关联规则在高校开放式实验教学改革中的应用

摘要:该文主要介绍在高校开放式实验教学改革中关联规则的挖掘应用,分析了关联规则应用的可行性,并将关联规则Apriori算法用在开放式实验信息中进行挖掘,得到了学生实验数据中隐式且可靠的关联信息,从而更科学地安排并控制开放式实验,可给各类高校开放式实验的教学与改革提供参考。

关键词:教学改革;开放式实验;关联规则;实验教学

中图分类号:G642文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)11-2669-02

Association Rules in an Open University Teaching Reform of Experiment

LI Meng-shan, ZHU Hua, WU Yan

(Jingdezhen Ceramic Institute of Science and Technology Institute of the Arts, Jingdezhen 333001, China)

Abstract: This paper describes an open experiment in college teaching reform in the application of association rules mining to analyze the feasibility of application of association rules, Apriori algorithm for association rules and will be used in an open excavation experimental information obtained in the experimental data of students implicitly association and reliable information to arrange a more scientific and controlled open-ended experiments, can open all kinds of colleges and universities teaching and the reform of the experiment to provide reference.

Key words: educational reform; open-ended experiment; association rules; experimental education

随着高等院校教育事业改革的快速发展,高校培养学生的目标由应用型到研究性转变,培养创新型、复合型人才更是新时期我国高校人才培养的首要目标之一。实验教学作为高校人才培养的重要组成部分,起着至关重要的作用,而在传统的实验教学中,教学形式比较单一,实验内容也相对陈旧等缺点,为克服传统的实验教学给高校的发展带来的不便,实验教学必须走开放式的改革道路。

开放式实验教学的改革,是指在发挥学生主动性的同时,让学生去揭示所研究的问题,培养学生的观察能力、思维能力、实验技能与技巧和良好的科学态度,在开放式实验教学改革的过程中,存有各学期学生实验的信息数据库,考虑如何在这些大量的学生实验数据库中找出一定的规律,使找出的规律能为实验设备的合理投入、合理安排实验教师等提供科学的必要的可靠信息成为开放式实验教学改革中的重大突破。

1 关联规则的分析

关联规则挖掘技术就是从大量的可靠数据中挖掘出有用的相关信息,从不完全的、模糊的、随机的数据中寻找出隐式的,规律性的、人们事先未知的,但最终又为有用的、可理解与表示的信息或知识的过程,应用于各类信息的获取。

从关联规则的算法特征与应用领域可以看出,完全可使用关联规则Apriori算法对学生实验信息数据库进行数据挖掘,挖掘出可利用的信息规律,为系统设置提供科学的参考规律,从理论技术上的支持上是可行的。

2 关联规则在开放式实验中的应用

高校开放式实验教学的改革是面向全校开放型实验室,因此涉及的实验室较多,实验项目也较多,现就以开放式大学物理实验为例,介绍关联规则在学生实验数据库中挖掘的应用。

大学物理实验室的开放是对实验内容、实验时间和实验地点的开放,学生根据自己的自由时间、爱好和兴趣进行网上实验的预约,预约成功后学生将在所预约的时间和地点去完成实验。大学物理实验开放的对象是所有工科类学生,实验在两学期完成,大学一年级下学期和大学二年级上学期。现为了统计与挖掘的方便,将对所有实验进行的编号如表1。

将关联规则Apriori算法应用到物理实验的大量数据库中进行分析,将学生预约数据转化为可被处理的代码,形成各类学生预约物理实验数据库信息统计表,下面对同类实验和不同类实验分别讨论。

2.1 同类实验的关联

物理实验共有力学类、光学类和电学类三类,针对这三类实验我们进行了数据库的汇总,并将实验预约数据库中的实验项目转换成可被挖掘的数据形式,按实验类别建立物理实验项目代码表如表2所示。

将上述实验项目代码表结合扫描学生预约实验数据库,形成学生实验数据信息表3。

表3中学生代号为学生的学号,表格中的数据为学生预约某类实验的个数,反应了学生预约各类实验个数的真实情况。

Apriori 算法通过项目集元素数目不断增长来逐步完成的,1) 同频繁k-1项集通过自连接产生长度为k的候选k项集;2) 对至少有一个非步子子集的候选项进行剪技;3) 扫描所有的事务来获得候选项集的支持度。使用Apriori算法对数据进行挖掘处理,假设我们的支持度阀值设为85%,并将最小置信度设置为80%,在Apriori 算法的挖掘中我们得到规则表如表4所示。

通过上述所得到的关联规则表中可挖掘的规律有:

在两个学期的实验预约中,预约同一类物理实验的学生几乎达到100%;

从关联规则表可知,若学生在大一下学期预约了某一类物理实验的话,在大二的上学期中必然会选择预约此类物理实验,如学生代号以L开头的学生预约了大一下学期的所有力学实验。

通过得到的此规律我们可以看出,学生预约实验时,会根据学生自己的实验兴趣去预约实验,喜欢力学类实验的学生会把力学类实验全部预约,同样对光学或对电学类实验感兴趣的会预约光学类或电学类所有实验。

通过此规律现象,也反应了学生有可能产生实验的偏向问题,也即只对学生自己喜欢的某类物理实验感兴趣,而对其他类实验有所放弃,当然,系统管理员可以通过一些手段来解决此类问题的发生,如:可以规定学生每类实验必选的实验个数;对同类实验预约超过规定个数后限制预约或提醒预约其他类实验等方式。

2.2 不同类实验实验的关联

在不同类别的物理实验中也有可能产生一些比较相似或者说是概念上有共同点的物理实验,我们把实验代号和实验名称建立如表5所示。

通过转换成可被挖掘的数据信息后,扫描学生预约实验数据库并结合实验表,将学生预约数据库中相关信息转化可被Apriori算法处理的代码,形成学生预约实验信息数据库,同理,使用Apriori算法对数据进行处理,假设我们的支持度阀值设为75%,并将最小置信度设置为60%,最终所得到的关联规则表如下所示。

以上从关联规则表可以看到,不同类别的实验也有关联性,其中声速的测量、普朗克常数的测定、低电阻的测量、基本测量实验、电桥法没电阻和示波器的使用为类相似实验,也即它们之间预约的可能性都几乎一致,也即若学生预约了声速的测量,则很有可能会预约普朗克常数的测定、低电阻的测量、基本测量实验、电桥法测电阻和示波器的使用这些实验。

3 结束语

开放式实验教学的改革,打破了过去“保守、封闭”的传统教学体系,关联规则挖掘技术在开放式实验信息中的应用,又为开放式实验教学的改革提供可靠的关联性预约信息,加快了实验教学改革的步伐。

关联规则在高校开放式实验教学改革的应用,不仅给教学改革提供有效数据外,还能通过数据信息给教学改革提供新的改革思路。

由于时间仓促和知识水平的有限,本本还存在不足之处,设计思想也需要不断更新。希望能够在今后的工作中进一步的完善。

参考文献:

[1] 铁治欣,陈奇,俞瑞钊.关联规则采掘综述[J].计算机应用研究,2000(1):3-7.

[2] 吴宝锁.关于开放式实验室教育的探讨[J].教育创新,2005(9):23-25.

[3] 马忠丽.高校开放式实验室建设探讨[J].实验技术与管理,2005(7):18-20.

[4] 雷刚跃.基于WEB的开放式实验室综合信息处理平台及关键技术研究[D].长沙:中南大学硕士学位论文,2005.