大數(shù)據(jù)下計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗智能分析平臺設(shè)計框架

琚生根, 孫界平, 陳 黎, 師 維

(四川大學(xué) 計算機學(xué)院，成都 610065)

0 引 言

2012年，聯(lián)合國發(fā)布大數(shù)據(jù)白皮書“Big Data for Development：Challenges & Opportunities”，明確提出大數(shù)據(jù)時代已經(jīng)到來[1]。大數(shù)據(jù)時代的到來，數(shù)據(jù)不斷更新，時刻影響著人們的工作、生活和學(xué)習。通過大數(shù)據(jù)人們可以獲得更多、更有價值的信息。在維克托.邁爾-舍恩伯格的《與大數(shù)據(jù)同行——學(xué)習和教育的未來》一書中提到，大數(shù)據(jù)正在進入教育的方方面面，并對整個世界的學(xué)習產(chǎn)生深遠的影響。斯坦福大學(xué)的吳恩達教授收集了學(xué)生的很多信息，使得他的課程能夠自動實現(xiàn)：改善教學(xué)，提高學(xué)生理解力和成績，定制基于個人需求的教育[2]。大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)對高校的教育帶來了很大的沖擊，不少相關(guān)的研究都集中在伴隨大數(shù)據(jù)時代的到來，高校的教育應(yīng)該如何進行改革來適應(yīng)大數(shù)據(jù)時代的教育[3-7]。那么“計算機網(wǎng)絡(luò)”實驗課程在大數(shù)據(jù)時代的發(fā)展機遇下，也需正視困難和挑戰(zhàn)，不斷完善教學(xué)質(zhì)量，提高教學(xué)效果。

1 計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗平臺設(shè)計的現(xiàn)狀及存在問題

網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗是目前高校中進行計算機網(wǎng)絡(luò)實驗課程非常重要的活動，通過網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗可以模擬協(xié)議或者網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的工作原理、為學(xué)生的深入?yún)f(xié)議理論的學(xué)習帶來了很多好處，同時也克服了真實實驗環(huán)境的時間、空間以及設(shè)備的限制[8]。但是當前設(shè)計的虛擬實驗平臺還存在下面一些問題：

(1) 虛擬實驗平臺所設(shè)置的實驗固定，不能根據(jù)學(xué)生的具體情況提供個性化的需求。虛擬實驗平臺的使用設(shè)置是設(shè)計者根據(jù)教師的經(jīng)驗所設(shè)計，并在一定的時間內(nèi)固定不變。然而在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，學(xué)生學(xué)習過程中存在的問題也會隨著時間發(fā)生變化，并不是永恒不變的。

(2) 虛擬實驗平臺只能記錄學(xué)生的實驗，并不記錄實驗過程，這使得教師無法有效了解學(xué)生實施實驗過程中存在的問題。虛擬實驗做完以后，老師得到的是學(xué)生在平臺上做好的實驗環(huán)境以及實驗報告，而學(xué)生在實驗過程中存在的問題，除非有同學(xué)向老師提出，否則教師無法詳細了解。

(3) 虛擬實驗平臺只能對學(xué)生的實驗成績的結(jié)果進行分析統(tǒng)計，不能夠為教師提供學(xué)生存在問題的分析報告。

2 構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗智能分析平臺的意義

大數(shù)據(jù)時代的到來，為教育工作也帶來了很大的挑戰(zhàn)，同時也帶來了契機。大數(shù)據(jù)時代最寶貴的是數(shù)據(jù)，而在虛擬平臺實驗過程中可以獲得學(xué)生在實驗過程中的大量數(shù)據(jù)信息，例如：在平臺中拖動了什么設(shè)備，刪除了什么設(shè)備，輸入了什么命令，打開瀏覽器查詢了什么信息等。如果將這些數(shù)據(jù)記錄下來，那么就可以獲得大量且珍貴的數(shù)據(jù)信息。如何有效利用這些信息，就需要借助于數(shù)據(jù)挖掘和機器學(xué)習技術(shù)對這些數(shù)據(jù)進行分析。目前數(shù)據(jù)挖掘和機器學(xué)習相關(guān)算法已經(jīng)非常成熟，并在各個領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)分析中得到廣泛的應(yīng)用，這也為分析實驗課程中的大數(shù)據(jù)信息提供了技術(shù)保障。在大數(shù)據(jù)時代下進行計算機網(wǎng)絡(luò)實驗課程虛擬實驗下的教學(xué)改革有著重要意義。

(1) 創(chuàng)新教學(xué)模式，提高學(xué)生積極性。虛擬實驗平臺應(yīng)用的大數(shù)據(jù)分析在，能夠及時跟蹤學(xué)生的實驗過程，并對實驗過程進行及時的指導(dǎo)，以免學(xué)生在實驗結(jié)束時才發(fā)現(xiàn)錯誤，導(dǎo)致實驗必須從頭開始。將分析結(jié)果和實驗過程有效的結(jié)合起來，能夠一定程度上彌補了教師不能夠及時輔導(dǎo)出現(xiàn)的問題，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習的積極性。

(2) 提高學(xué)生實驗課程的效率。傳統(tǒng)的實驗過程，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的時候，通過向老師提出問題或在網(wǎng)絡(luò)中查詢相關(guān)信息。而通過改革虛擬實驗平臺，可從學(xué)生的歷史操作記錄中了解學(xué)生在實驗過程中需要哪些相關(guān)的輔助知識，及時給學(xué)生提供幫助。

(3) 能更加有效了解學(xué)生的學(xué)習情況。實驗操作中存在的問題往往和理論課程密切相關(guān)。通過實驗平臺的改革，教師可以從實驗過程中了解學(xué)生存在的問題，在理論課程中才能夠更加有針對性的進行補充。

3 大數(shù)據(jù)下網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗智能分析平臺的構(gòu)建

目前有越來越多的人關(guān)注教育方面的大數(shù)據(jù)應(yīng)用的研究，例如譚忠理等[9]提出了基于云計算的大數(shù)據(jù)和教學(xué)實訓(xùn)平臺，譚翔緯等[10]提出了在大數(shù)據(jù)背景下Java課程的教學(xué)改革，也提出了通過采集Java課程相關(guān)的各種數(shù)據(jù)，以獲取學(xué)生平時學(xué)習情況，并利用模型自動進行考核。而在實驗課程中的大數(shù)據(jù)研究主要是針對實驗平臺考慮的，缺乏對數(shù)據(jù)的分析，無法利用分析的結(jié)果來指導(dǎo)教學(xué)的改革[11-12]。

3.1 大數(shù)據(jù)下網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗智能分析平臺的總體框架

首先依托云計算平臺構(gòu)建大數(shù)據(jù)實驗的教學(xué)平臺。利用Hadoop和HDFS構(gòu)建大數(shù)據(jù)分析、管理、存儲的實驗教學(xué)平臺，并依托云平臺構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室。

大數(shù)據(jù)下計算機網(wǎng)絡(luò)實驗課程的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗智能分析平臺總體框架設(shè)計如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗智能分析平臺的總體架構(gòu)

(1) 數(shù)據(jù)采集模塊。在每臺學(xué)生實驗機中安裝電腦的操作記錄爬蟲，將學(xué)生在整個實驗過程中的所有操作(虛擬平臺的實驗操作以及平臺之外的所有操作)記錄下來，上傳給云平臺。

(2) 智能分析模塊。云平臺利用數(shù)據(jù)挖掘和機器學(xué)習技術(shù)對歷史實驗數(shù)據(jù)進行建模，調(diào)整對現(xiàn)有的虛擬平臺的功能，例如：學(xué)習過程中提供學(xué)生需要的輔助知識等。

(3) 智能指導(dǎo)模塊。新使用虛擬平臺的學(xué)生的數(shù)據(jù)也通過爬蟲實時送到云平臺進行處理。模型根據(jù)學(xué)生當前的幾步操作分析其問題，并實時反饋給教師以及學(xué)生，幫助教師了解學(xué)生的實驗情況，同時可及時糾正學(xué)生實驗中出現(xiàn)的問題。在新用戶使用過程中產(chǎn)生的操作數(shù)據(jù)也被記錄下來，不斷修正智能模型。

3.2 智能分析模塊的功能

智能分析模塊主要是指在采集了大量學(xué)生的實驗操作數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)進行分析處理。該模塊是整個系統(tǒng)的大腦，需要運用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和機器學(xué)習的相關(guān)算法對收集的數(shù)據(jù)進行分析。該模塊主要包括下面3個功能。

(1) 實驗輔助知識的完善。不同高校使用教程的差異以及教師水平的差異，導(dǎo)致學(xué)生接受的知識層面存在很大的差異，所以智能平臺系統(tǒng)能夠根據(jù)高校自身學(xué)生歷年的歷史數(shù)據(jù)分析學(xué)生需要的輔助知識。

這部分可以通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)分析在各個實驗過程中，學(xué)生常見的查詢信息，并對這些信息進行自動聚類，根據(jù)聚類結(jié)果自動從Web中獲取相關(guān)知識，供學(xué)生在實驗過程中使用。

(2) 實驗操作的建模。利用機器學(xué)習算法從云平臺的歷史操作數(shù)據(jù)中對各個實驗過程進行建模，如圖2所示，使得模型能夠有效的根據(jù)用戶的操作步驟識別其步驟錯誤操作的可能性，并給出學(xué)生建議。

圖2 智能模型建模流程

(3) 實驗操作和理論知識點的關(guān)聯(lián)。根據(jù)學(xué)生實驗操作的歷史數(shù)據(jù)，利用機器學(xué)習中的聚類算法對錯誤信息進行聚類，如圖3所示，然后將聚類結(jié)果和計算機網(wǎng)絡(luò)課程的知識點計算相似性，建立相似關(guān)聯(lián)，并將分析結(jié)果匯總供教師參考。

3.3 智能指導(dǎo)模塊的功能

智能分析模塊主要指學(xué)生在虛擬平臺實驗操作過程中，智能平臺對學(xué)生的實驗過程進行監(jiān)督指導(dǎo)。該模塊主要包括下面3個功能。

(1) 相關(guān)知識推薦。學(xué)生在實驗過程中，當某個步驟出現(xiàn)疑問，無法繼續(xù)時，可以查看相關(guān)的知識推薦，然后根據(jù)學(xué)習的結(jié)果再繼續(xù)后續(xù)的實驗步驟。在傳統(tǒng)的實驗中，當學(xué)生在實驗過程中出現(xiàn)疑問時，可能不知道去查詢哪些相關(guān)知識能夠有效解決問題，因此知識推薦就能夠有針對性幫助學(xué)生解決實驗過程中的疑惑，提高實驗的效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習積極性。

圖3 錯誤結(jié)果聚類分析

(2) 實驗助手。將學(xué)生在實驗過程中的每個步驟及時發(fā)送到云平臺進行分析，當學(xué)生在實驗過程中出現(xiàn)問題時，實驗助手及時給出建議(而不是直接給出正確的步驟)提醒，學(xué)生根據(jù)提醒再仔細分析先前的實驗步驟以及參數(shù)設(shè)置，再進行修正。如果學(xué)生在某個步驟中多次嘗試都無法正確進行，實驗助手要及時將消息發(fā)送到教師端，教師根據(jù)消息進行指導(dǎo)。

(3) 錯誤分析報告。錯誤分析報告主要是供教師使用，將本班學(xué)生該次實驗的結(jié)果及時進行分析，以便教師掌握該次實驗的情況，并根據(jù)分析報告對教學(xué)內(nèi)容進行調(diào)整。

4 結(jié) 語

本文提出的計算機網(wǎng)絡(luò)實驗課程網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗智能分析平臺框架構(gòu)想，盡管需要大量實驗和嘗試，但是基于大數(shù)據(jù)分析結(jié)果來開展教學(xué)，并做出更符合學(xué)生特性的教學(xué)模式是未來高校教學(xué)的主流，也是高校教學(xué)發(fā)展的必然趨勢。這樣的個性化教學(xué)能夠調(diào)動學(xué)生的積極性，更能夠體會到學(xué)習的樂趣，提高學(xué)習的效果。

[1] 徐 鵬,王以寧,劉艷華.大數(shù)據(jù)視角分析學(xué)習變革——美國通過教育數(shù)據(jù)挖掘和學(xué)習分析促進教與學(xué)報告解讀及啟示[J].遠程教育雜志，2013，8(1)：11-13.

[2] 維克托·邁爾-舍恩伯格，肯尼思·庫克耶. 與大數(shù)據(jù)同行-學(xué)習和教育的未來[M]. 上海：華東師范大學(xué)出版社, 2015.

[3] 趙靖巖, 胡振波. 大數(shù)據(jù)環(huán)境下高校信息化教學(xué)模式研究[J]. 情報科學(xué),2016(1)：92-95.

[4] 甘容輝,何高大.大數(shù)據(jù)時代高等教育改革的價值取向及 實現(xiàn)路徑[J].中國電化教育,2015(11):70-73.

[5] 姜 強,趙 蔚,王朋嬌.基于大數(shù)據(jù)的個性化自適應(yīng)在 線學(xué)習分析模型及實現(xiàn)[J].中國電化教育,2015(1):85-88.

[6] 白 鵬, 楊新湦, 張亞宜, 等. 大數(shù)據(jù)背景下的空管實驗室建設(shè)探索[J]. 實驗技術(shù)與管理,2015(2):228-230.

[7] 胡弼成,王祖霖. “大數(shù)據(jù)”對教育的作用、挑戰(zhàn)及教育變革趨勢——大數(shù)據(jù)時代教育變革的最新研究進展綜述[J]. 現(xiàn)代大學(xué)教育,2015(4):98-104.

[8] 王 涌,李國麗, 應(yīng)艷杰, 等. 建設(shè)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室,深化實驗教學(xué)改革[J]. 實驗技術(shù)與管理,2010(9):85-87.

[9] 譚忠理. 基于云計算和大數(shù)據(jù)教學(xué)實訓(xùn)平臺的設(shè)計研究[J]. 智能建筑與城市信息,2014(8):86-90.

[10] 譚翔緯,蔣慧勇. 大數(shù)據(jù)背景下的高校計算機編程類課程教學(xué)改革探討——以《Java程序設(shè)計》課程教學(xué)改革為例[J]. 電腦知識與技術(shù),2015(23):91-92.

[11] 李鴻健. 大數(shù)據(jù)時代計算機專業(yè)實驗教學(xué)改革研究[J]. 現(xiàn)代計算機,2013(19):29-30.

[12] 胡 敏. 信息管理專業(yè)建立大數(shù)據(jù)實驗平臺的思考[J]. 教育教學(xué)論壇, 2015(1):240-241.