關聯規則在高校開放式實驗教學改革中的應用

摘要:該文主要介紹在高校開放式實驗教學改革中關聯規則的挖掘應用，分析了關聯規則應用的可行性，并將關聯規則Apriori算法用在開放式實驗信息中進行挖掘，得到了學生實驗數據中隱式且可靠的關聯信息，從而更科學地安排并控制開放式實驗，可給各類高校開放式實驗的教學與改革提供參考。

關鍵詞:教學改革;開放式實驗;關聯規則;實驗教學

中圖分類號:G642文獻標識碼:A文章編號: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

隨著高等院校教育事業改革的快速發展，高校培養學生的目標由應用型到研究性轉變，培養創新型、復合型人才更是新時期我國高校人才培養的首要目標之一。實驗教學作為高校人才培養的重要組成部分，起著至關重要的作用，而在傳統的實驗教學中，教學形式比較單一，實驗內容也相對陳舊等缺點，為克服傳統的實驗教學給高校的發展帶來的不便，實驗教學必須走開放式的改革道路。

開放式實驗教學的改革，是指在發揮學生主動性的同時，讓學生去揭示所研究的問題，培養學生的觀察能力、思維能力、實驗技能與技巧和良好的科學態度，在開放式實驗教學改革的過程中，存有各學期學生實驗的信息數據庫，考慮如何在這些大量的學生實驗數據庫中找出一定的規律，使找出的規律能為實驗設備的合理投入、合理安排實驗教師等提供科學的必要的可靠信息成為開放式實驗教學改革中的重大突破。

1 關聯規則的分析

關聯規則挖掘技術就是從大量的可靠數據中挖掘出有用的相關信息，從不完全的、模糊的、隨機的數據中尋找出隱式的，規律性的、人們事先未知的，但最終又為有用的、可理解與表示的信息或知識的過程，應用于各類信息的獲取。

從關聯規則的算法特征與應用領域可以看出，完全可使用關聯規則Apriori算法對學生實驗信息數據庫進行數據挖掘，挖掘出可利用的信息規律，為系統設置提供科學的參考規律，從理論技術上的支持上是可行的。

2 關聯規則在開放式實驗中的應用

高校開放式實驗教學的改革是面向全校開放型實驗室，因此涉及的實驗室較多，實驗項目也較多，現就以開放式大學物理實驗為例，介紹關聯規則在學生實驗數據庫中挖掘的應用。

大學物理實驗室的開放是對實驗內容、實驗時間和實驗地點的開放，學生根據自己的自由時間、愛好和興趣進行網上實驗的預約，預約成功后學生將在所預約的時間和地點去完成實驗。大學物理實驗開放的對象是所有工科類學生，實驗在兩學期完成，大學一年級下學期和大學二年級上學期。現為了統計與挖掘的方便，將對所有實驗進行的編號如表1。

將關聯規則Apriori算法應用到物理實驗的大量數據庫中進行分析，將學生預約數據轉化為可被處理的代碼，形成各類學生預約物理實驗數據庫信息統計表，下面對同類實驗和不同類實驗分別討論。

2.1 同類實驗的關聯

物理實驗共有力學類、光學類和電學類三類，針對這三類實驗我們進行了數據庫的匯總，并將實驗預約數據庫中的實驗項目轉換成可被挖掘的數據形式，按實驗類別建立物理實驗項目代碼表如表2所示。

將上述實驗項目代碼表結合掃描學生預約實驗數據庫，形成學生實驗數據信息表3。

表3中學生代號為學生的代理學號，表格中的數據為學生預約某類實驗的個數，反應了學生預約各類實驗個數的真實情況。

Apriori 算法通過項目集元素數目不斷增長來逐步完成的，1) 同頻繁k-1項集通過自連接產生長度為k的候選k項集;2) 對至少有一個非步子子集的候選項進行剪技;3) 掃描所有的事務來獲得候選項集的支持度。使用Apriori算法對數據進行挖掘處理，假設我們的支持度閥值設為85%，并將最小置信度設置為80%，在Apriori 算法的挖掘中我們得到規則表如表4所示。

通過上述所得到的關聯規則表中可挖掘的規律有:

在兩個學期的實驗預約中，預約同一類物理實驗的學生幾乎達到100%;

從關聯規則表可知，若學生在大一下學期預約了某一類物理實驗的話，在大二的上學期中必然會選擇預約此類物理實驗，如學生代號以L開頭的學生預約了大一下學期的所有力學實驗。

通過得到的此規律我們可以看出，學生預約實驗時，會根據學生自己的實驗興趣去預約實驗，喜歡力學類實驗的學生會把力學類實驗全部預約，同樣對光學或對電學類實驗感興趣的會預約光學類或電學類所有實驗。

通過此規律現象，也反應了學生有可能產生實驗的偏向問題，也即只對學生自己喜歡的某類物理實驗感興趣，而對其他類實驗有所放棄，當然，系統管理員可以通過一些手段來解決此類問題的發生，如:可以規定學生每類實驗必選的實驗個數;對同類實驗預約超過規定個數后限制預約或提醒預約其他類實驗等方式。

2.2 不同類實驗實驗的關聯

在不同類別的物理實驗中也有可能產生一些比較相似或者說是概念上有共同點的物理實驗，我們把實驗代號和實驗名稱建立如表5所示。

通過轉換成可被挖掘的數據信息后，掃描學生預約實驗數據庫并結合實驗表，將學生預約數據庫中相關信息轉化可被Apriori算法處理的代碼，形成學生預約實驗信息數據庫，同理，使用Apriori算法對數據進行處理，假設我們的支持度閥值設為75%，并將最小置信度設置為60%，最終所得到的關聯規則表如下所示。

以上從關聯規則表可以看到，不同類別的實驗也有關聯性，其中聲速的測量、普朗克常數的測定、低電阻的測量、基本測量實驗、電橋法沒電阻和示波器的使用為類相似實驗，也即它們之間預約的可能性都幾乎一致，也即若學生預約了聲速的測量，則很有可能會預約普朗克常數的測定、低電阻的測量、基本測量實驗、電橋法測電阻和示波器的使用這些實驗。

3 結束語

開放式實驗教學的改革，打破了過去“保守、封閉”的傳統教學體系，關聯規則挖掘技術在開放式實驗信息中的應用，又為開放式實驗教學的改革提供可靠的關聯性預約信息，加快了實驗教學改革的步伐。

關聯規則在高校開放式實驗教學改革的應用，不僅給教學改革提供有效數據外，還能通過數據信息給教學改革提供新的改革思路。

由于時間倉促和知識水平的有限，本本還存在不足之處，設計思想也需要不斷更新。希望能夠在今后的工作中進一步的完善。

參考文獻:

[1] 鐵治欣，陳奇，俞瑞釗.關聯規則采掘綜述[J].計算機應用研究，2000(1):3-7.

[2] 吳寶鎖.關于開放式實驗室教育的探討[J].教育創新，2005(9):23-25.

[3] 馬忠麗.高校開放式實驗室建設探討[J].實驗技術與管理，2005(7):18-20.

[4] 雷剛躍.基于WEB的開放式實驗室綜合信息處理平臺及關鍵技術研究[D].長沙:中南大學碩士學位論文，2005.