基于聚類分析的大學生體質健康系統的設計

文/姚曦

身體素質是國民之根本，而學生的身體素質更是重中之重。我國于2014年在全國范圍內開展了體質測試工作，要求于測試結束后，將體質測試數據上報至配套的官方系統。但該系統只對數據進行采集，不進反饋，因而在學校層面，收集了大量體質健康數據卻無法有效利用。

針對當前體質健康測試工作中數據利用率不足，測試與反饋脫離的情況。本文開發實現了基于B/S架構的大學生體質健康系統。運用聚類分析的方法，實現了大學生體質健康的分組教學，最終達到了優化學院體育教學，促進學生體質健康的目的。

1 系統模塊設計

本系統設計的目的在于為各大高校的體質健康體質數據提供有效的管理。從面向用戶角度，本系統的主要參與者為三類：系統管理員用戶、教師用戶、學生用戶。

從系統架構方面，系統分為系統管理、系統服務、學生交互三個功能模塊。

1.1 系統管理模塊

系統管理模塊主要負責對系統與基礎數據的管理。其用戶登錄模式為超級管理員或普通管理員模式。包含以下3個子模塊。

1.1.1 用戶管理模塊

主要實現對管理員、教師、學生三類用戶的操作管理。

1.1.2 學生數據模塊

主要執行系部、專業、班級、學生基本信息四個模塊的基本數據的添加、刪除、修改操作。該模塊劃分為系部管理模塊、專業管理模塊、班級管理模塊、學生管理模塊4個子模塊。

1.1.3 數據備份模塊

圖1：模塊架構圖

圖2：體質數據模塊類圖

主要實現系統的備份操作。

1.2 系統服務模塊

系統服務模塊的用戶登錄模式為教師用戶，主要功能為導入和編輯學生的體質測試數據、并對測試數據進行個人分析、評定統計、最后進一步聚類進行體育教學的分組劃分。包含以下4個子模塊。

1.2.1 體質數據模塊

進行學生體質測試數據的錄入、刪除、修改操作。提供了基于查詢條件組合設置的查詢功能

1.2.2 處方開具模塊

教師用戶通過分析學生的體質健康數據，提出適合學生當前體質狀況的科學體育鍛煉的指導意見。

1.2.3 統計分析模塊

統計分析主要是針對學生群體的統計分析而設計。該功能主要用于群體指標的分析，這樣可以便于了解群體的整體情況，發現普遍存在的問題，為教學政策的制定提供了強有力的依據。

1.2.4 數據分析模塊

對各年各年級學生的體質測試結果運用聚類算法，將學生進行分組，方便教師對于不同組的學生中普遍存在的弱勢指標進行集中訓練，改善教學方案，提升其綜合體質素質。另外，在此模塊中，教師可以查看和導出分組結果。

1.3 學生交互模塊

學生交互模塊的用戶登錄模式為學生用戶，其功能實現學生與系統的交互，主要負責接收學生的各項請求，并返回請求的應答結果。包含以下4個子模塊。

1.3.1 學生信息模塊

學生的基本信息分為基本信息與補充信息。基本信息的內容包含學生的系部、專業、班級、姓名、性別、出生年月信息。由系統管理模塊的管理員用戶錄入編輯，在學生用戶登錄后由本人進行核對反饋。補充信息包括學生的民族、家庭住址、聯系方式信息。由本模塊中的學生用戶錄入編輯。這樣既減輕了教師錄入信息的工作量，又防止了學生對重要信息的不合理更改。

1.3.2 學生數據模塊

學生用戶可以查詢歷年來參加的體質測試成績，數據的展示格式有三種：

（1）體質測試的原始數據；

（2）體質測試的百分制成績；

（3）體質測試的分級成績。

1.3.3 分組查詢模塊

學生用戶可以查詢自己歷年的體質測試的所屬分組。也可以查看同年級總體的分組情況，以及各個分組中各項體質測試數據的統計情況。

1.3.4 處方查詢模塊

學生可以查詢體育教師對自己開具的個性化鍛煉指導處方。

2 系統的開發平臺與開發工具

本系統基于Spring MVC框架，Spring MVC是一款基于MVC架構模式的輕量級Web 開發框架。系統的各功能模塊都如圖1所示的層次結構進行開發，工程的包結構主要分為Controller層、Service層、Dao層及實體類層。系統采用B/S方式訪問。Web服務器采用Apache下的Tomcat服務器，前端網頁采用JSP、Bootstrap實現，數據庫采用MySQL數據庫。

3 系統模塊實現

因篇幅原因，將重點介紹系統服務模塊下體質數據模塊與聚類分析模塊的實現，其他模塊與此類同，不再贅述。

3.1 體質數據模塊的實現

體質數據模塊實體類與各類之間的關系如圖2所示。

Controller層：SportDataController為學生體測數據控制類，負責對學生體測的原始成績進行增刪改查操作，對百分制成績和等級成績進行更新與查詢的操作。對應的方法包括：按條件查詢班級信息LocateClass，添加原始成績AddOriginal，修改原始成績UpdateOriginal，刪除原始成績DeleteOriginal，以文件方式上傳原始成績FileUpload，將查詢結果下載保存FileDown，按條件查詢原始成績ConditionQueryOriginal，按條件查詢百分制成績ConditionQueryPercent，按條件查詢等級成績ConditionQueryGrade。控制類依賴于4個實體類，分別為Student類（學生實體類），OriginalData類（原始成績實體類），PercentData類（百分制成績實體類），GradeData類（等級成績實體類）。

圖3：聚類分析模塊類圖

Service層：SportDataController控制類調用4個接口類的方法實現業務邏輯，分別為StudentService接口類（學生信息管理接口），OriginalDataService接口類（原始成績管理接口），PercentDataService接口類（百分制成績管理接口），GradeDataService（等級成績管理接口）。4個接口類由各自的ServiceImpl類來具體實現。

Dao層：調用4個Dao類接口訪問數據庫。StudentDaompl類實現對Student實體類的按條件查詢操作，OriginaDataDaoImpl類實現對OriginalData實體類的增刪改查的操作，PercenDataDaoImpl類與 GradeDataDaoImpl類實現對各自實體的條件查詢操作，以及維護數據一致性的更新操作。

3.2 數據分析模塊的實現

聚類分析模塊實現學生體測數據的聚類分組。聚類分析模塊實體類與各類之間的關系如圖3所示。

Controller層：PercentDataController為百分制成績控制類，依賴于PercentData類（體測百分制成績實體類）與ClusterCenter類（聚類結果明細類），ClusterCenter類存儲了聚類詳細的聚類結果。PercentDataController實現百分制成績與對應分組編號的關聯操作。ClusterController為分組控制類，實現分組操作。其依賴于3個實體：PercentData類（百分制成績實體類），ClusterCenter類（分組結果明細類），Cluster類（分組匯總類）。

Service層：PercentDataController控制類調用PercentDataService接口類（百分制成績管理接口）實現業務邏輯。ClusterController控制類調用ClusterCenterService接口類（分組明細管理接口）和ClusterService接口類（分組匯總管理接口）實現業務邏輯。

Dao層：調用3個Dao類接口訪問數據庫。PercentDataDaoImpl類將學生每年的體測成績分組編號關聯至百分制成績表。ClusterCenterDaoImpl類存儲每次分組的明細結果，ClusterDaoImpl類存儲每次分組的匯總結果。

4 結語

本文設計實現的大學生體質健康系統為監測大學生的體質健康狀況提供了一個可視化平臺。面向學生用戶，能形成個人獨立的體質評價報告，方便學生觀測自己身體素質的變化趨勢。面向教學管理用戶，能對學生群體進行聚類分組，對學生提出個性化的運動處方。該系統的開發為高校建立行之有效體育教學體系提供了科學的數據支持和有效參考，具有極大的實踐意義。