面向大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程開放實驗平臺構(gòu)建研究

尹學(xué)松+蔣融融+張吉先+齊幼菊+厲毅

【摘 要】 遠(yuǎn)程開放實驗平臺是開展遠(yuǎn)程實踐教學(xué)的主體，為培養(yǎng)應(yīng)用型人才提供了重要的遠(yuǎn)程實驗資源保障。現(xiàn)有的大多數(shù)遠(yuǎn)程開放實驗平臺通常不能有效處理大并發(fā)量訪問請求，也不能提供自適應(yīng)的個性化學(xué)習(xí)環(huán)境，難以滿足大規(guī)模實驗教學(xué)和個性化學(xué)習(xí)的要求。針對這些問題，結(jié)合工作實踐，筆者對面向大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程開放實驗平臺進(jìn)行了深入研究。首先，使用云計算技術(shù)搭建平臺基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施，著重解決大數(shù)據(jù)存儲與分析等問題，為應(yīng)用層服務(wù)提供計算支撐；其次，基于泛在學(xué)習(xí)理念，并融入開放教學(xué)設(shè)計理念，勾勒出一個新的面向大數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程開放實驗平臺體系架構(gòu)，以支持個性化自適應(yīng)學(xué)習(xí)；最后，以平臺架構(gòu)為依托，以提升學(xué)習(xí)效果為導(dǎo)向，設(shè)計面向大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程開放實驗平臺的實踐案例，為開展遠(yuǎn)程實踐教學(xué)提供范例。所提出的構(gòu)建平臺體系架構(gòu)的思想可為面向大數(shù)據(jù)在線學(xué)習(xí)平臺建設(shè)提供有益的借鑒。

【關(guān)鍵詞】 大數(shù)據(jù)分析；深度學(xué)習(xí)；智慧化學(xué)習(xí)環(huán)境；知識計算；自適應(yīng)學(xué)習(xí)

【中圖分類號】 G420 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A 【文章編號】 1009—458x（2016）11—0028—07

一、引言

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)與社交網(wǎng)絡(luò)等新興技術(shù)和服務(wù)的不斷涌現(xiàn)與逐漸應(yīng)用，數(shù)據(jù)種類和數(shù)據(jù)規(guī)模急劇增加，不知不覺間，大數(shù)據(jù)時代已悄然走進(jìn)人們的生活和學(xué)習(xí)。王元卓等（2013）認(rèn)為大數(shù)據(jù)（Big Data）一般是指使用超大規(guī)模的機(jī)器和軟硬件工具才能對數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取、存儲、加工、管理、分析與服務(wù)的數(shù)據(jù)集合，常規(guī)的機(jī)器在一定時間內(nèi)難以處理。一般說來，大數(shù)據(jù)有五個特性：數(shù)量（Volume）、速度（Velocity）、種類（Variety）、價值（Value）與真實性（Veracity）（方巍，等，2014）。自從2008年《自然》（Nature）雜志出版了大數(shù)據(jù)專刊，從網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)學(xué)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)與超級計算等方面研討大數(shù)據(jù)帶來的挑戰(zhàn)后，大數(shù)據(jù)真正走入人們的視野；《科學(xué)》（Science）雜志也于2011年推出數(shù)據(jù)處理（Dealing with Data）?？懻摯髷?shù)據(jù)對工業(yè)與科學(xué)研究的重要性。2012年，美國將大數(shù)據(jù)提升到國家戰(zhàn)略的高度，美國政府宣布啟動“大數(shù)據(jù)研究和開發(fā)計劃”，并投資2億美元。這是繼1993年宣布“信息高速公路”之后的又一次重大科技戰(zhàn)略部署。我國目前也在積極進(jìn)行大數(shù)據(jù)研究與應(yīng)用，《國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》與《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中都明確指出支持海量數(shù)據(jù)存儲和處理技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，科技部將大數(shù)據(jù)計算研究作為國家基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（ 973計劃） 2014 年度重要支持方向之一。國內(nèi)學(xué)術(shù)界對大數(shù)據(jù)的研究如火如荼，一些權(quán)威期刊最近兩年多次刊出大數(shù)據(jù)研究的學(xué)術(shù)論文（張引，等，2013；陳恩紅，等，2014；孟小峰，等，2014）。

魏順平（2013）認(rèn)為挖掘教育大數(shù)據(jù)對了解學(xué)習(xí)過程、調(diào)整教學(xué)方法、完善考核方式及掌握學(xué)習(xí)動態(tài)具有重要價值，也為遠(yuǎn)程開放學(xué)習(xí)平臺的構(gòu)建提供了新的研究視角。如何構(gòu)建和諧、易操作的遠(yuǎn)程開放實驗平臺，如何實現(xiàn)遠(yuǎn)程開放實驗平臺的可持續(xù)發(fā)展，大數(shù)據(jù)和學(xué)習(xí)分析技術(shù)帶給我們重要啟示，也是未來幾年遠(yuǎn)程開放學(xué)習(xí)平臺研究和建設(shè)急需解決的核心問題之一。本研究旨在從大數(shù)據(jù)的視角出發(fā)，構(gòu)建遠(yuǎn)程開放實驗平臺模型，重點剖析實驗平臺的體系架構(gòu)、功能模塊及實踐案例，以期為泛在學(xué)習(xí)理念下面向大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程開放實驗平臺和其他學(xué)習(xí)平臺的建設(shè)提供有價值的參考。

二、遠(yuǎn)程開放實驗平臺研究現(xiàn)狀

近年來，遠(yuǎn)程開放實驗平臺建設(shè)受到越來越多高校的重視，如同濟(jì)大學(xué)建筑學(xué)院研發(fā)的建筑景觀與結(jié)構(gòu)虛擬現(xiàn)實實驗，北京郵電大學(xué)與北京工業(yè)大學(xué)共同開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗等（尹學(xué)松，等，2008）。翟敬梅等（2012）設(shè)計了一個面向機(jī)械類基礎(chǔ)課程的遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)，其目的是讓學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)完成機(jī)械類的基礎(chǔ)實驗。沈曦等（2004）也設(shè)計了遠(yuǎn)程虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要功能模塊有訪問控制、虛擬現(xiàn)實實驗、系統(tǒng)與實驗管理、網(wǎng)上答疑與考核和統(tǒng)計。孫瑩等（2010）嘗試研究了一個基于物理化學(xué)和化工原理兩門課程的遠(yuǎn)程模擬實驗系統(tǒng)。屈鴻翔等（2010）構(gòu)建了一個簡單的包括四個功能模塊的現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育實驗教學(xué)平臺。董黎明等（2013）搭建了一個面向遠(yuǎn)程開放教育的多媒體網(wǎng)絡(luò)實驗平臺，在該平臺上將實驗分為初級實驗、中級實驗與拓展實驗三類，每類實驗包括多個實驗任務(wù)供學(xué)生完成。如何將學(xué)生模塊、教師模塊與實驗?zāi)K有機(jī)結(jié)合起來，是遠(yuǎn)程開放實驗平臺的一個難點。

隨著云計算技術(shù)的應(yīng)用，一部分教師將該技術(shù)運(yùn)用到遠(yuǎn)程開放實驗平臺的設(shè)計中。黃曉玲等（2011）提出了一個基于云計算的實驗教學(xué)平臺，其框架包括應(yīng)用層 、虛擬化層與物理層。魯慧民等（2012）根據(jù)云計算理念設(shè)計了一個虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，將基礎(chǔ)軟件和應(yīng)用軟件放在基礎(chǔ)設(shè)施層，把開發(fā)的小實驗放在平臺層，將虛擬實驗?zāi)K、管理模塊和交流模塊功能放在軟件層?？姿嚈?quán)（2014）研究了3G移動模式下遠(yuǎn)程實驗教學(xué)平臺框架，利用3G移動網(wǎng)絡(luò)與計算機(jī)技術(shù)拓展現(xiàn)有基于Internet的遠(yuǎn)程開放實驗平臺，實現(xiàn)通過移動設(shè)備完成實驗。浙江廣播電視大學(xué)從2005年起就開展了遠(yuǎn)程開放實驗平臺的研究與建設(shè)，研究人員從遠(yuǎn)程開放實踐教學(xué)理念（方志剛，2012；龔祥國，等，2012）、實踐教學(xué)體系（齊幼菊，等，2014）、策略研究（方偉軍，等，2006）、平臺架構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用（齊幼菊， 2007；齊幼菊，等，2007；厲毅，2009；鄭煒，等，2013）等方面進(jìn)行了研究。齊幼菊等（2007）還研發(fā)了基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程開放實驗平臺，集成各種實驗與實驗教學(xué)資源，整個平臺包括基本信息管理系統(tǒng)、實驗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、實驗調(diào)度系統(tǒng)與實驗結(jié)果管理系統(tǒng)等功能。

總的來說，當(dāng)前大多數(shù)遠(yuǎn)程開放實驗平臺關(guān)注少數(shù)課程實驗的設(shè)計和實驗的集成，缺少平臺架構(gòu)層面的設(shè)計和數(shù)據(jù)分析，尤其是借鑒云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)對可持續(xù)發(fā)展的遠(yuǎn)程開放實驗平臺的設(shè)計。所構(gòu)建的平臺通常局限于對少數(shù)課程實驗的集成，沒有突出平臺應(yīng)對大規(guī)模訪問的處理方法，缺乏對實驗數(shù)據(jù)的分析與挖掘。因此，從大數(shù)據(jù)視角去分析遠(yuǎn)程開放實驗平臺的建設(shè)具有重要的意義。

三、面向大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程開放實驗平臺模型設(shè)計

（一）遠(yuǎn)程開放實驗平臺的新發(fā)展

隨著學(xué)生人數(shù)、課程實驗、學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)與學(xué)習(xí)資源的增多，以及學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)需求的多元化和服務(wù)社會功能的多樣化（吳戰(zhàn)杰，等，2013），遠(yuǎn)程開放實驗平臺面臨的數(shù)據(jù)會越來越多，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。因此，構(gòu)建一個能處理大數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程開放實驗平臺至關(guān)重要。面向大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程開放實驗平臺（BODOP， Big Data Oriented Distant and Open Experiment Platform）是以遠(yuǎn)程開放教育理論為指導(dǎo)，使用云計算技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)和通信技術(shù)等將課程中的實體實驗遷移到互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，在網(wǎng)絡(luò)空間實現(xiàn)各種實驗過程，獲取與保存實驗數(shù)據(jù)，并使用大數(shù)據(jù)技術(shù)和學(xué)習(xí)分析技術(shù)挖掘?qū)嶒灁?shù)據(jù)，為教師合理開展實驗教學(xué)提供科學(xué)決策的線上實驗系統(tǒng)。一方面，BODOP為開展遠(yuǎn)程開放實驗教學(xué)提供線上實驗學(xué)習(xí)環(huán)境；另一方面，學(xué)生能夠通過互聯(lián)網(wǎng)參與并體驗符合課程要求的各種實驗，不僅能學(xué)到實驗知識，掌握實驗過程，觀察實驗現(xiàn)象，得到合理的實驗結(jié)果，還可以學(xué)到相關(guān)的信息技術(shù)。

遠(yuǎn)程開放教育是面向在職或職前人員的繼續(xù)教育，通過一段時間學(xué)習(xí)，使學(xué)習(xí)者獲得滿足職業(yè)提升與轉(zhuǎn)崗的知識與技能。為了順應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展趨勢和學(xué)習(xí)者的多樣化訴求，遠(yuǎn)程開放教育在教學(xué)過程中需要突出職業(yè)特色，將學(xué)習(xí)者迫切需要的職業(yè)技能與現(xiàn)代信息技術(shù)素養(yǎng)作為教學(xué)核心，培養(yǎng)符合區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與行業(yè)特點、適應(yīng)企業(yè)需求的應(yīng)用型技術(shù)人才。顯然，遠(yuǎn)程開放實踐教學(xué)在提升學(xué)習(xí)者職業(yè)技能等方面扮演著極其重要的作用。而遠(yuǎn)程開放實驗平臺（BODOP）是開展遠(yuǎn)程開放實踐教學(xué)的線上教與學(xué)場所。因此，建設(shè)BODOP，改革實踐教學(xué)模式，加強(qiáng)面向任務(wù)和實踐技能的線上學(xué)習(xí)環(huán)境建設(shè)，是當(dāng)前開展遠(yuǎn)程開放教育的重要任務(wù)之一。

（二）大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程開放實驗平臺的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計

遠(yuǎn)程實驗教學(xué)面臨的數(shù)據(jù)通常規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、關(guān)聯(lián)度高，因此，傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程開放實驗平臺在處理這些大數(shù)據(jù)時，無論是響應(yīng)并發(fā)量大的用戶訪問請求，還是存儲大規(guī)模交互數(shù)據(jù)，都難以在有效的時間里完成。因而，構(gòu)建面向大數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程開放實驗平臺，解決上述問題，需要以智能化云計算中心與較高帶寬互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)設(shè)施，使用基于SOA（Service - oriented Architecture，面向服務(wù)架構(gòu)）的技術(shù)搭建系統(tǒng)，設(shè)計平臺的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)體系為依托，并輔以大數(shù)據(jù)存儲、分析與挖掘等技術(shù)，通過互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)及智能終端，為學(xué)習(xí)者提供實驗學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)存儲與分析服務(wù)。根據(jù)云計算的特點，在設(shè)計框架時，要充分考慮平臺的擴(kuò)展性與計算性能，在硬件與軟件上都要具有前瞻性的部署（平臺的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示）。事實上，在BODOP的整體架構(gòu)中，云計算服務(wù)器是核心，所有的實驗與實驗教學(xué)資源都存放在云服務(wù)器上，借助云計算服務(wù)器的高性能服務(wù)，保障平臺平穩(wěn)高效地運(yùn)行。

對學(xué)習(xí)者來說，應(yīng)用層呈現(xiàn)給用戶的實驗是平臺建設(shè)核心，沒有好的學(xué)習(xí)交互和環(huán)境體驗，平臺計算速度再快，也未必能實現(xiàn)實驗教學(xué)的真正目的。因此，在重視云計算服務(wù)建設(shè)的同時，也要重視實驗的建設(shè)。遠(yuǎn)程實驗通常有兩類：一類是虛擬現(xiàn)實實驗，包括交互式虛擬實驗與沉浸式虛擬實驗；另一類是遠(yuǎn)程控制實驗。從這兩類實驗出發(fā)，建設(shè)符合學(xué)習(xí)者職業(yè)發(fā)展和技能提升的遠(yuǎn)程開放實驗。

平臺中的數(shù)據(jù)庫建設(shè)和維護(hù)也同樣重要，數(shù)據(jù)的收集、分析與挖掘結(jié)果都保存在服務(wù)器里。為了維護(hù)這些重要數(shù)據(jù)的安全，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)同步備份，可根據(jù)平臺運(yùn)行實際情況，制訂時間與周期，將平臺里各子系統(tǒng)和每次學(xué)習(xí)者在實驗場景中的交互數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。此外，平臺還應(yīng)有核心交換機(jī)、負(fù)載均衡設(shè)備與WEB服務(wù)器等重要設(shè)備，保障平臺的正常運(yùn)行。

（三）大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程開放實驗平臺的體系架構(gòu)搭建

BODOP需要支持自適應(yīng)學(xué)習(xí)環(huán)境，實現(xiàn)個性化的自適應(yīng)學(xué)習(xí)以及完成實驗人才培養(yǎng)模式由平移式學(xué)習(xí)過渡到智慧化學(xué)習(xí)。因此，它的架構(gòu)設(shè)計既要支撐基于互聯(lián)網(wǎng)的實驗學(xué)習(xí)與移動學(xué)習(xí)，又要支持?jǐn)?shù)據(jù)分析與挖掘。

面向大數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程開放實驗平臺體系架構(gòu)如圖2所示。整個平臺架構(gòu)包括服務(wù)層、功能層、系統(tǒng)層和實施層，每層的內(nèi)涵如下：

1. 服務(wù)層主要面向?qū)W習(xí)者、教師、技術(shù)人員與管理人員，為學(xué)習(xí)者提供基于Web的實驗學(xué)習(xí)和移動實驗學(xué)習(xí)，同時根據(jù)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)能力和偏好等推薦相關(guān)學(xué)習(xí)資源。

2. 功能層基本上提供各種實驗，并融合這些實驗，為學(xué)習(xí)者提供實驗學(xué)習(xí)場景；收集各種數(shù)據(jù)，提供大數(shù)據(jù)存儲、分析與挖掘功能，為實現(xiàn)個性化自適應(yīng)學(xué)習(xí)提供數(shù)據(jù)支撐，并實施實驗資源管理。

3. 系統(tǒng)層是由各個系統(tǒng)組成，如基于Web的遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)、移動實驗系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)計算系統(tǒng)（包括大數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、分析系統(tǒng)與挖掘系統(tǒng)）、個性化自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)、實驗資源推薦系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)雖然呈現(xiàn)給用戶的是不同的功能模塊，但底層數(shù)據(jù)互通，運(yùn)行時互不影響，從而保證整個平臺的功能實現(xiàn)。

4. 設(shè)施層提供平臺運(yùn)行需要的硬件、軟件及網(wǎng)絡(luò)資源，包括云計算服務(wù)器、核心交換機(jī)、負(fù)載均衡、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)等。

在設(shè)施層采用虛擬化技術(shù)，包括存儲虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化及計算虛擬化，動態(tài)計算平臺上各種資源更準(zhǔn)確地為各子系統(tǒng)分配計算資源，達(dá)到平臺最優(yōu)化配置。平臺采用數(shù)據(jù)處理技術(shù)，將非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)處理以后存儲在設(shè)施層，加強(qiáng)應(yīng)用知識計算技術(shù)、知識庫技術(shù)等，并與數(shù)據(jù)處理技術(shù)相結(jié)合，為遠(yuǎn)程開放實驗學(xué)習(xí)平臺智慧化服務(wù)提供技術(shù)支撐。

（四）大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程開放實驗平臺的功能模塊實現(xiàn)

大數(shù)據(jù)技術(shù)可以分析與挖掘教育數(shù)據(jù)，為教師進(jìn)行教學(xué)改革提供科學(xué)依據(jù)（何克抗，2014；呂瑤，2014）。在收集個人數(shù)據(jù)、實驗數(shù)據(jù)及系統(tǒng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，BODOP對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。教師根據(jù)分析結(jié)果，對實驗教學(xué)進(jìn)行科學(xué)安排，幫助學(xué)習(xí)者完成實驗的深度學(xué)習(xí)，掌握職業(yè)知識，提升崗位技能。BODOP需要向社會提供服務(wù)，感興趣的學(xué)習(xí)者可以通過該平臺參加遠(yuǎn)程實驗學(xué)習(xí)，學(xué)到相關(guān)的實踐知識?；谏鲜龇治?，BODOP的功能模塊設(shè)計理念體現(xiàn)在：一是有智慧化的學(xué)習(xí)場景，二是有針對性的課程實驗，三是有靈活便捷的交互，四是有數(shù)據(jù)分析與挖掘功能，五是有貼身式學(xué)習(xí)支持服務(wù)。

BODOP的功能模塊設(shè)計需要突出基于互聯(lián)網(wǎng)實驗學(xué)習(xí)和移動實驗學(xué)習(xí)功能，滿足學(xué)習(xí)者多樣化、多終端、個性化的隨時隨地學(xué)習(xí)需求，具體功能模塊如圖3所示。平臺實驗集成管理模塊不僅是集成與融合各種課程實驗，還要負(fù)責(zé)與實驗學(xué)習(xí)功能之間數(shù)據(jù)交互，使實驗過程數(shù)據(jù)和學(xué)習(xí)者實驗學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)完好地保存到數(shù)據(jù)庫，便于數(shù)據(jù)分析與挖掘使用。用戶權(quán)限管理是對平臺各個角色進(jìn)行定義，并分配給各角色相應(yīng)的權(quán)限。

圖4展示的是BODOP的角色任務(wù)，不同職責(zé)的教師在平臺里的任務(wù)不同，功能自然也不同。平臺管理員可以兼任實驗責(zé)任教師；教學(xué)管理員可以兼任課程責(zé)任教師，負(fù)責(zé)學(xué)生的實驗學(xué)習(xí)。盡管這些教師在平臺里的責(zé)任不同，但他們建設(shè)實驗資源和輔導(dǎo)學(xué)習(xí)者的實驗學(xué)習(xí)的責(zé)任相同（如圖5所示）。

具體地說，平臺管理員負(fù)責(zé)添加實驗軟件、設(shè)置實驗責(zé)任教師、導(dǎo)入開課總表和學(xué)生總表；教學(xué)管理員負(fù)責(zé)教學(xué)點管理、設(shè)置課程責(zé)任教師、注冊開設(shè)課程、選擇本校學(xué)生、管理輔導(dǎo)教師與分組實驗；實驗責(zé)任教師負(fù)責(zé)設(shè)置軟件子實驗與管理子實驗；課程責(zé)任教師選擇課程子實驗、添加理論測試與管理課程資源；實驗輔導(dǎo)教師需要確認(rèn)課程子實驗與管理實驗資源；學(xué)生的職責(zé)是學(xué)習(xí)課程實驗資源。其中，教師要根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，在實驗過程中調(diào)整實驗難易度，干預(yù)實驗過程，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。

四、面向大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程開放

實驗平臺實踐案例分析

（一）個性化自適應(yīng)實驗學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計

BODOP構(gòu)建的目的是將課程中的實體實驗遷移到互聯(lián)網(wǎng)上，搭建智慧實驗學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生可以在任何時間、任何地點完成實驗。實現(xiàn)上述目的，需要兩個要素：一是使用信息技術(shù)將課程實驗變成數(shù)字化虛擬實驗，在這個過程中，要充分利用各種技術(shù)將實驗完整體現(xiàn)，如使用交互式虛擬實驗與沉浸式虛擬實驗讓學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中學(xué)到的實驗與課本講授的實驗知識一致，達(dá)到實踐教學(xué)的目標(biāo)；二是構(gòu)建一個智慧化的網(wǎng)絡(luò)平臺，將各種實驗有機(jī)地集成起來，實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)、學(xué)生數(shù)據(jù)與其他課程數(shù)據(jù)之間的融合，并提供個性化實驗學(xué)習(xí)環(huán)境。智慧教育是借助于現(xiàn)代信息技術(shù)搭建具有感知、推理與決策等智慧特征的學(xué)習(xí)時空環(huán)境，以此促進(jìn)學(xué)生身心協(xié)調(diào)、智力全面及個人可持續(xù)發(fā)展。智慧教育強(qiáng)調(diào)以人為本、一切為了學(xué)習(xí)者的教育思想，充分體現(xiàn)學(xué)習(xí)是一個充滿平衡與張力的接收知識過程（祝智庭，等，2013）。不難發(fā)現(xiàn)，構(gòu)建BODOP，與智慧教育的特性是一致的。

BODOP注重智慧化遠(yuǎn)程實驗環(huán)境建設(shè)，平臺以學(xué)習(xí)者為中心，圍繞實驗學(xué)習(xí)，搭建實驗資源、實驗評價系統(tǒng)、實驗管理系統(tǒng)、學(xué)生信息庫、學(xué)習(xí)實驗庫以及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等，旨在構(gòu)建一個個性化自適應(yīng)實驗學(xué)習(xí)系統(tǒng)（如圖6所示）。在這個系統(tǒng)里，信息反饋與數(shù)據(jù)分析流程如下：

STEP 1：學(xué)生在平臺上注冊，平臺通過與教務(wù)系統(tǒng)的對接，保存學(xué)生的相關(guān)基本信息；

STEP 2：學(xué)生學(xué)習(xí)實驗，平臺啟動導(dǎo)學(xué)式引擎，旨在快速讓學(xué)生理解實驗；

STEP 3：學(xué)生與實驗之間的交互數(shù)據(jù)存儲在學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫里；

STEP 4：數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生的基本信息與學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將結(jié)果傳輸給自適應(yīng)引擎；

STEP 5：自適應(yīng)引擎根據(jù)分析結(jié)果，調(diào)整實驗學(xué)習(xí)內(nèi)容的進(jìn)度；

STEP 6：教師分析實驗結(jié)果與實驗評價，參與實驗內(nèi)容調(diào)整；

STEP7：教師與管理人員修改導(dǎo)學(xué)引擎，同時教師修改或完善實驗資源。

在第五步中，學(xué)生根據(jù)自適應(yīng)引擎反饋的實驗學(xué)習(xí)進(jìn)度、實驗技能完成情況、實驗過程測評等信息，結(jié)合自身學(xué)習(xí)實際，進(jìn)行自我調(diào)節(jié)。例如，對簡單的實驗減少學(xué)習(xí)時間，對較為復(fù)雜的實驗投入更多的學(xué)習(xí)時間，及時掌握實驗知識與技能。教師根據(jù)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)得到反饋信息，及時掌握每個學(xué)生的實驗學(xué)習(xí)情況，根據(jù)這些信息，針對不同學(xué)生做出實驗內(nèi)容調(diào)整和實驗進(jìn)度調(diào)整，根據(jù)實驗中學(xué)生的學(xué)習(xí)信息，修改和完善實驗資源，與管理人員修改相應(yīng)的導(dǎo)學(xué)引擎。實驗完成后，教師根據(jù)數(shù)據(jù)分析與評價系統(tǒng)，掌握哪些實驗內(nèi)容有難度、需要哪些相關(guān)的實驗資源、如何做出輔導(dǎo)等，為下次實驗提供貼身式的服務(wù)。

（二）實驗案例設(shè)計

基于BODOP設(shè)計架構(gòu)，并結(jié)合實驗學(xué)習(xí)流程，浙江廣播電視大學(xué)教學(xué)中心開發(fā)多門課程的實驗教學(xué)，本文以“計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”這門課程為例，討論實驗教學(xué)的開展，并通過案例的介紹，驗證BODOP對實驗教學(xué)與學(xué)習(xí)支持的有效性，實驗?zāi)Ｐ腿鐖D7所示。

在BODOP上開設(shè)實驗課程，一般包括實驗預(yù)備、實驗學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)交流、實驗分析和統(tǒng)計分析五個模塊。實驗預(yù)備包括課程資源、輔導(dǎo)材料、課程題庫與理論測試，主要讓學(xué)生做實驗前掌握實驗必備的基礎(chǔ)知識，并根據(jù)課程內(nèi)容和實驗內(nèi)容，做一些習(xí)題測試，加深對課程知識的理解和掌握。對“計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”而言，實驗學(xué)習(xí)共有“網(wǎng)卡配置實驗”“DNS服務(wù)與配置實驗”“DHCP服務(wù)與配置實驗”“路由器配置實驗”“交換機(jī)IP地址配置實驗”等11個實驗。學(xué)習(xí)交流主要是學(xué)生與教師之間討論互動，還包括學(xué)生實驗學(xué)習(xí)的心得體會。實驗分析包括實驗過程評價、實驗結(jié)果評價和預(yù)測未來學(xué)習(xí)，主要是借助于大數(shù)據(jù)和學(xué)習(xí)分析技術(shù)對學(xué)生的實驗學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，對教學(xué)和學(xué)習(xí)進(jìn)行指導(dǎo)。統(tǒng)計分析主要統(tǒng)計與分析學(xué)生實驗完成情況，包括實驗完成明細(xì)、成績統(tǒng)計分析、選課人數(shù)統(tǒng)計和完成實驗統(tǒng)計。

通過四個學(xué)期的課程實驗教學(xué)，相關(guān)實驗數(shù)據(jù)情況統(tǒng)計如表1所示。不難發(fā)現(xiàn)，對于簡單的實驗，即使事先預(yù)習(xí)實驗知識的學(xué)習(xí)者較少，實驗成績也較高，如實驗1“網(wǎng)卡配置實驗”；對于一些復(fù)雜的實驗，如果預(yù)習(xí)實驗知識的學(xué)習(xí)者不多，實驗過程中需要教師輔導(dǎo)，花的時間較長，實驗結(jié)果也不是太好，如實驗3 “DHCP服務(wù)與配置實驗”。通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，挖掘其背后的一系列元數(shù)據(jù)（如學(xué)生的學(xué)習(xí)時間安排、認(rèn)知能力、操作技能和學(xué)習(xí)態(tài)度等），幫助教師合理安排教學(xué)。

借助遠(yuǎn)程開放實驗平臺進(jìn)行實驗教學(xué)時，以學(xué)生為中心，在傳授實踐知識的同時，充分注重學(xué)生的個人成長與可持續(xù)發(fā)展。主要表現(xiàn)為，BODOP能根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)需求與偏好等個性差異，提供個性化的輔導(dǎo)與學(xué)習(xí)服務(wù)，記錄每一位學(xué)生的實驗學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘與分析，得到的數(shù)據(jù)分析結(jié)果用于揭示潛在問題、評估實驗學(xué)習(xí)過程、建設(shè)實驗資源、完善實驗評價與預(yù)測未來學(xué)習(xí)。因此，包含個性化自適應(yīng)實驗學(xué)習(xí)系統(tǒng)的BODOP是遠(yuǎn)程開放教育智慧學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建的重要組成部分。同時，構(gòu)建BODOP，實施遠(yuǎn)程實踐教學(xué)，不僅能使學(xué)習(xí)者順利完成實驗，還可以對學(xué)習(xí)者的實驗學(xué)習(xí)進(jìn)行輔導(dǎo)與干預(yù)，提升實驗學(xué)習(xí)的沉浸感，最終提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)成就感，有助于學(xué)習(xí)者實踐知識的掌握，進(jìn)一步提高職業(yè)技能。

五、結(jié)語

遠(yuǎn)程實踐教學(xué)是提升學(xué)習(xí)者職業(yè)能力、崗位技能、社會綜合能力及職業(yè)創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)，通常起到不可替代的作用。在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，構(gòu)建遠(yuǎn)程開放實驗平臺能為學(xué)習(xí)者提供個性化自適應(yīng)遠(yuǎn)程實驗學(xué)習(xí)環(huán)境，使學(xué)習(xí)者在愉悅的環(huán)境中完成實驗學(xué)習(xí)，提升職業(yè)技能。首先，對現(xiàn)有的遠(yuǎn)程開放實驗平臺進(jìn)行總結(jié)，分析平臺的不足；其次，從遠(yuǎn)程開放實驗平臺（BODOP）的新發(fā)展、BODOP的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計、體系架構(gòu)搭建和功能模塊實現(xiàn)四個方面，提出了BODOP的模型設(shè)計；最后，從個性化自適應(yīng)實驗學(xué)習(xí)系統(tǒng)和實驗案例設(shè)計分析BODOP實踐案例。從大數(shù)據(jù)視角討論遠(yuǎn)程開放實驗平臺模型的構(gòu)建，旨在為今后搭建類似的遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)平臺提供有益的建設(shè)思路。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等的快速發(fā)展，學(xué)習(xí)者對遠(yuǎn)程開放實驗學(xué)習(xí)不斷提出更高的要求，構(gòu)建面向大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程開放實驗平臺不僅能很好地完成實驗教學(xué)，創(chuàng)建高效、適合泛在學(xué)習(xí)的智慧化學(xué)習(xí)環(huán)境，滿足學(xué)習(xí)者個性化、多元化及多終端的學(xué)習(xí)需求，還能進(jìn)一步促進(jìn)遠(yuǎn)程開放教育的發(fā)展，扎實推動學(xué)習(xí)型社會的建設(shè)。

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責(zé)任編輯 韓世梅