數(shù)據挖掘虛擬仿真實驗的教學探索研究

關鍵詞：數(shù)據挖掘；虛擬仿真技術；實踐教學

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）25-0120-03

虛擬仿真技術，作為多項前沿科技的綜合應用，通過計算機模擬生成高度逼真的交互環(huán)境，不僅是教育信息化進程中的重要組成部分，也是教育部力推的五大“金課”之一，更是應用型高校培養(yǎng)理論知識扎實、技術能力卓越的高素質人才的關鍵手段[1]。廣東東軟學院依托“高校+龍頭企業(yè)”的深度融合模式，成功建設并開發(fā)了具有自身特色的熱軋燒結工藝參數(shù)優(yōu)化虛擬仿真實驗教學平臺。本文聚焦于數(shù)據挖掘課程中虛擬仿真教學平臺的必要性、平臺構建及教學設計，旨在為提升教學質量、培養(yǎng)高素質應用型人才提供寶貴經驗。

1 數(shù)據挖掘課程虛擬仿真教學平臺的必要性

數(shù)據挖掘課程融合了概率統(tǒng)計、機器學習、人工智能及數(shù)據可視化等多個計算機領域的核心知識，因其在大數(shù)據分析中的核心地位而成為信息技術研究與應用的關鍵領域[2]。掌握數(shù)據挖掘技能不僅能增強學生的科研能力，還能顯著提升其就業(yè)競爭力，對學生的學業(yè)及未來職業(yè)生涯具有深遠影響[3]。然而，在數(shù)據日益重要的今天，數(shù)據挖掘課程的教學面臨諸多挑戰(zhàn)，這些問題不僅制約了教學質量的提升，也對學生的學習效果和實際應用能力造成了阻礙。

1.1 資源限制

數(shù)據挖掘是一門具有高度實踐性的課程，但傳統(tǒng)教學往往偏重理論，缺乏與實際應用場景的緊密聯(lián)系[4-5]。學生雖能扎實掌握理論概念和方法論，但在面對真實數(shù)據時卻常感無從下手，難以有效應用算法。實踐教學需依托大量實驗，但學校實驗資源有限，難以滿足所有學生的需求，限制了他們的實踐機會和學習效果。虛擬仿真平臺則能利用虛擬仿真技術提供豐富的實驗場景和數(shù)據，讓學生在模擬環(huán)境中自由探索，有效突破資源限制。

1.2 環(huán)境限制

數(shù)據挖掘作為一門以數(shù)據為基礎的學科，真實、有效的數(shù)據集是數(shù)據挖掘實驗的基礎，因而數(shù)據采集是數(shù)據挖掘實踐教學的必要一環(huán)。數(shù)據采集為模型訓練提供了必要的基礎，直接影響著模型的性能和準確性。數(shù)據采集的質量、規(guī)模和多樣性也對模型的泛化能力和魯棒性產生重要影響[6]。同時，數(shù)據采集需遵循法律和道德規(guī)范，確保數(shù)據的合法性和隱私保護。在傳統(tǒng)實踐教學中，由于時間、成本、安全和設備等因素的限制，學生無法進行現(xiàn)場數(shù)據采集或在高危和極端環(huán)境下獲取實驗數(shù)據，而虛擬仿真平臺可以通過虛擬仿真技術，讓學生在課堂上就可以完成相應的數(shù)據采集工作，突破了時間和空間的限制。

2 數(shù)據挖掘課程虛擬仿真場景

本平臺采用虛擬現(xiàn)實、數(shù)據挖掘等技術，對具體生產線進行情景、建模和應用仿真，使學生掌握數(shù)據分析全過程，培養(yǎng)數(shù)據思維。圖1為場景之一的熱壓燒結工業(yè)參數(shù)優(yōu)化的虛擬仿真核心要素設計。

2.1 情景仿真

在熱壓燒結工藝中，生產過程是數(shù)據的主要來源，而數(shù)據又是數(shù)據挖掘課程中最重要的部分。教學團隊經過實地考察、深入生產線，構建了以廣東奔朗新材料科技有限公司生產線為原型的仿真場景。本場景主要仿真了熱壓燒結工藝過程的物理量變化（溫度、壓強等曲線）以及數(shù)據采集的過程，把熱壓燒結機的生產線搬進課堂，通過9006d90a1b4d65cc235bbbbf6ad25cd5虛擬現(xiàn)實技術，實現(xiàn)機器配置與運行仿真。學生能直觀了解模具樣本的屬性來源以及數(shù)據誤差的產生原因，為后續(xù)開展數(shù)據挖掘奠定基礎。

2.2 建模仿真

建模仿真主要用于實驗中的數(shù)據集構建、模型構建、模型訓練和模型分析。通過利用大量預先訓練好的模型，避免學生花費時間進行訓練，同時利用可視化工具，幫助學生直觀地理解模型。在建模過程中，存在多種方案可供選擇，每種選擇都會對最終結果產生不同影響。這為學生提供了實驗步驟任意組合的可能性，學生可以不斷試錯和反復探究。

2.3 應用仿真

數(shù)據挖掘的目的是從大量的數(shù)據中提取出未知的、有意義的信息和知識，并將這些信息和知識應用于實際中。因此本場景主要是將訓練結果應用于產業(yè)場景中，以便學生能更好地理解訓練結果如何應用于真實生產，實現(xiàn)理論與實踐的有機結合。

3 數(shù)據挖掘課程虛擬仿真實驗教學平臺的構建

3.1虛擬仿真實驗教學平臺的結構與功能

虛擬仿真實驗教學平臺是基于B/S 架構，采用Spring Boot框架構建。它由教師端和學生端組成。系統(tǒng)采用整合SpringData的方式統(tǒng)一處理數(shù)據訪問層，使用Vue作為前端框架，以確保訪問服務的穩(wěn)定性和提升用戶體驗。

在前端，系統(tǒng)采用內嵌WebGL模塊來呈現(xiàn)3D虛擬仿真實驗。這些3D虛擬仿真實驗基于真實的實驗步驟和數(shù)據進行模型計算和三維仿真。實驗結束后，實驗數(shù)據會被提交到服務器進行保存，并生成實驗數(shù)據報告。具體架構如圖2所示：

3.2 虛擬仿真實驗教學平臺的教學模塊

本實驗平臺一共包含三大仿真場景，模擬了一個完整的數(shù)據挖掘應用的全過程，具體包括：數(shù)據采集、數(shù)據集構建、模型構建、模型訓練、模型分析、工程應用。這六大模塊綜合采用觀察學習法、比較分析法、控制變量法、數(shù)學模型法、科學推理法、自主設計法等實驗方法。該平臺鼓勵學生自主設計實驗方案，允許試錯，并倡導反復探究，以此逐步深化和鞏固相關原理與操作技能，實現(xiàn)理論學習與實驗實踐的緊密融合。通過模擬企業(yè)生產中的實際問題，引導學生課前自主學習，課上開展合作研討，并延伸至課下的深入實驗探究，旨在激發(fā)學生的實驗興趣，提升其實驗操作技能。在完成實驗項目的過程中，學生將充分鍛煉知識獲取與解決復雜問題的能力，實現(xiàn)理論教學與實驗教學的互補與促進，進而增強學生的實踐與創(chuàng)新能力。

4 數(shù)據挖掘課程虛擬仿真實驗教學平臺應用

4.1 教學設計

該虛擬仿真實驗屬于廣東東軟學院數(shù)據挖掘課程的實踐內容，為軟件工程（大數(shù)據與機器學習方向）、計算機科學與技術專業(yè)、人工智能專業(yè)的必修課程。該課程共32個學時，其中理論學習24學時，實踐學時8學時，本實驗為2學時實驗。學生在完成理論知識的學習后，需要在虛擬仿真實驗教學平臺上完成該實驗。從基礎理論到實際應用，難度遞進。虛擬仿真實驗不僅確保學生對基礎理論和業(yè)務操作流程的扎實掌握，還設置了適度的難度和挑戰(zhàn)，為學生提供了廣闊的自主探索空間。

4.2 考核方式

本實驗的考核方式由操作總時間和操作完成量兩部分組成，實驗總得分計算方式為：

實驗總得分=操作總時間得分系數(shù)×操作完成量評分 （1）

其中，操作總時間以實驗者的操作時間作為操作熟練程度的依據，并設定不同的操作總時間得分系數(shù)，如表1所示。

而操作完成量則是根據每個步驟的執(zhí)行情況進行評分，對操作序列進行統(tǒng)計，并將其與標準操作流程進行比較，以完成操作的校對。通過在虛擬仿真實驗系統(tǒng)中提供提示，記錄每個步驟的完成情況百分比，具體計算方式為：

操作完成量評分= Σ每步操作評分×每步操作完成量（%） （2）

4.3 教學實驗效果

本實驗從2022年春季學期開始至今，在校內已開設2個周期，學生的學習成績對比具體如表2所示。

5 結束語

數(shù)據挖掘作為一門具有高度實踐性、以數(shù)據為基礎的學科，其傳統(tǒng)實踐教學模式存在諸多弊端。因此，我們開發(fā)了一個虛擬仿真實驗平臺，該平臺通過虛擬現(xiàn)實技術對具體生產線進行情景仿真、建模仿真和應用仿真，旨在使學生全面掌握數(shù)據挖掘的全過程。在平臺上，學生可以運用所學知識自主設計實驗方案，進行不斷地試錯和反復探究，從而加深對抽象理論的理解，并提升解決復雜工程問題的能力。

兩年的教學實踐成果充分證明，將虛擬仿真實驗教學平臺應用于數(shù)據挖掘課程，能夠有效提高教學質量，培養(yǎng)出既具備寬廣理論知識又擁有精湛技術能力的高素質應用型人才。展望未來，我們將繼續(xù)把更多場景引入課堂，進一步拓展實驗的深度和廣度，同時融合不同學科的資源，打造綜合性仿真平臺，以促進知識的交叉與創(chuàng)新。此外，我們還將集成人工智能技術，使平臺能夠根據學生的操作習慣和學習進度提供個性化的學習指導，從而進一步提升學習效率。