基于关联分析以能力培养为导向的课程体系构建方法_屈喜琴.docx

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1、学校代码 10406 分类号 TP181 密 级 学 号 080081203003 题目基于关联分析以能力培养 为导向的课程体系构建方法 作者 屈喜琴 学科、专业 _ 计算机应用技术 指 导 教 师 李其申教授 申请学位曰期 2011年 6月 分类号： TP181 学校代码 ： 10406 学号 ： 080081203003 南昌航空大学 硕士学位论文 (学位研究生 ） 基于关联分析以能力培养为 导向的课程体系构建方法 硕士研究生： 屈喜琴 导 师 ：李其申教授 申请学位级别：硕 士 学科、专业 ：计算机应用技术 所在单位： 信息工程学院 答辩日期 ： 2011年 6月 授予学位单位 ： 南昌

2、航空大学 Research on Construction Method of Capacity-Oriented Curriculum System Base on Associate Analysis A Dissertation Submitted for the Degree of Master On Computer Application Technology by Qu Xiqin Under the Supervision of Prof. Li Qishen School of information technology Nanchang Hangkong Universi

3、ty, Nanchang, China June, 2011 摘要 随着我国高等教育不断步入大众化阶段，高等教育的要求不仅仅是人才数量 的增加，更重要的是人才质量的提高。在大众化的进程中，如何充分发挥大学的 作用，是保证高等教育大众化高质量发展的重要因素。大学发展的关键就是要有 高质量的课程体系。高等教育大众化是大学本科课程体系研究的一个契机。 在回顾了国内外课程体系研究现状的基础上，分析了目前我国以学科为中心 课程体系存在的问题，提出能力培养为导向课程体系构建方案，重点分析关联规 则在课程体系构建过程中的应用。研究的主要内容如下： (1) 分析我国课程体系改革的现状，在课程体系构建中引入能力

4、、能力导向 的概念，提出能力导向课程体系构建的方法。 (2) 提出能力导向课程体系构建具体步骤。首先，从专业能力出发，设置调 查表，通过对专家学者、企事业单位工作人员、毕业生调查获得调查数据；其次， 运用 Apriori算法生成频繁项集分析课程重要性，调整课程结构，以及通过关联规 则挖掘分析课程间关系；最后，以课程重要程度和课程间关系为参考构建课程体 系。 (3) 针对文中挖掘出的大量关联规则，提出关联规则相似性度量和距离度量 的新方法，运用系统聚类对文中的关联规则进行聚类，分类处理关联规则，挖掘 有趣的课程信息，用于课程体系的构建。 (4) 以计算机科学与技术专业为例，给出计算机科学与技术专

5、业的专业能力 和国内高校该专业开设的必修课和选修课课程表 ，依据能力导向课程体系构建方 法，具体实施课程体系的构建。 关键 词：课程体系，能力导向，关联规则，计算机科学与技术，课程 I Abstract With the popularization of higher education, the requirement of higher education is more than just increasing in quantity, more importantly, improving the quality of talent. In the process of the po

6、pularization, how to play a role of college is an important factor to ensure high quality development of higher education. High quality curriculum is the key to the development of the University. Higher education massification is a opportunity to research undergraduate curriculum system. On the basi

7、s of reviewing present study of the curriculum system at home and abroad, it analyzes the current curriculum system which is subject-centered, proposes the construction program of capacity-oriented curriculum system, focuses on the application of association rules in construction of curriculum syste

8、m. The main contents are as follows: (1) It analyzes the current reform of curriculum system, introduces capacity and capacity-oriented concept in construction of curriculum system, proposes the method of construction of curriculum system. (2) It proposes concrete steps of constructing capacity-orie

9、nted curriculum system. First, according to professional competence, setting questionnaire and surveying experts, staff of enterprises and graduate to obtain data. Second, using Apriori algorithm to generate frequent item set to discuss the importance of courses, adjusting curricular structure, as w

10、ell as analyzing the relationship between courses through mining association rules; Finally, building curriculum system by way of reference to the importance of courses and the relationship of association rules. (3) For a large number of association rules in this paper, proposing similarity metric a

11、nd distance metric, using hierarchical clustering to classify association rules and mine interesting course information for the construction of curriculum system. (4) To take Computer Science and Technology for an example, discussing the professional competence of this major and its required course

12、and elective curriculum in domestic universities, constructing curriculum system of this major based on capacity-oriented method. II Keywords: Curriculum System, Capacity-Oriented, Association Rules, Computer Science and Technology, Course ill 南昌航空大学硕士学位论文 目录 目录 W . I Abstract . II S M . IV 第 1 章绪论

13、. 1 1.1选题依据、目的及意义 . 1 1.2国内外研究现状 . 2 1. 2. 1课程体系改革现状 . 2 1. 2. 2关联规则研究现状 . 4 1. 3本文研究内容安排 . 5 第 2章课程体系构建 . 6 2. 1课程 . 6 2. 2课程体 $ . 7 2.3能力导向 . 8 2. 3. 1 能力 . 8 2.3.2以能力培养为导向 . 9 2.4课程体系构建原则 . 11 2. 4. 1重视课程内容的创新 . 11 2.4.2注重课程体系中非专业课程 . 12 2.4.3提高课程体系中实践性课程比例 . 12 2.4.4协调必修课和选修课的比例关系 . 13 2. 5本章小结

14、. 13 第 3章关联规则 . 14 3. 1关联规则概念 . 14 3. 1. 1关联规则定义 . 14 3. 1. 2关联规则分类 . 15 3.2关联规则算法 . 15 3. 2. 1 Apriori算法 . 15 3.2.2 FP-growth算法 . 17 IV 南昌航空大学硕士学位论文 _ 目录 3. 2. 3其他关联规则挖掘算法 . 17 3.3关联规则聚类 . 18 3. 3. 1关联规则相似性度量 . 19 3. 3. 2关联规则相似性与距离的转换 . 20 3. 3. 3关联规则聚类方法 . 21 3.3.4确定类个数的统计量 . 22 3.4本章小结 . 23 第 4章以

15、能力培养为导向的课程体系构建方法 . 24 4. 1能力导向课程体系构建步骤 . 24 4. 2学生应具备的专业能力 . 25 4. 2. 1专业能力确定 . 25 4. 2. 2计算机科学与技术专业能力 . 25 4.3课程关联分析 . 28 4. 3. 1数据来源 . 28 4. 3. 2关联规则挖掘软件 AlphaMiner . 33 4. 3. 3生成频繁项集分析课程重要性 . 34 4.3.4生成关联规则分析课程之间关系 . 35 4. 3. 5计算机科学与技术专业课程体系 . 41 4.4课程设置结果比较 . 42 4. 5本章小结 . 43 第 5章总结与展望 . 45 5. 1

16、全文总结 . 45 5.2研究展望 . 46 参考文献 . 47 发表论文和参加科研情况说明 . 50 发表论文情况 . 50 参加科研情况 . 50 if . 51 v 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章绪论 第 1 章绪论 1.1选题依据、目的及意义 近年来，我国许多高校的课程体系依然是以学科划分为基础、以理论知识为 中心的课程体系。但随着社会科技经济的发展、高等教育的发展、社会对人才素 质要求的不断提高以及高校毕业生就业的结构性失调，高校课程体系的设置面临 着课程结构的安排、课程课时总量的确定、理论教学与实践教学的协调、必修课 与选修课的比例、课程内容选择等问题。所以课程体系的改革迫在

17、眉睫。 造成我国目前课程体系乏力和低效的原因应该归属于我们的 “ 参考与借鉴 ” 之举。在我国目前许多新升本科院校之中，类似的问题尤为突出。在这些学校的 各专业课程设置的过程中，许多情况下是将另一所学校的课程体系 “ 搬借 ” 回来， 或作一些形式上的修改，或是根据自身的条件削减或増加一些课程，从而完成该 学科专业的课程体系构建。在这个过程中，很少考虑为什么要开设这门课，这门 课在该学科专业上占据什么样的位置，这些课程之间的关系如何。更少考虑这些 课程在学生能力培养方面有何影响、具体将培养学生哪一方面的能力。 本文从以培养学生能力为中心的教育出发，密切结合我国高等教育发展实际， 把能力导向这一

18、理 念与我国高校课程体系构建融合。通过列举学生应具备的专业 能力，由专家学者、企事业单位工作人员、毕业生选择课程，得到调查数据，运 用关联规则分析课程的重要性和课程之间的关系，优化课程结构，最终实现课程 体系的构建。课程体系优化研究的意义主要体现在： 一方面，在课程理论发展史上，学者们对课程结构问题的研究总是停留在学 科层面，探讨教材的组织问题，对整个课程体系的研究并不多。只是泰勒提出过 “ 连续性 ” 、 “ 顺序性 ” 、 “ 整合性 ” 三条课程组织原则，但他并没有形成完整的课 程结构思想，直至今天课程理论仍没有一种令人信服的 课程结构观。课程体系研 究的进展必将推动课程理论，特别是课程

19、设计理论的进步。 另一方面，当前出现的高等教育培养人才的结构性失衡，使各界对高等教育 人才培养提出了新的要求，当前课程设置中存在的诸如课程与学生生活世界相分 离、功利化课程对人的内在需求的漠视、学生所学不能学以致用等问题，已将教 育陷于险境，课程体系问题已成为课程领域的中心问题。构建科学合理的课程体 1 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章绪论 系，对不同类型高校如何根据社会发展对人才需求的多样化，形成具有特色的人 才培养定位和模式，提高学校竞争力和知名度具有重要意义。 本研究的作用和意义还在于： （ 1)在课程体系的构建过程中，运用了数据挖 掘算法关联规则，改善目前课程体系基于传统经验的做法

20、，使之具有一定的科学 理论依据； （ 2)提出能力导向课程体系构建方法，优化课程结构，合理化学生知 识结构，发挥学生学习主体性地位，激发学生学习积极性，推进面向社会需求的 创新型人才培养目标的实现。 1.2国内外研究现状 1.2. 1课程体系改革现状 我国课程体系改革大致经历了三个阶段： (1) 20世纪 50年代的大学课程体系改革 20世纪 50年迎来了我国初期的高等教育改革，这次高等教育改革以前苏联的 大学制度为蓝本，构建了以单科大学为主、包括文理科综合大学的大学体制，而 且建立了有计划培养适应社会主义建设需要专门人才的课程体系。此时课程体系 的本质性特点可概括为三点：一是计划性。计划性是

21、指学生考入大学之后，大学 期间所要学习的课程已经被有计划的安排好了，计划性充分体现了计划经济对大 学培养人才的影响。二是集权性。集权性是指各大学课程体系是在政府的指导下 自上而 下的进行的，政府在改革开始之前详细制定了有关改革的目的、内容、方 法的方针政策，如 1954年制订的全国统一的教学计划就充分体现了集权性，虽然 1957年后不再沿用全国统一的教学计划，但是大学课程设置方面，教育部仍然发 挥着指导作用，有些课程的开设仍然是全国统一安排的。三是逻辑性。逻辑性是 指大学期间所开设的课程依据专业培养目标，按照一定的逻辑顺序组成一个体系。 遵循由基础到专业、由浅入深、由易到难原则构建课程体系 1

22、。 (2) 20世纪 80年代的大学课程体系改革 随着计划经济向市场经济转轨，以及高校办学规模和招生规模的不断扩大， 高校课程体系改革呈现以下特点：一是校本性。校本性是指各所高校自主确定课 程体系。大学课程体系的校本性是在市场经济条件下提出的，各大高校的毕业生 若要在市场竞争中处于有利的位置，起着决定作用的因素就是学生所掌握的知识 和具备的能力，这就要求各所高校加大课程改革的力度，制定出各具特色的课程 2 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章绪论 体系。二是选择性。所谓选择性是指高校课程体系中选修课所占比例明显提高， 促使大学生有了较大的自主选择课程的空间。不断提高课程体系中选修课程的比 例，

23、扩大学生在课程学习方面的自主性、选择性成为 90年代以来中国大学课程教 学改革的新趋向 2。三是宽博性。所谓宽博性是指高校课程体系所包括的学科、知 识趋于丰富、多样。课程体系改革逐渐转向拓宽基础、扩大学生知识面的方向发 展。其中最具特色的是中国大学引入 “ 通识教育 ” 。 (3) 21世纪的大课程体系改革 21世纪高等教育发展的主题不再是数量増长、规模扩大，而是转向水平提升、 质量提高，高等教育的质量问题日益引起人们的广泛关注。 21世纪我国高校课程 体系改革的特点如下：一是高校课程体系加强学生能力的培养。 2007年教育部提 出了关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见中要求：

24、加 强高校教学内容的改革，构建符合经济社会发展要求的课程体系。继续深化课程 体系改革，加强学生能力、素质的培养，实现从知识传授为主向更加重视能力和 素质培养的转变 3。二是高校课程体系不断趋向多样化、个性化。各大学增加特 色课程、选修课程，拓宽了学生的知识面，激发学生的学习兴趣，完善学生的知 识结构，促进学生个性化发展。如江西师范大学开设的 “ 生命教育与生死哲学 ” 课程，提升学生对生命的理解和对人生的筹划、幸福经营能力为目标，这门课程 所推行的生命教育，是一种对人人应该具备的生命存在素质的教育，并非只是少 数人需掌握的 “ 专业 ” ；在内容上，它不同于专业知识，呈现 “ 非专业性 ”的特

25、征， 具有广泛的全民性和社会性。 选择在高校课程改革方面比较典型的美国高校课程体系作为比较分析的对 象，分析美国课程改革的趋势。 美国课程体系改革的新趋向主要从以下四个方面分析，一是课程目标方面： 设置课程目标时，将学生能力 的培养和学科知识的传授结合起来，不断完善课程 体系的整体性，进一步提高整体结构与个性选择、知识深度与广度的结合，以体 现高校实施综合性教育的目的 4。二是课程结构方面：依据科技的发展和社会需求， 取消一些过时课程，不断增加新课程，缩短当代新科技进入大学课程的时间；提 高课程结构的整体性，加强大学课程的内在联系和智力刺激，培养学生解决问题 的能力。三是课程设置方面，通过不断

26、更新跨学科课程，从而达到改革通识教育 课程的目的 5。在通识教育课程体系中増设跨学科课程，这些跨学科课程是连接和 沟通专业教育和通识教 育的 “ 中介类型 ” 类通识教育课程，使得高校的必修专业 课与通识教育课程形成相互联系的完整课程体系。四是课程评价方面，目前课程 评价的方法有成绩检测、实证或综合考核方法，反对陈旧的知识测量，使对学生 3 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章绪论 学习成绩的评定回到真正的学习评估上 6。 1.2.2关联规则研究现状 关联规则最早由 R. Agrawal等人于 1993年提出 7，是 KDD研究的重要内容， 侧重于确定数据中不同领域之间的联系。关联规则的研究主

27、要集中在两个方面： 一是关联规则算法的研究，二是关联规则在其它领域的应用研究。 自从 R. Agrawal等人于 1993年提出算法 AIS和 SETM， 1994年又提出了改进的 算法 Apriori和 AprioriTid， 后两个算法与前两个算法的不同之处在于：在对数据库 一次遍历中，哪些候选数据项集被计数以及产生候选数据项集的方法。后来，为 了减少扫描数据库的次数，或者减少在每次扫描时计算候选项集中项的数量，对 Apriori算法进行如下几种改进：基于划分的方法、基于抽样的方法、増量更新的 方法、基于散列 (Hash)和压缩技术的方法 等。基于划分的算法包括 A.Savasere等人

28、的 Partition算法 8、 S. Brin等人的 DIC算法等 9。 Partition算法只需要对整个数据集 进行两次扫描， DIC算法在数据块划分恰当时可以通过两次扫描数据集找出所有的 频繁项目集。抽样算法包括 J. S. Park等人提出的可调精度的挖掘算法 和凡 Toivonen的 Sampling算法 11。增量更新的方法包括 D. W. Cheung等人提出的 FUP算 法 12，首先考虑了关联规则的高效更新问题。 Park等人于 1995年提出了基于散列 (Hash)的 DHP算法 13。这些算法都要产生候选项目集，针对这个问题， Han等人提 出了 FP-Growth算法

29、 14，这种算法不需要产生候选项目集，显著的缩小了搜索空间， 提高了算法的效率。现在关联规则算法的研究大部分是对上述算法的改进。 目前，学者们除了对关联规则算法的研究，还关注于对关联规则应用的研究。 关联规则主要应用领域有：针对生物医学和 DNA数据分析的数据挖掘、针对金融 数据分析的数据挖掘、在电子商务中的数据挖掘及电信业中的数据挖掘，针对天 文和气象中的观 测数据进行分析的数据挖掘等 15。关联规则在医药、金融、商业 和工业制造等行业中成功应用，使关联规则成为数据挖掘中最成熟、最重要和最 活跃的研究内容之一。关联规则产生的知识可以用于决策支持、信息管理、科学 研究等领域。关联规则同样可以应

30、用于教育领域：对学生成绩数据库进行数据挖 掘 16,找出影响学生总体成绩的关键学科，通过加强对这些关键学科的教学管理， 提高学生关键学科的成绩，从而间接地促进其它学科的学习成绩；对学校的人事 数据库进行数据挖掘，可以找出影响学科发展的关键因素，确定今后人才培养的 目标 17。另外，学科之间、专业之间、课程之间的关联关系也做了一些研究 18， 都为高等教育课程改革做出了贡献。 4 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章绪论 1.3本文研究内容安排 论文主要章节的内容安排如下： 第 1章主要阐述了课题选题依据、目的及意义，详细介绍了国内外课程体系 改革现状及关联规则的研究现状，并对论文的研究内容和组

31、织结构进行了说明。 第 2章介绍了课程体系构建所涉及到的基本理论知识，包括课程、课程体系、 能力、能力导向，阐述了本科课程体系构建的原则，为后面的研究提供了理论基 础。 第 3章对关联规则的基本概念和关联规则算法做了较为全面的介绍。另外， 本章还讨论了对关联规则进行相似性度量、距离度量的方法，介绍了系统聚类方 法，给出了聚类时类个数确定的几个统计量。 第 4章给出了能力导向课程体系构建的步骤，以计算机科学与技术专业为例， 列出计算机科学与技术专业能力，通过对专家学者、企事业单位工作人员、毕业 生的调查，得到数据，运用关联规则算法分析重要课程和课程间关系，采用系统 聚类中的类平均法对本文的关联规

32、则进行了 分类处理，最后完成课程体系的构建。 第 5章最后总结了本文所做的主要研究工作，并对今后的研究方向进行了展 望。 5 南昌航空大学硕士学位论文 第 2章课程体系构建 第 2章课程体系构建 要研究课程体系构建方法，我们首先要谈到的问题就是课程，因为课程是教 学的基本规划和蓝图，也是整个教学系统的重要组成部分。本章将从课程的概念 和本质谈起，逐步介绍课程体系构建的相关理论。 2.1课程 课程是教学上人们经常使用的一个概念。但是何谓课程，由于所处的历史时 期和社会条件不同以及人们从事课程理论与实践研究的经验、着眼点和层次的不 同，对课程的理解也自然不尽相同。人们在考虑课程的概念时，有的着眼于

33、课程 的结果，认为课程是教学过程所要达到的结果；有的着眼于课程活动的过程或程 序上，把课程理解为功课的进程、顺序和过程；有的在课程的计划层次上研究问 题；有的则在课程实施的水平上进行探讨。对课程概念理解的不一致给我们对课 程的研究和定位带来一定的限制，因而明确课程概念对于我们进行系统的课程研 究，尤其是对课程体系的研究具有十分重要的意义。 我国 “ 课程 ” 的概念最早始于唐代， 而在国外 “ 课程 ” （ Curriculum)是由拉丁 文字 “ Currere” 演变而来的 ， SP “ race-course” ，原意指跑道，用来规定赛马者的 行程；后来斯宾塞将 “ 课程 ” 术语引入教

34、育领域，即教师和学生为达到教育目的 的场地。由美国学者 I. A. C.鲁尔在其博士论文课程含义的哲学探讨中的统 计，总结出 119种定义 19;整体上看，课程专家们赋予课程的含义，可以归为三类。 (1) 课程即学科、教材 这种课程观认为课程是学科或教材，强调学科知识的系统化及教育进程安排， 课程内容的来源主要是人类长期积累的知识，教育的任务就是把经过选择并系统 化的知识传递给学生。其实质是从知识本身出发，强调在学校教育中向学生传授 学科的知识体系。突出体现掌握在学生手中 “ 教材 ” 的规定内容。然而，只关注 教学科目，却忽视了学生心智发展、情感陶冶、创造思维、个性发展等有重要影 响的其他课

35、程活动和资源，甚至a前提出的潜课程也被忽视 2 。 (2) 课程即学习目标或结果 一些学者认为，课程应该直接关注预期的学习结果或目标，即要把重点从手 6 南昌航空大学硕士学位论文 第 2章课程体系构建 段转向目的，因而教育教学目标的选择和制定成为核心任务。这就要求课程应事 先制定一套有结构、有序列的学习目标，然后，围绕预定的教育教学目标而选择 组织学习经验，实施教育教学活动，并进行教育教学评价。 这种课程观强调教育的目的性、可操作性强，对课程理论具有较大影响。然 而，该课程观过分强调教育的预先计划性而缺乏灵活性，不容易关注到变化中和 已经变化了的教育环境及客观要求，同时也容易忽视非预期的学习结

36、果 21。 (3) 课程即经验 20世纪 20年代，美国实用主义教育家杜威 (J. Dewey) 22提倡并捍卫经验课程 论，强调尊重学生的兴趣与需要，发展学生的个性，主张以学生的生活经验为课 程。持这种课程观的人把课程看作学生在教育环境中与教师、学习材料等相互作 用的所有经验。这种经验实质上包含了 “ 活动 ” 、 “ 学习经验 ” 和 “ 学习活动 ” 等 内涵，分为两种情况：一是强调教育者有意识 (有目的、有计划）提供的经验；二 是泛指学生习得的教育性经验，这种课程观认为课程即学习经验，是针对学生所 学的东西而言的。经验是学生在对所从事的学习活动的思考中形成的，是其真正 体验到的意义。这

37、种观点强调了 学习者的兴趣、爱好、需求和个性，重视学习者 与环境的相互作用，重视教育环境的设计与组织，兼顾课程过程与结果，预期的 与未预期的经验。 但这种课程观在实际活动中却带来了教育过程的随意性、内容的不系统性和 评价标准的不确定性。要想对学习者所得的经验进行评价，很难有统一的标准。 所以这种课程观虽然照顾了学生的积极主动体验，把教学的出发点放在了学生身 上，实现了课程本质从 “ 物 ” 到 “ 人 ” 的转变，但让课程宽泛化且很难把握了。 从实践角度分析这三种课程定义，这三种定义都各有所长，各自发挥独特的 作用。从横向方面，每一中课 程定义对课程领域的发展均有所侧重、有所贡献， “ 课 程

38、是学科 ”促使教育家注重学科的发展、教材的更新等； “ 课程是目标 ” 促使人们 注意目标与能力的关系； “ 课程是经验 ” 提醒我们重视学生的兴趣和需要。从纵向 看，正如美国教育家蔡斯所说 23，分析不同阶段的课程活动，可选用不同的课程 概念，如在课程设计阶段，以课程为计划、目标及学科的定义会较有实际意义； 在课程评价阶段，以课程为经验的定义会最有用。总之，不同的课程定义在课程 发展的不同阶段和不同组织层面有各自的作用。 2. 2课程体系 课程不是以单一的、孤立的、彼此间毫无联系的形式出现，而是属于构成课 7 南昌航空大学硕士学位论文 第 2章课程体系构建 程体系的基本单位和基本要素。辞海中

39、： “ 体系是指若干有关事物相互制约相互联 系而构成的一个整体。体系一般包含三个方面的内容：一是体系是一个整体；二 是体系由多个事物构成，单个事物不能构成体系；三是事物之间是相互制约和相 互联系的。众多学者从各自不同的角度出发，对课程体系的涵义进行了多样化的 阐释。课程体系的定义分为广义和狭义两种 24。 广义来说， 课程体系是指在一定的教育价值理念指导下，课程各有关要素的 配合和组织，其中各个课程要素在动态的系统中统一为课程目标的实现服务。课 程要素包括课程目标、课程结构、课程实施中所必须的教学环境与课程的评价旨 趣等。广义的课程体系包括三个层次：从宏观专业设置方面来说，涉及高等教育 的学科和专业；从中观方面来说，涉及某专业内部课程体系的问题；从微观方面 来说，涉及某专业内某具体课程的教学内容方面。 狭义的课程体系是指课程结构，而课程结构的定义也是众说纷纭。顾明远