实验教学数据管理与分析系统的设计与实现

实验教学数据管理与分析系统的设计与实现

目前，通过信息技术手段对实验教学相关数据进行管理的模式已经广泛使用，并在一定程度上取得了良好的效果，规范了管理方法，提高了管理效率。通过调查分析,现有高校使用的实验教学网络化管理平台普遍存在如下2点问题:(1)功能单一不全面。现有的实验教学网络化管理平台功能单一且没有细化,大部分以实验室管理功能为主,如对实验室软硬件资源的管理,以及对实验教学人员的管理和实验课程的管理等,在实验教学过程的管理方面支持较弱;(2)缺乏实验教学数据分析功能。现有的实验教学网络化管理平台几乎没有实验教学数据分析功能,有的只是一些简单的数据统计报表。在如何构建数据分析模型,对积累的实验教学数据进行深层次分析,从而获取有用的信息指导实验教学的开展方面考虑很少。基于以上的背景,本文提出了一种新型实验教学数据管理与分析系统的设计方案,并重点阐述了实现方法以及在实验教学相关数据统计与分析方面的典型应用。1系统规划1.1基于b/s的系统总体架构首先实验教学数据管理与分析系统涉及到多类用户,如学生、实验教师、实验室管理员、实验教学业务管理员、数据统计与分析员以及实验教学主管领导等,每类用户都具备不同的操作权限,所以对每类用户的业务工作需求都进行了充分调研并设计出了相应的需求模型;其次该系统也充分考虑到了在开放式实验教学的环境下,实验教学的灵活性所带来的实验教学管理上的难度,系统也增加了相应的辅助支持功能,如实验预约管理、实验过程监控等,并支持多种数据采集录入接口,如刷卡机输入、视频监控文件以及Excel格式数据文件导入等。最后在系统的架构上,考虑到该系统用户数量众多,系统应能够保证即时的响应和良好的维护性,所以采用了基于B/S的架构并在软件系统的逻辑架构上采用了分层设计的思想。该系统的体系结构如图1所示。1.2实验室信息管理在需求分析的基础上,针对系统的各类用户分别设计了相应功能,其中学生用户使用功能包括:实验预约、实验登记、实验预习、实验资料下载、实验报告提交、网络互动、实验成绩查询等;实验教师用户使用功能包括:实验项目设置、实验资料管理、实验教学情况管理、网上答疑、实验报告评分、实验成绩统计等功能;实验室管理员包括:实验室基本信息管理、实验室设备信息管理等;实验教学业务管理员使用功能包括:实验课程信息管理、实验教师信息管理以及学生信息管理等功能;数据统计与分析员包括数据统计报表、数据分析等;实验教学主管领导包括:数据统计与分析结果查看等。1.3基于数据挖掘的实验设计技术随着系统的运行,实践教学相关业务数据也将不断积累,如何在有效管理的基础上利用积累的数据做深层次的数据分析,从而为实践教学管理与决策提供帮助是该系统的特色。为此该系统综合应用了如下智能数据分析技术:(1)多维数据分析技术。在构建相应的多维数据分析模型基础上,设计实现了实验教学分析数据立方体,可以实现从对数据进行上钻(rollup)、下钻(drilldown)、切片(slice)、切块(dice)以及旋转(pivot)等操作,从而灵活实现对实践教学数据的各层次的汇总统计分析。(2)数据挖掘技术。数据挖掘是从大量的数据中提取隐含的、潜在有用的信息和知识的过程。它能够发现多维分析处理过程所不能发现的更为复杂的更有洞察力的信息。从功能上可将数据挖掘的方法主要划分为关联分析、分类分析、聚类分析以及序列模式分析等。目前使用多维数据分析以及数据挖掘技术进行数据挖掘已在众多行业广泛应用,同样也可应用于实验教学领域,如在该系统中对实验课程成绩之间的关联性以及同一课程实验项目成绩之间的关联性进行了关联分析,并得到了有价值的决策信息。基于以上多维数据分析以及数据挖掘技术的特点以及作用,在数据分析功能的实现上选择了SQLServer2008所提供的商业智能工具进行设计开发,主要应用到了IntegrationServices以及AnalysisServices等工具。其中IntegrationServices工具用于设计数据抽取程序抽取实验教学数据管理系统的明细数据,形成相对综合的数据,在此基础上应用AnalysisServices工具设计数据分析模型进行多维数据分析以及数据挖掘。相关处理流程如图2所示。2典型的数据优化和分析功能2.1设计模式的构建实验教学数据管理与分析系统采用.NETWeb系统开发相关技术进行实现,主要应用了ADO.NET数据库编程技术,系统各功能模块都基于MVC设计模式进行构建,从而提高了系统的可维护性。实验室基本信息管理主要涉及对实验室基本信息的增加、修改、删除、查询等基本管理功能,涉及的信息有:实验室编号(LabID)、实验室名称(LabName)、实验室类型(LabType)、实验室地点(LabAddress)以及实验室容纳人数(LabCapacity)等。该模块具备的实体功能都由C#语言类Labinfo,Labinfo_operation负责实现,类结构如图3所示。2.2实验室信息维表设计对实验室开课情况的统计是实验教学管理的任务之一,目的是了解各学年各实验室开课数目以及课时总数,借此发现空闲率高或承担实验教学任务过重的实验室,并以此为依据在将来的实验教学课程任务分配中,做到更加科学合理,从整体上提高实验室资源的利用率,同时通过实验室总体利用状况变化趋势数据亦可为是否需要进行实验室扩充提供依据。为此选取了实验室信息维表、实验课程信息维表、上课班级信息维表、学年学期时间维表以及实验室开课事实表构成星型结构的数据分析模型(见图4),并设计了能进行多维数据分析的透视表以及透视图(见图5、图6),可以方便灵活地分析查看数据。图5、图6可以比较直观地观察实验室各学年、学期开课情况的变化趋势,同时通过透视表、透视图提供的上钻、下钻以及旋转操作可以从多个角度进行数据观察以及对比,从而可以更加全面、深入地了解实验室的开课情况。2.3结果采集与分析实验教学学生出勤率是衡量实验教学质量的指标之一,通过分析出勤率可以了解到某学院、某专业以及某课程的实验教学状况。借助实验室教学管理与分析系统的考勤登记功能可以采集参加实验的学生出勤信息,同时设计了相应的多维分析模型以及透视图(见图7)。通过如图7所示的实验教学学生出勤率透视图,可以进一步钻取了解、分析出勤率低的实验课程,从而可以更方便、快速、全面地统计与分析参加实验的学生出勤率并能辅助实验教学管理人员更好地监督实验教学的开展。2.4实验课程与案例的比较随着实验教学数据管理与分析系统的投入运行,积累了大量学生的实验课成绩记录,其中包括每一门实验课的成绩以及具体实验项目的成绩。运用AnalysisServices提供的关联规则挖掘模型对这些数据进行关联分析,能发现其中蕴藏的有价值的规则(见图8)。比如,图8中提取的“C语言:优”;“数据结构:优→算法设计:优”规则具有较高的概率,表明C语言、数据结构实验课程是算法设计实验课程的先修课程,学生要提高算法设计实验课程的成绩须切实提高C语言以及数据结构等两门课程的实验能力,同时指导算法设计实验课程的教师可以根据学生C语言以及数据结构两门实验课程的历史成绩,对学生进行整体成绩预测,从而可以更好地了解学生的学习基础情况,为开展更具针对性的实验教学提供帮助。另外,实验教学数据管理与分析系统根据采集的数据还可以对具体某一门课程的实验项目成绩之间的关联性进行分析,也发现了一些有价值的规则,如对数据库原理及应用实验课程的实验项目进行关联分析,发现SQL语言基础实验项目的成绩对后续实验项目的成绩有比较明显的影响,这对确定、验证具体课程的基础核心实验项目以及提醒实验教师重视基础实验项目的教学有着积极的意义。3教学为根本、优化,促进实验教学管理工作网络化通过设计与开发新型实验教学数据管理与分析系统,对