基于data cube的成績(jī)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

朱 江 （東莞理工學(xué)院資產(chǎn)后勤管理處，廣東 東莞523808）

周 斌 （東莞理工學(xué)院外語(yǔ)系，廣東 東莞523808）

在培養(yǎng)高水平人才的過程中，科學(xué)的教學(xué)效果評(píng)估是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)前教學(xué)效果評(píng)估體系有兩大問題需要解決，首先是對(duì)于教學(xué)活動(dòng)受體的學(xué)生如何對(duì)其學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，其次是對(duì)于教育活動(dòng)的主導(dǎo)者——教師如何評(píng)價(jià)其教學(xué)效果[1]。

在實(shí)際運(yùn)行和操作過程中，由于一些主客觀因素的影響會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果失真和異化。因此尋找一種更客觀、更公正、更有效的評(píng)教方法成為目前教育活動(dòng)中迫切需要解決的一個(gè)重要問題。為此，筆者利用數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，研發(fā)一套創(chuàng)新的基于數(shù)據(jù)立方體的學(xué)生成績(jī)分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多維、多層次地分析和展示學(xué)生在各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)效果和教師的教學(xué)效果。這套系統(tǒng)為教學(xué)效果的評(píng)估提供了定量的數(shù)據(jù)支持，有助于提高評(píng)估體系的客觀性和公正性，并為實(shí)際應(yīng)用中教育教學(xué)改革提供可行的策略和方法。

1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

1.1 課程模塊

1）課程信息存儲(chǔ) 存儲(chǔ)課程的相關(guān)信息，包括編號(hào)、名稱、開課時(shí)間、任課教師 （可增加其他信息，要求進(jìn)行具體設(shè)計(jì)），提供增刪改操作。

2）選課 課程信息與用戶信息之間的關(guān)系數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)選課表，包括學(xué)生選課和教師選課功能。

1.2 試題試卷模塊

1）試題信息存儲(chǔ) 設(shè)計(jì)各種類型試題的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)及表示方法 （可參考學(xué)校網(wǎng)絡(luò)課程系統(tǒng)，試題應(yīng)包括難度等級(jí)、所屬專業(yè)／課程等信息），提供各類試題的增刪改操作，建立試題及試題的維護(hù)功能。特殊要求：提供簡(jiǎn)單的專業(yè)符號(hào)錄入。

2）試題難度動(dòng)態(tài)更新 對(duì)于每次考試之后，同一道試題根據(jù)橫向和縱向的答題紀(jì)錄來(lái)動(dòng)態(tài)計(jì)算其難度系數(shù)并自動(dòng)更新。

3）定制試題庫(kù) 類似試題存儲(chǔ)，但入庫(kù)試題特征 （如題干、答案、所屬類別等）不允許更新，只有輔助信息允許動(dòng)態(tài)更新 （如難度等）。

4）歷史試卷記錄 要求設(shè)計(jì)試卷的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，對(duì)任意已經(jīng)進(jìn)行過的考試可查詢?cè)伎季怼?/p>

5）生成試卷 根據(jù)專業(yè)、課程生成對(duì)應(yīng)試卷，要求各份試卷總體難度可設(shè)定，題目由教師在試題庫(kù)中選取生成 （可設(shè)計(jì)試卷各類題型比例和數(shù)量、分值等），每份試卷要有相應(yīng)的信息記錄。

1.3 考試模塊

1）試卷發(fā)放 按用戶相關(guān)信息及時(shí)間設(shè)定發(fā)放考卷，要求必須是正確的用戶、正確的時(shí)間、發(fā)放指定考卷。

2）考試時(shí)間控制 自動(dòng)計(jì)時(shí)，時(shí)間到時(shí)自動(dòng)收卷，每隔一定時(shí)間自動(dòng)記錄試卷完成情況，出現(xiàn)問題可保證在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)之前的答卷內(nèi)容得以保存，并能夠讀取出來(lái)繼續(xù)作答。

3）試卷提交 可由用戶提交或時(shí)間結(jié)束自動(dòng)提交試卷。

4）答案儲(chǔ)存 對(duì)每個(gè)用戶的每份試卷答案進(jìn)行存儲(chǔ)，設(shè)計(jì)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) （結(jié)合歷史試卷記錄）。

1.4 成績(jī)模塊

1）試卷批改 部分題型可由系統(tǒng)自動(dòng)批改 （如選擇題），特殊類型題目要求手動(dòng)批改并給出成績(jī)。

2）成績(jī)存儲(chǔ) 存儲(chǔ)每人每份試卷的成績(jī)。

1.5 成績(jī)分析模塊

1）個(gè)人成績(jī)統(tǒng)計(jì) 包括考試成績(jī)、歷史試卷、學(xué)習(xí)曲線等。

2）試卷難度分析 根據(jù)考試結(jié)果及參加考試學(xué)生群體以往考試情況，分析試卷難度給出建議。

3）課程教學(xué)效果分析 根據(jù)每道試題的難度、以往答對(duì)率來(lái)衡量某次考試的學(xué)生群體對(duì)該題目的掌握程度，進(jìn)而對(duì)課程的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)合試卷難度來(lái)評(píng)價(jià)教學(xué)效果。

4）教師教學(xué)水平分析 對(duì)同一門課程的歷史紀(jì)錄結(jié)合每個(gè)學(xué)期的教學(xué)效果來(lái)評(píng)價(jià)該門課程各位任課教師的教學(xué)水平，將任課教師所教的所有課程教學(xué)水平進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)得到教師的總體教學(xué)水平指標(biāo)。

5）學(xué)生整體素質(zhì)分析 類似教師教學(xué)水平分析，衡量學(xué)生的整體素質(zhì)[2]。

1.6 用戶模塊

1）用戶分類及權(quán)限控制 按照系統(tǒng)的需求將用戶主要分為3類：學(xué)生、教師和管理員，相應(yīng)權(quán)限為：學(xué)生：選課、考試、個(gè)人成績(jī)統(tǒng)計(jì)、試卷查詢 （僅對(duì)個(gè)人成績(jī)和試卷）；教師：選課、試題、試卷、成績(jī)、成績(jī)分析；管理員：管理模塊、題庫(kù)管理。

2）用戶信息維護(hù) 主要是個(gè)人信息維護(hù)，用戶的注冊(cè)，用戶名和密碼等信息的修改。

1.7 管理模塊

主要分為用戶管理、試卷管理、考試管理、成績(jī)管理等。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)源連接

實(shí)現(xiàn)的主要操作步驟如下：①單擊 “開始”按鈕，指向 “設(shè)置”，單擊 “控制面板”，然后雙擊 “管理工具”，再雙擊 “數(shù)據(jù)源（ODBC）”。②在 “系統(tǒng)DSN”選項(xiàng)卡上單擊“添加”按鈕。③選擇 “SQL SERVER”，然后單擊 “完成”按鈕。④完成相應(yīng)輸入 （見圖2）。

圖2 SQL SERVER新數(shù)據(jù)源輸入界面

2.2 建立數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)源

1）建立數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)的主要操作步驟 （見圖3）如下：①在 Analysis Manager樹視圖中展開 “Analysis Servers”。②單擊服務(wù)器名稱，即可建立與Analysis Servers的連接。③右擊服務(wù)器名稱，然后單擊 “新建數(shù)據(jù)庫(kù)”命令。④在 “數(shù)據(jù)庫(kù)”對(duì)話框中的 “數(shù)據(jù)庫(kù)名稱”框中，輸入 “成績(jī)分析1”，然后單擊 “確定”按鈕。⑤重新完成②，③部分，在 “數(shù)據(jù)庫(kù)”對(duì)話框中的 “數(shù)據(jù)庫(kù)名稱”框中輸入 “知識(shí)點(diǎn)分析”，然后單擊 “確定”按鈕。⑥在 Analysis Manager樹窗格中展開服務(wù)器，然后展開剛才創(chuàng)建的 “知識(shí)點(diǎn)分析”數(shù)據(jù)庫(kù)。

2）建立數(shù)據(jù)源 實(shí)現(xiàn)的主要操作步驟如下：①在Analysis Manager樹窗格中，右擊 “成績(jī)分析1”數(shù)據(jù)庫(kù)下的 “數(shù)據(jù)源”文件夾，然后單擊 “新數(shù)據(jù)源”命令。②在 “數(shù)據(jù)鏈接屬性”對(duì)話框中，單擊 “提供者”選項(xiàng)卡，然后單擊 “Microsoft OLE DB Provider for SQL Server”。③單擊 “連接”選項(xiàng)卡，然后從 “使用數(shù)據(jù)源名稱”列表中單擊 “CS-5JOA8P0NDXCH”，數(shù)據(jù)庫(kù)選擇 “chenjifenxi”。④單擊 “測(cè)試連接”以確保一切工作正常。在 “Microsoft數(shù)據(jù)鏈接”對(duì)話框中應(yīng)出現(xiàn)一條消息，說明連接成功。在消息框中單擊 “確定”按鈕。⑤單擊 “確定”按鈕關(guān)閉 “數(shù)據(jù)鏈接屬性”對(duì)話框。⑥重復(fù)步驟①～⑤，建立數(shù)據(jù)庫(kù) “知識(shí)點(diǎn)分析”數(shù)據(jù)源。

圖3 建立數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)操作示意圖

2.3 建立多維數(shù)據(jù)集

1）成績(jī)分析部分 打開多維數(shù)據(jù)集向?qū)В幌蚨嗑S數(shù)據(jù)集添加度量值。

2）知識(shí)點(diǎn)分析部分 打開多維數(shù)據(jù)集向?qū)В幌蚨嗑S數(shù)據(jù)集添加度量值；建立學(xué)生維度；建立知識(shí)考點(diǎn)維度；完成多維數(shù)據(jù)集的生成；使用存儲(chǔ)設(shè)計(jì)向?qū)гO(shè)計(jì)存儲(chǔ)；瀏覽多維數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)。

圖4 數(shù)據(jù)透視表

2.4 輸出

以 “對(duì)來(lái)自不同地區(qū)學(xué)生學(xué)習(xí)效果進(jìn)行比較”為例構(gòu)造數(shù)據(jù)透視表。從表中可以清楚的了解北京和上海2個(gè)地區(qū)學(xué)生對(duì) “高等數(shù)學(xué)”、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”和 “數(shù)據(jù)庫(kù)”3門課程的掌握程度。

3 結(jié) 語(yǔ)

現(xiàn)有的成績(jī)分析系統(tǒng)從某種意義上講并不是真正的分析系統(tǒng)，它只是單純的以數(shù)字表示成績(jī)，并對(duì)成績(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，而成績(jī)本身內(nèi)在的信息完全被忽略，如構(gòu)成成績(jī)的各個(gè)試題的信息、知識(shí)點(diǎn)的掌握情況、學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度等，都沒有體現(xiàn)出來(lái)。而只是將成績(jī)作為一個(gè)數(shù)據(jù)利用查詢語(yǔ)句加以簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)和表示，并沒有真正的實(shí)現(xiàn)分析功能[3]。

筆者設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是基于元數(shù)據(jù)信息的，率先利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的支持將信息細(xì)化，對(duì)于成績(jī)的分析可基于不同粒度和層面。系統(tǒng)通過對(duì)海量成績(jī)的分析找到客觀的評(píng)測(cè)學(xué)生和教師的標(biāo)準(zhǔn)，能夠通過對(duì)挖掘結(jié)果的分析提供改進(jìn)教學(xué)的依據(jù)，這是現(xiàn)有任何成績(jī)分析系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。通過該系統(tǒng)對(duì)東莞理工學(xué)院2008級(jí)、2009級(jí)學(xué)生的成績(jī)分析，任課教師根據(jù)系統(tǒng)反饋的分析結(jié)果對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)，取得了較好的教學(xué)效果。

[1]姚晟，李龍澍.學(xué)生成績(jī)分析專家系統(tǒng)的研究與應(yīng)用 [J].安徽大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2007，31（1）：23-26.

[2]俞能福，陳邦考.主成分分析法在學(xué)生成績(jī)分析中的應(yīng)用 [J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2007，15（1）：73-75.

[3]丁志病，袁方，董賀偉.數(shù)據(jù)挖掘在高校學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)分析中的應(yīng)用 [J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2006，27（4）：590-592.