基于數(shù)據(jù)挖掘的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)量化分析

張 浩， 雷 洪， 龔成斌， 彭敬東， 何顯達(dá)， 馬學(xué)兵

(西南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，重慶 400715)

基于數(shù)據(jù)挖掘的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)量化分析

張 浩， 雷 洪， 龔成斌， 彭敬東， 何顯達(dá)， 馬學(xué)兵

(西南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，重慶 400715)

作為實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要補(bǔ)充，基于互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中生成了大量的學(xué)生學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)。為了研究虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)成績(jī)的關(guān)系，識(shí)別虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的新行為模式，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。通過(guò)研究虛擬-現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)成績(jī)之間的相關(guān)性、因果性以及學(xué)習(xí)時(shí)間對(duì)成績(jī)的影響，發(fā)現(xiàn)理論學(xué)習(xí)、實(shí)際操作成績(jī)與偏重于流程訓(xùn)練的簡(jiǎn)單虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的相關(guān)性較小，與機(jī)理型復(fù)雜虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相關(guān)性較大；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開展對(duì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)均有不同程度的促進(jìn)作用。

虛擬仿真； 數(shù)據(jù)挖掘； 量化分析； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)和3D建模技術(shù)的不斷創(chuàng)新，基于先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展迅速，并被大量應(yīng)用于化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)[1-3]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開設(shè)能夠在一定程度上解決化學(xué)與化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的有毒有害高污染等普遍性制約問(wèn)題，具有非常重要的實(shí)踐意義[4-6]。作為一種新興事物，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果、教學(xué)管理及其背后隱含的學(xué)習(xí)行為仍然需要進(jìn)一步的分析研究[7-9]。

由于傳統(tǒng)教學(xué)研究難以量化，教學(xué)效果評(píng)價(jià)體系大多基于多級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的定性分析[10]。評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)多來(lái)自于問(wèn)卷調(diào)查，指標(biāo)性問(wèn)題設(shè)計(jì)過(guò)于主觀、數(shù)據(jù)收集成本高、涵蓋面小是傳統(tǒng)教學(xué)評(píng)價(jià)研究的主要限制性因素[11]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)利用互聯(lián)網(wǎng)開展教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，反映學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣的數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)成了教學(xué)效果量化分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[12-13]。本文通過(guò)分析化學(xué)化工國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心2014～2016年學(xué)生成績(jī)與練習(xí)時(shí)間數(shù)據(jù)，探討虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展對(duì)提升學(xué)生化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)技能的影響。

1 數(shù)據(jù)與分布

1.1研究數(shù)據(jù)概述

研究數(shù)據(jù)包括2014～2016年化學(xué)化工學(xué)院儀器分析和化工原理實(shí)際實(shí)驗(yàn)成績(jī)與虛擬實(shí)驗(yàn)成績(jī)及其操作記錄。其中，儀器分析實(shí)作實(shí)驗(yàn)包括氣相色譜、高效液相色譜、核磁共振和原子熒光等16種儀器，相對(duì)應(yīng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)包括三維核磁、原子力顯微鏡、掃描電鏡和XPS能譜分析等14種大型精密儀器；化工原理實(shí)驗(yàn)包括伯努利實(shí)驗(yàn)、離心泵特性曲線測(cè)定和對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn)等16個(gè)實(shí)驗(yàn)，相應(yīng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)包括化工流動(dòng)過(guò)程綜合實(shí)驗(yàn)、傳熱綜合實(shí)驗(yàn)和精餾塔綜合實(shí)驗(yàn)等14類項(xiàng)目。大型精密儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)偏重于流程訓(xùn)練，步驟設(shè)置簡(jiǎn)單；化工原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基于實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)原理，步驟和數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜，接近于實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

學(xué)生樣本包括2013～2016級(jí)化學(xué)教育、應(yīng)用化學(xué)、材料化學(xué)和化學(xué)工程與工藝等4個(gè)專業(yè)，共1 223人。所有學(xué)生在大學(xué)二年級(jí)同時(shí)進(jìn)行實(shí)作實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前修完相應(yīng)理論學(xué)習(xí)課程。

1.2數(shù)據(jù)分布情況

由于儀器分析與化工原理實(shí)驗(yàn)學(xué)分、學(xué)時(shí)相同，本文將兩門實(shí)驗(yàn)成績(jī)平均，分別得到實(shí)作實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)成績(jī)。學(xué)生實(shí)作實(shí)驗(yàn)成績(jī)分布如圖1所示：平均成績(jī)?yōu)?2.43分，方差為19.94；61.36%的學(xué)生成績(jī)高于80分；3.27%學(xué)生獲得優(yōu)秀。實(shí)作實(shí)驗(yàn)成績(jī)實(shí)際分布與正態(tài)分布的K-S檢驗(yàn)值為0.097 2，最大差異出現(xiàn)在80分位置，說(shuō)明實(shí)作實(shí)驗(yàn)符合傳統(tǒng)學(xué)生認(rèn)知規(guī)律[14]。

圖1 2014～2016年學(xué)生實(shí)作實(shí)驗(yàn)成績(jī)概率密度分布

與實(shí)作實(shí)驗(yàn)教學(xué)所呈現(xiàn)的近似正態(tài)分布相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成績(jī)呈現(xiàn)出明顯不同的概率分布模式(見圖2)：平均成績(jī)?yōu)?0.92分，方差為51.74；57.19%的學(xué)生成績(jī)高于90分；38.48%的學(xué)生可以獲得優(yōu)秀評(píng)級(jí)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成績(jī)平均分比實(shí)作實(shí)驗(yàn)成績(jī)提高9.77%，統(tǒng)計(jì)效果顯著。

圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成績(jī)概率密度分布

相對(duì)于臺(tái)套數(shù)較少的實(shí)際實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)親自操作虛擬儀器，不限次數(shù)練習(xí)操作步驟和規(guī)范性。在達(dá)到一定重復(fù)次數(shù)后，大多數(shù)學(xué)生都能夠熟練掌握虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的操作和數(shù)據(jù)處理方法，從而取得較好的考試成績(jī)；同時(shí)，相對(duì)于實(shí)際實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在操作上進(jìn)行了適度簡(jiǎn)化，也有利于學(xué)生成績(jī)的提高。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果分析

2.1數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文研究數(shù)據(jù)涉及4個(gè)專業(yè)共21個(gè)自然班，20個(gè)實(shí)作實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中某些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由多個(gè)老師共同授課。數(shù)據(jù)可分為專業(yè)、班級(jí)、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和任課老師等多個(gè)層級(jí)。為了消除不同教師給分的系統(tǒng)性差別，屬于同一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的不同教師成績(jī)均進(jìn)行了歸一化處理；同一課程的實(shí)驗(yàn)成績(jī)由不同試驗(yàn)項(xiàng)目所修課時(shí)占全部課時(shí)權(quán)重得到最終成績(jī)。

2.2評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文采用了4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

(1) 皮爾遜相關(guān)系數(shù)r。用于度量?jī)蓚€(gè)變量之間的相關(guān)程度：r越接近于1，表示兩個(gè)變量之間的相關(guān)性越好，趨勢(shì)變化越一致。

(1)

(2)

(3) 標(biāo)準(zhǔn)差δ。反映組內(nèi)個(gè)體間的離散程度。

(3)

(4) Granger因果關(guān)系檢驗(yàn)yt，反映虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開展對(duì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)成績(jī)的因果性影響[15-16]。

(4)

式中，u1t為白噪聲。

2.3教學(xué)效果分析

為了從整體上評(píng)估虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展對(duì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)的影響，本文選取了原子吸收、液相色譜、伯努利實(shí)驗(yàn)和離心泵特性曲線測(cè)定，共4種虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。其中，原子吸收和液相色譜虛擬實(shí)驗(yàn)由于開發(fā)時(shí)間限制，偏重于流程訓(xùn)練，不涉及到后期數(shù)據(jù)處理和數(shù)學(xué)模型；后兩種化工原理實(shí)驗(yàn)不僅步驟詳細(xì)，還涉及較多的數(shù)學(xué)模型，流程相對(duì)接近實(shí)際實(shí)驗(yàn)。分析結(jié)果見表1。

表1 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相關(guān)系數(shù)、均值與標(biāo)準(zhǔn)差

表1表明，虛擬實(shí)驗(yàn)平均成績(jī)普遍高于實(shí)作實(shí)驗(yàn)。經(jīng)分析，其原因如下：① 所有學(xué)生均可親自操作虛擬實(shí)驗(yàn)儀器，其動(dòng)手能力可得到充分訓(xùn)練；② 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作步驟和試驗(yàn)結(jié)果均經(jīng)過(guò)合理簡(jiǎn)化，大大降低了實(shí)驗(yàn)過(guò)程存在的隨機(jī)因素；③ 部分虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)_本設(shè)計(jì)不合理，僅有序操作，無(wú)誤操作反饋。

虛實(shí)實(shí)驗(yàn)相關(guān)系數(shù)表明，步驟較少、操作簡(jiǎn)單的仿真實(shí)驗(yàn)成績(jī)與實(shí)做實(shí)驗(yàn)呈弱相關(guān)，甚至是負(fù)相關(guān)；操作步驟多，原理復(fù)雜的虛擬實(shí)驗(yàn)成績(jī)與實(shí)做實(shí)驗(yàn)成績(jī)呈強(qiáng)正相關(guān)性。這說(shuō)明虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)越接近真實(shí)實(shí)驗(yàn)，越能體現(xiàn)學(xué)生真實(shí)理論學(xué)習(xí)和操作水平。

標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)顯示，大部分虛擬實(shí)驗(yàn)成績(jī)標(biāo)準(zhǔn)差低于實(shí)作實(shí)驗(yàn)，即學(xué)生成績(jī)分布較為集中。在進(jìn)行臺(tái)套數(shù)相對(duì)短缺的實(shí)作實(shí)驗(yàn)時(shí)，只有真正感興趣和基礎(chǔ)較好的學(xué)生能夠得到實(shí)際操作機(jī)會(huì)，成績(jī)相對(duì)較高；虛擬實(shí)驗(yàn)突破了儀器數(shù)目和操作次數(shù)限制，能夠充分培養(yǎng)學(xué)生能力，成績(jī)分布更為接近。Granger因果關(guān)系檢驗(yàn)表明，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展對(duì)實(shí)作實(shí)驗(yàn)成績(jī)提高具有顯著影響。

為了研究虛擬實(shí)驗(yàn)操作次數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)成績(jī)的影響，現(xiàn)通過(guò)液相色譜和伯努利虛擬實(shí)驗(yàn)成績(jī)箱線圖說(shuō)明成績(jī)與學(xué)習(xí)時(shí)間安排之間的關(guān)系，結(jié)果見圖3和圖4。

圖3 液相色譜成績(jī)箱線圖

圖4 伯努利仿真實(shí)驗(yàn)成績(jī)箱線圖

從圖3可見，隨著操作次數(shù)增加，大多數(shù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)有所提高。在操作次數(shù)達(dá)到5次時(shí)，大多數(shù)學(xué)生可準(zhǔn)確掌握液相色譜操作步驟。高于5次后，學(xué)生提高程度不明顯。與液相色譜相比，伯努利實(shí)驗(yàn)提高分為兩個(gè)階段：1～5次屬于流程提高階段，學(xué)生能夠較快掌握；6～12次屬于細(xì)節(jié)提高階段，提升次數(shù)相對(duì)較慢；完全掌握需要花費(fèi)的時(shí)間遠(yuǎn)高于液相色譜虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。這說(shuō)明，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開發(fā)不僅僅要滿足于操作流程的培訓(xùn)，也要重視其對(duì)創(chuàng)新能力和應(yīng)用能力的培養(yǎng)。在教學(xué)安排上，不同類型的實(shí)驗(yàn)需要安排相應(yīng)的練習(xí)學(xué)時(shí)才能達(dá)到滿意的訓(xùn)練效果。

3 結(jié) 論

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開設(shè)時(shí)機(jī)逐漸成熟。目前，全國(guó)已有300個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果評(píng)估已變得十分重要。本文在針對(duì)超過(guò)1 000多個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)成績(jī)樣本分析的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式對(duì)提高學(xué)生操作能力和應(yīng)用創(chuàng)新能力效果顯著。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開發(fā)應(yīng)該合理設(shè)計(jì)腳本，盡力真實(shí)再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。同時(shí)，應(yīng)考慮其難度合理安排教學(xué)時(shí)間。由于數(shù)據(jù)收集成本過(guò)大，本文尚未研究有實(shí)無(wú)虛與有虛無(wú)實(shí)兩種情況對(duì)實(shí)際教學(xué)的影響。

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QuantitativeAnalysisofVirtuallyExperimentalTeachingUsingDataMining

ZHANGHao,LEIHong,GONGChengbin,PENGJingdong,HEXianda,MAXuebing

(School of Chemistry and Chemical Engineering, Southwest University, Chongqing 400715, China)

As an important supplement to real experimental teaching, there are a great amount of data about learning process during the execution of virtually experimental teaching based on the Internet platforms. To study relations between virtual experiment scores and real experiment scores and recognize new patterns of learning behaviors in virtual experiment teaching process, data mining techniques are employed to analyze data of virtual chemical and chemical engineering experiment teaching processes. The results of relations and causalities between virtual experiment scores and real experiment scores and impact of learning time on scores show that relations between theoretical learning, real experiment scores and simple virtual experiment programs about process training are much lower than that with complicated virtual experiment programs based on mechanism. Executions of virtual experiments can improve their performances on real experiment in different degrees.

virtual simulation; data mining; quantitative analysis; experimental teaching

TP 391; G 642.1

A

1006-7167(2017)09-0129-03

2016-12-22

西南大學(xué)博士基金項(xiàng)目(SWU114021)與西南大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(XDJK2015C101)

張 浩(1986-)，男，河北平山人，博士，講師，主要研究方向?yàn)殪F霾預(yù)警與大數(shù)據(jù)應(yīng)用。Tel.: 18580481938; E-mail: haozhang@swu.edu.cn