大數(shù)據(jù)平臺在專業(yè)實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘 ?要： 當(dāng)今社會大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展如火如荼，已經(jīng)融入的社會的各行各業(yè)。針對高校的實踐教學(xué)的需要，探討了大數(shù)據(jù)平臺在專業(yè)實驗教學(xué)中的意義和可行性，通過對大數(shù)據(jù)平臺構(gòu)建方案的詳細(xì)說明，以及與傳統(tǒng)實驗室的比較，闡述了大數(shù)據(jù)平臺的推廣應(yīng)用對實踐教學(xué)的有效提升。

關(guān)鍵詞： 大數(shù)據(jù)平臺;AI協(xié)助;大數(shù)據(jù)資源中心;實驗教學(xué)管理

中圖分類號： TP308 ? ?文獻標(biāo)識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.06.007

本文著錄格式：杜煒. 大數(shù)據(jù)平臺在專業(yè)實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究[J]. 軟件，2020，41（06）：3234

【Abstract】： In todays society， big data industry is developing in full swing and has been integrated into all walks of life. This paper discusses the significance and feasibility of big data platform in professional experimental teaching according to the needs of practical teaching in colleges and universities. Through the detailed explanation of the construction scheme of the big data platform and the comparison with the traditional laboratory， this paper expounds the effective promotion of practice teaching by the promotion and application of the big data platform.

【Key words】： Big data platform; AI assistant; Big data resource center; Experimental teaching management

0 ?引言

在當(dāng)今信息化的社會中，數(shù)據(jù)作為信息的載體，顯得越發(fā)重要。自從2015年國家正式提出實施大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，大數(shù)據(jù)已作為基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源[1]，開始影響著當(dāng)今社會的各行業(yè)，并已出現(xiàn)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展的新業(yè)態(tài)新模式[2]。

大數(shù)據(jù)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，加速推動高校傳統(tǒng)計算機實驗教學(xué)方式的改革?，F(xiàn)今高校招生規(guī)模逐年擴大，硬件更新?lián)Q代加速，資金投入相對滯后，對計算機實踐教學(xué)提出了新的要求。本文以我校計算機實驗室為例，對于教學(xué)過程中出現(xiàn)的一些問題，通過對相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，實現(xiàn)在有限資金的現(xiàn)狀下，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，改進傳統(tǒng)實踐教學(xué)方式，提升教學(xué)效率。

1 ?大數(shù)據(jù)平臺在專業(yè)實驗教學(xué)中的意義

根據(jù)中國信息通信研究院的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，金融、政務(wù)和電商三個行業(yè)與大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)結(jié)合度最高。高校作為國家人才的重要來源，在人才培養(yǎng)和教育教學(xué)中要緊跟國家發(fā)展方向。雖然目前部分高校開設(shè)了大數(shù)據(jù)專業(yè)，但大數(shù)據(jù)實驗平臺在高校中的應(yīng)用并不廣泛。多數(shù)高校的計算機實驗室都存在著硬件超期服役，故障率不斷提高和維護成本逐年增長的現(xiàn)象[3]。除此之外計算機軟件的快速更新升級，也使得計算機的運行顯得力不從心。更突出的問題在于，現(xiàn)有計算機實驗機房授課仍采用傳統(tǒng)授課模式，主要借助電子教室軟件分發(fā)收集實驗報告，通過PPT進行理論知識的講授，實驗過程缺乏系統(tǒng)化流程，缺乏對實驗過程的監(jiān)督。

計算機專業(yè)實驗室主要應(yīng)用對象為理工科同學(xué)，強調(diào)個人的實踐動手能力。大數(shù)據(jù)實驗室立足社會實際需求進行實訓(xùn)教學(xué)，突出專業(yè)性和針對性。在每次課程中，單純枯燥的驗證性實驗不再是實訓(xùn)課程的主要內(nèi)容，大數(shù)據(jù)平臺通過提供大量在線實踐機會，充實了實驗課程的內(nèi)容，擴展了實驗課程的形式，增強了學(xué)生實驗操作的積極性，鞏固了理論知識，積累一些珍貴實踐經(jīng)驗，使得所學(xué)知識更加貼近真實工作環(huán)境[4]。同時，大數(shù)據(jù)平臺的推廣應(yīng)用也促進著教師教學(xué)水平的提升。大數(shù)據(jù)實驗室運用了很多最新的技術(shù)，這將促使一線的授課老師要首先學(xué)習(xí)了解相關(guān)知識，增強自身業(yè)務(wù)素質(zhì)，這在無形中提升了教師隊伍的整體素質(zhì)，提升了學(xué)校的教學(xué)水平[5]。

2 ?大數(shù)據(jù)平臺下專業(yè)實驗教學(xué)體系建設(shè)方案

2.1 ?大數(shù)據(jù)背景下實驗室建設(shè)思路

理論教學(xué)和實驗教學(xué)在教學(xué)工作中相輔相成，兩者必須在教學(xué)目標(biāo)和培養(yǎng)方向上保持一致，才能達(dá)到良好的教學(xué)效果[6]。大數(shù)據(jù)背景下實驗室的建設(shè)，首先必須滿足人才培養(yǎng)方案的要求，為相關(guān)課程服務(wù)。實驗室的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)需綜合考慮本校的實際情況，避免一味追求高大上，造成不必要的資源浪費[7]。對于大部分非科研類高校，實驗室的建設(shè)應(yīng)更加強調(diào)學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握水平，注重培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，激發(fā)學(xué)生自我創(chuàng)新能力。

大數(shù)據(jù)技術(shù)的主要優(yōu)勢就是海量數(shù)據(jù)的處理能力。所以相比傳統(tǒng)實驗室，大數(shù)據(jù)實驗室要更加注重教學(xué)資源建設(shè)。教學(xué)資源包括課程資源、實驗實訓(xùn)資源和測評資源。首先，課程資源是教學(xué)資源的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，實驗室課程資源建設(shè)不僅能夠滿足數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)挖掘和統(tǒng)計分析等大數(shù)據(jù)專業(yè)課程，更能夠適用于大部分計算機專業(yè)基礎(chǔ)課程，使得實驗室的應(yīng)用體系更具普遍性。其次，實驗實訓(xùn)資源是實驗課程的核心內(nèi)容，要注重提高實驗資源和理論知識的結(jié)合度，提升實驗課程的可操作性，加強人工智能技術(shù)對實驗過程的輔助。最后，測評資源是衡量教學(xué)質(zhì)量的重要指標(biāo)，要注重評測體系的實踐性和全面性。

在實驗室硬件平臺的建設(shè)方面，若原實驗機房硬件狀態(tài)良好，可以充分利用現(xiàn)有實驗設(shè)施，配備相關(guān)的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，即可實現(xiàn)實驗室硬件搭建，可以大大降低投入成本。

2.2 ?大數(shù)據(jù)背景下實驗室建設(shè)架構(gòu)

傳統(tǒng)的計算機實驗室，只是簡單的將一群計算機劃入一個局域網(wǎng)，除了一些必備的應(yīng)用軟件之外，并沒有用于提升實踐教學(xué)質(zhì)量的軟件平臺支持，師生之間的交互聯(lián)動缺乏活力，教學(xué)方式傳統(tǒng)單一。而利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，就可以徹底改變這種現(xiàn)象，并可以為實踐教學(xué)提供更多途徑和選擇，豐富教學(xué)內(nèi)容拓展教學(xué)空間。

大數(shù)據(jù)實驗室采用BS+CS混合平臺架構(gòu)。其中教師端和學(xué)生端采用CS通信模式[8];教師學(xué)生通過分配賬號，采用BS模式登錄訪問大數(shù)據(jù)平臺。整個平臺具有AI功能，融入到實驗課程之中。如圖1。

2.3 ?方案特點

（1）大數(shù)據(jù)背景下專業(yè)實驗室和傳統(tǒng)計算機實驗室相比，配備了大數(shù)據(jù)資源中心、鏡像資源同步中心、備份中心等專用服務(wù)器，并具有海量數(shù)據(jù)運算處理能力。大數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)向平臺分發(fā)教學(xué)資源，是整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的信息中心。大數(shù)據(jù)教學(xué)與實訓(xùn)管理平臺是系統(tǒng)機構(gòu)的命令中心和硬件主體，其中包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、平臺軟件和科研平臺等。在大數(shù)據(jù)教學(xué)與實訓(xùn)管理平臺的統(tǒng)一調(diào)度下，實現(xiàn)資源的共享，AI協(xié)助、過程監(jiān)督等多項功能，使得實驗教學(xué)的應(yīng)用場景更加真實和豐富。大數(shù)據(jù)教學(xué)與實訓(xùn)平臺系統(tǒng)拓?fù)鋱D，如圖2。

大數(shù)據(jù)資源中心為實驗室提供豐富的課程資源、實訓(xùn)資源和評測資源。管理員可以根據(jù)教學(xué)需要，對各類教學(xué)資源進行優(yōu)化調(diào)整。由圖2可見，實訓(xùn)平臺和客戶端同資源中心采用Internet或VPN連接方式，教師和學(xué)生可以通過分配的登錄賬號異地登錄實驗平臺，教師和學(xué)生可以不統(tǒng)一來到實驗室，即可完成部分教學(xué)任務(wù)，這將擴展實驗教學(xué)的空間性和時域性，降低實驗教學(xué)的資源成本，提高實驗教學(xué)的綜合效果。除此之外，大數(shù)據(jù)平臺還具有良好的擴展性，只需要在本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中直接增加配套硬件設(shè)施，此平臺即具有一定科研實驗功能，實現(xiàn)教學(xué)科研的雙重功能，滿足教學(xué)單位多種需求。

（2）大數(shù)據(jù)平臺下的實驗環(huán)境，是基于Docker容器技術(shù)，可實現(xiàn)瞬間創(chuàng)建隨時運行的實驗環(huán)境。并且在創(chuàng)建環(huán)境時僅需幾臺機器即可虛擬出大量實驗集群，滿足上百學(xué)生同時使用。對于教學(xué)過程中的大量實驗集群，平臺采用Mesos+ZooKeeper+ Mrathon架構(gòu)管理方式，可確保實驗集群完全隔離，互不干擾。即使實驗環(huán)境被破壞，一鍵重啟即可建立新集群。

（3）大數(shù)據(jù)平臺的另一重要特點即AI助手。AI協(xié)助表現(xiàn)在實驗助手、督導(dǎo)助手、測評助手三大方面。AI實驗助手可以實時自動監(jiān)測學(xué)生每個任務(wù)的完成情況，并對實驗任務(wù)進行自動指導(dǎo)和錯誤糾正，老師只需要對實驗過程總體監(jiān)控把握即可，大大減輕教師授課過程大量的學(xué)生指導(dǎo)工作，有效解決了有人上課無人輔導(dǎo)的教學(xué)問題。督導(dǎo)助手是教師教學(xué)過程的監(jiān)督機制，協(xié)助老師檢查學(xué)生登錄狀態(tài)，檢查學(xué)生實驗完成情況等。測評助手可以幫助教師管理題庫和組卷，對成績進行有效分析;同時，測評助手也針對每位同學(xué)學(xué)習(xí)情況，安排有針對性的測評訓(xùn)練，對測評結(jié)果進行個人分析，給出指導(dǎo)意見。

3 ?大數(shù)據(jù)平臺下實驗教學(xué)管理

大數(shù)據(jù)平臺對實驗教學(xué)采取全面有效的模塊化管理模式，如圖3。課程管理模塊，提供超級管理員對專業(yè)開展的課程進行管理，以及分配班級教師授課課程的功能，且老師具備自定義課程內(nèi)容功能。學(xué)生虛擬機功能模塊，提供學(xué)生虛擬機自主申請的功能，學(xué)生可以通過Web瀏覽器進行實驗操作，無需安裝任何開發(fā)軟件環(huán)境，內(nèi)置在線SSH環(huán)境、在線語言編程環(huán)境、可視化開發(fā)環(huán)境、數(shù)據(jù)挖掘開發(fā)環(huán)境、統(tǒng)計分析開發(fā)環(huán)境、文本分析開發(fā)環(huán)境，使用簡單便捷。實驗報告填寫模塊，可協(xié)助學(xué)生對實驗報告進行編輯操作。成績管理模塊，提供教師對授課班級學(xué)生的實驗報告進行查閱、考核、查詢并對成績進行管理的功能。學(xué)生學(xué)習(xí)記錄查詢統(tǒng)計模塊，可以實現(xiàn)對所有學(xué)生的課程學(xué)習(xí)記錄進行記錄及查詢統(tǒng)計的功能，支持按學(xué)生、按班級、按課程查詢統(tǒng)計。

4 ?結(jié)論

當(dāng)今社會先進科學(xué)技術(shù)同傳統(tǒng)教育方式的結(jié)合，可以有效解決目前高校辦學(xué)教育資源不足的困境。大數(shù)據(jù)平臺在專業(yè)實驗室的推廣應(yīng)用，加快了實驗教學(xué)模式的改革提升，真正發(fā)揮了實驗教學(xué)的作用，豐富了實驗課程的內(nèi)涵，增強了學(xué)生動手能力，提高了學(xué)生的實踐意識和實踐素質(zhì)。這些積極影響，對高校提高學(xué)生培養(yǎng)水平，增強教師隊伍素質(zhì)，提升就業(yè)率都是有極大的幫助。

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