向陽 郭鑫 陳千 黃震華

摘要：本文在數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘課程的特色和內(nèi)容的研究基礎(chǔ)上，討論了該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性和意義，開發(fā)了教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)踐表明該平臺(tái)能提供在線交互式教學(xué)，有效管理教學(xué)，激發(fā)學(xué)生積極性。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；教學(xué)管理；數(shù)據(jù)倉庫；數(shù)據(jù)挖掘

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1674-9324（2013）09-0253-03

一、引言

21世紀(jì)是國家全面推進(jìn)學(xué)生素質(zhì)培養(yǎng)的時(shí)期，計(jì)算機(jī)專業(yè)課既具有較強(qiáng)的理論性，又具有較深的實(shí)踐性。目前，計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)過程中往往理論教育與實(shí)際脫節(jié)，很多學(xué)生通過了專業(yè)理論課的考試，卻不能將理論付諸于實(shí)踐，學(xué)生對課程知識(shí)并沒有深刻的理解和消化，對課程理論的實(shí)際應(yīng)用沒有感觀上的體驗(yàn)。經(jīng)調(diào)查顯示，60%以上的學(xué)生認(rèn)為在校期間的計(jì)算機(jī)理論課的學(xué)習(xí)對就業(yè)和實(shí)際工作幫助不大，這給學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)理論的積極性帶來了消極的影響，更有很多學(xué)生熱衷于參加社會(huì)上的計(jì)算機(jī)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)，放棄在高校的課程學(xué)習(xí)。因此，在培養(yǎng)學(xué)生的理論創(chuàng)新能力的同時(shí)，提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力，加強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力是計(jì)算機(jī)教學(xué)十分緊迫和必要的任務(wù)。

隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，在短短幾年內(nèi)數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘就已經(jīng)成為IT信息領(lǐng)域廣泛應(yīng)用和熱點(diǎn)研究的領(lǐng)域。該領(lǐng)域主要是研究如何從浩如煙海的海量數(shù)據(jù)中有效地提取并挖掘知識(shí)，對其進(jìn)行自動(dòng)分析和匯總，是計(jì)算機(jī)行業(yè)中最熱門、最有前景的領(lǐng)域之一[1]。數(shù)據(jù)倉庫與數(shù)據(jù)挖掘課程也順應(yīng)計(jì)算機(jī)發(fā)展的需要，進(jìn)入到高校計(jì)算機(jī)教育的專業(yè)課課程列表中。

本論文在深入研究了數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘課程的內(nèi)容和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用B/S（Browser/Server）架構(gòu)，即瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)，開發(fā)了web課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

二、數(shù)據(jù)倉庫與數(shù)據(jù)挖掘?qū)W科教學(xué)現(xiàn)狀

隨著數(shù)據(jù)倉庫與數(shù)據(jù)挖掘課程在各大高校成功試教后，近年來各大高校都為計(jì)算機(jī)專業(yè)都設(shè)立了數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘課程，時(shí)至今日，其課堂理論教學(xué)已經(jīng)比較成熟。然而，絕大多數(shù)學(xué)生在經(jīng)過該課程的學(xué)習(xí)后，普遍反映雖然基本了解了數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘相關(guān)理論知識(shí)，卻缺乏感性認(rèn)識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用能力。這主要是因?yàn)樵撜n程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)較難開展，缺乏一個(gè)符合以下特點(diǎn)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

市場中通用數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘軟件昂貴且難以使用，大量的專業(yè)術(shù)語、專業(yè)業(yè)務(wù)理論、數(shù)學(xué)知識(shí)和挖掘模型讓人無從下手。因此我們需要的僅僅是一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并非大型企業(yè)應(yīng)用軟件，只要學(xué)生能通過它更簡易地完成該課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)即可。

1.可視化、易操作?？梢暬鸵撞僮骺梢蕴岣邔W(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生更直觀的參與到教學(xué)活動(dòng)中來，而不是苦惱于如何使用該平臺(tái)完成實(shí)驗(yàn)。

2.交互性。一個(gè)好的教學(xué)平臺(tái)不僅是一個(gè)可以提供給學(xué)生傳授知識(shí)的平臺(tái)，還應(yīng)該是一個(gè)可以和學(xué)生及老師有交互性的平臺(tái)，并且使學(xué)生和學(xué)生有交互性，老師和學(xué)生有交互性[2]。

3.教學(xué)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。我們需要不僅僅是一個(gè)數(shù)據(jù)倉庫與數(shù)據(jù)挖掘?qū)嶒?yàn)軟件，而是綜合課程教學(xué)和課程實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)。教學(xué)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合、理論與實(shí)踐并重，這才是計(jì)算機(jī)專業(yè)教育的核心。

4.擁有合理和充足的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對于一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來說，數(shù)據(jù)的缺乏將使得實(shí)驗(yàn)無法進(jìn)行。尤其是對于數(shù)據(jù)倉庫與數(shù)據(jù)挖掘這個(gè)特殊的領(lǐng)域，數(shù)據(jù)不僅要足夠的多而且要合理，否則會(huì)嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果和教學(xué)效果。

三、數(shù)據(jù)倉庫與數(shù)據(jù)挖掘?qū)W科教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

為適應(yīng)教育發(fā)展需要，秉承深化教學(xué)改革的方針，改革數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘課程原有的普通教學(xué)模式，啟動(dòng)了“數(shù)據(jù)挖掘課程設(shè)計(jì)平臺(tái)建設(shè)”教學(xué)改革項(xiàng)目。該平臺(tái)依托我校電信學(xué)院985平臺(tái)的優(yōu)良硬件環(huán)境，由遠(yuǎn)程開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)服務(wù)器和終端PC機(jī)組成，其成本低廉、維護(hù)方便、部署容易。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)服務(wù)器直接部署于本校的學(xué)院985實(shí)驗(yàn)基地，具有操作穩(wěn)定性、魯棒性和容錯(cuò)性。通過該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)過程將不受場地限制，只要通過網(wǎng)絡(luò)就可以登錄該平臺(tái)。該平臺(tái)主要框架如圖1所示。

1.用戶管理模塊實(shí)現(xiàn)了對不同用戶的權(quán)限設(shè)置、登錄和注冊等功能，超級管理員可以為普通學(xué)生用戶分配權(quán)限。

2.實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模塊給學(xué)生提供了算法模擬和試驗(yàn)的平臺(tái)，主要分為以下兩個(gè)部分。

（1）數(shù)據(jù)倉庫的維度建模設(shè)計(jì)模塊。雪花模型設(shè)計(jì)案例；星型模型設(shè)計(jì)案例；ETL抽取操作平臺(tái)。

（2）數(shù)據(jù)挖掘算法實(shí)驗(yàn)?zāi)K。數(shù)據(jù)預(yù)處理程序?qū)崿F(xiàn)算法平臺(tái)；Apriori算法實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；ID3算法實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；BP算法實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；K-Mean和K-Medoid算法實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；C4.5算法和決策樹算法實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；KNN算法實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；貝葉斯算法實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

維度建模設(shè)計(jì)平臺(tái)和數(shù)據(jù)挖掘算法實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模塊是該平臺(tái)的核心模塊。

3.實(shí)驗(yàn)課程模塊主要向?qū)W生介紹該實(shí)驗(yàn)課程的相關(guān)內(nèi)容、教學(xué)大綱和教學(xué)任務(wù)，也包含數(shù)據(jù)倉庫環(huán)境的具體安裝和配置視頻演示。

4.作業(yè)提交模塊更是改變了傳統(tǒng)的提交紙質(zhì)作業(yè)的模式，讓學(xué)生將動(dòng)手完成的實(shí)驗(yàn)和相關(guān)作業(yè)通過該平臺(tái)提交，一個(gè)學(xué)生一個(gè)賬戶，避免了作業(yè)抄襲和拷貝。學(xué)生提交的作業(yè)只要運(yùn)行正確，按題目要求編程，不論采用何種語言或者何種算法都是可以的，并沒有唯一性的標(biāo)準(zhǔn)答案。當(dāng)實(shí)驗(yàn)課程考核的時(shí)候，學(xué)生能夠通過作業(yè)提交系統(tǒng)向服務(wù)器提交指定課程內(nèi)容的作業(yè)，供教師在線評閱和打分。

5.教學(xué)資源下載提供給學(xué)生自學(xué)的資料，給感興趣的學(xué)生提供了進(jìn)一步學(xué)習(xí)的捷徑。

6.當(dāng)有學(xué)生對實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和該課程有任何疑問，都可以登錄在線答疑系統(tǒng)，給授課老師留言，這些信息都會(huì)以郵件的形式發(fā)送到授課老師的收件箱，從而實(shí)現(xiàn)即時(shí)的答復(fù)，讓學(xué)生在第一時(shí)間接受老師的指導(dǎo)。當(dāng)有問題重復(fù)出現(xiàn)三次以上，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)識(shí)別，將問題和答復(fù)展示在FAQ中，提供給更多的學(xué)生共享該問題和該問題的解答，避免重復(fù)提問，也給還未遇到該問題的學(xué)生共享和學(xué)習(xí)。在線答疑給學(xué)生和教師提供了交互、交流和學(xué)習(xí)的平臺(tái)。

7.數(shù)據(jù)挖掘?qū)嶒?yàn)平臺(tái)的在線代碼編譯環(huán)境主要采用gcc編譯器，能夠?qū)W(xué)生提交的各種代碼進(jìn)行實(shí)時(shí)編譯，給用戶的感覺就像是在本地執(zhí)行一樣。它能夠支持的在線運(yùn)行編程語言包括java、C和C++等，給學(xué)生提供多樣化的語言實(shí)現(xiàn)方式，體現(xiàn)了非機(jī)械化的計(jì)算機(jī)應(yīng)試?yán)砟睢?/p>

四、數(shù)據(jù)倉庫與數(shù)據(jù)挖掘?qū)W科教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)效果

在數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘課程中使用該教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具有教育的先進(jìn)性和優(yōu)越性。

（一）建設(shè)了數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

1.數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘模型。本平臺(tái)可以培養(yǎng)學(xué)生自己動(dòng)手創(chuàng)建多維星型模型、多維雪花模型、緩慢變化維、ETL模型、數(shù)據(jù)立方體模型及其實(shí)例等，還可以增加學(xué)生對各類重要挖掘算法的特點(diǎn)和應(yīng)用場景的理解，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上體驗(yàn)基于數(shù)據(jù)倉庫的主要數(shù)據(jù)挖掘算法。

2.模型評估。當(dāng)學(xué)生創(chuàng)建完畢自己的數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘模型后，可以通過調(diào)整不同的參數(shù)值和更改數(shù)據(jù)集來檢驗(yàn)算法的輸出結(jié)果，并通過記錄在不同的應(yīng)用場景下的參數(shù)值和結(jié)果值得到最優(yōu)值。

3.優(yōu)化創(chuàng)建模型和算法的性能。學(xué)生通過使用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中的一些經(jīng)典優(yōu)化技術(shù)，如創(chuàng)建位圖索引、哈希索引、S-tree索引等來優(yōu)化模型和算法的性能，并記錄和比較不同優(yōu)化技術(shù)對模型和算法的效率和響應(yīng)時(shí)間的影響。

4.定期對學(xué)生所學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行測試，根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果對平臺(tái)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作功能進(jìn)行改進(jìn)和完善。

（二）部署和實(shí)施了基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘課程遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境

本項(xiàng)目通過構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，不僅給學(xué)生和教師提供這樣一個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，而且還實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的網(wǎng)上開放式管理，改革原有相對封閉的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式為開放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，構(gòu)建了一個(gè)符合實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)需求、虛擬和真實(shí)環(huán)境相結(jié)合、基于Web的多應(yīng)用場景的遠(yuǎn)程開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

（三）基于采樣評估證明了遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可行性和優(yōu)越性

根據(jù)采樣評估結(jié)果，該系統(tǒng)體現(xiàn)了遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的可行性和優(yōu)越性。在該平臺(tái)真正投入使用之前，我們將一批學(xué)生分為兩個(gè)組進(jìn)行數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘課程的學(xué)習(xí)，A組學(xué)生使用現(xiàn)有的課程教學(xué)方法，而B組學(xué)生使用該平臺(tái)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。具體教學(xué)內(nèi)容為多維數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)立方體的概念以及k-means聚類和Apriori關(guān)聯(lián)分析算法。兩組學(xué)生通過不同的教學(xué)方式學(xué)習(xí)后，對他們進(jìn)行了問卷調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖2所示。

從圖2的數(shù)據(jù)結(jié)果可以看到，無論是從學(xué)生興趣程度、作業(yè)完成度還是考試成績的角度對兩組學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評估，使用該數(shù)據(jù)倉庫與數(shù)據(jù)挖掘課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)方式都具有明顯的優(yōu)勢。在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生是主體，用所學(xué)知識(shí)發(fā)揮創(chuàng)造性思維進(jìn)行實(shí)踐。當(dāng)實(shí)驗(yàn)取得結(jié)果時(shí)，不論結(jié)果成功與否，都能帶給學(xué)生一定的鼓勵(lì)，從而在某種程度上激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和積極性，真正加速問題解決和理論創(chuàng)新。因此，我們有理由相信該平臺(tái)的使用可以極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

五、結(jié)論

在計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)中，如何提高學(xué)生的實(shí)踐能力和獨(dú)立解決問題的能力是當(dāng)前高等教育發(fā)展的新形勢下所面臨的主要問題。本文首先介紹了基于數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘課程的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體架構(gòu)，展示了該平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，證明了該平臺(tái)可以將課堂學(xué)習(xí)和課后練習(xí)、理論教育與工程實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，為實(shí)施更加行之有效的教學(xué)組織和教學(xué)管理模式提供了可能。只有教育者和學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)課程中實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的重要性，更有效地利用現(xiàn)有的社會(huì)資源和計(jì)算機(jī)技術(shù)為我們的教育服務(wù)，專業(yè)學(xué)科教學(xué)模式和方法才能不斷推陳出新，不斷進(jìn)步和發(fā)展。

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基金項(xiàng)目：同濟(jì)大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革項(xiàng)目專項(xiàng)基金支持（基于校園網(wǎng)的數(shù)據(jù)倉庫與數(shù)據(jù)挖掘課程課外實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)與應(yīng)用）

作者簡介：向陽（1962-），男，重慶人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)闆Q策支持系統(tǒng)、人工智能。