陳剛 李英玉 呂鑫

摘? 要： 常規(guī)計算機(jī)輔助課堂教學(xué)系統(tǒng)用戶并發(fā)數(shù)小，信息檢索時間長，為此設(shè)計基于數(shù)據(jù)挖掘的計算機(jī)輔助課堂教學(xué)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)存儲器包含SARM儲存器、CD?ROM和硬盤三部分，布置OLAP服務(wù)器，利用交換機(jī)實(shí)現(xiàn)前端工具與應(yīng)用的功能整合。在硬件設(shè)計完成的基礎(chǔ)上，利用函數(shù)對數(shù)據(jù)源中的海量信息進(jìn)行分類，通過神經(jīng)元的數(shù)量計算隱含層，完成基于數(shù)據(jù)挖掘的計算機(jī)輔助課堂教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，基于數(shù)據(jù)挖掘的計算機(jī)輔助課堂教學(xué)系統(tǒng)比常規(guī)教學(xué)系統(tǒng)高出58個用戶并發(fā)數(shù)，信息檢索時間比常規(guī)教學(xué)系統(tǒng)快0.72 s。

關(guān)鍵詞： 計算機(jī)輔助; 課堂教學(xué)系統(tǒng); 數(shù)據(jù)挖掘; 系統(tǒng)設(shè)計; BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò); 仿真實(shí)驗(yàn)

中圖分類號： TN919?34; TP311.52? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）04?0094?03

Design of computer?aided classroom teaching system based on data mining

CHEN Gang， LI Yingyu， L? Xin

（Branch of Information Engineering， College of Optical and Electronical Information， Changchun University of Science and Technology， Changchun 130000， China）

Abstract： A computer?aided classroom teaching system based on data mining is designed to solve small concurrent number of users and long time?consumption of information retrieval in the conventional computer?aided classroom teaching system. The data storage device contains three parts： SARM storage， CD?ROM and hard disk. The OLAP server is arranged， and the integration of front?end tools and application functions is realized with the switch. On the basis of the completion of hardware design， the massive information in the data source is classified by means of the function. The hidden layer is calculated with the quantity of neurons， so as to complete the design of the computer?aided classroom teaching system based on data mining. The experimental results verify that the designed system's concurrent number of users is 58 higher and its information retrieval time is 0.72 s faster than those of the conventional teaching system.

Keywords： computer assist; classroom teaching system; data mining; system design; bp neural network; simulation experiment

0? 引? 言

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時代到來，將計算機(jī)信息化應(yīng)用在課堂上進(jìn)行教學(xué)開發(fā)與資源整合是必然趨勢，因此各類計算機(jī)輔助課堂教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[1]。在計算機(jī)普及的今天，輔助課堂教學(xué)系統(tǒng)促進(jìn)了信息化技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，傳統(tǒng)的計算機(jī)輔助教學(xué)逐漸演變成了計算機(jī)在線輔助教學(xué)[2]，成為課堂外另一課堂。

常規(guī)的計算機(jī)輔助課堂教學(xué)系統(tǒng)用戶并發(fā)數(shù)小，且信息檢索時間長，為此提出了基于數(shù)據(jù)挖掘的計算機(jī)輔助課堂教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，對硬件的3個部分進(jìn)行設(shè)計，在軟件設(shè)計中引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[3]，以期提高用戶并發(fā)數(shù)，縮短信息檢索時間，優(yōu)化用戶體驗(yàn)。

1? 輔助課堂教學(xué)系統(tǒng)總體框架設(shè)計

計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)依托于校園局域網(wǎng)絡(luò)得以應(yīng)用，其信息傳播路徑主要通過校園局域網(wǎng)。計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)包含硬件環(huán)境、教學(xué)資源、教學(xué)活動以及輔助教學(xué)系統(tǒng)維護(hù)管理[4]。通過計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)計算機(jī)在線輔助教學(xué)系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

1.1? 硬件設(shè)計

計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)中的硬件結(jié)構(gòu)結(jié)合了電子信息技術(shù)及數(shù)據(jù)處理，是科技發(fā)展的標(biāo)志[5]。因此，產(chǎn)業(yè)界認(rèn)為，基于數(shù)據(jù)挖掘的計算機(jī)輔助課堂教學(xué)系統(tǒng)硬件建設(shè)既是一個系統(tǒng)的工程，同時也是一個復(fù)雜的過程。計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

硬件結(jié)構(gòu)框圖包含三部分：數(shù)據(jù)儲存與管理，OLAP服務(wù)器、前端工具與應(yīng)用。按照圖2中的硬件結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)中的每一個硬件部分進(jìn)行具體設(shè)計。

1.1.1? 數(shù)據(jù)儲存器設(shè)計

硬件中最關(guān)鍵的部分是數(shù)據(jù)存儲器，它相當(dāng)于系統(tǒng)的大腦。本設(shè)計中，數(shù)據(jù)存儲部分包括SARM儲存器、CD?ROM和硬盤三部分。SARM儲存器的作用是可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的電擦寫[6]，芯片選擇的是海思公司麒麟系列的HI3520 RTSP芯片，其總?cè)萘繛?12 TB，數(shù)據(jù)總線寬度為1 111 bit，可以增加系統(tǒng)的吞吐量。在選擇EMIFA boot模式并上電之后，芯片可以自動將程序裝在CD?ROM的儲存空間中。基于CD?ROM的存取速度快，是保存系統(tǒng)自啟動代碼的通常選擇。硬盤選用三星（SAMSUNG） 2 TB Type?c USB 3.1移動硬盤，固態(tài)（PSSD）T5，最大傳輸速度540 MB/s ，接在SARM儲存器接口空間。

1.1.2? OLAP設(shè)計

OLAP又稱聯(lián)機(jī)分析處理服務(wù)器，主要作用是對需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、重組或集成，使分析人員能夠以多角度、多層次迅速地從各個方面觀察信息，以達(dá)到深入理解數(shù)據(jù)的目的[7]，提供對數(shù)據(jù)分析的多維視圖和分析，實(shí)現(xiàn)多維信息的共享。OLAP部分工作流程見圖3。

1.1.3? 前端工具與應(yīng)用設(shè)計

交換機(jī)是前端工具與應(yīng)用核心，功能復(fù)雜且種類繁多。利用一個交換機(jī)可省略常規(guī)系統(tǒng)中的其他硬件設(shè)施[8]。具體結(jié)構(gòu)功能見表1。

根據(jù)報表1可一目了然反映出學(xué)生個體以及群體的綜合素質(zhì)情況，實(shí)現(xiàn)對學(xué)生綜合素質(zhì)評價。綜上完成基于數(shù)據(jù)挖掘的計算機(jī)輔助課堂教學(xué)系統(tǒng)的硬件設(shè)計。

1.2? 軟件設(shè)計

教學(xué)成果的數(shù)據(jù)信息包括學(xué)校內(nèi)部信息以及學(xué)校外部信息。學(xué)校的內(nèi)部信息包括學(xué)生信息、考試成績等;外部信息則指各類教學(xué)資源、數(shù)據(jù)源等信息，這些信息都嵌在數(shù)據(jù)源集成部分中。需要把這些海量、分散的數(shù)據(jù)信息按照一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，并遷移到一個中心儲存站中[9]。這些信息分類需通過函數(shù)形式表示，如下：

[D=d11? ? ?d12? ? ?…? ? ?d1md21? ? ?d22? ? ?…? ? ?d2m?? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ?dn1? ? ?dn2? ? ?…? ? ?dnm] （1）

設(shè)n個教學(xué)對象為集合[X=x1，x2，…，xn]，選定m個教學(xué)指標(biāo)記作集合[Y=y1，y2，…，ym]，教學(xué)結(jié)果[D=f（W）]，其中[W=w1，w2，…，wm]，表示各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，這樣使海量信息在函數(shù)作用下排序和分類。為將已經(jīng)分類的信息進(jìn)行傳遞，需要在軟件設(shè)計中引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[10]。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的神經(jīng)元在各層之間進(jìn)行傳遞，支撐起整個信息傳遞渠道。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的輸入層主要依靠交互渠道進(jìn)行創(chuàng)建，輸入內(nèi)容是影響神經(jīng)元的事件，神經(jīng)元的激活函數(shù)選擇是主體X型函數(shù)，其表達(dá)式為：

[net=x1w1+x2w2+…+xnwn]? ?（2）

式中：[x1]，[x2]，[…]，[xn]代表的是神經(jīng)元的輸入;[w1]，[w2]，[…]，[wn]代表對應(yīng)的連接權(quán)重值。再將這些神經(jīng)元傳遞至隱含層，隱含層主要包括數(shù)據(jù)處理的核心，作用是處理所傳遞的相關(guān)信息，并向輸出層傳輸結(jié)果。隱含層神經(jīng)元數(shù)目對系統(tǒng)本身所具有的性能有著直接性影響。隱含層數(shù)目公式為：

[nH=0.43nm+2.54m+0.12n+0.35+0.51] （3）

式中：[m]表示輸出層的神經(jīng)元數(shù)量;[n]表示輸入層神經(jīng)元數(shù)量;[nH]表示隱含層數(shù)目。

2? 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1? 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)環(huán)境采用Simu works平臺，服務(wù)器端采用綜合素質(zhì)測評系統(tǒng)的服務(wù)器：DELL公司的PowerEdge R860（R420720），利用Java Development Tools（JDT）進(jìn)行開發(fā)，數(shù)據(jù)庫設(shè)計輔助工具使用SAP HANA。服務(wù)器端采用的OS是Microsoft Windows XP/SP2。

2.2? 用戶并發(fā)數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用Simu works平臺，在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，對常規(guī)的計算機(jī)輔助課堂教學(xué)系統(tǒng)和本文設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行用戶并發(fā)數(shù)測試，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成圖，結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可看出，使用本文系統(tǒng)的用戶并發(fā)數(shù)平均為131個，常規(guī)系統(tǒng)的用戶并發(fā)數(shù)平均為73個。說明本文系統(tǒng)性能更優(yōu)。

2.3? 信息檢索時間

利用Simu works平臺，在第2.1節(jié)所述的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，對常規(guī)的計算機(jī)輔助課堂教學(xué)系統(tǒng)和本文設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行信息檢索時間測試，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成圖，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，使用本文設(shè)計系統(tǒng)信息檢索時間平均為0.75 s，常規(guī)系統(tǒng)的信息檢索時間平均為1.47 s。說明本文系統(tǒng)檢索時間用時更短。綜上所述，本文設(shè)計的基于數(shù)據(jù)挖掘的計算機(jī)輔助課堂教學(xué)系統(tǒng)在仿真實(shí)驗(yàn)中，相對于常規(guī)教學(xué)系統(tǒng)來說，用戶并發(fā)數(shù)更高，信息檢索時間更短，驗(yàn)證了設(shè)計的基于數(shù)據(jù)挖掘的計算機(jī)輔助課堂教學(xué)系統(tǒng)的有效性。

3? 結(jié)? 語

本文設(shè)計基于數(shù)據(jù)挖掘的計算機(jī)輔助課堂教學(xué)系統(tǒng)，確定數(shù)據(jù)儲存與管理部分中存儲器的型號選擇，設(shè)計OLAP部分的工作流程，利用交換機(jī)實(shí)現(xiàn)前端工具與應(yīng)用的功能整合。在硬件設(shè)計完成的基礎(chǔ)上，利用函數(shù)對數(shù)據(jù)源集成部分中海量信息進(jìn)行分類表示，引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過神經(jīng)元的數(shù)量計算隱含層，完成基于數(shù)據(jù)挖掘的計算機(jī)輔助課堂教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，基于數(shù)據(jù)挖掘的計算機(jī)輔助課堂教學(xué)系統(tǒng)比常規(guī)教學(xué)系統(tǒng)的用戶并發(fā)數(shù)量高出58個，信息檢索時間比常規(guī)教學(xué)系統(tǒng)快0.72 s，驗(yàn)證了基于數(shù)據(jù)挖掘的計算機(jī)輔助課堂教學(xué)系統(tǒng)的有效性。

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