基于JZEE和数据挖掘的网络教学监控系统的研究与应用.docx

西南交通大学硕士研究生学位论文第2页络教学监控整个过程如下:对学生网络学习全过程进行学习数据采集，以专业培养目标和课程教学目的为依据设定评价模式，对学生的学习活动进行评价，通过评价结果反馈，调节和引导学生端正学习态度、调整学习策略，从而达到预期的学习目标。同时，通过监控与调节，使学生形成一种良好的自主性学习、合作性学习、探究性学习的现代学习习惯和能力，更好地适应终身化学习社会发展的需要。由此可见，网络教学中的监控机制对于促进网络教学这种新型的教育方式的普及和发展具有重要的意义。.2当前网络教学监控系统的现状网络教育在国外发展较早，在英、美等发达国家得到迅速发展，目前已有数十个网络教学平台得以应用(如:atutor、claroline、il工as、moodle等)l。与中国学生不同的是，西方发达国家的学习者具有较高的学习自主性和独立性，教师对学习者的学习内容干预较少，现有教学平台多侧重于教学效果的评估，对于网络教学的监控不是其重点，因此国外教学平台直接进行监控的内容较少。对于国内的网络教学平台，绝大部分网络学习平台已具备较为完善的学习模块和教学管理模块，但是大部分网络学习平台没有学习监控模块。有少数网络学习平台有简单的学习监控和反馈，但也缺乏相关数据分析和挖掘，无法为教学提供更好的反馈，无法帮助教务管理人员和教师调整教学策略，无法达到更好的教学效果。随着网络教育在国内的迅猛发展，网络教学监控已经引起国内学者的广泛重视和研究，特别自2002年以来，其研究明显升温。南京师范大学的曹梅5从评价思想的发展、计算机在学习评价中的功能拓展、网络学习的特征及其评价要求等方面探讨了网络学习评价的走向，在此基础上建立起网络学习评价的基本理论框架。提出一套面向过程的网络学习评价的技术方案，体现了关于网络学习评价和监控的思想。华南师范大学的李伟国6在成人教育管理学思想和远程教育理论的指导下，分别从内部质量监控体系和外部质量监控体系两个方面来探讨质量监控体系如何建立的问题。在实践中，己有一些研究者开发出来一些网络教学监控的程序或模块，并取得良好的效果。如西南大学的姚贞4利用电子学档对网络学习过程进行监控，陕西师范大学的陈云虹使用asp十数据库构建了基于web的网络课程监控体系，东北师范大学的宋亮【7则对计算机应用基础的网络课程进行了学习监控。总的来说，在网络教学监控方面已有不少研究成果，但还存在以下不足:(1)在宏观理论框架、监控机制方面己有较多成果，但微观的、具体的监控模块的实现尚不多见。己有的监控模块侧重于网络教学监控框架的实现，仅在小规模局域网内测试，其编程框架无法满足基于广域网的大型网络教育平台的需要。且大多数高校的网络学院直接采用现成的商用网络教育平台，无法进行深入的二次开发。对于大型网络教育平台的学习监控系统的研发函待开展。西南交通大学硕士研究生学位论文第3页(2)己有的网络学习监控模块缺乏数据挖掘功能，仅能对数据库中的数据进行简单的统计和查询，无法进一步分析学生的网络学习数据，得到有用的网络学习规律，以便进一步指导和改进网络教学。3本文的研究内容针对已有网络教学监控系统的不足和实际的网络教学应用，本文依托西南交通大学网络教育学院自主研发的远程教育平台，基于先进的jzee框架，开发了网络教学监控系统，并在该监控系统中采用了数据挖掘技术，实现了对学生网络学习数据的智能分析。本文的研究工作包括以下两个部分:(1)基于jzee架构，采用s七ruts十hibernate+spring轻量级框架，实现和设计了对西南交通大学网络教育学院远程教育平台的登陆、网上课件、在线作业、在线答疑、学习资料下载和毕业设计等多个教学模块的监控，记录学生的学习轨迹，根据预先设定的评价规则评判或教师人工评判，将结果实时通过多种形式(如表格、统计和短信通知等)反馈给学生、教师和各级管理员。(2)采用决策树 (decisiontree)挖掘模型，实现对网络教学监控数据的数据挖掘。结合学生的基本信息、课程学习监控数据、期末考试数据和统考数据，对学生进行分类和预测，发现有价值的学习规律，提供给教师和教学管理员，改进网络教学水平。西南交通大学硕士研究生学位论文第4页第2章相关技术概述 2.1jzee理论研究与框架选择2.1.1.j2ee概述jzee是一种利用javaz平台来简化企业解决方案的开发、部署和管理相关的复杂问题的体系结构。jzee技术的基础就是核心java平台或javaz平台的标准版。jzee本身是一个标准，而不是一个现成的产品，它由jzee规范、jzee参考实现、jzee实施指南等等组成。jzee是当今软件开发框架的两大主流之一(另一个是.net)。用jzee开发应用软件，特别是web项目，己经比较广泛。目前大多数企业采用jzee技术的架构设计与解决方案。jzee架构提供中间层集成框架用来满足无需太多费用而又需要高可用性、高可靠性以及可扩展性的应用需求。标准的数据库、开放的接口可以很好地与其他系统进行交互，也很容易可以在上面增加各种功能，具有很强的灵活性，并且可以跨平台运行。通过提供统一的开发平台，jzee降低了开发多层应用的费用和复杂性，同时提供对现有应用程序集成强有力支持，增强了安全机制，提高了性能。2.1.2.jzee中的mvc架构mvc英文即mode卜view一controller，即把一个应用的输入、处理、输出流程按照modelview、controller的方式进行分离，这样一个应用被分成三个层模型层、视图层、控制层。ts三个层分别具有如下功能:1.模型层(model):模型层是整个程序的一业务逻辑代码，是程序设计的核心。模型层处理控制层提供的数据。同时，模型层还为视图层提供显示。在jzee中，模型层通常用服务端的javabean或者ejb实现。2.视图层(view):视图层主要指与用户交互的界面。视图接收用户的输入，但它并不包括任何实际的业务处理，它只是将数据转交给控制层。同时，视图还负责展现模型层传递给用户的数据，当后台模型层更新数据时，视图也随之更新它的显示。在jzee中，视图层通常用html、jsp等实现。3一控制层(controlle幼:控制器是中间层，它负责接收视图层传来的用户的请求和数据，接着它会做出判断将请求和数据分发模型层中的业务组建来处理。同时，控制层调用视图来显示模型层返回的数据。在jzee中，视图层通常用servlet实现。第1章绪论研究意义信息和通讯技术正在以惊人的速度改变着人类的生存方式和学习方式，并导致发达国家和地区的高等教育越来越走向网络化、虚拟化、国际化、个性化，一种新型的教育模式一网络教育应运而生。网络教育是现代教育发展的重要途径，也是改变传统教育模式、提高学校教学质量和效率的有效手段。基于互联网技术的网络教学平台能够充分利用现代化的教学手段和多种教学资源，为学生提供良好的自主学习环境，同时支持教师网上备课、授课，学生网上学习、测试，教师和学生课后交流、答疑、批改作业等教学环节。网络教学具有三大优点:i)不受时间、地域限制的教学;2)信息量大，多媒体素材丰富，表现形式多样，可随时动态更新;3)可提供多种学习方式进行教学，。它的出现必将为教育的普及化、终身化、现代化和个性化的发展提供一种崭新的途径。我国的网络教育始于1994年实施的“中国教育科研网示范工程”，目前已经有一定的发展。在高等教育领域，继1998年教育部批准清华大学等4所高等院校开展网络教育试点工作之后，己发展到目前的6s所网络教育学院的试点学校，进行专科和本科学位学历教育和开设研究生课程。在读学生由开始试听时的3000多人扩展到今天的300余万人，实现了远程高等教育的跨越式发展2。2001年1月，西南交通大学经教育部(教高厅20011号文件)正式批准成为开展现代远程教育的试点高校，同年开始招收网络教育学生。西南交通大学网络教育学院依托学校深厚的文化底蕴，整合各优势学科的优秀的教育资源和强大的师资力量，利用先进的现代教育技术，自主研发了招生管理平台、网络学习平台、教务管理平台、毕业设计平台、在线作业平台、实时和非实时答疑平台、短信交流平台和呼叫中心等远程教育平台，建立了较为完善的网络教育教学体系和支持服务体系。网络教学作为一种新的教学方式，与传统课堂教学方式相比，有着巨大的优势，但同时也存在一些不足。这主要表现在:网络教学是以学生为主体的高度自主的学习，老师和学生时空分离，淡化了教师的角色，没有了教师对学生面对面的实时监控或权威辐射，学习的进行完全依赖于学生的学习动机、自主意识和自控力。因此，网络学习要求学生有较强的自我学习能力和自我控制能力。然而，各种统计和调查表明巨3，相对于西方国家的学生，国内网络学院学生表现出诸多不适应网络在线学习的特征，如网上课程浏览不足、学习支持服务使用极少等。这些特征主要表现在缺乏自主性、独立性和自我控制能力。网络环境下在线学习的高速扩张与学生自主性、独立性、自我控制学习能力的缺乏是一对突出的矛盾。为了能够达到设定的教学目的和培养目标，必须在网络教学中引入和加强网络教学监控。教学监控是对学习者的学习活动进行监督、评价、反馈、调节的一系列过程。网卢西南交通大学硕士研究生学位论文第5页2.1.3.struts+hibernate+spring的jzee轻量级框架传统的jzee框架是基于ejb的。ejb的诞生和为之服务的应用领域是大量数据，大量并发访问，要求极高的稳定性，安全性，以及应用分布式数据库，这样它就进入了重量级的范畴，ejb是为了解决复杂问题而设计的，架构复杂且配置多，不利于大量实际web应用。现在，出现了很多不采用ejb的轻量级框架。这些框架中的服务是可配置的，这样就不仅免去了很多不必要的系统开销，而且具有良好的扩展性，能满足系统的发展需求。它们通过轻量级的方式实现ejb传统框架能做的工作。1.struts框架struts是一种经典的mvc模式的表示层框架，提供了对开发mvc系统的底层支持。它让html代码和jsp代码彻底分离，使程序设计人员专注于功能设计与实现。它自带ta以ib标签库，能扩展jsp中常用的标签功能，完成非常复杂的逻辑。这些都能大大的提高开发效率。它采用的主要技术是servlet，jsp和customtaglibraryostruts是针对表示层设计的框架，它对逻辑支持不强，仅提供一个acti。n类，将所有的运算逻辑都在action类中，造成acti。n类复用度低和逻辑混乱。并且acti。nforms使用不便、无法进行单元测试。因此我们需将s七ru七s与其它业务逻辑层框架结合使用，以弥补它在逻辑层方面功能的不足。2hibernate框架9在以往的jsp设计中，我们采用jdbc连接数据库，每次对数据库的操作都要使用复杂的sql语句对数据库进行打开、读写和关闭。通过hibernate，我们可以创建一系列的持久化类，每个类与一张数据库表的属性一一对应。然后，我们通过操作这些持久化类完成对数据库表的各项操作，这样避免了访问数据库时大量代码的出现。同时，hibernate能够透明的提供对象与关系数据库的映射，以统一的接口方式支持多种数据库。3spring框架。spring是一个松藕合的开源框架，它可以提供一站式的解决方案。同时，它也可以是模块化的框架，通过丰富的接口可以与其他层框架进行整合。spring框架最核心概念是控制反转 ioc(inversionofcon七rol)，又名依赖注射(depengdeneyinjecti。n)。通过工oc，程序控制权从应用代码中转出来;组件之间的依赖关系由容器决定。综合以上三种框架的优缺点，我们采用了struts十spring+hibernate轻量级框架1。st二、s用来完成mvc模式的表示层，负责页面的请求与转发。 h1bernate用来完成数据库层的持久化，进行数据库操作的封装。spring是用来完成业务层功能，进行业务流转和管理业务逻辑。表示层struts调用业务层spring完成运算逻辑，业务层spring再调用持久层hibernate完成数据库的读写。各个层次之间是相互独立的，层西南交通大学硕士研究生学位论文第6页与层之间低祸合。ssh框架的优点2:(1)网页上包含很少代码，程序结构清晰，利于维护;(2)完全实现了mvc模式，彻底实现了显示和逻辑的分离。(3)所有逻辑都驻留在处于中心的javabean内，这样一来，如果要更新代码，只需要处理这些中心文件而无需修正调用这些代码的其他页面。(4)应用程序逻辑和代码分离:定义应用程序逻辑，主要是通过配置文件的形式，而不是写在代码之中。这样当需求发生变化时，需要修改的程序逻辑，可以不要对代码进行较大的修改。(5)可移植性，系统对于应用服务器和数据库都具备良好的可移植性，在需要的时候进行升级。整合后的框架层次分明，各层分工明确，大大加快了开发速度和缩短了开发周期。但是，多层框架的使用，也给系统的调试和应用带来了难度，一些错误的产生使框架的使用者难以判断错误的根源。，32.2数据挖掘技术研究2.2.1.数据仓库概述目前，数据仓库一词尚没有一个统一的定义，著名的数据仓库专家w.h.工nmon在其著作 buildingthedatawarehouse一书中给予如下描述:数据仓库(datawarehouse)是一个面向主题的 (subjectoriented)、集成的(in七egra七e)、相对稳定的(non一volatile)、反映历史变化 (timevariant)的数据集合，用于支持管理决策，们。对于数据仓库的概念我们可以从两个层次予以理解，首先，数据仓库用于支持决策，面向分析型数据处理，它不同于企业现有的操作型数据库;其次，数据仓库是对多个异构的数据源有效集成，集成后按照主题进行了重组，并包含历史数据，而且存放在数据仓库中的数据一般不再修改。根据数据仓库概念的含义，数据仓库拥有以下四个特点5:1.面向主题。操作型数据库的数据组织面向事务处理任务，各个业务系统之间各自分离，而数据仓库中的数据是按照一定的主题域进行组织。主题是一个抽象的概念，是指用户使用数据仓库进行决策时所关心的重点方面，一个主题通常与多个操作型信息系统相关。2.集成的。面向事务处理的操作型数据库通常与某些特定的应用相关，数据库之间相互独立，并且往往是异构的。而数据仓库中的数据是在对原有分散的数据库数据抽取、清理的基础上经过系统加工、汇总和整理得到的，必须消除源数据中的不一致性，以保证数据仓库内的信息是关于整个企业的一致的全局信息。西南交通大学硕士研究生学位论文第8页retrieval)、高性能计算(high一 performancecomputing)以及数据可视化(datavisualization)等最新技术的多学科交叉研究领域8。数据挖掘从技术上可以描述为:数据挖掘是指从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的实际应用数据中，提取隐含在其中的、人们事先不知道的、但己是潜在的和有用的模式的过程9。它反复使用多种数据挖掘算法从观测数据中确定模式或合理模型。数据挖掘工具是一种挖掘型的分析工具。数据挖掘任务一般可以分为两类:描述和预测。描述性挖掘任务刻画数据库中数据的一般特性。预测性挖掘任务在当前的数据上进行推断、预测20j，。，对于数据挖掘，可做出如下不同的分类模式:1.依据所挖掘的数据库的种类进行分类。若挖掘系统从关系数据库中发现知识，相应系统为关系数据挖掘系统。其它数据库系统如面向对象的数据库、演绎型数据库、空间数据库、时间数据库、多媒体数据库、异质数据库、主动数据库、遗留数据库和工nternet信息库均可作为挖掘系统的挖掘对象。2.依据挖掘知识的种类进行分类。数据挖掘系统可以发现几种典型的知识，包括关联规则，232、特征规则、分类规则、聚类规则，52627，28等。3.依据采用的技术进行分类。常用的数据挖掘技术主要有人工神经网络29j30j3、遗传算法32j、决策树33j、邻近搜索、规则推理、模糊逻辑34j等。2.2.3.数据挖掘步骤数据挖掘过程一般需要经历确定挖掘对象、数据准备、数据挖掘、结果分析与应用四个阶段，如图2一1，这些阶段需要多方面人员配合，并且在具体实施过程中，可能需要重复多次。1.确定数据挖掘对象定义下清晰的挖掘对象，确定数据挖掘的目标是数据挖掘的第一步。虽然数据挖掘的结果是不可预测，但是挖掘目的是必须明确确定的，不能是完全无目的挖掘。虽然有的挖掘技术是不需要因变量的挖掘或聚类分析，但是必须有明确目标才能进行下一步的数据准备。如挖掘对象是网上购物习惯，那么数据的选择就将根据购物者的网上购物情况等展开。2.数据准备数据准备对于数据挖掘的成功应用至关重要，如果没有数据的预处理阶段，单纯进行数据挖掘将成为一个盲目的搜索过程，可能会得出毫无意义或错误的结果。数据准备大致分为3步:(l)数据选择搜索所有与业务对象有关的内部和外部数据信息，并从中选择出适用于数据挖掘应用的数据。西南交通大学硕士研究生学位论文第9页 lllll 111111111.叫叫 叫图2一1数据挖掘步骤(2)数据预处理选择数据后，研究数据的质量，对数据进行预处理，为进一步的分析作准备，并确定将要进行挖掘操作的类型。对数据的预处理主要是对数据进行清洗，解决数据中缺值、冗余、数据定义不一致等问题。在未预处理的数据基础上无法建立良好的挖掘模型，无法进行正确的数据分析。有时候，我们还需要对数据进行分组，以提高数据挖掘的效率。(3)分析模型的建立将数据转换成一个分析模型。建立一个真正适合挖掘算法的分析模型是数据挖掘成功的关键。分析模型是针对挖掘算法建立的。3.数据挖掘这一阶段进行实际的挖掘工作。首先是算法规划，即决定采用何种类型的数据挖掘方法，如数据总结、分类、聚类、关联规则发现或序列模式发现等。然后，针对该挖掘方法选择一种算法。而算法的选择直接影响着所挖掘模式的质量。完成了上述的准备工作后，就可以运行数据挖掘算法模块了。这个阶段是数据挖掘分析者和相关领域专家最关心的阶段，也可以称之为真正意义上的数据挖掘。4.结果分析与应用根据最终用户的决策目的对提取的信息进行分析，把最有价值的信息提取出来。对于数据挖掘阶段发现的模式还要经过用户或机器的评估，对于存在冗余或无关的模式要将其删除;对于不能满足用户要求的模式，则需要退回到上一阶段，如重新选取数据、采用新的数据变换方法、设定新的参数值，甚至采用其他的数据挖掘算法。另外，西南交通大学硕士研究生学位论文第7页3.相对稳定的。操作型数据库中的数据通常实时更新，数据根据需要及时发生变化。数据仓库的数据主要供企业决策分析之用，所涉及的数据操作主要是数据查询，一旦某个数据进入数据仓库以后，一般情况下将被长期保留，也就是数据仓库中一般有大量的查询操作，但修改和删除操作很少，通常只需要定期的加载、刷新。4.反映历史变化。操作型数据库主要关心当前某一个时间段内的数据，而数据仓库中的数据通常包含历史信息，系统记录了企业从过去某一时点(如开始应用数据仓库的时点)到目前的各个阶段的信息，通过这些信息，可以对企业的发展历程和未来趋势做出定量分析和预测。企业数据仓库67的建设，是以现有企业业务系统和大量业务数据的积累为基础。数据仓库不是静态的概念，只有把信息及时交给需要这些信息的使用者，供他们做出改善其业务经营的决策，信息才能发挥作用，信息才有意义。而把信息加以整理归纳和重组，并及时提供给相应的管理决策人员，是数据仓库的根本任务。因此，从产业界的角度看，数据仓库建设是一个工程，是一个过程。整个数据仓库系统是一个包含四个层次的体系结构:1.数据源:是数据仓库系统的基础，是整个系统的数据源泉。通常包括企业内部信息和外部信息。内部信息包括存放于rdbms中的各种业务处理数据和各类文档数据。外部信息包括各类法律法规、市场信息和竞争对手的信息等等;2.数据的存储与管理:是整个数据仓库系统的核心。数据仓库的真正关键是数据的存储和管理。数据仓库的组织管理方式决定了它有别于传统数据库，同时也决定了其对外部数据的表现形式。要决定采用什么产品和技术来建立数据仓库的核心，则需要从数据仓库的技术特点着手分析。针对现有各业务系统的数据，进行抽取、清理，并有效集成，按照主题进行组织。数据仓库按照数据的覆盖范围可以分为企业级数据仓库和部门级数据仓库(通常称为数据集市)。3.olap服务器:对分析需要的数据进行有效集成，按多维模型予以组织，以便进行多角度、多层次的分析，并发现趋势。其具体实现可以分为:rolap、molap和holap。rolap基本数据和聚合数据均存放在rdbms之中;molap基本数据和聚合数据均存放于多维数据库中;holap基本数据存放于rdbms之中，聚合数据存放于多维数据库中。4.前端工具:主要包括各种报表工具、查询工具、数据分析工具、数据挖掘工具以数据挖掘及各种基于数据仓库或数据集市的应用开发工具。其中数据分析工具主要针对olap服务器，报表工具、数据挖掘工具主要针对数据仓库。2.2.2.数据挖掘技术概述数据挖掘(datamining)是一门融合了数据库(database)技术、人工智能(artifieial玩telligence)、机器学习 (machineleaming)、统计学(statisties)、知识工程(众owledgeengineering)、面向对象方法(objeet一 orientedmethod)、信息检索(information西南交通大学硕士研究生学位论文第10页数据挖掘面对的最终用户是人，因此要对发现的模式进行可视化，或者把结果转换为用户易懂的其他方式，例如把分类决策树转化为“ifthen”分类规则。2.2.4.数据挖掘的应用数据挖掘可以应用于很多领域和行业，下面列举几个典型的应用:1.商业商业是数据挖掘应用最广泛的领域，也已经取得了良好的经济效果3536。通过数据挖掘，业务人员可以发现目标客户特征，有目标的进行营销川。最著名的数据挖掘例子就是商业领域的例子一“啤酒和尿布”。沃尔玛通过数据挖掘发现，跟尿布一起购买最多的居然是啤酒。沃尔玛一个门店将啤酒和尿布一起摆放，实现了啤酒和尿布销量的双增长。2.金融业金融行业拥有比较完善、可靠和高质量的数据，可以进行很多方面的数据挖掘3的。比如说，银行可以挖掘信用卡用户的用卡习惯，对信用卡用户进行动态评级，对不良用户提前预警或不发放信用卡。银行还可以对贷款用户和还款情况进行数据挖掘，分析现有贷款用户的收入水平和职业等基本情况，尽量降低银行的贷款风险。3.保险业数据挖掘在保险业有多种应用。通过聚类分析，可以了解每种保险的目标客观，有目标的向客户推销保险和开发新的险种。通过数据挖掘，可以寻找欺诈特征，对不同客户进行不同等级的监控。4.科学领域随着科学研究手段的发展，收集到的数据越来越庞大。传统的数据统计和图表分析己经无法处理海量的数据。通过数据挖掘，可以对研究数据进行多方的分析，寻找数据中隐藏的规律和特征。数据挖掘的领域远远不止以上所提到的，还有很多方面，如教育业刘40j、电信业、服务业和医学等等。西南交通大学硕士研究生学位论文第11页第3章网络教学质量监控系统设计 3.1. 3.1.1系统功能和性能需求系统功能需求1.满足形成性考核的需求在网络教育教学过程中，加强形成性考核是强化学习过程管理，提高教学质量，深化课程考核方式、方法改革的重要措施。形成性考核是指对学习者学习过程的测评，通过记录平时成绩，对学习者的学习表现进行考核。其目的是通过形成性考核督促学习者的学习，了解学习者平时学习情况，加强对学习过程的指导和管理，及时反馈学习信息，指导教学，提高学习者的综合素质和能力。形成性考核可以有效监控教学过程管理，改善教学时空相对分离的状况，实现素质教育的要求。我院以往所采取的课程考核方式主要是集中考试，即对学习结果进行考核，是总结性考核的一种形式。为了不断完善网络学习评价体系，更有效地促进学生学习，培养学生自主学习能力，我院的课程考核方式将从总结性考核逐步向形成性与总结性相结合的方式过渡，既注重结果的考核，又注重平时学习过程的考核。通过网络教学质量监控系统，各级教务管理人员和教师可以设定形成性考核规则和评估方案，自动对学生的平时学习情况进行阶段性打分，实现对学生的形成性考核。2.满足教学督促的需求在网络教学中，教和学相对分离，学习者以自主学习方式为主。由于缺乏传统教学中教师的面对面督促，在学习的新鲜感过去后，学习者极易产生惰性，无法按时按量完成教学要求。通过网络教学质量监控系统，各级教务管理人员和教师可以设定提醒规则，自动发短信对未完成相应教学活动的同学进行提醒，并提醒班主任注意长期未进行学习活动的同学。3.挖掘新网络教学的规律网络教育是一种新生的事物，有很多区别于传统教育的教学规律。通过网络教学质量监控，我们可以获取大量数据，并在此基础上进行研究，挖掘新的教学规律。新的网络教学规律可反馈给相应的教学管理人员和教师，整体提高网络教育教学水平，也可供技术人员修改教学网站设计，提高网站性能。 3.1.2.系统性能需求1.稳定性、安全性需求西南交通大学硕士研究生学位论文第12页当前西南交通大学网络学院有三万多在读学生。周末和期末复习等高峰时间，同时在线上千人。学院有3个数据库服务器，主页、课件、在线作业、在线答疑等16个web服务器，为学生提供相关教学教务服务。学生学习时，随之产生大量相关的学习监控数据。因此，在系统设计时，必须充分考虑系统的负载，保障系统的稳定性。监控系统的活动将涉及3个数据库服务器和多个web服务器，也会对现有的一些教学教务服务进行调整。因此，在系统设计时，必须充分考虑安全性。2.可扩展性需求当前，系统提供了对当前学习活动的监控。随着网络教育的发展，学院将逐步添加新的学习活动和对当前学习活动进行调整。这就要求系统具有良好的扩展性，并且相关模块低藕合。3.2.系统的设计和技术方案3.2.1.系统设计方案为满足总功能需求，系统需包括监控信息收集、监控数据分析、监控信息反馈和监控数据挖掘四部分。在本设计中，将系统分为线上教学监控模块和线下数据挖掘模块两大网络教学监控模块，如图3.1所示。网络教学质量监控系统收集到的监控数据和分析挖掘到的有用线下监挖数据谭势雀监控数据挖掘矢图3.1系统结构图在线上教学监控模块中，完成监控信息收集、监控数据分析、监控信息反馈三部分功能。线上模块实时对学生教师教学信息进行收集，实时的分析收集到的监控信息，并按照预先设定的规则进行反馈。在线下数据挖掘模块中，数据挖掘管理员完成对监控数据的挖掘。数据挖掘管理员根据数据挖掘的结果，分析出有用的规则，反馈给网站或教务管理员，随时对系统西南交通大学硕士研究生学位论文第13页反馈或分析规则进行调整。通过线上教学监控模块和线下数据挖掘模块的相互交流，两个模块都可以根据实际情况进行规则调整。整个系统既满足了实时监控反馈需求，又有了很好的规则调整空间。 3.2.2.系统技术方案1.选择线上网络教学监控模块架构基于性能需求考虑，线上系统采用了具有良好稳定性、安全性和扩展性的s恻s+hibemate+spring的jzee轻量级框架。必页面的请求与转发struts叹vc业务流转和管理业*务逻辑封封装数据库操作作-一贾n?a-t三数据库图 3.2struts十hib翻ate+sp血g的jzee轻量级框架线上系统基于 strutsmvc框架，以hibernate作为持久化层，采用spring对其中间层业务层进行改造。struts用来完成mvc模式的表示层，负责页面的请求与转发。hibemate用来完成数据库层的持久化，进行数据库操作的封装。spring是用来完成业务层功能，进行业务流转和管理业务逻辑。表示层s以s调用业务层spring完成运算逻辑，业务层spring再调用持久层hibemate完成数据库的读写。各个层次之间是相互西南交通大学硕士研究生学位论文第14页独立的，层与层之间低藕合。这样不仅能满足性能需求，而且可以提高开发效率，减轻工作量。2.选择线下监控数据挖掘模块工具数据挖掘涉及大量的快速增长的数据，同时这些数据收集存放在若干大型数据库中。为了能有效地利用计算机进行数据挖掘，各大数据库厂商纷纷提供了支持数据仓库和数据挖掘的产品，如 sasente甲五 seminer， sqlserver2005， spsselementine7.0等。其中，在 sqlserver2005中，关系数据库和多维数据库不再界限分明，客户可根据需要将数据库存放在关系数据库或多维数据库中。另外，在 sqlserver2005中已经集成了大部分重要的数据挖掘算法，如关联规则、决策树、时间序列、神经网络和贝叶斯算法等。同时， sqlserver2005比 sqlserver2000新增了一个集成开发环境sql serverbusinessintelligeneedevelopmentstudio，它构建于 visualstudio2005技术之上。在这个环境中进行的开发能用于所有商务智能应用程序组件。本研究选择采用的线下数据挖掘工具就是 sqlserver2005中的 sqlserver businesshitelligeneedevelopmentstudio。3.3.系统角色分析网络学习监控系统有6种角色:课程教师、学生、班主任、教务管理员、数据挖掘管理员、系统管理员。在系统中，各个角色有相应的功能。课程教师:查看所授课程的整体或单个学生学习情况的监控和数据分析;查看单个学生本门课程学习监控数据;学生:查看本人所有相关学习监控数据和分析班主任:查看所管理班级整体或单个学生学习情况的监控和数据分析教务管理员:设定形成性考核规则;数据分析，并可输出相关报表和有用的分析结果。设定短信平台和班主任提醒规则关联教师和课程查看整体或单个学生学习情况的监控和数据分析查看整体和单个课程学习情况的监控和数据分析查看整理或单个学生的毕业设计情况和数据分析数据挖掘管理员:可对所有教学数据进行分析，并可结合相关数据对监控数据进行数据挖掘，反馈有用的挖掘结果给相关人员系统管理员:用户管理(所有用户的添加、修改、删除、冻结)查看整体或单个学生学习情况的监控和数据分析查看整体和单个课程学习情况的监控和数据分析西南交通大学硕士研究生学位论文第16页馈结果不仅有测试成绩，还有与错题的相关知识点。通过在线测试，学生可以了解到自己有哪些知识点未掌握，回过头去再学习这些知识点。教师也可以了解到学生们哪些知识点学习有困难，加强对难点的讲授和辅导。4.在线答疑监控子系统网络教育是一种师生分离的教育形式。为了更好的进行师生交流，满足学生与老师实时交流的需求，交大网院提供了在线答疑平台。每学期每门课程安排三次答疑，由授课老师实时回答学生的疑问。对在线答疑的监控主要包括两个部分，一个是记录学生参加答疑的次数和时长，另一个是学生提问的次数。通过这两个方面，可以有效地判断学生答疑的活跃度。5.网上学习资料下载监控子系统每门课程都有教师提供的相关学习资料。这个子系统功能比较简单，主要记录学生下载资料的次数。6.毕业设计监控子系统西南交大网络学院根据网络教育毕业设计的特点，在全面综合毕业设计各阶段工作中各方需求的基础上开发了网上毕业设计系统。通过系统，毕业设计指导教师可以指导学生在网上完成毕业设计各项工作。毕业设计不同于其他学习活动，有阶段性强和互动多两大特点。毕业设计包括开题、初稿、答辩稿、答辩和最终稿等几个阶段。每个阶段都有学院规定的完成时间，要求学生必须按时间按阶段顺序完成。同时，毕业设计中教师和学生有大量的交流，学生需经常向教师提问和请求老师的指导。由于以上特点，在毕业设计中，教师和管理员需密切监控学生的毕业设计状态。这个子系统实时监控学生毕业设计各阶段完成的情况、教师的评判和师生交流，并将监控结果记录入数据库。各级管理员可以分析统计所有学生的阶段状态，教务管理员还可以设置阶段时间提醒，自动催促学生按时间完成相应阶段。3.4.2.线下数据挖掘模块分析和设计数据挖掘可以应用网络教学监控系统中的多个方面。这些应用都可以确定为数据挖掘的主题，具体应用与主题如下:1.分析学习者的学习模式与注册信息等的关系在网络学院的数据库中，不仅有学生的学习情况数据，还有大量学生报名时提供的个人资料。个人资料的信息包括性别、年龄、职业、家庭等等。通过分析学习者的学习成绩与学习模式、注册信息等的关系，例如，通过分析学习情况与学生基本注册信息的相关性，发现学习模式是否与年龄、性别等相关;通过分析学习情况和注册信息的相关性，我们可以为不同学生提供更加个性化的西南交通大学硕士研究生学位论文第17页学习方式，使网络教育成为真正因材施教的教育方式。2.分析学习者的学习成绩与学习模式的关系通过特征化和区分教学过程反馈数据，寻找各种数据和行为之间的内在联系。例如，可采用聚类分析的方法把学生进行分类，然后根据分类的结果对学生再进行关联规则的预测，如存在a，b，c的规则，那么根据学生的a行为和b行为就可以推出可能要发生的c行为，及时制定策略去鼓励或遏制c行为的产生42j。我们还可以分析学生平时的学习活动与学习成绩的相关性，发现学习成绩与哪些平时学习活动的参与度相关。这将辅助教师和教学管理者了解教学的成效程度，帮助他们进行决策，调整教学策略，对课程教学进行调控，以达到更好的教学效果。3.跟踪分析学习者的学习轨迹由于网络教育的学生在学习基础、学习能力等方面存在极大的差异，网络教育必须为不同的受教育者提供个性化的教育，满足个性化学习需求。通过跟踪分析学习者的学习轨迹，可以了解学生的认知风格、学习能力等，为提供个性化服务打下基础。例如，在标准公用日志文件的格式存储关于学生连接的物理信息，对该文件中存储的一些项进行挖掘分析，就能发现一些学习者的学习轨迹。西南交通大学硕士研究生学位论文第18页第4章基于jze的线上网络教学监控模块实现由于篇幅限制，本论文只详细介绍在线作业监控子系统和毕业设计监控子系统的具体实现，其他模块不再赘述。4.1. 4.1.1在线作业监控子系统的具体实现子系统功能结构在线作业监控子系统主要包括监控、评价分析和反馈三部分功能，如图4一1所示。反馈单个学生作业情况反馈所授课程作哑情况回回回 评评价分析析 螂螂蟆 -监 监执二二 二二二二二二二乓乓乓乓乓乓 乓 乓碑一奎奎图4一1在线作业监控子系统功能结构监控功能实时实时监控学生完成作业的情况，并将监控结果记录入数据库。评价分析功能根据教师预先设定的规则库对监控结果进行判定，将分析结果也记录入数据库。反馈功能中实现了多种反馈。既有简单的反馈，如学生完成作业提交后，马上反馈给学生本次作业的成绩等。也有比较复杂的反馈，如任课教师可以分析统计统计所有学生的“未完成人数”、“己完成人数”、“综合正确率”、“综合完成率”，以及单个学生的完成情况等。教师通过了解学生的当前作业情况，实时调整作业的评价分析规则库的参数。西南交通大学硕士研究生学位论文第15页3.4.系统模块功能分析与设计3.4.1.线上教学监控模块分析和设计网上学习过程(如下图3一3所示):首先学生登陆网站，然后学生学习相应的课程，每门课程提供课件、在线作业、在线答疑和资料下载等多种学习服务。改鹭洲一 一协忍忍 谬谬程带钾灌 灌 毕毕平俘计 计图3一3学生网上学习过程图根据系统的需求和角色分析，将线上网络教学监控模块设计如下:1.登陆监控子系统登陆监控子系统比较简单，主要完成学生登陆时间和次数的记录和统计，反馈相应的数据给学生、班主任和管理员。当学生超过规定天数(具体天数由教务管理员设定)未登陆网站，系统自动发送短信给学生并反馈情况给班主任。2.网上课件学习监控子系统学生登陆后，在学习平台上完成课程的学习、测试和交流。课件学习监控主要是监控学生的学习时间。学习时间是学习效果的保证，必须学习到一定时间才能取得好的学习效果。教师在学习大纲中给出建议的学习时间，可以方便学生来根据自己实际情况做出学习计划进度表。系统按课程的章节来统计学生学习时间，主要包括本节的学习时间和次数，本章的学习时间等等。学生或老师可以随时查看每个章节的学习情况。3.在线作业监控子系统为了解学生对知识点的掌握情况，教学系统中对每门课程都提供了多套在线作业。在线作业成绩按比例计入平时成绩，通过这样的措施督促学生进行学习。教师首先在教学系统中按照知识点出题，形成本门课程的题库。然后，教师可是手动也可以由系统自动组卷。学生按照老师的规定时间进行答题，在线提交后。系统自动进行评判，将评判结果反馈给学生并记录入相应的题库数据库和成绩数据库。反西南交通大学硕士研究生学位论文第19页 4.1.2.子系统功能实现1.监控功能在线作业平台提供两种练习模式:作业和考试。任课教师布置作业时，可以选择“作业题”或者“考试题”。作业允许学生多次、反复练习，这样有助于加深学生的学习印象，帮组学生掌握知识。考试只允许学生做一次。任课教师可以按照自己的规则，设置权重，获得更加有效的学生平时成绩。卜卜本次作业是本课程的第，次作业。(目前已经布盆78次作业 )合合本次作业的类型为:忿考试题娜作业题(“考试题”学生只能做一次，“作业题”学生可以反复练习 )巴 巴限制作业完成娜目 目里 里限制作业完溯寸间 间图4一2设定练习性质作业及考试结果是本模块的监控对象。作业题监控记录完成次数、分数、正确率、完成时间等信息;考试题监控直接记录成绩信息。当前我国的网络发展还很不是均衡，大中城市网络质量较好，而中小城市及偏远地区网络质量较差。交大网院的学生分布在全国各地，同学使用的网络情况相差较大，有部分同学无较好的网络。所以在线监控必须充分考虑网络和系统的不稳定性。为了避免学生网络、计算机故障和非正常退出作业，设定自动保存功能。系统利用ajax技术，在学生做作业时，按照“每隔一分钟自动保存一次”和“每次做出选择自动保存一次”的原则，实时地将每个学生每次作业的答案保存与服务器上，随时重新做本次作业，都会保留上次的作业进度即每道题完成后记录到数据库。传统的web应用允许用户填写表单(form)，当提交表单时就向web服务器发送一个请求。服务器接收并处理传来的表单，然梭返回一个新的网页。这个做法浪费了许多带宽，因为在前梭两个页面中的大部分html代码往往是相同的。由于每次应用的交互都需要向服务器发送请求，应用的响应时间就依赖于服务器的响应时间。这导致了用户界面的响应比本地应用慢得多。与此不同，ajax应用可以仅向服务器发送并取回必需的数据，它使用soap或其它一些基于xml的 webservice接白，并在客户端采用javascript处理来自服务器的响应。因为在服务器和浏览器之间交换的数据大量减少，结果我们就能看到响应更快的应用。同时很多的处理工作可以在发出请求的客户端机器上完成，所以web服务器的处理时间也减少了。使用ajax的最大优点，就是能在不更新整个页面的前提下维护数据。这使得web应用程序更为迅捷地回应用户动作，并避免了在网络上发送那些没有改变过的信息。主要程序如下:(l)触发js函数西南交通大学硕士研究生学位论文第20页刀定时保存所选选项和所剩时间functionsavetmpontime(hid，all_ex，type，student_id，eourse_eode，method，eenter_eode，elass_eode) varurl=“ /jsp/ajax_stusavetmp.jsp?“:varpar胡二介method二护+