基于協同過濾算法的大類專業分流實時動態系統的構建研究
——以北京林業大學為例

(北京林業大學信息學院，北京 100083)

2015年，北京林業大學信息學院開始實行大類招生。新生入學后通過3個學期的計算機類基礎課程和通識課程的學習，依據自身的學習情況及未來的職業規劃，在大二第一學期結束后，可自主選擇心儀的專業，達到計劃學分后準予畢業。為確保大類招生專業分流指標的科學性，充分發揮大類招生制度的優越性，學校依據學生的成績、志愿、專業培養要求等要素進行綜合評測后確定專業分流結果。然而對學生學習等各要素的數據收集耗時費力，加之近年來高校的辦學規模不斷擴大，以往的專業分流經驗已不能適應目前的實際情況。例如，隨著學校辦學規模的擴大，招生人數不斷增加，參與專業分流的學生人數逐年增多，傳統的紙質化專業分流工作既耗費人力又浪費資源。同時在專業分流過程中，參與分流的學生無法全方位獲得志愿填報的整體情況，導致部分分數中等的學生錯失進入更好專業的機會。為解決以上問題，筆者提出開發基于協同過濾算法的大類專業分流實時動態系統，以便于教務管理人員、教師與學生之間進行溝通，提高專業分流的效率，節省人力資源。此系統可以根據學生的測試結果進行專業推薦，學生可自主選擇專業，保證了大類專業分流工作的公開、公平和公正。

一、協同過濾算法的內涵

(一)協同過濾算法的基本思想

目前計算機領域中適用范圍較廣的推薦算法主要有基于規則推薦的算法、基于內容推薦的算法、協同過濾推薦算法和混合推薦算法(又稱組合推薦算法)[1]，這4種算法各有優缺點。常用于計算機領域的推薦算法及優缺點見表1。

表1 計算機領域常用的推薦算法及其優缺點

其中協同過濾算法的基本思想是：找到與當前用戶Ccur相似(比如興趣相似)的其他用戶Cjs，計算對象S對于用戶的效益值u(Cjs，S)，利用效益值對所有S進行排序或者加權操作，找到最適合當前用戶Ccur的對象S*[2]。協同過濾算法的基本思想非常易于理解，就像在日常生活中，人們往往會利用網絡或前輩經驗對一些事物作出個人的判斷和選擇。現有的國內外推薦系統大部分是基于其相似用戶對某一內容的評價向目標用戶進行推薦，而在本系統智能專業推薦模塊使用的算法中，只需找到最相似的用戶即可。因此，本系統基于此算法構建大類專業分流實時動態系統。

根據協同過濾算法的基本思想可知，協同過濾算法需要將基礎用戶作為參考才能進行協同推薦，基礎用戶對該算法而言是不可或缺的要素。

(二)協同過濾算法的核心

相似度計算是協同過濾推薦算法的核心，要尋找最適合當前用戶Ccur的對象S*需要計算用戶之間的相似度。根據霍蘭德[3]人職匹配理論，人格一共被分為6種不同的類型，每一種類型的人格都有著不一樣的特點。筆者基于霍蘭德人職匹配理論，查閱相關資料提取出15個區分度明顯的關鍵詞，依據15個關鍵詞設計了40道具有專業區分度的測試題目，并形成調查問卷，面向大類專業分流的學生開展了調查，共發放問卷300份，收回有效問卷203份。

通過余弦夾角公式(1)計算出當前用戶Ccur和4個基礎用戶C的余弦相似度(similarity)，將余弦相似度(similarity)最小的基礎用戶C作為推薦專業，經過測試得出推薦結果的精確度為67.3%。

余弦夾角公式(1)

通過皮爾森相關系數公式(2)計算當前用戶Ccur和5個基礎用戶C的皮爾森相關系數r，將皮爾森相關系數r最小的基礎用戶C作為推薦專業，經過測試得到推薦結果的精確度為70.2%：

皮爾森相關系數公式(2)

由此可見，使用公式(2)得到的推薦結果精確度較高，因此將公式(2)作為大類專業分流實時動態系統的協同過濾推薦算法中用戶間相似度的計算方法。

二、基于協同過濾算法對大類專業分流實時動態系統的分析

(一)系統數據流的分析

首先，筆者從數據傳遞和加工的角度，以圖形的方式刻畫數據流從輸入到輸出的移動變換過程。對于復雜的含有多重功能的系統可以按照層次結構進行逐步分解，并以分層結構流程圖來反映這種結構關系，從而可以清楚地表達和理解整個系統的結構內涵[4]。基于協同過濾算法的大類專業分流實時動態系統中涉及到的主要數據流包括學生基本信息、學生志愿填報信息、學生排名信息等。學生基本信息數據流程見圖1。

圖1 學生基本信息的數據流程

輸入學生的基本信息后，本系統會將學生的基本信息存入數據庫中，并在前端頁面顯示出來。學生填報志愿的數據流程見圖2。

圖2 學生填報志愿的數據流程

學生填報完志愿后，本系統會將學生的志愿信息存入數據庫，并根據成績顯示排名，專業分流結束后，學生可以打印最終志愿表。

(二)系統功能需求的分析

本系統主要涉及學生、教師和教務管理人員3個角色。

學生通過此系統可以實時查看自己在本專業的排名、進行專業傾向測試、推斷出適合自己的專業、了解更多的專業信息、查看往屆專業分流的結果、獲取往屆學生的建議、進行志愿填報、查看專業分流結果、下載最終志愿表。教師可利用該系統發布所在專業相關的資料和資訊，增加學生了解專業的途徑，并且可以統一解答學生對于專業的疑問，確定專業分流名單。教務管理人員使用本系統發布專業分流結果的通知，設置專業分流的起止時間，下載專業分流的結果。

三、基于協同過濾算法的大類專業分流實時動態系統的設計

(一)系統結構的設計

本系統采用的是B/S 三層架構模式。通常意義上的三層架構就是將整個業務應用劃分為表現層(UI)、業務邏輯層(BLL)、數據訪問層(DAL)。區分層次的目的是為了體現“高內聚，低耦合”的思想[5]。

1.表現層

表現層位于三層架構的最上層，與用戶直接接觸，主要是B/S信息系統中的Web瀏覽頁面。

2.業務邏輯層

業務邏輯層位于表現層與數據訪問層的中間位置，主要功能是對具體問題進行邏輯判斷并執行操作。當業務邏輯層接收到表現層的用戶指令后，會連接數據訪問層，實現3層之間的數據連接和指令傳達。

3.數據訪問層

數據訪問層是數據庫的主要操作系統，具有數據的增加、刪除、修改、查詢等操作功能，并將結果反饋到業務邏輯層。

學生、教師、教務管理人員可以通過標準瀏覽器軟件對系統進行訪問操作，所有的操作通過業務邏輯層的應用服務管理進行，只有當涉及到數據存儲的時候才與數據庫服務器發生聯系。

本系統主要采用Java web的MVC框架實現的，MVC框架最大的優點是將模型(Model)、視圖(View)和控制(Controller)層分離，模塊化的軟件開發形式使得系統的開發維護變得更為容易。本系統數據庫使用開源的數據庫管理系統MYSQL，通過Navicat圖形界面管理工具進行數據庫的搭建。B/S三層架構與MVC框架的關系見圖3。

(二)系統功能的設計

筆者通過對信息學院大類分流工作的分析，對本系統應具備的功能進行了設計。基于協同過濾算法的大類專業分流實時動態系統功能結構見圖4。

圖3 大類專業分流實時動態系統的B/S 三層架構與MVC框架的關系

圖4 基于協同過濾算法的大類專業分流實時動態系統的功能結構

學生模塊包括學生登錄、填寫志愿、修改志愿、查看專業分流結果、下載志愿去向表、智能專業推薦等功能。其中智能專業推薦功能是指學生在填報志愿前，要先回答系統提供的40道有關專業分流的題目，系統根據學生的答題結果推薦相應的專業。填寫志愿功能是指學生在特定的時間內，按照自己的意愿填報意向志愿。查看專業分流結果功能是指填報志愿結束后，學生在系統里可以查看自己當前的專業排名，也可以查看在全校的排名，從而了解自己的專業分流結果。

教師模塊包括教師登錄和上傳資料功能，其中上傳資料功能可幫助學生在填報志愿前更好地了解該專業，同時教師還可以將專業的宣傳資料、視頻等上傳到系統。

教務管理人員模塊包括設置專業分流時間、教務人員登錄、發布有關專業分流的通知、下載專業分流結果等功能。其中，設置專業分流時間包括設置專業分流的起始時間和分流時長；發布有關專業分流的通知，包括發布專業分流時間通知和分流結果通知等；下載分流結果主要是指在專業分流工作結束后下載專業分流結果，作為備份資料。

(三)系統數據庫結構的設計

數據庫結構設計的好壞將會對系統的應用效率、功能的擴展與完善以及實現的效果產生直接影響，合理的數據庫結構設計可以提高存儲的效率，保證數據的完整和一致[6]。本系統的數據庫主要由用戶實體、學生實體、教師實體和專業實體組成。基于協同過濾算法的大類專業分流實時動態系統數據庫結構設計見圖5。

圖5 基于協同過濾算法的大類專業分流實時動態系統數據庫的結構

1.用戶實體

存儲登錄需要的基本信息，包括用戶名、密碼、用戶類型3個屬性，其中用戶類型決定了用戶登錄成功后進入各自所屬的頁面。

2.學生實體

記錄學生的詳細信息，包括姓名、學號、性別、成績、聯系方式等屬性，其中學生的成績決定了學生填報志愿的順序。

3.教師實體

記錄教師的詳細信息，包括姓名、教工號、性別、聯系方式等屬性。

4.專業實體

記錄專業的詳細信息，包括專業號、專業名稱、專業介紹等屬性。

四、基于協同過濾算法的大類專業分流實時動態系統的實現

(一)學生模塊

學生登錄頁面進入系統后轉向學生主頁，學生主頁會顯示學生的基本信息，學生可以在這里完善修改自己的基本信息。學生用戶在進行志愿填報前應進行智能推薦專業測試，學生可以參考測試結果進行志愿填報；之后，學生要在規定的時段內填報志愿并提交，如果需要修改，應在填報志愿規定的時間內進行；最后專業分流結束后，學生可以下載最終志愿表，其具體實現過程如下。

1.學生登錄

學生用戶在前端頁面輸入用戶名和密碼，點擊提交后會通過form表單傳到服務連接器(servlet)，之后根據獲得的用戶名和密碼，借助面向對象的數據庫接口(data access object)從數據庫中查詢用戶名和密碼是否合法，若合法則將學生的基本信息存入會話控制(session)中，會話控制(session)再將學生的基本信息傳到學生的主頁面。

2.智能專業推薦

學生在進行專業選擇時存在自我定位不明確的現象，此功能采用基于用戶相似度的協同過濾算法來實現學生用戶的專業推薦[7]，從專業的角度為學生提供參考意見。學生首先進入智能專業推薦的答題頁面進行答題，之后將答題結果提交到后臺。系統依據皮爾森相關系數公式進行相似度的計算，匹配得出相似度最高的專業，供學生參考。

3.填報志愿

學生在學校規定的時間段內進行志愿的填報，志愿填報采用滑動框排序的形式，這種填報形式可以避免學生漏填志愿。

專業排序的結果以列表的形式傳到服務連接器(servlet)，并通過面向對象的數據庫接口(data access object)存入數據庫。同時后端將最新的專業排名存入會話控制(session)，并在專業排名頁面顯示。

(二)教師模塊

1.上傳資料

教師模塊的一個主要功能為上傳資料。教師前端頁面提供文件框，教師可在本地文件夾選擇需要上傳的文件，通過form表單提交到服務連接器(servlet)，在服務器中的file文件夾下新建文件，服務連接器(servlet)通過文件流的形式將本地的文件復制到服務器新建的文件中。

2.確定專業分流面試名單

教師管理模塊的另一主要功能為確定專業分流的學生名單。由于學生在進行志愿填報時可能出現選擇某個專業的人數多于預計的人數，此時就需要對學生進行面試，教師可以通過本系統勾選出需要面試的學生。

(三)教務管理人員模塊

教務管理人員模塊最主要的功能是設置專業分流的時間。教務管理人員點擊設置專業分流時間框后，系統通過前端JS(Java Script)技術展示時間表供教務管理人員用戶選擇，設置專業分流時間間隔單位為分鐘，默認是60分鐘。專業分流結束后點擊“提交”按鈕，后臺會將這兩個時間存入數據庫，此時通過Java計時器進行計時，保證學生用戶在專業分流時間開始后才能進行志愿填報。

基于協同過濾算法的大類專業分流實時動態系統實現了學生、教師和教務管理人員3類用戶所需要的志愿填報、下載專業分流結果、設置專業分流時間等基礎功能，并在此基礎上實現了基于協同過濾算法的智能專業推薦功能，同時還能為學生提供各種專業參考信息，幫助學生選擇更適合的專業。

目前基于協同過濾算法的大類專業分流實時動態系統已在信息學院部分學生中進行了試用，系統功能的完整性和穩定性都經受住了考驗，并得到了良好的反饋和評價。試用結果顯示，使用本系統進行專業分流，可在一天之內結束專業分流工作，與利用人工進行專業分流的方式相比，大大提高了專業分流的質量和效率。據試用此系統的學生反映，本系統的界面簡潔，交互性好，有良好的體驗度，所以本系統也具有良好的推廣性，可建議其他專業進行試用。

資助項目：北京林業大學2018年度大學生創新創業項目“基于協同過濾的大類專業分流實時動態系統的研建”，項目編號S201810022089。