基于OLAP的教學質量分析系統設計與實現

閆朝升，李 丹

（黑龍江中醫藥大學 現代教育技術與信息中心，黑龍江 哈爾濱 150040）

教師教學質量評價已成為高校教學質量保障的重要環節。為降低教學質量評價工作成本，提高工作效率，一些高校建立并應用教師教學質量評價系統[1-3]，對日常業務處理工作提供了有效的支持，積累了大量的評價歷史數據。隨著教學質量評價信息需求的日漸迫切，現有的事務處理系統難以滿足管理層對歷史數據的深層次分析處理。聯機分析處理（On-Line Analytical Processing，OLAP）能夠快速、一致和交互地獲取在多角度下的觀測值，為用戶提供隱藏在大量數據中的信息。如何從事務處理向聯機分析處理擴展，快速、便捷地發現有價值的信息，為管理層的決策提供有效支持，是高校教師教學質量評價工作的關鍵任務。

目前，一些研究者采用數據倉庫技術，設計了教學質量聯機分析處理系統[4-5]。但是，現有的研究工作忽略了數據倉庫和數據集市之間區別。數據倉庫適合全局的信息需求，是高校決策支持所需的單一集成數據源。數據集市則用于服務特定部門的信息需求，是教學質量評價數據分析處理的最佳分析型數據環境。因此，文中提出了基于數據集市的高校教學質量評價聯機分析處理系統設計方法，保證系統的實用性，縮短開發周期，降低開發成本，更為高校其他部門的相關系統設計和實現提供高效、可行的解決方案。

1 數據倉庫與數據集市

作為決策支持的關鍵技術，數據倉庫（Data Warehouse）和數據集市（Data Mart）之間存在著一定的區別。主要體現在如下兩方面：

1）在信息需求方面。數據倉庫服務于企業/公司的信息需求；數據集市服務于特定部門的信息需求。因此，數據集市包含企業/公司的不同特定職能范圍內的有用信息。另外，針對需求而言，數據倉庫的需求是在迭代式開發過程中逐漸清楚的，數據集市則常是在了解需求之后進行結構設計。

2）在開發方法方面。數據倉庫采用迭代開發方法[6]，即先建立數據倉庫的一部分，之后再建立另一部分，且后一階段的開發依賴于上一階段的開發結果。這是因為只有在完成數據倉庫的部分開發任務并根據用戶的使用反饋之后，進一步預測需求，完成數據倉庫的下一階段開發，如此反復。數據集市是根據部門的特殊需求而建立的。數據集市包括從屬數據集市和獨立數據集市兩類。前者依賴于數據倉庫的構建，需要預先計劃和不同部門之間協調等過程；后者直接由部門創建，而無需考慮其他部門，具有創建費用低、開發周期短等突出特點。

目前，數據倉庫在高校領域中的應用尚處于起步階段。面對數據倉庫的開發周期長、工程性強的特點，如何快速、低耗地構建分析型數據環境，構建實用性強、操作便捷、擴展性良好的數據分析平臺，力求短時間內滿足管理層的信息需求，很快地感受到決策支持服務效果，已成為一項緊迫的任務。

另外，盡管獨立數據集市不適合解決全局的信息問題，但是，針對部門級的信息處理問題，獨立數據集市無需依賴數據倉庫的構建，是一種高效、快速的解決方案。因此，文中采用獨立數據集市，構建分析型數據環境。

2 系統設計

2.1 體系結構設計

本系統采用了 Client/Server（C/S，客戶機/服務器）模式，由用戶端、應用服務端和數據服務端3部分構成，如圖1所示。其中，用戶端用于提供系統操作界面和結果顯示界面；應用服務端用于提供數據檢測、數據分析、結果導出、數據查詢、數據維護等功能；數據服務端用于實現數據集市的數據存儲。

圖1 系統體系結構圖Fig.1 Architecture diagram of the system

2.2 功能模塊設計

1）數據檢測：用于確定在數據周期內數據集市的數據載入情況。其中，數據周期是指操作型環境（即教師教學質量評價事務處理系統）中發生變化的主題數據，反映到分析型數據環境（即數據集市）中所經歷的時間。

2）數據分析：用于依據用戶發出的數據分析請求，進行數據檢索和結果顯示。其中，數據分析請求分為5類：上卷、下鉆、旋轉、切塊和切片。由于數據集市提供了分析所需的數據，因此，數據分析檢索只需一次性地訪問數據集市，獲取分析結果，保證了數據訪問效率。另外，本文采用一種多維數據集瀏覽界面設計方法[7]，用于顯示分析結果的前臺顯示。

3）結果導出：包括結果文件導出和結果打印。其中，前者用于依據多維數據表的顯示結果，生成MSExcel格式的結果文件。

4）數據查詢：用于實現細節數據的訪問。即針對感興趣的度量值情況（如：“差異性”較強的分析結果），調用本系統和評價事務處理系統之間的接口程序，實現歷史數據的訪問，進一步獲取細節數據，深入理解信息內涵。

5）數據維護：用于實現后臺數據的備份和恢復。

6）系統管理：用于實現用戶管理和系統開放設置等功能。為保證系統的安全性，系統用戶分為4個級別：超級管理員、管理員、管理層、一般用戶。不同用戶調用相應權限范圍內的系統功能，如：除管理員外，其他用戶無法調用數據檢測功能。

3 數據集市設計

依據教學質量評價工作的特點，本文設計了系統的數據集市，構建了教學質量分析系統所需的分析型數據環境，為用戶提供了緊湊的、綜合的、方便的數據組織形式，避免大量的數據處理過程，保證系統的多維性和快速性。

3.1 數據模型設計

對于數據集市而言，星形連接是最佳的數據模型[6]。星形連接包括一個事實表和多個維度表。其中，事實表包含一些外鍵（用于指向相應的維度表）和一些度量值（用于表征觀測值）；維度表包含維度的主鍵和一些維度屬性值。

文中采用星形連接多維方法，設計了數據集市的多維數據模型，如圖2所示。多維數據模型包括：職稱維度表（職稱碼、職稱名稱），學歷維度表（學歷碼、學歷名稱），性別維度表（性別碼、性別名稱），教齡維度表（教齡碼、教齡名稱），職務維度表（職務碼、職務名稱），聘任維度表（聘任碼、聘任名稱）和學年維度表（學年碼、學年名稱）。另外，在事實表中，度量分為2類：測評成績和測評等級。進一步地，每一類度量被劃分為4個子類：學生類、督導類、管理干部類和綜合類。其中，測評成績是指平均測評成績；測評等級是指依據等級判定原則，依據測評成績，生成的4種評定結果（即優秀、良好、中等和較差）。

圖2 多維數據模型Fig.2 Multidimensional data model of the system

依據多維數據模型的設計結果，為避免數據缺失問題，本文在前期工作基礎上[2]，完善了評價事務處理系統的后臺數據庫設計，如：在教師基本信息表中，增加性別、教齡、聘任狀態等字段。

3.2 數據加載設計

數據加載用于完成操作型數據的聚集（如：均值計算、計數、等級判定等），并將結果載入數據集市，實現批量式的綜合性數據載入。本系統采用增量加載模式，定期地將增量數據加載到數據集市中。

關于數據加載的觸發問題，本系統將操作型環境中的主題業務活動產生事件作為觸發事件。基于教師教學質量評價工作的特點，在前期工作基礎上[2]，擴展評價事務處理系統的功能模塊，增加數據加載觸發模塊，用于保證在生成細節數據之后，觸發數據加載事件。

另外，針對本系統而言，數據集市的操作型數據源具有單一性（即評價事務處理系統的后臺數據庫）和規范性（即降低了數據轉換的復雜度），因此，為進一步降低存儲空間消耗，避免不斷增長的細節數據冗余問題，本文采用“操作型數據”和“分析型數據”之間獨立存儲模式，即數據集市不負責存儲細節數據集。同時，針對上述模式，本系統通過與評價事務處理系統之間的接口，實現歷史數據的訪問需求。

4 系統實現

本文利用Visual Basic 6.0可視化程序設計和Microsoft SQL Server 2000企業版，實現了本系統。

系統的主界面包括工具欄和分析操作區。工具欄用于實現數據加載、數據分析、數據導出、結果打印、數據查詢、系統管理、系統幫助等功能。分析操作區由“維度和度量”選定區和“分析結果”顯示區組成，如圖3所示。其中，“分析結果”顯示區包括“維度”按鈕子區、“多維數據表”顯示子區和“圖表”顯示子區。

系統的分析操作基本流程為：在工具欄中，單擊【數據分析】按鈕→在“維度和度量”選定區中，選定維度和度量→單擊【執行】按鈕，調用“維度顯示順序設置”界面，確定多維數據表的維度顯示順序→單擊【返回】按鈕，系統將在“分析結果”顯示區中展示分析結果，如圖3所示。

在“分析結果”顯示區中，用戶可以在現有的分析結果基礎上，進一步地獲取分析結果。例如，在多維數據表中，雙擊級別值的前面“-”（或“+”）標識符，進行上卷（或下鉆）操作。另外，在“維度”按鈕子區中，本系統提供“手動拖放”式的添加/刪除維的功能，實現上卷和下鉆操作。例如，在圖3所示的上方“維度”按鈕子區中，若在【性別維】的添加按鈕上按下鼠標，將向上的箭頭圖標移動到多維數據表中某個維后方，圖標將會變成一個向下的箭頭圖標，抬起鼠標，則所選定的維將被添加到相應位置，且【性別維】按鈕將變為“不可用”狀態。反之，若在多維數據表中的特定維度上，按下鼠標，并將該維度拖至“維度”按鈕子區，則降低多維數據表的維度數，且該維度按鈕將變為“可用”狀態。

圖3 分析操作區Fig.3 Analysis operation area of the system

為提高分析結果的可讀性，本系統提供了結果數據整合功能，即右擊多維數據表，在快捷菜單中選定“整合表”命令，系統將依據多維數據表的結果，進行數據整合，便于用戶查閱分析結果，如圖4所示。

圖4 分析整合表Fig.4 Analysis integration table

針對需要特別關注的分析結果 （如：“學歷=博士 and職稱=正高以下”）情況，選定度量值（如：90.36）單元格，單擊工具欄中的【數據查詢】按鈕，系統將依據維度和級別值組合，自動形成查詢條件，從“評價事務處理系統”的后臺數據庫中，獲取細節數據，供用戶查閱，進一步地獲取更為重要的信息。

5 結 論

為了快速、便捷地實現教師教學質量分析，提高教學質量評價工作的決策支持能力，本文提出了基于數據集市和OLAP的高校教師教學質量分析解決方案。通過系統體系結構和功能模塊的設計以及多維數據模型的構建，本文利用可視化程序設計語言，實現了高校教師教學質量聯機分析處理系統。本系統不僅能夠為管理層提供有價值的決策支持信息，更為未來的評價數據挖掘提供了低耗、綜合的分析型數據環境。

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[2]閆朝升，張承江，李丹.基于Web的教學質量評價系統的設計與實現[J].計算機工程與設計，2010，31（4）:893-897.YAN Zhao-sheng，ZHANG Cheng-jiang，LI Dan.Design and implementation of teaching quality evaluation system based on web[J].Computer Engineering and Design，2010，31（4）:893-897.

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[7]張承江，閆朝升，馬英.聯機分析處理前臺工具設計技術的研究[J].黑龍江大學自然科學學報，2006，23（3）:409-412.ZHANG Cheng-jiang，YAN Chao-sheng，MA Ying.Research on the technology of designing OLAP tools[J].Journal of Natural Science of Heilongjiang University，2006，23 （3）:409-412.