實(shí)驗(yàn)教學(xué)業(yè)務(wù)管理員使用功能包括:實(shí)驗(yàn)課程信息管理、實(shí)驗(yàn)教師信息管理以及學(xué)生信息管理等功能;數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析員包括數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表、數(shù)據(jù)分析等;實(shí)驗(yàn)教學(xué)主管領(lǐng)導(dǎo)包括:數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析結(jié)果查看等。1.3基于數(shù)據(jù)挖掘的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)隨著系統(tǒng)的運(yùn)行,實(shí)踐教學(xué)相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)也將不斷積累,如何在有效管理的基礎(chǔ)上利用積累的數(shù)據(jù)做深層次的數(shù)據(jù)分析,從而為實(shí)踐教學(xué)管理與決策提供幫助是該系統(tǒng)的特色。為此該系統(tǒng)綜合應(yīng)用了如下智能數(shù)據(jù)分析技術(shù):(1)多維數(shù)據(jù)分析技術(shù)。在構(gòu)建相應(yīng)的多維數(shù)據(jù)分析模型基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)分析數(shù)據(jù)立方體,可以實(shí)現(xiàn)從對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行上鉆(rollup)、下鉆(drilldown)、切片(slice)、切塊(dice)以及旋轉(zhuǎn)(pivot)等操作,從而靈活實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)踐教學(xué)數(shù)據(jù)的各層次的匯總統(tǒng)計(jì)分析。(2)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。數(shù)據(jù)挖掘是從大量的數(shù)據(jù)中提取隱含的、潛在有用的信息和知識(shí)的過程。它能夠發(fā)現(xiàn)多維分析處理過程所不能發(fā)現(xiàn)的更為復(fù)雜的更有洞察力的信息。從功能上可將數(shù)據(jù)挖掘的方法主要?jiǎng)澐譃殛P(guān)聯(lián)分析、分類分析、聚類分析以及序列模式分析等。目前使用多維數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘已在眾多行業(yè)廣泛應(yīng)用,同樣也可應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域,如在該系統(tǒng)中對(duì)實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)之間的關(guān)聯(lián)性以及同一課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目成績(jī)之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析,并得到了有價(jià)值的決策信息?；谝陨隙嗑S數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的特點(diǎn)以及作用,在數(shù)據(jù)分析功能的實(shí)現(xiàn)上選擇了SQLServer2008所提供的商業(yè)智能工具進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā),主要應(yīng)用到了IntegrationServices以及AnalysisServices等工具。其中IntegrationServices工具用于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)抽取程序抽取實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的明細(xì)數(shù)據(jù),形成相對(duì)綜合的數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上應(yīng)用AnalysisServices工具設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析模型進(jìn)行多維數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)挖掘。相關(guān)處理流程如圖2所示。2典型的數(shù)據(jù)優(yōu)化和分析功能2.1設(shè)計(jì)模式的構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)采用.NETWeb系統(tǒng)開發(fā)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn),主要應(yīng)用了ADO.NET數(shù)據(jù)庫編程技術(shù),系統(tǒng)各功能模塊都基于MVC設(shè)計(jì)模式進(jìn)行構(gòu)建,從而提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性。實(shí)驗(yàn)室基本信息管理主要涉及對(duì)實(shí)驗(yàn)室基本信息的增加、修改、刪除、查詢等基本管理功能,涉及的信息有:實(shí)驗(yàn)室編號(hào)(LabID)、實(shí)驗(yàn)室名稱(LabName)、實(shí)驗(yàn)室類型(LabType)、實(shí)驗(yàn)室地點(diǎn)(LabAddress)以及實(shí)驗(yàn)室容納人數(shù)(LabCapacity)等。該模塊具備的實(shí)體功能都由C#語言類Labinfo,Labinfo_operation負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn),類結(jié)構(gòu)如圖3所示。2.2實(shí)驗(yàn)室信息維表設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)驗(yàn)室開課情況的統(tǒng)計(jì)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理的任務(wù)之一,目的是了解各學(xué)年各實(shí)驗(yàn)室開課數(shù)目以及課時(shí)總數(shù),借此發(fā)現(xiàn)空閑率高或承擔(dān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)過重的實(shí)驗(yàn)室,并以此為依據(jù)在將來的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程任務(wù)分配中,做到更加科學(xué)合理,從整體上提高實(shí)驗(yàn)室資源的利用率,同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)室總體利用狀況變化趨勢(shì)數(shù)據(jù)亦可為是否需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室擴(kuò)充提供依據(jù)。為此選取了實(shí)驗(yàn)室信息維表、實(shí)驗(yàn)課程信息維表、上課班級(jí)信息維表、學(xué)年學(xué)期時(shí)間維表以及實(shí)驗(yàn)室開課事實(shí)表構(gòu)成星型結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)分析模型(見圖4),并設(shè)計(jì)了能進(jìn)行多維數(shù)據(jù)分析的透視表以及透視圖(見圖5、圖6),可以方便靈活地分析查看數(shù)據(jù)。圖5、圖6可以比較直觀地觀察實(shí)驗(yàn)室各學(xué)年、學(xué)期開課情況的變化趨勢(shì),同時(shí)通過透視表、透視圖提供的上鉆、下鉆以及旋轉(zhuǎn)操作可以從多個(gè)角度進(jìn)行數(shù)據(jù)觀察以及對(duì)比,從而可以更加全面、深入地了解實(shí)驗(yàn)室的開課情況。2.3結(jié)果采集與分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)生出勤率是衡量實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的指標(biāo)之一,通過分析出勤率可以了解到某學(xué)院、某專業(yè)以及某課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)狀況。借助實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理與分析系統(tǒng)的考勤登記功能可以采集參加實(shí)驗(yàn)的學(xué)生出勤信息,同時(shí)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的多維分析模型以及透視圖(見圖7)。通過如圖7所示的實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)生出勤率透視圖,可以進(jìn)一步鉆取了解、分析出勤率低的實(shí)驗(yàn)課程,從而可以更方便、快速、全面地統(tǒng)計(jì)與分析參加實(shí)驗(yàn)的學(xué)生出勤率并能輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理人員更好地監(jiān)督實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展。2.4實(shí)驗(yàn)課程與案例的比較隨著實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)的投入運(yùn)行,積累了大量學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課成績(jī)記錄,其中包括每一門實(shí)驗(yàn)課的成績(jī)以及具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的成績(jī)。運(yùn)用AnalysisServices提供的關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘模型對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,能發(fā)現(xiàn)其中蘊(yùn)藏的有價(jià)值的規(guī)則(見圖8)。比如,圖8中提取的“C語言:優(yōu)”;“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):優(yōu)→算法設(shè)計(jì):優(yōu)”規(guī)則具有較高的概率,表明C語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程是算法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程的先修課程,學(xué)生要提高算法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程的成績(jī)須切實(shí)提高C語言以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等兩門課程的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?同時(shí)指導(dǎo)算法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程的教師可以根據(jù)學(xué)生C語言以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)兩門實(shí)驗(yàn)課程的歷史成績(jī),對(duì)學(xué)生進(jìn)行整體成績(jī)預(yù)測(cè),從而可以更好地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)情況,為開展更具針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供幫助。另外,實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)還可以對(duì)具體某一門課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目成績(jī)之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析,也發(fā)現(xiàn)了一些有價(jià)值的規(guī)則,如對(duì)數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,發(fā)現(xiàn)SQL語言基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的成績(jī)對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的成績(jī)有比較明顯的影響,這對(duì)確定、驗(yàn)證具體課程的基礎(chǔ)核心實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以及提醒實(shí)驗(yàn)教師重視基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)有著積極的意義。3教學(xué)為根本、優(yōu)化,促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理工作網(wǎng)絡(luò)化通過設(shè)計(jì)與開發(fā)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng),對(duì)