摘  要： 結(jié)合高職院校職業(yè)技能的評估情況,，利用流行的網(wǎng)絡開發(fā)技術,，應用改進的決策樹ID3算法和XML技術，設計并實現(xiàn)了高職學生綜合技能評估系統(tǒng),，為高職教學提供可行的數(shù)據(jù)和決策支持,。

　　關鍵詞： 綜合技能評估；數(shù)據(jù)挖掘,；ID3算法,；XML

　　如何讓教師掌握學生學習情況，對學生給出建設性的學習意見,；如何讓學生根據(jù)學習成績和自身素質(zhì),，了解學習特點，明確專業(yè)學習方向,，是高職院校教育工作者應該致力解決的問題,。設計并開發(fā)適合高職學生特點和職業(yè)崗位要求的、能夠為高職師生教學和學習提供數(shù)據(jù)和決策支持的學生綜合技能評估系統(tǒng),，對于檢驗學生當前學習情況,，做好在校期間的職業(yè)生涯規(guī)劃，有著積極的指導意義,。

　　數(shù)據(jù)挖掘（Data Mining）是指從大量結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)中提取有用的信息和知識的過程,，是知識發(fā)現(xiàn)的有效手段[1]。通過應用數(shù)據(jù)挖掘技術,，可以將目前高職院校的各種管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)有效利用,，并應用到實際的教學決策和學習指導中，對提高高職教學質(zhì)量是非常有建設意義的,。

　　本文利用數(shù)據(jù)庫技術和網(wǎng)絡開發(fā)技術,，改進數(shù)據(jù)挖掘技術中的分類ID3算法，給出開發(fā)高職學生綜合技能評估系統(tǒng)的基本思路和實現(xiàn)方法,。

　　1 設計思路

　　根據(jù)高職教學的基本特點,，綜合技能評估系統(tǒng)的主要功能是對學生當前的課程成績和基本素質(zhì)進行評估，以及依據(jù)當前成績對學生的未來職業(yè)方向進行預測,，并給出學習的指導性意見,。

　　在綜合技能評估系統(tǒng)中，無論是課程成績的評估,，還是對學生綜合技能的預測評估,，考慮到應用數(shù)據(jù)挖掘技術中的分類ID3決策樹方法，選取一門課程的不同類成績,，或者學生綜合技能的相關課程成績,，以此作為數(shù)據(jù)樣本，生成相關決策樹,，最后依據(jù)決策樹的葉子節(jié)點給出評估結(jié)論或者評估建議,。

　　1.1 ID3算法

　　ID3算法是由Quinlan首先提出的。該算法是以信息論為基礎,，以信息熵和信息增益為衡量標準,，首先檢測所有屬性，選擇信息增益值最大的屬性產(chǎn)生決策樹節(jié)點,，由該屬性的不同取值建立分支,，再對各分支的子集遞歸調(diào)用建立決策樹節(jié)點的分支，直到所有子集僅包含同一個類別的數(shù)據(jù)為止,，最后得到一個決策樹,，從而實現(xiàn)對新的樣本的歸納分類[2]。

　　ID3算法中,，對于一個訓練集X,，其具有目標屬性U={u1，u2,，…,，um}，Ui在所有樣本中出現(xiàn)的頻率為pi（i=1,，2,，…，m）,，則該訓練集Ｘ所包含的信息熵E定義為：

　　通過式（1）可以看出,，算法處理過程要進行多次對數(shù)運算,。當出現(xiàn)較多數(shù)據(jù)量時，尤其是在成績評估系統(tǒng)中（可能會出現(xiàn)大量并發(fā)操作）,，這樣的運算勢必會影響生成決策樹的效率,，可見在綜合技能評估系統(tǒng)中對ID3算法進行改進，節(jié)省生成決策樹時間,，提高處理效率,，是十分必要的。

　　1.2 對ID3算法的改進

　　對于一個在線評估系統(tǒng)來說,，在某個時間段內(nèi)可能會出現(xiàn)大量的并發(fā)操作,，從而影響系統(tǒng)性能，因此,，考慮對傳統(tǒng)的ID3決策樹分類算法進行改進,。

　　在改進的算法中，利用了高等數(shù)學中的麥克勞林的近似公式：

　　當存在f（x）=ln（1+x）時,，且當x→0時,，ln（1+x）≈x

　　利用上述的近似公式，通過一系列推導后,，信息熵公式為：

　　這里設定屬性值的個數(shù)為N,。

　　在式（3）中，用常見的加法,、乘法和除法運算代替了對數(shù)運算,，與式（1）相比，節(jié)省了運算時間,。通過上述算法的改進,，在進行決策樹分裂節(jié)點選取的函數(shù)運算時，使信息熵只受屬性取值個數(shù)N的限制,，可以克服傳統(tǒng)ID3算法容易出現(xiàn)的選擇偏向問題,。

　　2 系統(tǒng)設計

　　2.1 系統(tǒng)功能設計

　　評估系統(tǒng)面向不同用戶，分為前臺系統(tǒng)和后臺系統(tǒng),。前臺系統(tǒng)面向?qū)W生和教師,，后臺系統(tǒng)面向教務管理人員。對于學生用戶,，可以通過前臺系統(tǒng)進行專業(yè)基本素質(zhì)測評,、查看課程成績評估情況、查看專業(yè)依照完成的課程成績,，通過評估算法,，了解自身的技能學習走向和技能學習指導意見；對于教師用戶,，可以查看授課班級學生的課程成績,、制定課程評估策略,、成績分析、對照課程技能點給出學生的學習指導意見,；專業(yè)負責人可以設計專業(yè)相關基本素質(zhì)的測試試題,，比照學生基本素質(zhì)答卷給出學生專業(yè)學習指導意見、制定綜合技能評估策略,、依據(jù)學生各科成績在技能評估算法的基礎上，對學生的專業(yè)學習方向有總體的掌握,；對于后臺管理用戶可以執(zhí)行上述操作的基礎上,，還具有數(shù)據(jù)導入、用戶管理,、新聞管理,、留言管理、數(shù)據(jù)備份,、查看日志等管理性工作,。評估系統(tǒng)的用例如圖1所示。

　　2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)設計

　　評估系統(tǒng)的科目成績數(shù)據(jù),、教師用戶數(shù)據(jù),、學生用戶數(shù)據(jù)來源于學院使用的凌展教務管理系統(tǒng)，由后臺教務管理人員通過導入模塊進行導入,，基本素質(zhì)測評試題由專業(yè)負責人進行錄入,，課程評估策略由課程教師進行設計和錄入，專業(yè)綜合技能評估策略由專業(yè)負責人進行設計和錄入,，關鍵數(shù)據(jù)表及其主要結(jié)構(gòu)如下,。

　　（1）基本素質(zhì)試題表（B_Question）,。主要結(jié)構(gòu)：編號,、內(nèi)容、類型,、考察點,、專業(yè)編號、選項分值等,。

　?。?）課程信息表（Course）。主要結(jié)構(gòu)：課程號,、課程名,、課程類型、開設專業(yè),、是否核心課程等,。

　?。?）課程成績表（C_Score）。主要結(jié)構(gòu)：課程號,、學號,、開設學期、任課教師,、考核方式,、平時成績、知識掌握情況,、課堂學習情況,、成績等級、期末成績等,。

　?。?）課程體系表（C_System）。主要結(jié)構(gòu)：課程號,、專業(yè)號,、專業(yè)方向、前導課程號,、后繼課程號,、相關課程等。

　?。?）課程評估策略表（C_ES）,。主要結(jié)構(gòu)：編號、策略文件,、課程編號,、創(chuàng)建日期、創(chuàng)建人等,。

　?。?）綜合技能評估策略表（IS_ES）。主要結(jié)構(gòu)：編號,、策略文件,、專業(yè)編號、專業(yè)方向,、創(chuàng)建日期,、創(chuàng)建人等。

　?。?）專業(yè)指導意見表（P_View）,。主要結(jié)構(gòu)：學號、專業(yè)編號、專業(yè)方向,、技能總評成績,、指導意見類型、指導意見等,。

　?。?）課程指導意見表（C_View）。主要結(jié)構(gòu)：學號,、課程編號,、課程總評成績、課程指導意見類型,、指導建議等,。

　　除上述表外，還有新聞表,、留言表、學生信息表,、專業(yè)傾向表等,。

　　3 系統(tǒng)實現(xiàn)

　　3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)環(huán)境

　　考慮到評估系統(tǒng)應用對象的廣泛性，系統(tǒng)采用目前流行的B/S結(jié)構(gòu)開發(fā),，后臺數(shù)據(jù)庫采用SQL Server2005,，開發(fā)環(huán)境使用Visual Studio 2005，應用.Net框架進行開發(fā),，能夠發(fā)揮系統(tǒng)的效率,，也能夠保證系統(tǒng)的安全性。

　　3.2 評估系統(tǒng)實現(xiàn)過程

　　整個系統(tǒng)的實現(xiàn)包括基本專業(yè)素質(zhì)評估,、課程評估和綜合技能評估3個環(huán)節(jié),，其中基本專業(yè)素質(zhì)測評相對簡單，就是根據(jù)學生選擇的選項計算得分,，根據(jù)得分的范圍給出相關指導性意見,，而課程和綜合技能的評估則是采用改進的ID3分類算法來執(zhí)行的，由于算法雷同,，本文僅以綜合技能評估的實現(xiàn)來說明,。

　　（1）原始數(shù)據(jù)的獲取

　　用于技能評估的數(shù)據(jù)是核心課程體系中的相關課程成績,，其來源于學院的教務管理系統(tǒng)學生核心課程成績,，通過程序模塊可以導入到對應的數(shù)據(jù)表中。

　　在進行數(shù)據(jù)導入的時候,，要進行不必要數(shù)據(jù)的清理工作,。因為大量課程成績信息是以無次序、無規(guī)則的數(shù)據(jù)記錄保存的，是有噪聲的,。需要對大量的,、潛在的有用數(shù)據(jù)進行清理，去除噪聲并識別離群點,、糾正數(shù)據(jù)中的不一致值[3],。

　　（2）數(shù)據(jù)整理

　　篩選掉與綜合技能評估的成績數(shù)據(jù)后,，要對導入進來的數(shù)據(jù)進行整理,，即依照學生的成績進行課程等級的評定?？紤]到計算的復雜性,，成績等級分為A、B,、C 3個等級,。

　　UpDate C_Score set成績等級=′A′where期末成績>=90 and期末成績<=100；

　　UpDate C_Score set成績等級=′B′where期末成績>=70 and期末成績<=89,；

　　UpDate C_Score set成績等級=′C′where期末成績>=60 and期末成績<70,。

　　（3）決策樹構(gòu)建

　　數(shù)據(jù)整理之后,，即可以利用改進的ID3算法構(gòu)建決策樹,，這個過程要經(jīng)過計算機類別屬性信息熵、計算信息增益,、產(chǎn)生根節(jié)點等步驟,，簡要算法如下。

　　輸入：S_data（樣本數(shù)據(jù)）,，Attr_list（屬性集）

　　輸出：D_Tree（決策樹）

　?、俳⒔Y(jié)點Node；

　?、趇f S_data in類C then,；

　　③返回Node為一個葉節(jié)點,，將其歸類為C,；return；

　?、躨f Attr_list is NULL then,；

　　⑤設置Node為葉節(jié)點,，標記S_data為高頻類,；

　　⑥select高頻類；//選擇最高增益屬性

　?、咴O置Node為高頻類,；

　　⑧對于每個高頻類中的值va,，創(chuàng)建一個由Node長出的值為va的分支,；

　　⑨設定Si是S_data中值為va的樣本集合,；

　?、釯f Si is NULL then。

　　加上一個葉子,，標記Si為S_data中的高頻類

　　Else

　　加上一個有Make_Dtree返回的節(jié)點,，繼續(xù)構(gòu)建決策樹

　　利用上述算法程序構(gòu)建之后的一個（網(wǎng)絡專業(yè)網(wǎng)站設計方向）簡化決策樹模型如圖2所示。該圖中對于核心課程體系中的任何一門課程成績少于60分,，即為綜合技能不合格,，因此該等級在決策樹中不予體現(xiàn)。

　?。?）決策規(guī)則表示

　　根據(jù)決策樹的分支情況,，即可以生成綜合技能評估的決策規(guī)則。如圖2所示,，一條分類規(guī)則就是從根節(jié)點到葉子節(jié)點的一條路徑，每一個屬性值構(gòu)成分類規(guī)則的條件,，而葉子節(jié)點表示的是該規(guī)則的結(jié)果[3],。分類規(guī)則采用“if-then”規(guī)則，如：

　?、買f Asp=′A′and網(wǎng)頁設計=′A′Then網(wǎng)站設計綜合技能=′合格′

　?、贗f Asp=′B′and網(wǎng)頁設計=′C′ and平面設計=′C′Then網(wǎng)站設計綜合技能=′不合格′

　　（5）評估策略文件的存儲

　　在存儲決策規(guī)則的時候,，系統(tǒng)使用易于樹形表示的XML文檔格式進行存儲,，將文件名記錄在數(shù)據(jù)庫中（即綜合技能評估策略表中的策略文件），基本文檔表示如下：

　　<Rule name="規(guī)則1">

　　<Course>ASP|網(wǎng)頁設計</Course>

　　<Score>A|A</Score>

　　<Result>合格</Result>

　　</Rule>

　　<Rule name="規(guī)則2">

　　<Course>ASP|網(wǎng)頁設計|平面設計</Course>

　　<Score>B|C|C</Score>

　　<Result>不合格</Result>

　　</Rule>

　　評估策略確定之后,，專業(yè)主任可以依據(jù)學生的核心課程成績對其綜合技能進行評估,、學生和教師也可以根據(jù)當前課程學習情況，對未來要學習的課程做出預判,，從而確定學習的努力程度,，或者對學生給出專業(yè)學習建議。

　　利用數(shù)據(jù)挖掘技術改進的ID3算法,，進行高職院校綜合技能評估系統(tǒng)的開發(fā),，可以高效地依據(jù)專業(yè)核心課程體系中各科成績進行分析、對專業(yè)綜合技能進行評估和評定，為高職院校教學管理,、專業(yè)建設和學生自主學習提供決策技術支持,，對提高教學質(zhì)量起著輔助作用。在系統(tǒng)中,，利用XML技術來存儲課程和綜合技能的評估策略,，使其更加利于決策樹的表示，提高了存取效率,，也節(jié)省了存儲空間,。

　　該系統(tǒng)目前已經(jīng)在遼陽職業(yè)技術學院信息工程系進行試運行，目前運行穩(wěn)定,，得到了使用方的認可,，證明了其具有實用性和可靠性。

　　參考文獻

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　　[3] 羅雨滋，趙鵬起.改進的ID3算法在學生綜合技能評估中的應用研究[J].佳木斯：佳木斯大學學報,，2013（4）：80-82.