（教育技术学专业论文）高校计算机基础课程评价决策支持系统研究与实现.pdf

摘要 计算机基础系列课程在高校公共课教学中占有非常重要的地位， 该系列课程是提高大学生信息素养和计算机技能水平的重要途径。对 该系列课程教学现状进行全面科学的评价，有利于更好地指导教学， 提高教学效果。 本研究利用层次分析法从教学硬件资源、师资力量、教学考核方 式及学生情况四个方面构建了计算机基础课程教学现状两级评价指 标体系及权重；然后以湖南省高校教学现状为基础提出了相关指标的 评价标准和方法，再以v i s u a ls t u d i o 为开发工具，开发了一个面向课 程的教学决策支持系统。 论文首先对教育决策支持系统、教学评价、教育统计和数据挖掘 等理论和知识进行了阐述和介绍；接着，以理论为指导提出了高校计 算机基础课程教改决策支持系统的总体设计及四个子模块设计，然 后重点讨论了评价指标体系的构建和操作应用模式，并以层次分析法 研究计算出各项指标的权重；在此基础上，进行了系统的数据库设计， 重点实现了成绩统计分析模块，从学科、学生层次和题型三个角度对 成绩进行了统计和挖掘。所开发的系统具有专业性强、易使用等特点。 最后，论文对已完成的工作进行了总结和今后的工作进行了展望。 关键词计算机基础教学，评价，指标体系，决策支持系统 a b s t r a c t c o m p u t e rf u n d a m e n t a ls e r i e s c o u r s e so c c u p yav e r yi m p o r t a n t p o s i t i o ni nt h ep u b l i cc o u r s e s t e a c h i n go fc o l l e g e sa n du n i v e r s i t i e s s o t h a ts e t t i n gu pt h es e r i e so fc o u r s e si sa ni m p o r t a n ta p p r o a c ht o1 m p r o v e u n d e r g r a d u a t e s i n f o r m a t i o nl i t e r a c y a n d c o m p u t e r s k i l l s l e v e l c o n d u c t i n gac o m p r e h e n s i v ea n ds c i e n t i f i ce v a l u a t i o no ft h es e r i e so f c o u r s e sw i l lh e l pt og u i d et e a c h i n ga n di m p r o v et e a c h i n ge f f e c t i v e n e s s t h es t u d yb u i l d sac o m p u t e rb a s i cs e r i e sc o u r s e s t w o l e v e l e v a l u a t i o ni n d e xs y s t e ma n dw e i g h t sf r o mf o u ra s p e c t sw h i c ha r et h e h a r d w a r er e s o u r c e s ，t e a c h e r s ，t e a c h i n ga s s e s s m e n tm e t h o d sa n ds t u d e n t s l e v e l su s i n go fa h p a n dt h e no nt h eb a s i so ft h et e a c h i n gs t a t u sq u oi n c o l l e g e sa n du n i v e r s i t i e so fh u n a np r o v i n c e ，t h es t u d yp r o p o s e s t h e e v a l u a t i o nc r i t e r i aa n dm e t h o d so ft h er e l e v a n ti n d e x e s a tl a s t ，t h es t u d y d e v e l o p sat e a c h i n gd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e mg e a r i n gt oc u r r i c u l u mu s m g o ft h ev i s u a ls t u d i od e v e l o p m e n tt o o l s f i r s t l yl,thep a p e re l a b o r a t e ss o m et h e o r i e s s u c ha st h ee d uc a t i o n d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ，t e a c h i n ge v a l u a t i o n ，e d u c a t i o ns t a t i s t i c se t c ，a n d i n t r o d u c e st h ed a t am i n i n g a n dt h e nt h ep a p e rp r o p o s e st h eo v e r a l l d e s i g na n df o u rs u b m o d u l ed e s i g no f t h ec o m p u t e rb a s i cs e r i e sc o u r s e s t e a c h i n gr e f o r m d e c i s i o n s u p p o r ts y s t e m s e q u e n t i a l l y , t h ep a p e r d i s c u s s e st h eb u i l d i n go ft h ee v a l u a t i o ni n d e xs y s t e ma n dt h ea p p l i c a t i o n o p e r a t i o nm o d e ，t h e ns t u d i e sa n dc a l c u l a t e st h ei n d e xw e i g h t o nt h e b a s i so fa b o v es t u d i e s ，t h ep a p e rd e s i g n st h ed a t a b a s ea n dr e a l i z e st h e s c o r e sa n a l y s i sm o d u l ew h i c hc a r r yo u ts t a t i s t i e sa n dm i n i n gt os c o r e s f r o mt h r e ea n g l e st h a ta r ed i s c i p l i n e s ，s t u d e n t s l e v e la n dq u e s t i o n s t y p e s t h es y s t e mh a ss o m ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha ss t r o n gp r o f e s s i o n a l ，e a s yt o u s ea n ds oo n f i n a l l y ，t h ep a p e r sp r o s p e c t st h ef u t u r ew o r k k e yw o r d sc o m p m e rb a s i ct e a c h i n g ，a s s e s s m e n t ，i n d i c a t o rs y s t e m ， d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：童牡日期：一年旦月毕日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：垃t l , 翩一期：进年卫月字日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景与研究意义 第一章绪论 1 1 1 研究背景 随着计算机和网络技术的飞速发展，各种教育软件和信息化平台在我国高等 教育领域得到了广泛的应用，极大地推动了高等教育信息化建设的步伐，显著提 高了教育管理的质量和效率。与此同时，也积累了大量的信息数据。高校计算机 基础教育领域也是如此。然而，这些日益激增的数据背后隐藏着许多重要的信息。 人们希望能够对其进行更深入的分析，以便更好地利用这些数据。更重要的是通 过对各类教育相关数据进行统计分析，挖掘数据背后潜在的信息与知识，揭示若 干教育现象，并为教育决策提供若干参考建议。但目前的教育类软件系统只可以 高效地实现数据的录入、查询、统计等功能，如何发现数据中存在的关系和规则， 并根据现有的数据预测未来的发展趋势，缺乏挖掘数据背后隐藏的知识的手段， 导致了“数据爆炸但知识贫乏 的现象。因此，本文针对高校计算机基础教育领 域大量的数据，提出运用数据挖掘技术( d a t am i n i n g ，简称d m ) 和决策支持系统 ( d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ，简称d s s ) ，分析统计相关数据，依据分析结果为教 育决策者提供决策支持。 所谓数据挖掘，是从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的实际应 用数据中，提取隐含其中的、人们事先不知道的、但又潜在有用信息和知识的过 程【l 】。数据挖掘是一个多学科交叉、渗透、融合形成的新的交叉学科，其研究内 容十分广泛，并得到多方面的实际运用。在管理信息系统中，获取符合价值判断 要求的信息，往往存于大量繁复的各种数据里面，而且需通过汇总、比较、判断、 推测等方式，得出支持决策所需的数据认识。在此过程中，数据挖掘是必不可少、 强有力的提纯技术。 管理信息系统( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称m i s ) 是一个由人、 计算机等组成的，能进行管理信息的收集、传递、存储、加工、维护和使用的系 统【3 5 1 。m i s 能实测企业的各种运行情况，利用过去的数据预测未来，利用信息 控制企业行为，帮助企业实现其规划目标。但是m i s 只能帮助管理者对信息作 表面上的组织和管理，而不能把信息内在的规律更深刻的挖掘出来为决策服务。 况且由于m i s 技术及系统方法论上固有的缺陷，特别是刻板的结构化系统分析 方法、漫长的生命周期及信息导向的开发模式使传统的m i s 难于适应多变的内 部及外部管理环境，对管理人员的帮助十分有限，也没有达到预期的社会经济效 硕士学位论文第一章绪论 果。于是人们自然期望一种新的用于管理的信息系统，它在某种程度上可克服上 述缺点，为决策者提供一些切实可行的帮助【3 4 】。 管理信息系统的核心是为决策提供有效支持。故从上世纪7 0 年代开始，在 广泛采用管理信息系统的基础上，决策支持系统应运而生，并在8 0 年代获得了 发展。d s s 是信息系统( i n f o r m a t i o ns y s t e m s ，简称i s ) 领域的一个分支，它的产 生主要基于以下原因：传统的管理信息系统的功能更多体现在系统内部管理层 面，用户所获效益有限，人在管理中的积极作用需要得到充分发挥；人们对信息 处理规律认识不断提高，针对不断变化的环境需求，要求更高层次的系统来直接 支持决策；计算机应用技术的发展为决策支持系统提供了技术基础。 基于计算机和网络技术而形成的教育管理信息系统( e d u c a t i o n a l m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称e m i s ) ，是应用于教育管理领域的人机交 互系统。该系统能准确、全面地反映教育教学各项工作的实时状态，可利用过去 的数据短期预测，并从全局出发，辅助管理人员开展教育教学管理工作。教育策 支持系统( e d u c a t i o n a ld e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ，简称e d s s ) 则是其中的一个重要 组成部分，是教育管理信息系统的分支。该系统主要采用数据挖掘技术，在对多 层次全面采集、汇总统计数据的基础上，进行科学地比对分析，其评价性结论将 直接对客观决策形成基本的参考依据。这也是本文所要试图达到的主要研究目 的，即借助决策支持系统，实现对高校计算机基础教学现状的整体评价，进而根 据评价结果为教学改革提供决策依据。 1 1 2 研究目标与意义 本课题研究的主要目标为： ( 1 ) 理论迁移与整合：以教育评价理论为指导，整合影响高校计算机基础 教学的各方面因素，构建评价模型；将数据库技术中的数据挖掘技术迁移到考试 统计学理论与技术研究中，探究数据挖掘技术在考试统计学中运用的可行性。 ( 2 ) 构建影响计算机基础教学的相关因素的指标体系：影响计算机基础教 学效果的因素有很多，包括学生层面的、学校层面的、硬件方面的、软件方面的 等。构建一个包含多因素的有层次的指标体系，并根据层次分析法计算出各个相 关因素的权重值。在此基础上，研究探讨针对具体单个学校的计算机基础课程教 学现状的评价方法。 ( 3 ) 开发决策支持软件：根据评价模型，利用相关的统计方法、数据挖掘 方法，选用合适的开发工具，编程开发出决策支持系统软件。 本课题研究的意义： 考试成绩作为教学过程中的重要产出，有着不可动摇的地位和意义，是对学 生的学习水平进行评判的基准。本决策支持系统实现了对较大范围内( 全省或全 2 硕士学位论文第一章绪论 校) 考试成绩的统计分析，包括：从按学校层次分析、学科角度分析、按学生层 次分析和对题型得分情况分析等。不仅实现了对教学工作的有效反馈，也能使现 行的教育教学改革始终保持最佳状态。 在整个的教育环境中，影响学生成绩的因素是多方面的。因此，对多个相关 因素进行筛选分析，构造一个有层次的指标体系，根据各因素的权重值大小( 即 该因素对总目标的影响程度大小) ，有针对性地制定改革对策，调整资源配置， 提高教学效果有着很重要的现实意义。 另外，本课题的研究方法和决策支持软件不仅仅可以用于高校计算机基础系 列课程的教学评价与教学改革，也可以推广使用到其它相关课程的教学评价和教 学改革中。 1 2 研究现状 1 2 1 决策支持系统研究现状 在2 0 世纪7 0 年代初期，s c o tm o r t o n 首先提出了d s s ( d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ) 的重要概念，他将d s s 定义为：“一种交互式的基于计算机的系统，该系统能帮 助决策人使用数据和模型解决非结构化的问题【3 6 j ”( g o r r y 和s c o tm o r t o n ，1 9 7 2 ) 。 k e e n 和s c o tm o r t o n ( 1 9 7 8 ) 提出了d s s 的另一个经典的定义：“d s s 将人们的智 能资源与计算机的功能相结合，以改进决策质量，d s s 是一种处理半结构化问题， 为管理决策人服务的基于计算机的支持系统【2 】。 决策支持系统是以管理科学、运筹学、控制论和行为科学为基础，以计算机 技术、通信技术和仿真技术为手段，针对半结构化的决策问题，支持决策活动的 人机系统。1 9 8 9 年，g o r r y 和s c o tm o r t o n 又给决策支持系统下了一个非常经典 的定义：决策支持系统就是结合个人的智能资源和计算机的能力，来提高决策质 量。它们包含一个基于计算机的支持系统，为管理决策制定者处理半结构化的问 题。也就是说，决策支持系统是一个以计算机为基础的、辅助管理人员利用数据 和模型求解半结构化问题决策的人机交互式信息系统。该系统能够为决策者提供 决策所需的数据、信息和背景材料，帮助明确决策目标和进行问题的识别，建立 或修改决策模型，提供各种备选方案，并对各种方案进行评价和优选，通过人机 交互功能进行分析、比较和判断，为正确决策提供必要的支持【3 】。 决策支持系统在经过了近4 0 年的演化发展，已经在区域发展规划、企业管 理、财务管理、模拟风险分析等众多商业领域有了长足的发展，出现了很多应用 于各个领域的决策支持系统。许多国内外企业运用决策支持系统进行企业的管理 和决策，实现管理决策的高效性和科学性。 3 硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 教育决策支持系统研究现状 虽然决策支持系统在商业领域的应用日趋成熟，但是在教育领域的发展应用 则是刚刚起步，各国对此的研究和应用尚不够深入。教育决策支持系统是辅助教 育管理人员利用数据和模型来求解非结构化管理决策问题的交互式信息系统，管 理模型是该类系统的核心。教育决策支持系统涉及定性、定量或智能化管理模型 的构建、编程和实际应用，而国内对于这类模型的研究大多着眼于定性方面，而 定量研究显然有利于模型的最终应用和推广【4 】。但是国内外很多高校或教育教育 研究机构已经着手研究如何建立和使用教育决策支持系统，例如联合国科教文组 织的项目e d s s ；甘肃省教育管理信息决策支持系统；基于知识发现的高校科研 决策支持系统( 辽宁省科技厅科技成果鉴定) 等。另外，决策支持系统的发展应 用的硕士学位论文项目在这两年逐步涌现，但已取得重大实际成果的还很少，特 别是己经投入实际运用的教育决策支持系统更是屈指可数。本课题的研究也是将 决策支持系统应用于计算机基础教学评价和改革领域的一次积极探索与尝试。 1 3 本文的主要研究内容与组织结构 1 3 1 研究内容 本课题的研究内容主要有以下三个方面： ( 1 ) 通过整理、分析获取课题所需的数据，具体包括以下几个方面： 收集影响高校计算机基础教育教学相关因素的有关数据，包括：各高校的 学校层次，即生源信息；参加考试的学生的学历层次；计算机应用基础的师资 队伍的建设情况，包括职称、学历；各高校在计算机基础课程的教学课时、课 程安排情况，包括总课时和实验课时；各高校的计算机应用基础教学的硬件条 件，即实验教学条件；各高校在计算机应用基础教学的教学网络条件，包括网 络教学平台的建设，资源、应用情况；各高校在计算机应用基础课程上所采纳 的教学方法、教学手段情况；各高校在计算机应用基础教学上的考核形式情况 等。 计算机基础系列课程的考试成绩数据，包括学生的总成绩，各题型、各小 题的得分情况等。 ( 2 ) 分析上面获取的数据，结合相关的教育评价理论以及影响计算机基础 教育教学的相关因素，分析影响当前计算机基础教育教学质量的各个因素，构建 相关因素的指标体系，通过层次分析法计算各指标的权重值。 ( 3 ) 利用考试统计学方法和数据挖掘的相关技术实现对学生成绩和学生答 题情况多层次、多角度的统计分析，自动给出对统计结果的简单评价或提示及相 4 硕士学位论文 第一章绪论 应的改革措施。 1 3 2 组织结构 本论文的组织结构为： 第一章主要介绍本课题的研究背景、研究意义、国内外研究现状、本文的主 要研究内容及组织结构。 第二章介绍相关的理论基础，包括：教育评价学概述，决策与教育决策概述 和教育统计学概述。 第三章介绍系统的总体框架和功能设计，从宏观上介绍系统的设计原则及总 体框架。 第四章介绍以影响高校计算机基础教学相关因素为基础构建评价指标体系， 并计算各指标的权重值。 第五章主要介绍了系统的统计分析模块及其子模块的功能和实现。 第六章为总结和展望。对已经完成的工作做一下总结和评价，对未完成的工 作和发展前景作一下展望。 5 硕士学位论文 第二章相关理论研究 2 1 教育评价学概述 第二章相关理论研究 2 1 1 教育评价学 教育学家格兰朗德( n e g r o n l u n d ) 对“评价 一词在教育教学活动情境下的 典型解释为：评价是为了确定学生达到教学目标的程度，收集、分析和解释信息 的系统过程；评价包括对学生的定量描述和定性描述两方面。根据格兰朗德的观 点，评价总是包括对测量结果需求程度的价值判断。一个完整的评价计划用公式 表达为： 评价= 测量( 定量描述) + 非测量( 定性描述) + 价值判断【5 】 1 9 8 1 年，美国教育评价标准联合委员会综合了各种评价观点，给教育评价 下了一个综合性的定义：教育评价是对教育目标和它的优缺点与价值判断的系统 调查，为教育决策提供依据的过程。 总体来说，所谓教育评价是指按照一定的价值标准和教育目标，利用测量和 非测量的种种方法系统地收集资料信息，对学生的发展变化及其影响学生发展变 化的各种要素进行价值分析和价值判断，并为教育决策提供依据的过程 6 1 。 教育评价作为- - i 0 综合性、交叉性、边缘性的教育学科，以教育学、心理学、 教育管理学等为理论基础，以系统理论为方法论基础，以教育测量、教育统计、 计算机软件等为基本工具。教育评价学中的一个重要分支学科一教育统计学就是 为教育评价输送定量与定性分析结果的工具学科，尤其是比较复杂的教育活动， 如何探讨和掌握教育活动规律，如何评价教育活动结果，如何科学地进行评价就 更需要学习和掌握教育统计方法。 2 1 2 计算机辅助评价 随着计算机技术的迅速发展和社会信息化水平的不断提高，将计算机应用于 教育测量与评价中，即计算机辅助评价已是大势所趋。传统的教育评价方式不仅 耗费大量的人力和物力，而且只能进行很少的总结性评价。计算机辅助评价的应 用使这种情况大为改观，例如通过网络大题库和在线测评，学生可以及时得到关 于自己学习的准确评价，并获取有针对性的反馈信息，从而更有针对性的进行下 一阶段的学习【7 1 。 ( 1 ) 计算机辅助评价的定义 计算机辅助评价( c o m p u t e ra s s i s t e da s s e s s m e n t ，简称c a a ) 是指在评价学习 6 硕士学位论文第二章相关理论研究 者的知识、技能和能力的过程中引入计算机和网络为代表的信息技术作为工具或 支持环境，即计算机应用于教学评价过程，它引发了评价内容、方法和形式的深 刻变革f 8 】。与c a a 含义大致相同的术语还有：计算机辅助测试( c o m p u t e t - a i d e ( 1 a s s e s s m e n t ) 、计算机化评价( c o m p u t e r i z e da s s e s s m e n t ) 、基于计算机的评价 ( c o m p u t e r - b a s e da s s e s s m e n t ) 、基于w 曲的评价( w e b - b a s e da s s e s s m e n to ro n l i n e a s s e s s m e n t ) f f l 基于计算机的测试( c o m p u t e r - b a s e dt e s t i n g ) ，他们都属于c a a 领 域【9 1 。 ( 2 ) 计算机辅助评价的特点及优势 c a a 作为一种新的评价方式越来越被众人所接受，有其自身的特点及优势。 具体见表2 1 f 1 0 1 。 表2 - 1c a a 的特点及优势 角度特点及优势 通过形成性评价，使被试者了解自己的学习进度 被试者通过总结性评价，使被试者可以进行分阶段学校 可以确认当前的教学方法是否有效 教学 c a a 使得大范围地区的评价更迅速，节省时间 通过形成性评价可以了解被试者的学习进展情况 在自适应测试( a d a p t i v et e s t i n g ) 过程中，发现弱点，调整教学方法 管理者 减少了在监督管理、监考和评分上面花费的时间 减少在评分过程中因人为因素而出现的错误 处理不同地点的学生同时进行评价时，节省了财力和人力 进行无纸化考试，减少在印刷上面的费用 可以成功的对测试结果进行分析，并且自动记录进被试档案 数据库随机抽取题目，有效避免作弊 因此，研究c a a 在教育评价中的应用具有重要意义：管理上，对于大型化 考试，如全国计算机等级水平考试和升级计算机等级水平考试，节省考试成本， 减轻教师工作量，避免考试作弊等具有重要作用；教学上，有利于教师检测学生 的学习过程，可以对学生进行与其能力相匹配的自适应测试；对于被测试者，有 利于及时发现自己的缺点和不足；对于某些学科，可实现测评自动化，这对于提 高评价效率与质量、保证评价的一致性与公正性、降低评价成本都具有重要的意 义。另外，c a a 得到的各种相关数据可自动生成诊断分析报告，这对于促进教 育评价的研究有深远的影响。 7 硕士学位论文第二章相关理论研究 2 2 考试统计学与数据挖掘 2 2 1 考试统计学概述 考试是人类社会一种特有的测量、评定人的知识、能力、技能和性格等个体 差异特征的社会活动。考试的结果往往以直接或间接的方式用数字呈现出来。这 类数字之中蕴含着大量能反映人的个体差异特征和考试活动规律的信息。由于考 试研究对象的个体差异很大，起作用的条件和不可控的因素很多，人的内外各种 因素的相互作用及其复杂。因此，采用数理统计方法，系统地、综合地、整体地 研究人的知识、技能、能力、性格等差异特征及其考试活动的规律性，进而指导 考试工作实践，便成为考试科学发展的必然需求。考试统计学正是为研究如何收 集、整理、分析考试信息资料，如何根据己知的局部信息对未知的总体特征进行 科学推断，以揭示考试活动规律而产生和发展起来的1 1 1 。考试统计学主要的研究 特点为：学科研究的实证性；数量关系的总体性；性质区分的规定性和现象测量 的复杂性。其主要的研究方法为：大量观察法、统计分组法和综合指标法。 考试统计学作为研究大量考试现象的数量表现和数量关系的一门科学，继承 了教育统计学的主要统计手段，是统计学方法在教育考试背景下的实践应用，正 如我国著名的统计学家陈希孺院士所说的：“数理统计学的生命在于应用，实用 统计应是统计学发展的主流”，由于考试统计学同时兼具很强的学科理论基础以 及应用基础，因而发展前景广阔。 2 2 2 数据挖掘概述 数据挖掘( d a t am i n i n g ，简称d m ) 作为一种新兴的、强有力的计算机数据处 理分析术，正扮演着入侵者和竞争者的角色，成为当前最有前途的发展方向。由 于据挖掘的理论基础之一是数理统计，因此也可以将其看作是数据统计的一个发 展。 数据挖掘就是从大量的数据中提取或挖掘知识( d a t am i n i n gr e f e r st o e x t r a c t i n go r “m i n i n g ”k n o w l e d g ef r o ml a r g ea m o u n t so f d a t a ) ，即从大量的原始数 中提取隐含的知识的过程( d a t am i n i n gi st h ep r o c e s so fe x t r a c t i n gk n o w l e d g e h i d d e nf r o ml a r g ev o l u m e so f r a wd a t a ) ，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、但又是潜有用 的信息和知识的过程【3 8 1 。提取的知识表示为概念( c o n c e p t s ) 、规贝, l j ( r u l e s ) 、规律 ( r e g u l a r i t i e s ) 、模式( p a t t e r n s ) 等形式。是通过挖掘数据仓库中存储的大量数据， 从中发现意义的新的关联模式和趋势的过程【1 2 】【1 3 】。数据挖掘常用的挖掘方法有 分类法、关联规则法、聚类法等。 2 2 3 整合与迁移 8 硕士学位论文 第二章相关理论研究 近年来传统的考试统计学领域很少有新的内容和技术方面的拓展，数据挖掘 理论的出现和逐步成熟，极有可能推动其研究领域向纵深发展。 从理论上说，数据挖掘理论的很多方法是从统计学理论中继承的，其理论体 系和结构与传统的统计学理论面貌十分相似，两者整合的可行性表现为【6 】： 研究对象的一致性 研究目标的统一性 研究方法的继承性 具体的说，统计学理论和数据挖掘理论成立的前提和目的都是对数据进行处 理和分析，研究的方法论、研究内容和对象、基本概念都是同根同源的，可以说 是在原有统计学理论的基础上结合了数据库和数据仓库理论而开创的新的理论 领域。 从技术层面上来说，数据挖掘是一种更深层次的数据信息分析方法，相对于 统计学原有的描述数据并“就事论事”的分析形态，它更注重从原始数据中发现 规律，寻求未知的、有价值的模式，是传统的统计学理论在分析方法和分析深度 上的突破，可以说数据挖掘理论和技术是统计学理论与技术在信息科技时代的发 展。 因此，对于统计学的子学科考试统计学来说，将数据挖掘技术应用于其 中无疑是非常有益的尝试，它可以拓宽研究视野，全面地统计和分析考试结果与 各种因素之间隐藏的内在联系。 一般来说，对考试成绩的挖掘处理多采用基于数理统计的数据挖掘方法，统 计方法是数据挖掘最基本的理论来源，也是经典有效的数据处理方法。常用的统 计方法将在下节介绍。 2 2 4 统计分析方法 ( 1 ) 常用统计量 数理统计中，常把描述样本特征的量称为统计量常用的统计量有平均数、中 位数、最大值、最小值、全距、方差、标准差等。这些统计量计算较为简单，在 日常的统计分析中使用最为广泛，也是最能直观反映样本特征的统计量。本教改 决策支持系统的很多模块的功能均使用了这些统计量，如总人数、平均分、最高 分、最低分、成绩标准差等。 ( 2 ) 因子分析 “因子分析”的概念起源于二十世纪初k a r lp e a r s o n 和c h a r l e ss p e a n n e n 等 人关于智力测验的统计分析。近年来，随着电子计算机的高速发展，人们将因子 分析方法成功地应用于各个领域，如教育领域研究中有着广泛的应用，使得因子 分析的理论和方法更加丰富【1 4 1 。 9 硕士学位论文第二章相关理论研究 因子分析是一种主要用于数据简化和降维的多元统计分析方法。在教育数据 挖掘过程中，经常需要面对大批量的教育数据，这些数据不但数据量大，涉及的 变量众多，而且变量间往往存在一定的相关性，为分析问题带来了一定的难度。 因此，如何正确有效的处理这些多变量大样本的数据，因子分析成为一种有效的 手段。在面对诸多具有内在相关性的变量时，因子分析试图使用少数几个随机变 量来描述众多变量所体现的一种基本结构，从而将数据降至一个可以掌握的水 平。这既有利于问题的分析，易于抓住教育问题的本质所在，同时也为后续的统 计分析和数据挖掘奠定了基础。 ( 3 ) 方差分析 方差分析是一种定性的统计分析方法。1 9 2 3 年，创始人费歇尔首先提出方 差分析，通过方差分析可以进行定性判断。它同回归分析是使用最多的两种统计 方法。假设检验是指在总体存在某些不确定情况时，为了推断总体的某些性质， 提出关于总体的某些假设，对此，假设利用置信区间来检验，即任何落在置信区 间之外的假设判断为“拒绝”，任何落在置信区间之内的假设判断为“接受 【1 5 】。 单因素方差分析：单因素方差分析也称作一维方差分析。它检验由单一因素 影响的一个或几个相互独立因变量的各因素水平分组的均值之间的差异是否具 有统计意义。它检验由单一因素影响的几个彼此独立的组是否来自均值相同的总 体。还可以对该因素的若干水平分组中哪一组与其它组均值间具有显著性差异进 行分析，即进行均值的多重比较。 多元方差分析：多元指的是在方差分析中响应变量不止一个。多元方差分析 的基本原理与单响应变量的方差分析相似，都是通过检验两个或多个样本均数差 异是否显著，从而得出结论的统计方法。 ( 4 ) 回归分析 回归分析是一种估值和预测的手段，它能发现两个或多个数值表示的属性之 间的函数关系，并用此模型束预测这些连续变量的未来数据的种类、特征等。在 估值和预测时，只要输入变量值，通过回归方程就可得到输出变量的状态，是数 据挖掘常用的手段之一。 在现有的成绩数据库中，对某些课程的成绩进行回归分析，确定它们之间是 否存在函数关系，若有的话，函数关系又是怎样的。这样一方面就可以通过已确 定的函数关系，预测学生未来的成绩走势；还可以根据学生现有的兴趣爱好预测 其将来的优势学科，或是根据高考成绩预测未来一些课程的成绩，对预测成绩不 好的学生，加强该课程的学习以提高实际考试成绩。另一方面，根据课程之间的 依赖关系，确定某些课程对其它课程依赖的强弱并进行比较，可以依据一些特定 的算法来挖掘出某些更深层次的规则。 l o 硕士学位论文 第二章相关理论研究 总之，在考试统计学中，只要两个或多个变量存在一一对应的关系，并且较 少地受到外界因素的影响，就可以用回归分析方法加以解决。 ( 5 ) 相关分析 相关分析指通过求变量间的相关系数来确定变量间的相关程序。相关分析是 研究不同变量间密切程度的一种十分常用的统计方法。相关分析必须通过检验。 检验的假设是：总体中两个变量间的相关系数为0 。一般情况下，我们给出假设 成立概率的域值为5 ，当概率p 小于5 时，则认为原假设不成立，否则，接 受原假设，认为总体两变量相关系数为0 。相关关系多种多样，归纳起来有六种 类型：强正相关关系、弱正相关关系、强负相关关索、弱负相关关系、非线性相 关关系、不相关关系。通过相关图的描绘和回归方程的建立，可从影响着某个变 量的许多变量中判断哪些变量是显著的，哪些是不显著的，并可利用回归方程进 行预测和控制【1 6 】。 硕士学位论文第三章决策支持系统的总体设计 第三章决策支持系统的总体设计 3 1 系统分析与设计思想 3 1 1 系统的设计原则 为了满足应用需要，达到设计目标，保证软件的质量，软件系统在设计时必 须遵守一定的原则。现结合软件工程的设计思想，对本决策支持系统的设计提出 以下设计原则： ( 1 ) 界面友好原则 系统界面是用户与系统数据交互的窗口，友好的工作界面视觉效果良好、操 作清晰、导航明确，能让用户工作时保持心情愉快。 ( 2 ) 准确性原则 系统要对大量的学生考试相关信息进行处理，人数多、数据量大，数据频繁 地导入导出，在这整个过程中保证数据处理的准确性是至关重要的。另外对影响 计算机基础教学相关因素进行分析处理时，对所有通过调查问卷收集上来的数据 进行的统计处理同样要保证准确性。 ( 3 ) 灵活性原则 系统的设计应充分考虑灵活性的原则，因为实际的需求会不断变化。必须采 用合理的模块化的软件设计思想，使系统局部的变化不影响其他各模块的功能， 满足系统软件在需求变更和软件技术发展时灵活的适应能力【1 7 】。 ( 4 ) 高性能原则 计算机基础课程教改决策支持系统要遵循高性能的原则，面对大数据量的统 计分析时，需要对数据的存储方式、统计方法、数据挖掘方法等方面进行研究， 采用最优的算法准确高效地得出结论。 ( 5 ) 可扩展性原则 可扩展性是软件系统设计的一个重要原则。可扩展性强，说明系统能够方便 地增减所需的模块，进行软件升级【1 8 】。因此，软件在设计时应满足当有新的需求 时能够在原有的系统的基础上进行扩充，增加新的功能。同时能够提供多种接口， 保证其它系统方便调用此系统中的信息，实现信息共享。 3 1 2 系统需求分析概述 本课题研究的目的是通过对计算机基础教学现状的评价和分析，得出结论， 找出存在的问题，并依据得出的结论制定相应的改革对策，促进高校计算机基础 1 2 硕士学位论文第三章决策支持系统的总体设计 教学的提高。然而，传统的统计方法效率低下，容易出错，并且仅仅局限于通过 对学生考试成绩的分析得出结论、制定改革措施。没有对教学现状的各个方面进 行全面地、科学地评价和分析，据此制定的改革政策难免有一定的局限性，对提 高教学质量、提高大学生计算机水平方面的作用有限。因此，有必要采用软件系 统对教学现状进行科学地评价。系统具体要实现以下几个方面的功能： ( 1 ) 构建高校计算机基础教学的评价指标体系 提高大学生计算机的应用能力和信息素养是计算机基础教学的目标。这个目 标的实现是受整个高校教育环境的各个方面的因素影响的。而这些因素的影响又 是潜在的、隐形的、没有量化的，教育管理者和教师只是笼统地知道这些因素有 影响，但具体到哪些因素作用大，那些因素作用小又不是很清楚。在这种情况下 进行课程设置、课时安排、教学方法的选择等方面就有一定的盲目性，缺乏具体 的科学的依据作为支撑。因此，有必要采用恰当的方法对影响计算机教学的各方 面因素进行分析，构建一个指标体系并计算各指标的权重。据此，就可以有针对 性地制定教学改革措施，安排教学活动了。 ( 2 ) 成绩统计分析功能 考察学生计算机水平的一种重要方式就是考试。所以，考试成绩是学生对所 学知识的掌握程度的最直接体现，作为衡量学生学习效果的重要标准有着不可动 摇的地位。同样，考试成绩对教学改革对策的制定具有非常重要的参考价值，是 政策制定的主要依据。因此对学生考试成绩进行科学地、多角度地、多层次地统 计分析就成了本决策支持系统的一个重要的组成部分。高校计算机基础教育包含 多门课程，为了全面反应学生计算机水平，本课题以湖南省高校非计算机专业计 算机水平等级考试的历年成绩作为主要的数据来源。通过考试成绩的分析，可以 为全省的和各个高校的计算机基础教学改革政策的制定提供强有力的数据支持。 ( 3 ) 深层次统计分析功能 本功能主要是对成绩、教学软硬件资源、师资力量、教学考核方法、学生自 身情况等一些因素进行统计分析，采用相关分析、回归分析、因子分析等分析方 法。各高校的教学资源情况通过设计高校计算机基础课程教学情况调查表( 见附 录1 ) ，相关数据均通过调查表下发到各高校调查得到。通过统计分析，找出隐 含在各因素之间的线性关系、相关度等。 ( 4 ) 成绩的形成性评价功能 一次考试的成绩仅仅反映了一个学年、一个学期、一届学生的计算机基础教 学情况，要进行教学改革政策的制定仅仅参考一次考试的成绩是不够的。分析历 年的多次的考试成绩情况，进行形成性评价分析，既能反映一段较长时间内的计 算机基础教学情况，也能对未来考试的成绩情况进行预测。以此来制定相应的教 1 3 硕士学位论文第三章决策支持系统的总体设计 学改革策略就更加合理。 3 1 3 系统总体结构设计 基于以上的系统需求分析，将各模块的功能和操作细化后形成教改决策支持 系统的总体功能结构图如图3 1 所示： 图3 - 1 系统总体框架图 图中各个模块的详细功能与设计将在下节介绍。 3 2 系统功能模块设计 3 2 1 教学现状评价指标体系 建立一个科学、有效的指标体系是教学评价的基础和必要条件。教学现状评 价指标体系属于软科学范畴，软科学的基本要求是将科学研究引入管理和决策过 程，利用现代科学技术手段，使管理和决策成为有科学依据和制度保证的过程， 从而实现管理和决策的高效化、科学化和现代化。 指标在评价中的地位决定了指标的设计要遵循一定的原则。结合教育技术理 论和教学评价思想，提出指标体系构建的以下几个原则【1 9 】： ( 1 ) 与目标的一致性 指标既然是目标的具体化、行为化和操作化，那么它就必须充分地反映目标， 要与教育目标和管理目标相一致。 ( 2 ) 直接的可测性 指标的直接可测性就是指标作为具体的目标，可用操作化的语言加以定义， 它所规定的内容可通过实际观察加以直接测量，以获得明确的结论。 ( 3 ) 体系内指标的相互独立性 指同一层次的各条指标必须不存在任何包含与被包含的关系，相互不重叠， 1 4 硕士学位论文第三章决策支持系统的总体设计 不存在因果关系，不能从这一条导出另一条。 ( 4 ) 指标体系的整体完备性 也就是指标体系的指标全面性。指标体系不应遗漏任一个重要指标，能够全 面地、毫无遗漏地再现和反映教育目标和管理目标。 ( 5 ) 指标的可比性 指标必须反映被评价对象共同的属性。这种属性的一致性，是可比的前提， 也是可比的基础。 ( 6 ) 可接受性 指标的可接受性具有两层含义：其一是符合实际情况，从实际出发提出指标 才是可接受的。其二是按指标进行评价是可行的。 基于以上的原则，本文对影响高校计算机基础课程教学的众多因素进行了归 纳总结，有选择地进行了取舍，最终选择硬件资源、师资力量、教学考核和学生 情况四个一级指标对教学现状进行评价。进而，又对这四个一级指标进行细化， 硬件资源设置了四个二级指标，师资力量设置了三个二级指标，教学考核设置了 五个二级指标，学生情况设置了三个二级指标，共1 5 个二级指标，如表3 1 所 示： 表3 - 1 评价指标体系 一级指标二级指标 计算机数量 多媒体教室数量 硬件资源 计算机档次 网络情况 教师职称 师资力量教师学历 教师教龄 教材 教学方法 教学考核 电子资源 考核方式 上机时间 学生计算机基础 学生情况学习方法 学习态度 各指标权重值得计算在第四章详细介绍。 1 5 硕士学位论文 第三章决策支持系统的总体设计 3 2 2 成绩统计分析模块 该模块由三部分组成，即从三个角度对成绩进行统计分析。该课题的研究是 基于湖南省高校计算机基础课程教学现状进行的。为了全面反映全省的高校大学 生的计算机的水平，成绩统计分析模块把湖南省高校非计算机专业计算机水平等 级考试的历年成绩作为主要的数据来源。考试分一级a n - - 级两个水平等级，一级 考试注重考查学生的计算机基本知识和信息素养；二级考试不仅考察基础知识， 还要考查学生的编