基于數據庫的數據挖掘實驗平臺設計與實現

李夢雪，宋 艷，2*

（1.上海外國語大學 人工智能數據工程中心，上海 201620；2.上海外國語大學 國際工商管理學院，上海 201620）

近年來，隨著人工智能、大數據、云存儲等相關技術的蓬勃發展，各個領域都產生海量的數據，如社交網絡數據、金融統計數據及企業工商數據等。然而，海量數據中往往蘊藏著具有寶貴價值的信息，可以為輿情分析、商業決策及預警監控等給予重要且有效的數據支持和決策參考。在此環境下，數據挖掘作為最常用的數據分析手段在各個領域中得到了廣泛的應用[1]，同時其也是一門實踐性、應用性極強的交叉學科。許多學者認為，數據挖掘課程的教學過程中需要借助網絡資源以及信息技術方式，而實踐教學是不可或缺的一部分[2-4]；同時，還存在課程內容難，學生學習興趣不高以及實驗模式單一的問題[5]。在線實驗教學作為一種全新的開放式實驗教學模式，可以很好地彌補傳統實驗室在經費、場地、設備及開放性等方面的限制[6]。對比傳統教學模式，線上實驗平臺的建立可以填充課程實踐教學的空白，極大地便利師生間交流，提高效率。同時，教師引導式學習，有助于激發學生學習興趣，促進學生主動學習、自主學習，還可根據學生對課程知識點的理解程度定制實驗，滿足個性化發展需要，實現因材施教。本文設計的數據挖掘在線實驗平臺，在瀏覽器輸入網址登錄后即可使用，可以實現學生自主實驗、完成課程任務、提交報告及共享交流等功能，滿足教師管理學生、課程實驗資源以及報告評閱等需求。

1 需求分析

該平臺的設計目標是搭建一個操作方便、響應友好以及擁有可視化展示的實驗平臺。課程實驗平臺的主要使用用戶是教授課程的老師和學習課程的學生。所以，將平臺的用戶角色劃分為教師和學生。平臺是基于瀏覽器/客戶端模式，考慮到用戶賬號信息安全，需要在用戶登錄時進行登錄認證，對角色進行權限控制。

從學生角度來看，基本需求應包含實驗學習、實驗提問、交流共享、提交報告和歷史記錄等。學生進入系統后，如果教師已經發布實驗任務則可以進入該任務進行學習，在學習過程中遇到問題可以在指定窗口中提問；根據實驗要求編寫代碼并執行，補全實驗報告并提交；還可以使用共享功能，上傳有意義的代碼或數據集到系統。如果教師沒有發布實驗，學生可以選擇自主實驗，根據自身需求進行代碼的編寫及執行。其中，每次代碼執行的結果都會保存在歷史記錄中，可以隨時查看。

從教師的角度來看，基本需求應包含實驗檢索、實驗創建、實驗授權、實驗問答、報告評閱、共享監控及用戶管理。教師登錄系統后的操作主要包含檢索實驗資源，若有滿足課程建設的資源則授權到指定班級，否則新增實驗資源后再授權，只有成功授權給班級，該班學生才能進行實驗學習；回答學生的提問；對已經提交的實驗報告打分；監控學生上傳共享資源的有效性，從而審批是否通過檢驗。只有通過檢驗的資源才會開放給所有學生使用。此外，還有管理個人、班級和學生相關信息的操作，包括修改密碼，添加班級、學生，密碼重置以及賬號的啟用與禁用等。

基于以上需求分析繪制系統功能結構圖，如圖1所示。

圖1 系統功能結構圖

2 數據流圖

數據流圖是一種常用的圖形化建模技術，描繪數據流從輸入移動到輸出的過程中所受的變換[7]。數據流圖涉及數據源/終點、加工、數據存儲及數據流4 種元素，表現形式依次為矩形框、圓角矩形、開口矩形及箭頭。基于以上需求分析，分別繪制用戶登錄、實驗管理、在線實驗、實驗報告填寫、實驗報告評閱、共享數據以及用戶管理的數據流圖并對其進行相應描述。

2.1 用戶登錄

用戶登錄過程中需要請求用戶表進行驗證，只有與用戶表中信息一致的用戶才能驗證成功。成功之后，請求角色權限表，根據用戶角色反饋系統功能界面。系統中的角色為教師和學生。該功能對應數據流圖如圖2 所示。

圖2 用戶登錄數據流圖

2.2 實驗管理

教師請求系統實驗資源或者根據課程要求新增實驗，將實驗授權給指定班級，只有獲得授權的班級學生才可以進行相應實驗的學習。其中，授權記錄會存儲在班級授權表中，若新增實驗，其明細會存儲在實驗明細表中，實驗涉及的非結構化數據保存在系統指定位置。該功能對應數據流圖如圖3 所示。

圖3 實驗管理數據流圖

2.3 在線實驗

學生在實驗模塊中可以看到教師發布的所有實驗列表，選擇相應實驗進行代碼學習，可以查看實驗目的、任務，學習示例代碼，學習結束后開始在線實驗，在線根據實驗任務編寫代碼并運行調試。如果學生實驗列表中沒有找到教師授權的實驗，可以選擇自主實驗進行代碼編寫運行。并且，在實驗過程中，學生可以隨時提問，輸入問題提交后，則反饋到教師界面由教師解答，問答情況存儲在問答表中。其中，所有執行過的代碼以及產生的結果，會以文件的形式保存在系統指定的位置并將其路徑信息存儲在歷史記錄表中，學生也可以隨時查看歷史代碼以及運行結果。該功能對應數據流圖如圖4 所示。

圖4 在線實驗數據流圖

2.4 實驗報告填寫

學生確認并下載符合實驗要求的代碼及其產生的結果，在我的考核模塊中，選擇實驗任務并補充實驗過程、實驗心得、實驗輸出以及代碼和結果附件，預覽實驗報告，確認無誤后提交。注意，報告一經提交就不能修改，只有在未提交之前可以進行修改，每次修改的記錄都會保存在實驗報告表中。該功能對應數據流圖如圖5 所示。

圖5 實驗報告填寫數據流圖

2.5 實驗報告評閱

教師請求查看學生實驗報告提交情況，系統查詢實驗報告表，將結果反饋到教師界面，教師只能看到已經提交的報告。教師根據學生提交報告情況進行評閱打分，分數會被更新在實驗報告表中。教師完成打分后，學生在我的考核對應實驗模塊請求查看該實驗報告表則會看到分數。該功能對應數據流圖如圖6 所示。

圖6 實驗報告評閱數據流圖

2.6 共享數據

學生將本地磁盤中有學習或使用價值的數據集、代碼上傳到系統中，該文件會被保存在系統非結構化數據的指定位置，相關信息會被存儲在共享記錄表中。教師請求查看共享表，監控學生共享數據的質量，根據監控情況，更新共享數據表，只有表中標識為通過的共享記錄對應文件才能被所有學生使用。學生通過請求共享表查看系統中現有的共享資源，以及自身共享數據的審核情況。該功能對應數據流圖如圖7 所示。

圖7 共享數據數據流圖

2.7 用戶管理

用戶向系統請求用戶信息，系統反饋其賬號信息，可以更改密碼，更新用戶表。用戶角色為教師時，可以管理其名下班級中所有學生的賬號信息，實現密碼重置、添加學生、賬號禁啟用等功能。該功能對應數據流圖如圖8 所示。

圖8 用戶管理數據流圖

3 概念模型設計

系統在經歷過需求分析階段后，將進入概念模型設計階段。該階段通過總結、歸納以及抽象用戶需求，產生一個實體-聯系圖，也就是E-R 圖。E-R 圖是一種描述現實世界的概念模型，提供了表示聯系、實體類型和屬性（元素）的方法[8]。平臺的全局E-R 圖，如圖9 所示。矩形框表示實體，菱形框表示實體的聯系，聯系兩端上的數字則表示實體間的聯系，實體間有一對一、一對多、多對多3 種聯系，分別用1∶1、1∶n、n∶m 表示。

圖9 課程實驗平臺全局E-R 圖

4 邏輯結構設計

邏輯結構設計階段，是將E-R 圖轉換為關系模式的過程，關系模式根據實體間的聯系類型，進行相應的合并轉換。依據概念結構設計得到全局E-R 模型，首先進行初始關系模式的設計，然后對關系模式進行規范化處理，最后進行模式的評價和改進[9]。整理后得到關系模式如下所示。

1）用戶（用戶編號，用戶名，真實姓名，密碼，角色編號，班級編號）

2）角色（角色編號，角色名稱）

3）權限（權限編號，角色編號）

4）功能（功能編號，功能界面）

5）權限對應功能（權限編號，功能編號）

6）實驗明細（實驗編號，教師編號，實驗名稱，實驗目標，實驗任務，示例代碼，創建時間）

7）班級（班級編號，教師編號，班級名稱）

8）班級實驗權限（班級實驗編號，班級編號，實驗編號）

9）實驗報告（實驗報告編號，實驗編號，學生編號，實驗過程，實驗結果，心得體會，結果附件，實驗代碼，報告評分，首次創建時間，提交時間，修改次數）

10）問答記錄（問答編號，學生編號，問題描述，回答情況，提問時間，回答時間）

11）共享記錄（共享編號，學生編號，共享描述，審批情況，共享文件，文件類型，下載次數，共享時間）

12）歷史記錄（歷史編號，學生編號，實驗編號，歷史代碼，歷史結果，創建時間）

13）問答情況（問答編號，教師編號，班級編號）

14）共享監控（共享編號，教師編號，班級編號）

15）審閱實驗報告（實驗報告編號，教師編號，班級編號）

5 數據表設計

基于以上關系模式和系統需求，設計數據庫管理系統中數據表，分別為用戶表、角色表、功能表、角色權限對照表、實驗明細表、實驗報告表、班級表、班級實驗對照表、問答記錄表、共享記錄表以及歷史記錄表，共11 張表。數據表遵循數據庫命名規范，數據庫表基本情況見表1，包含表字段數、對應主鍵以及外鍵。

表1 數據庫表基本情況

6 系統實現

B/S 架構（Browser/Server，即瀏覽器/服務器架構），以TCP/IP 協議為基礎，是一種符合網絡化、信息化發展的設計架構[10]。系統使用Idea 作為開發工具，基于B/S 架構實現，利用http 請求服務器，使得用戶只需要通過瀏覽器訪問網址，即可反饋登錄入口，通過登錄驗證后，服務器根據用戶提交的請求執行相應的功能并將結果反饋到用戶的前端界面中。

平臺主要劃分為實驗模塊、共享模塊、實驗問答和考核模塊4 部分，根據登錄系統的用戶角色顯示其相應功能。平臺登錄界面如圖10（a）所示。學生登錄后功能欄目如圖10（b）所示，可查看實驗室規則，在實驗模塊欄目中完成實驗任務以及進行自主實驗；在共享模塊中，可上傳或查看共享資源以及共享記錄的審核情況，實驗問答中再次提問以及查看問答情況；在我的考核欄目中提交實驗報告以及查看打分情況，在歷史代碼中查看或下載執行過的代碼和結果。教師登錄后功能欄目如圖10（c）所示，在實驗模塊欄目中檢索實驗、創建實驗、上傳實驗資源以及授權實驗；在上傳監控欄目中檢驗學生共享資源的有效性；在實驗答疑模塊中回答學生提問；在作業評閱模塊中給學生實驗報告打分，統計學生報告提交以及審批情況；在學生管理欄目中新增班級，管理學生賬號。

圖10 數據挖掘課程實驗平臺界面

7 結束語

隨著社會迭代，新形勢下的高校教育工作更應緊跟時代發展，通過將現代科技與教育教學相結合，可以為學生提供更加優質的學習資源與渠道，激發學生學習主動性，提高教學質量。本文借助Idea 開發工具，遵循B/S 架構，使用了LayUI、jQuery、Spring boot 等多種技術開發了數據挖掘在線實驗平臺。系統實現基于教師和學生兩大需求用戶，使學生在利用該平臺時不用額外配置開發環境即可完成在線編碼實驗，同時可在線與同學或教師實時交流以及提交實驗報告，并讓教師可以專心于實驗課程的設計和引導學生學習，在線即可完成實驗的創建發布、實驗報告審閱及實驗資源和學生管理。數據挖掘在線實驗平臺的開發為師生提供一個在線實驗與交流的學習平臺，不受時間與空間的限制，為學生主動學習營造了良好環境，同時也為教師教學工作提供助力。