基于網(wǎng)格的高等教育評估系統(tǒng)研究

摘 要：應用模糊數(shù)學、網(wǎng)格、神經(jīng)網(wǎng)絡等技術(shù)，結(jié)合高等教育評估指標體系，提出一種基于網(wǎng)格的高等教育計算機模糊評估的設計方案。該方案采用了多策略方法確定指標權(quán)重，并用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)確定評估矩陣；在此基礎(chǔ)上對高等教育進行綜合評估，以實現(xiàn)對高等教育的評估更加快捷、方便、準確。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)格； 高等教育評估系統(tǒng)； 存儲資源代理； 元數(shù)據(jù)目錄； 權(quán)重； 神經(jīng)網(wǎng)絡

中圖分類號：TP311.13文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2007)06-0034-04

1 背景

1.1 網(wǎng)格的概念

網(wǎng)格［1］產(chǎn)生于20世紀90年代中期，它是從電力網(wǎng)借鑒過來的。網(wǎng)格的最終目的是利用互聯(lián)網(wǎng)把分散在不同地理位置的計算機組織成一臺虛擬的超級計算機，實現(xiàn)計算資源、存儲資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源、軟件資源、網(wǎng)絡資源、通信資源、知識資源、專家資源等資源的全面共享。

網(wǎng)格是一種關(guān)系科研、經(jīng)濟、社會、國防的重要國家基礎(chǔ)設施，在國內(nèi)外都引起了廣泛關(guān)注，各國政府和企業(yè)也大力支持網(wǎng)格計算的研究。美國政府在網(wǎng)格技術(shù)的基礎(chǔ)研究上，每年投入的經(jīng)費就高達5億美元。英國政府宣布投資1億英鎊，用于研發(fā)英國國家網(wǎng)格。日本NTT數(shù)據(jù)

公司聯(lián)合Intel、SG等，在2002年中期開展了為期六個月的網(wǎng)格計算試驗。甚至連印度都啟動了建設國家網(wǎng)格計劃。我國對網(wǎng)格技術(shù)的研究雖然起步較晚，但由于它是一項新興技術(shù)，國家對此非常重視，投入了大量的物力、人力。2002年4月，國家科技部召開了網(wǎng)格戰(zhàn)略研討會，確認將網(wǎng)格的研究和應用列為“863”計劃的一個專項，其專項投資高達3億。2003年9月，英特爾與教育部宣布推動基于安騰２架構(gòu)的教育科研網(wǎng)格計劃，將全面提高我國教育信息化基礎(chǔ)設施的服務水平和高等學校的科研水平。

1.2 高等教育評估面臨的問題

高等教育評估主要是對學校的辦學條件、學生素質(zhì)、理論教學、實踐教學、教師水平和教學管理等諸多因素的綜合評估。它具有多因素性、模糊性和動態(tài)性等特點。通過評估，可以獲得關(guān)于教育的各種反饋信息；通過分析和研究這些反饋信息，才能發(fā)現(xiàn)教育中存在的諸多問題，并找出問題產(chǎn)生的原因，有針對性地采取解決措施，從而推動高等教育質(zhì)量的提高。

由于我國高等教育評估理論研究相對滯后，評估活動開展的時間較短，仍處于初級階段。目前，高等教育評估主要存在以下幾個問題：

(1)評估理論體系和操作體系不完善。

由于我國真正開展高等教育評估的理論研究和實踐的時間較短，目前大多仍是借鑒和移植國外的評估理論及經(jīng)驗，尚未真正建立起符合我國國情的高等教育評估理論體系和操作體系。

(2)評估模式相對落后。

縱觀我國的高等教育評估模式，大致經(jīng)歷了三個階段：

手工評估模式階段。主要采用問卷調(diào)查或?qū)＜掖蚍?，填好表格統(tǒng)一收齊后交給專門的統(tǒng)計人員進行統(tǒng)計、分析并得出結(jié)論。該模式不但耗費太多的人力、財力、時間，而且統(tǒng)計工作相當煩瑣，統(tǒng)計結(jié)果又不利于保存。

單機評估模式階段。該模式是在手工評估模式的基礎(chǔ)上，采用計算機進行統(tǒng)計、分析并得出結(jié)論。與手工模式相比，在評估效率上有所提高，但系統(tǒng)開放性差，信息共享性差，而且容易形成信息孤島。

網(wǎng)絡評估模式階段。以計算機網(wǎng)絡為操作平臺，實現(xiàn)高等教育評估的所有功能。實現(xiàn)了計算機硬件的連通，與前面兩種形式相比，具有一定的優(yōu)點；但還沒有解決互聯(lián)網(wǎng)上所有高等教育評估資源的全面連通，沒有真正解決信息孤島的問題。

(3)評估算法的單一。

評估算法的好壞直接影響到評估效果。從以往的評估實踐來看，還有不少缺陷，如傳統(tǒng)的方法是選擇若干評估要素和指標，人為地賦予每個要素或指標特定的權(quán)重系數(shù)，然后根據(jù)專家評估組的打分進行加權(quán)平均計算而獲得評估結(jié)果。盡管這種判斷可以說是一種從定性到定量的飛躍，但這種方法主觀性較大，信息丟失較多，因而容易使評估精度和靈敏度都比較低。

1.3 教育評估網(wǎng)格建立的必要性

高等教育評估工作是采集、處理教育評估數(shù)據(jù)并向相關(guān)部門提供信息服務的工作。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，高等教育評估工作也面臨著巨大的挑戰(zhàn)和機遇。

(1)2003年9月，教育部決定啟動“教育科研網(wǎng)格(ChinaGrid)”項目。教育部副部長趙沁平任項目領(lǐng)導小組組長，華中科技大學博士生導師金海博士擔任項目專家組組長，全國共有12所高校獲準參與該項目的科技攻關(guān)。該項目完成后，可實現(xiàn)全國100所重點大學計算、存儲、數(shù)據(jù)、信息、專家資源的全面共享，大大簡化和方便了全國教育系統(tǒng)的資源配置，全面提高了我國高等教育信息化基礎(chǔ)設施服務水平和高校教學科研水平。

(2)高等教育評估是一個系統(tǒng)工程。要想從本質(zhì)上解決中國高等教育評估的問題，就要站在信息技術(shù)的前沿，充分利用中國教育科研網(wǎng)格，將評估數(shù)據(jù)和信息進行數(shù)字化和網(wǎng)絡化后得到廣泛應用，從而實現(xiàn)一體化信息的管理與共享，為高等教育評估工作提供有效的、便捷的、廉價的服務，推動我國高等教育評估工作向前發(fā)展。

(3)網(wǎng)格技術(shù)能夠?qū)⒑Ａ康摹⒎植荚诟鞯氐脑u估資源進行整合，實現(xiàn)全面共享，為解決目前高等教育評估信息應用中所面臨的問題提供一種切實可行的技術(shù)支持。

(4)建立一個高等教育評估網(wǎng)格，利用網(wǎng)格技術(shù)來滿足各高校在進行評估時對高性能、大容量分布存儲和分布式計算等需求，從而有利于各高校有效地尋找可用資源、訪問數(shù)據(jù)和共享數(shù)據(jù)。另外，挖掘隱藏在評估數(shù)據(jù)中關(guān)聯(lián)信息和同源關(guān)系等，有利于國家對高等教育的各項工作進行宏觀管理和指導。

2 高等教育評估網(wǎng)格的體系結(jié)構(gòu)

該體系結(jié)構(gòu)由前臺用戶界面和后臺網(wǎng)格服務系統(tǒng)組成，如圖1所示。

前臺是基于Windows環(huán)境的用戶界面，它提供了評估方案的輸入、評估結(jié)果的查詢及顯示等，并把相關(guān)的需求提交給后臺網(wǎng)格服務系統(tǒng)處理。后臺是基于Linux環(huán)境的，由網(wǎng)格服務代理和工作站機群構(gòu)成，主要根據(jù)從前臺獲取的需求提供相應的網(wǎng)格服務，如確定最優(yōu)評估矩陣。

圖1 高等教育評估網(wǎng)格的體系結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)設計

該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)維護、模糊評估、信息查詢、數(shù)據(jù)分析、報表打印五大模塊組成。其功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

(1)數(shù)據(jù)維護主要包括對評估指標、指標權(quán)重、評估等級、評估結(jié)果等信息的插入、修改、刪除等基本操作。

(2)模糊評估包括評估指標的確定、評估等級的確定、評估算法的確定、權(quán)重的確定。

(3)信息查詢包括對評估指標、評估結(jié)果、權(quán)重等信息進行查詢。

(4)數(shù)據(jù)分析包括對權(quán)重、評估指標、評估結(jié)果等數(shù)據(jù)進行分析。

(5)報表打印包括對評估結(jié)果、評估指標、指標權(quán)重等信息進行打印。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 存儲資源代理

眾所周知，存儲資源代理［2］是網(wǎng)格中的數(shù)據(jù)管理核心，是為高層應用訪問分布的異構(gòu)存儲資源和數(shù)據(jù)副本提供統(tǒng)一接口的中間件?？蓪⑵浞譃槿齻€層次，即高層服務、中間層服務和核心服務。不同的模塊之間相互作用，共同實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理功能。其軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 存儲資源代理的軟件結(jié)構(gòu)

存儲資源代理可以分為數(shù)據(jù)副本管理、數(shù)據(jù)移動、數(shù)據(jù)訪問、數(shù)據(jù)定位、緩沖區(qū)、查詢優(yōu)化和訪問模式管理、存儲管理等幾個模塊。數(shù)據(jù)副本管理模塊主要負責管理文件和元數(shù)據(jù)副本，它需調(diào)用數(shù)據(jù)移動模塊完成管理功能。數(shù)據(jù)移動模塊主要負責數(shù)據(jù)在不同存儲資源之間的移動，通過調(diào)用數(shù)據(jù)定位模塊確定數(shù)據(jù)的物理位置；然后通過調(diào)用數(shù)據(jù)訪問模塊實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的訪問。數(shù)據(jù)訪問模塊主要負責與具體的存儲設備和其他的存儲資源代理聯(lián)系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問。數(shù)據(jù)定位模塊把一個與位置無關(guān)的標志符轉(zhuǎn)換成一個與位置有關(guān)的標志符，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)物理位置定位；數(shù)據(jù)定位過程中，需要利用元數(shù)據(jù)目錄獲取有關(guān)數(shù)據(jù)的各種信息。緩沖區(qū)的主要目標是提高數(shù)據(jù)訪問的效率。查詢優(yōu)化和訪問模式管理模塊可以保證對給定的一個查詢，執(zhí)行一個優(yōu)化的遷移和復制操作，包括動態(tài)監(jiān)控和配置信息在內(nèi)的元數(shù)據(jù)的支持。存儲管理模塊主要負責實現(xiàn)訪問本地存儲系統(tǒng)的資源。當然，這些模塊的正常工作均離不開網(wǎng)格安全機制的支持。

4.2 元數(shù)據(jù)目錄

元數(shù)據(jù)［3］根據(jù)其所描述的內(nèi)容可分為以下三類：

(1)應用元數(shù)據(jù)。描述文件的內(nèi)容或?qū)μ幚碓撐募膽贸绦蛴杏玫男畔?，如?shù)據(jù)的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)、獲取數(shù)據(jù)的必要條件等。

(2)系統(tǒng)元數(shù)據(jù)。描述網(wǎng)格自身結(jié)構(gòu)的信息，如存儲系統(tǒng)的容量和使用策略等。

(3)副本元數(shù)據(jù)。描述關(guān)于數(shù)據(jù)副本的信息，如文件與具體存儲系統(tǒng)之間的映射信息等。

網(wǎng)格中的所有元數(shù)據(jù)構(gòu)成元數(shù)據(jù)目錄［4］，它為用戶身份認證、數(shù)據(jù)定位、訪問控制、數(shù)據(jù)復制等提供支持。一個網(wǎng)格至少要建立一個主元數(shù)據(jù)目錄；根據(jù)實際情況可以建立子元數(shù)據(jù)目錄；整個元數(shù)據(jù)目錄構(gòu)成一個樹型結(jié)構(gòu)。應用程序通過元數(shù)據(jù)目錄來獲取所需文件，當應用程序提交所需要數(shù)據(jù)的某些特性后，元數(shù)據(jù)目錄根據(jù)這些特性與某邏輯文件相關(guān)聯(lián)。復制文件管理模塊將使用復制管理元數(shù)據(jù)來定位該邏輯文件的物理位置以供訪問。

隨著網(wǎng)格的不斷發(fā)展，元數(shù)據(jù)在不斷增多，其結(jié)構(gòu)也日趨復雜，使元數(shù)據(jù)的管理變得更為復雜。主要表現(xiàn)如下：

（1）不同的系統(tǒng)可能采用不同的方法來存儲和描述元數(shù)據(jù)，因此元數(shù)據(jù)管理既要能管理這種異構(gòu)性，又要保證在分布式環(huán)境中元數(shù)據(jù)訪問的效率；

（2）元數(shù)據(jù)目錄應該采用具有良好可擴展性的層次式分布式結(jié)構(gòu)，它要能支持大規(guī)模組織中的各種信息源；

（3）元數(shù)據(jù)目錄需要一套合理的管理機制。

4.3 計算機模糊評估

4.3.1 指標權(quán)重的確定

為了使指標權(quán)重的確定更科學合理，本文提出一種基于德爾菲賦權(quán)、主成分賦權(quán)和神經(jīng)網(wǎng)絡相結(jié)合的多策略評估賦權(quán)［5，6］方法。

其主要思路如下：

首先，利用德爾菲賦權(quán)法，根據(jù)建立的指標體系和專家的經(jīng)驗判斷，由評估組專家直接對各個評估指標賦權(quán)。

其次，利用主成分分析法對指標體系的指標層權(quán)重進行調(diào)整，從而做到指標的動態(tài)賦權(quán)。

在這里可以將上述兩種方法集成在一起。具體算法如下：

最后，根據(jù)變換后的評估數(shù)據(jù)和綜合評價結(jié)果作為神經(jīng)網(wǎng)絡的學習樣本，通過學習將專家的經(jīng)驗和指標數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律作為知識積累起來，并最后得到各指標的權(quán)重。這樣既可以把人的知識和經(jīng)驗充分利用，又可以擺脫人為主觀因素的干擾。

4.3.2 計算機模糊評估模型的建立

建立高等教育計算機模糊評估模型［7，8］的步驟如下(以實踐教學為例來說明)：

5 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)基于Windows、Linux和Globus Toolkit 3環(huán)境下實現(xiàn)網(wǎng)格服務。高等教育評估網(wǎng)格實現(xiàn)的基本框架如圖5所示。

用戶通過網(wǎng)格應用入口提交應用請求；服務代理負責接收用戶請求，并從注冊中心搜尋能夠提供和處理該類請求的網(wǎng)格節(jié)點，將請求提交到節(jié)點；網(wǎng)格節(jié)點利用資源存儲代理從物理存儲設備中讀取數(shù)據(jù)，同時啟動并行數(shù)據(jù)處理算法，進行數(shù)據(jù)計算；網(wǎng)格節(jié)點計算結(jié)束后，負責把分布在各個參與訪問問題計算的網(wǎng)格節(jié)點上的數(shù)據(jù)匯集起來，得到完整的計算結(jié)果。

6 結(jié)束語

高等教育評估應用網(wǎng)格是以網(wǎng)格技術(shù)為基礎(chǔ)，以國家高等教育評估工作為依托，基于寬帶傳輸、海量數(shù)據(jù)組織、模糊評估技術(shù)和網(wǎng)格基礎(chǔ)支撐環(huán)境等多領(lǐng)域的應用平臺。評估信息的處理和應用是分布式的、協(xié)作式和智能化的。系統(tǒng)能夠利用分布的數(shù)據(jù)庫，對相應的評估信息進行分析、處理，形成高等教育評估功能強大的分布計算能力以及高速的評估信息獲取、傳輸、存儲和共享。高等教育評估應用網(wǎng)格的研究還處于起步階段，尚需在體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格關(guān)鍵技術(shù)、并行數(shù)據(jù)處理等方面作深入研究。

本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。