大數(shù)據(jù)下計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)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(jī)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(xí)。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(xí)和教育的未來》一書中提到，大數(shù)據(jù)正在進(jìn)入教育的方方面面，并對整個世界的學(xué)習(xí)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。斯坦福大學(xué)的吳恩達(dá)教授收集了學(xué)生的很多信息，使得他的課程能夠自動實(shí)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(jìn)行改革來適應(yīng)大數(shù)據(jù)時代的教育[3-7]。那么“計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”實(shí)驗(yàn)課程在大數(shù)據(jù)時代的發(fā)展機(jī)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(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計的現(xiàn)狀及存在問題

網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)是目前高校中進(jìn)行計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程非常重要的活動，通過網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)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(xí)帶來了很多好處，同時也克服了真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的時間、空間以及設(shè)備的限制[8]。但是當(dāng)前設(shè)計的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺還存在下面一些問題：

(1) 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺所設(shè)置的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺的使用設(shè)置是設(shè)計者根據(jù)教師的經(jīng)驗(yàn)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(xí)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(shí)驗(yàn)平臺只能記錄學(xué)生的實(shí)驗(yàn)，并不記錄實(shí)驗(yàn)過程，這使得教師無法有效了解學(xué)生實(shí)施實(shí)驗(yàn)過程中存在的問題。虛擬實(shí)驗(yàn)做完以后，老師得到的是學(xué)生在平臺上做好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及實(shí)驗(yàn)報告，而學(xué)生在實(shí)驗(yàn)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(xì)了解。

(3) 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺只能對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績的結(jié)果進(jìn)行分析統(tǒng)計，不能夠?yàn)榻處熖峁W(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(shí)驗(yàn)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(jī)。大數(shù)據(jù)時代最寶貴的是數(shù)據(jù)，而在虛擬平臺實(shí)驗(yàn)過程中可以獲得學(xué)生在實(shí)驗(yàn)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(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。目前數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過程，并對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行及時的指導(dǎo)，以免學(xué)生在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時才發(fā)現(xiàn)錯誤，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)必須從頭開始。將分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)過程有效的結(jié)合起來，能夠一定程度上彌補(bǔ)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(xí)的積極性。

(2) 提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程的效率。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺，可從學(xué)生的歷史操作記錄中了解學(xué)生在實(shí)驗(yàn)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(xí)情況。實(shí)驗(yàn)操作中存在的問題往往和理論課程密切相關(guān)。通過實(shí)驗(yàn)平臺的改革，教師可以從實(shí)驗(yàn)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(jìn)行補(bǔ)充。

3 大數(shù)據(jù)下網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)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(xí)情況，并利用模型自動進(jìn)行考核。而在實(shí)驗(yàn)課程中的大數(shù)據(jù)研究主要是針對實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，并依托云平臺構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室。

大數(shù)據(jù)下計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)機(jī)中安裝電腦的操作記錄爬蟲，將學(xué)生在整個實(shí)驗(yàn)過程中的所有操作(虛擬平臺的實(shí)驗(yàn)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(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，調(diào)整對現(xiàn)有的虛擬平臺的功能，例如：學(xué)習(xí)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(shí)時送到云平臺進(jìn)行處理。模型根據(jù)學(xué)生當(dāng)前的幾步操作分析其問題，并實(shí)時反饋給教師以及學(xué)生，幫助教師了解學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，同時可及時糾正學(xué)生實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)操作數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。該模塊是整個系統(tǒng)的大腦，需要運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)的相關(guān)算法對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該模塊主要包括下面3個功能。

(1) 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生常見的查詢信息，并對這些信息進(jìn)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(shí)驗(yàn)過程中使用。

(2) 實(shí)驗(yàn)操作的建模。利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法從云平臺的歷史操作數(shù)據(jù)中對各個實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)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(shí)驗(yàn)操作和理論知識點(diǎn)的關(guān)聯(lián)。根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的歷史數(shù)據(jù)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)中的聚類算法對錯誤信息進(jìn)行聚類，如圖3所示，然后將聚類結(jié)果和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的知識點(diǎn)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(shí)驗(yàn)操作過程中，智能平臺對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)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(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)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(xí)的結(jié)果再繼續(xù)后續(xù)的實(shí)驗(yàn)步驟。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過程中的疑惑，提高實(shí)驗(yàn)的效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

圖3 錯誤結(jié)果聚類分析

(2) 實(shí)驗(yàn)助手。將學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的每個步驟及時發(fā)送到云平臺進(jìn)行分析，當(dāng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)問題時，實(shí)驗(yàn)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(xì)分析先前的實(shí)驗(yàn)步驟以及參數(shù)設(shè)置，再進(jìn)行修正。如果學(xué)生在某個步驟中多次嘗試都無法正確進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)助手要及時將消息發(fā)送到教師端，教師根據(jù)消息進(jìn)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(shí)驗(yàn)的結(jié)果及時進(jìn)行分析，以便教師掌握該次實(shí)驗(yàn)的情況，并根據(jù)分析報告對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié) 語

本文提出的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)智能分析平臺框架構(gòu)想，盡管需要大量實(shí)驗(yàn)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(xí)的樂趣，提高學(xué)習(xí)的效果。

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