黃方亮，許歡慶，沈同平，金 力，俞 磊

學(xué)習(xí)效果預(yù)警或?qū)W業(yè)預(yù)警是一種對學(xué)生在教學(xué)管理工作中出現(xiàn)的學(xué)習(xí)問題或完成學(xué)業(yè)有困難的情況進(jìn)行早期干預(yù)和警示的制度［1］，旨在及時(shí)向?qū)W生及其家長通報(bào)學(xué)生學(xué)習(xí)存在的問題及其可能引起的嚴(yán)重后果，并采取恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)救措施，以達(dá)到幫助學(xué)生順利完成學(xué)業(yè)的目的.預(yù)警對象涵蓋學(xué)習(xí)成績明顯下降、學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確、存在違規(guī)違紀(jì)現(xiàn)象、不及格課程數(shù)量臨近臨界點(diǎn)等嚴(yán)重影響學(xué)業(yè)進(jìn)度的學(xué)生.近年來已有學(xué)者針對學(xué)業(yè)預(yù)警問題進(jìn)行了基于數(shù)據(jù)挖掘方面的相關(guān)研究，如王凱成［2］在學(xué)生的績點(diǎn)預(yù)測方面通過比較四種數(shù)據(jù)挖掘算法，從學(xué)生的平時(shí)表現(xiàn)預(yù)測其畢業(yè)時(shí)的平均績點(diǎn).陳衡［3］將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用到學(xué)生的學(xué)業(yè)預(yù)警中，設(shè)計(jì)了三種預(yù)警模型，探索學(xué)業(yè)預(yù)警方法的有效性和實(shí)用性.宮鋒［4］挖掘了學(xué)生的學(xué)籍信息和日常表現(xiàn)數(shù)據(jù)，分析了影響學(xué)業(yè)預(yù)警的因素，建立了學(xué)業(yè)預(yù)警的決策樹，為學(xué)生的管理和教學(xué)管理提供了決策支持.朱東星等［5］運(yùn)用Apriori算法探索了學(xué)生的畢業(yè)與否和其各科成績之間的內(nèi)在聯(lián)系，為教育管理提供了一種新的思路.ASIF R 等［6］同樣利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)研究學(xué)生在校期間的表現(xiàn)情況，以便預(yù)測本科學(xué)業(yè)結(jié)束時(shí)的成績，從而及時(shí)為學(xué)生發(fā)出學(xué)業(yè)預(yù)警信息.這些研究大多聚焦于理論層面，技術(shù)層面的實(shí)操性有待進(jìn)一步考證和推廣.

筆者在十多年的教學(xué)及管理工作中調(diào)查過多所高校學(xué)業(yè)預(yù)警機(jī)制貫徹情況，發(fā)現(xiàn)大多學(xué)校沒有完整的科學(xué)管理體系，導(dǎo)致學(xué)業(yè)預(yù)警工作時(shí)間跨度長、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)冗余大、溝通滯后嚴(yán)重等問題出現(xiàn).因此，制定一套科學(xué)化的學(xué)業(yè)預(yù)警機(jī)制、開發(fā)一套智能化的學(xué)業(yè)預(yù)警管理系統(tǒng)，對于提高學(xué)業(yè)預(yù)警效率具有重要的意義.

本文從軟件設(shè)計(jì)角度設(shè)計(jì)一款結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘理論，將傳統(tǒng)的事后處理管理轉(zhuǎn)變?yōu)槭虑邦A(yù)防管理的智能學(xué)習(xí)效果預(yù)警系統(tǒng)，該平臺能夠打破信息“孤島”，將學(xué)生管理部門（如學(xué)生處）與教務(wù)管理部門（如教務(wù)處）數(shù)據(jù)整合，有效地避免了數(shù)據(jù)冗余、數(shù)據(jù)不一致帶來的信息不對稱問題，為高校學(xué)生管理提供決策支持.

1 總體功能設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能布局

系統(tǒng)展示端融合了HTML5、JSP、JQuery 等技術(shù)實(shí)現(xiàn)，服務(wù)端采用經(jīng)典的MVC 設(shè)計(jì)模式并結(jié)合Shiro 安全框架實(shí)現(xiàn)，分為登錄模塊、管理員模塊、教師模塊、學(xué)生模塊，用戶工作端基于HTML5+JQuery 實(shí)現(xiàn)，具有良好的人機(jī)交互體驗(yàn).系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 智能學(xué)習(xí)效果預(yù)警系統(tǒng)總體功能圖

1.2 基于灰色理論的預(yù)警機(jī)制

該系統(tǒng)的核心功能是預(yù)測未來學(xué)習(xí)效果的趨勢，并以學(xué)生被警告的次數(shù)作為衡量的標(biāo)準(zhǔn).學(xué)生收到的預(yù)警信息越多，則說明系統(tǒng)的預(yù)測性越強(qiáng).

預(yù)測就是從歷史數(shù)據(jù)中挖掘出未來的發(fā)展趨勢，使用較為廣泛的灰色預(yù)測則是通過構(gòu)建灰色模型，加工歷史數(shù)據(jù)，總結(jié)發(fā)展規(guī)律，從而對系統(tǒng)的未來狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)的定性或定量預(yù)估，以便更準(zhǔn)確地處理各種事務(wù)［7］.基于灰色理論的預(yù)警機(jī)制的實(shí)現(xiàn)原理為：

定義1 現(xiàn)有原始數(shù)據(jù)序列為：

其相應(yīng)的預(yù)測模型模擬序列為：

其殘差序列為：

其相對誤差序列為：

則：

（1）對于k≤n，稱Δk=為k點(diǎn)的相對模擬誤差，稱為平均相對誤差.

（3）給定α，當(dāng)1-且Δn<α成立時(shí)，稱模型為殘差合格模型.

定義2 設(shè)X0為原始序列，為其相應(yīng)的模擬序列，ε為X0與的絕對關(guān)聯(lián)度，若對于給定的ε0> 0，有ε>ε0，則稱模型為關(guān)聯(lián)度合格模型.

定義3 設(shè)X0為原始序列，為其相應(yīng)的模擬序列，ε0為X0與的殘差序列，則

分別為X0的均值、方差；

分別為殘差的均值、方差；

（I）C=S2/S1稱為均方差比值，對于給定的C0> 0，當(dāng)C

（II）p=p(|ε(k)-|< 0.674 5S1)稱為小誤差概率，對于給定的p0> 0，當(dāng)p>p0時(shí)，稱模型為小誤差概率合格模型.

GM（1，1）作為典型的數(shù)列預(yù)測模型，其主要目的是預(yù)測系統(tǒng)變量的未來行為［8］.實(shí)際操作中也可采用其他灰色模型，主要思路是基于定性分析定義合適的算子，對經(jīng)過算子處理后的序列建立GM 模型，模型一旦通過精度檢驗(yàn)，便可用于預(yù)測.

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 登錄模塊

本系統(tǒng)面向高校教師和學(xué)生，未設(shè)置注冊選項(xiàng)，設(shè)計(jì)思想是所有用戶的賬號由管理員抓取學(xué)校數(shù)字校園數(shù)據(jù)庫中師生信息，用戶無法自行注冊創(chuàng)建賬戶.

2.2 管理員操作模塊

管理員可以對課程、教師、學(xué)生等信息進(jìn)行管理，為防止學(xué)生的學(xué)分被篡改，教師端提交學(xué)生成績后便不可更改，只有管理員才有修改學(xué)生成績權(quán)限.本模塊界面如圖2所示.

圖2 管理員模塊操作界面

2.3 教師操作模塊

教師登錄成功后，可以通過點(diǎn)擊左側(cè)的導(dǎo)航欄選擇進(jìn)入不同的功能界面，左側(cè)導(dǎo)航欄中有學(xué)生管理功能、學(xué)分可視化查詢功能、修改本賬號密碼功能和退出系統(tǒng)功能.教師錄入學(xué)生成績信息后便不可更改.本模塊界面如圖3所示.

圖3 教師模塊操作界面

教師點(diǎn)擊左側(cè)“學(xué)分可視化查詢”按鈕，進(jìn)入學(xué)分可視化查詢界面，本功能默認(rèn)顯示2020 學(xué)年學(xué)生的學(xué)分，教師可通過在學(xué)分可視化查詢界面中的搜索欄中輸入年份查詢相應(yīng)學(xué)年的學(xué)生學(xué)分.圖中橫坐標(biāo)表示學(xué)生的姓名，縱坐標(biāo)表示學(xué)生獲得的學(xué)分，圖4所示為2020 學(xué)年所有學(xué)生獲得的學(xué)分情況.

圖4 教師按學(xué)年查詢學(xué)分

2.4 學(xué)生操作模塊

學(xué)生登錄成功后，可以通過點(diǎn)擊左側(cè)的導(dǎo)航欄來選擇進(jìn)入不同的功能界面，左側(cè)導(dǎo)航欄中有推薦課程、學(xué)分可視化比較、學(xué)業(yè)預(yù)警、修改密碼等功能.本模塊界面如圖5所示.

圖5 學(xué)生模塊操作界面

當(dāng)學(xué)生登進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)會根據(jù)數(shù)據(jù)庫中該學(xué)生的成績信息分析當(dāng)前學(xué)生是否需要學(xué)業(yè)預(yù)警，如果存在預(yù)警則會以彈出窗口的形式進(jìn)行提醒，并告知當(dāng)前學(xué)業(yè)預(yù)警的等級，如圖6所示.

圖6 學(xué)業(yè)預(yù)警等級彈窗圖

該系統(tǒng)設(shè)置了三級預(yù)警機(jī)制［9］，即紅色預(yù)警表示當(dāng)前學(xué)生學(xué)業(yè)情況很不樂觀，面臨無法正常畢業(yè)的嚴(yán)重局面，需立即整改；橙色預(yù)警表示當(dāng)前學(xué)生學(xué)業(yè)情況存在較嚴(yán)重問題，如果不改進(jìn)很可能進(jìn)一步嚴(yán)重以至于無法正常畢業(yè)；黃色預(yù)警表示當(dāng)前學(xué)生學(xué)業(yè)情況存在風(fēng)險(xiǎn)，需要立即整改，認(rèn)真學(xué)習(xí)提升，方能化險(xiǎn)為夷，否則會面臨進(jìn)一步惡化的風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)警登記提示頁面如圖7所示.

圖7 學(xué)業(yè)預(yù)警等級示意圖

3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用Mysql 輕量級數(shù)據(jù)庫，該產(chǎn)品具有數(shù)據(jù)交換安全可靠，并發(fā)控制高效、可擴(kuò)展能力強(qiáng)等優(yōu)勢.為減少數(shù)據(jù)冗余，預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)了teacher、student、college、course、userlogin、role 六張數(shù)據(jù)表.各相應(yīng)字段設(shè)置見表1～表6.

教師數(shù)據(jù)表用于存儲本系統(tǒng)教師的信息，包含教師工號、姓名、性別、生日、學(xué)歷、職稱、入職時(shí)間、院系編號，如表1所示.

表1 教師表（teacher）

學(xué)生數(shù)據(jù)表用于存儲學(xué)生基本信息，包括學(xué)號、姓名、性別、出生日期、入學(xué)年份、院系代碼、學(xué)分.如表2所示.

課程數(shù)據(jù)表主要用于存儲課程信息，主要包含課程編號、課程名稱、授課教師工號、上課時(shí)間、上課地點(diǎn)、學(xué)時(shí)、課程類型、院系編號、課程學(xué)分.如表3所示.

表3 課程表（course）

院系表用于存儲學(xué)生及教師所屬院系的信息，主要包含院系ID、院系名.如表4所示.

表4 院系表（college）

角色表用于存儲用戶的角色信息，主要包含角色I(xiàn)D、角色名稱、權(quán)限.如表5所示.

表5 角色表（role）

用戶登錄數(shù)據(jù)表主要用于存儲可登錄用戶的用戶信息，主要包含用戶編號、用戶名、密碼、權(quán)限，role 字段主要用于區(qū)分用戶類型，0 表示管理員，1 表示教師，2 表示學(xué)生.如表6所示.

表6 用戶登錄表（userlogin）

為最大限度減少冗余數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，提高數(shù)據(jù)讀取效率，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫表時(shí)，要充分發(fā)掘表間彼此依賴關(guān)系.本系統(tǒng)各數(shù)據(jù)表間依賴關(guān)系如圖8所示，實(shí)際開發(fā)中同步設(shè)置了相應(yīng)字段的參照完整性約束，具體如下：

圖8 數(shù)據(jù)庫中表間關(guān)系

（1）一個(gè)學(xué)院可以開設(shè)多門課程，當(dāng)某一學(xué)院被刪除后，該學(xué)院下開設(shè)的所有課程也自動刪除.一個(gè)學(xué)院可以有多名學(xué)生，當(dāng)某一學(xué)院被刪除后，該學(xué)院下所屬的所有學(xué)生信息也自動刪除.

（2）每一個(gè)角色中可以有多個(gè)與之對應(yīng)的用戶，但一個(gè)用戶只能對應(yīng)一個(gè)角色.

4 結(jié)語

本文在傳統(tǒng)以學(xué)風(fēng)建設(shè)為抓手的基礎(chǔ)上，引入了以學(xué)業(yè)預(yù)警為理論依據(jù)的管理模式，運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)建模與實(shí)驗(yàn).同時(shí)厘清了學(xué)生成績、心理健康、遵紀(jì)守法等觸發(fā)預(yù)警機(jī)制的影響因素，并以學(xué)生成績?yōu)橥黄瓶诮⒘酥悄芑瘜W(xué)習(xí)效果預(yù)警平臺.該系統(tǒng)從大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)挖掘角度，引入灰色理論，使學(xué)習(xí)效果預(yù)警平臺具有“預(yù)測性”，更顯“智能”，變“事后懲罰”為“事先預(yù)告”，體現(xiàn)以人為本、教書育人的宗旨，也與中醫(yī)“治未病”理念契合.通過該系統(tǒng)的實(shí)施和應(yīng)用，能夠提高教務(wù)和學(xué)生管理工作者的工作效率.