基于“互聯網+”的實驗教學管理和數據分析系統

鄧曉燕, 孫宗海, 袁 玲

(華南理工大學 自動化科學與工程學院, 廣東 廣州 510641)

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基于“互聯網+”的實驗教學管理和數據分析系統

鄧曉燕, 孫宗海, 袁 玲

(華南理工大學 自動化科學與工程學院, 廣東 廣州 510641)

將信息化系統建設與實驗室結合,設計了一種基于“互聯網+”思想的自動化實驗教學系統。該系統分為實驗教學網站、實驗數據監控和采集系統以及實驗數據分析系統3個部分,既能在實驗教學的過程中對各項實驗數據進行采集,實時地掌握各項核心實驗指標,又能夠運用大數據的手段對整個實驗過程進行分析,從而進一步對實驗過程進行改進和優化。

互聯網+； 實驗教學； 數據采集； 數據分析

全國人大第十二屆三次會議上,李克強總理在政府工作報告中首次提出“互聯網+”行動計劃[1]。在“互聯網+”的影響下,教育行業也逐步由封閉走向開放,延續了多年的傳統教學模式,也將隨著各種信息化技術的融入發生變化,其中高校實驗室也成為了信息化發展的對象[2]。高校實驗室信息化的建設在一定程度上可提高學生和教師的學習能力,也能提高教學和管理的效率,但目前高校實驗教學系統還存在著不少問題:實驗教學系統多以實驗室管理為主,如設備、人員和實驗課程的管理,對實驗教學過程的管理和數據的實時采集相對較少；大部分實驗教學的信息化平臺缺乏對實驗教學過程數據的決策分析[3],對利用有用的信息指導實驗教學、改進實驗教學的考慮較少[4]?；谝陨系谋尘?為了能更好地開展實驗教學,本文提出了一種基于“互聯網+”思想的實驗教學管理和數據分析系統,既能夠在實驗教學過程中在線采集、監控和分析各項實驗數據,實時掌握各項核心的實驗指標,又能夠運用大數據的手段對整個實驗過程的數據進行分析,從而進一步對實驗教學過程進行改進和優化。

1 “互聯網+實驗室”的總體設計方案

1.1 “互聯網+實驗室”的設計思想

高校作為技術創新、知識創新和人才培養的骨干力量,其實驗室的信息化建設是一項重要的任務。打造“互聯網+實驗室”實驗教學系統,要區別以往的實驗室管理系統平臺,必須將互聯網的思想與實驗室的實際情況緊密融合[5-7]。

(1) 開放共享。就高校來說,要實現實驗室開放共享,主要有4部分內容:一是打破實驗時間的約束,學生能自行安排學習時間和計劃；二是開放實驗內容,學生可根據自己的實際情況選擇實驗內容；三是開放實驗對象,面向不同專業的學生,甚至其他高校的學生或社會人士開放；四是共享實驗資源,包括實驗設備、網絡資源等。

(2) 平等協作。在教學過程中,采取過去的教師教、學生學的方式已不能滿足時代發展的需要,教師和學生之間、學生和學生之間應是一種平等和相互學習的關系。教師不再居高臨下地灌輸知識,更多的是實施興趣的激發,進行思維的引導；學生幾乎能隨時隨地與老師和同學進行交流學習,更好地理解和完善實驗內容。教師也能通過跟學生的討論和評價不斷改進教學方法和教學內容,促使教師不斷調整和修正教學策略,以此博采眾長、互通有無。

(3) 虛實打通。借助網絡技術,學生不僅可以在線進行虛擬仿真實驗,也可以在線預約實物實驗課程,實現虛擬仿真和實物實驗相結合,采取線上和線下教學一體化,虛中有實、實中有虛,虛實結合,融為一體。

(4) 打破時空約束。在教學中師生互動不再流于形式,通過互聯網,完全突破了課堂上的時空限制,使實驗過程不局限在實驗室中完成,實現實驗室從有邊界到無邊界發展的突破,延伸開放實驗室的含義,縮短教與學、理論與現實的距離。教師的課堂教學也將變得更為自如,手段更為豐富。

1.2 系統體系結構

根據“互聯網+實驗室”的設計思想設計自動化實驗教學管理分析，總體結構見圖1。該系統涵蓋3個子系統。

圖1 實驗教學管理分析系統總體結構圖

(1) 實驗教學網站。這部分主要包含4個方面,一是實驗在線學習,課前進行視頻學習,課后教學回顧,在線討論問題；二是實驗在線模擬,學生在線提交輸入參數,網站后臺系統分析后返回實驗運行曲線圖；三是創新實驗申請,包括實驗內容、實驗時間、設備需求等；四是教學管理,包括學生信息管理、排課管理和實驗成績查詢等,學生可以在線查看每次實驗的實驗數據記錄和教師評分。

(2) 實驗數據實時監控與采集系統。該系統的主要作用是通過對接組態軟件的數據記錄,將各個實驗設備的數據實時地采集起來,在教師的監視器上展示,并保存到數據庫中,這樣教師直接在線上就能完成對各個實驗小組實驗狀況的掌握。

(3) 實驗數據分析系統。該系統的主要作用是將(1)、(2)中所采集的各類實驗數據進行收集,并導入Hadoop中,運用大數據的方法對這些數據進行分析和提煉,挖掘出其中的一些特點和規律,從而為進一步改善實驗教學提供支持。

2 實驗教學網站

實驗教學網站是進行實驗教學的窗口,系統主要構成如圖2所示。整個實驗教學網站從前到后依次采用html5 + bootstrap + jQuery的Web前段框架,ASP.NET(MVC5)的Web后臺框架,以及SQL-Server數據庫,這也是目前兼顧功能和開發效率最常用的Web開發框架[8-9]。主要提供4個功能。

圖2 實驗教學網站主要構成圖

(1) 在線視頻教學[10]。在線視頻教學是將實驗課程相關內容制作成視頻形式放到教學站點上,學生可在課前和課后對實驗進行在線學習或回顧,同時針對每個教學視頻提供在線QA內容,學生在觀看視頻過程中產生的任何疑問都可在線上提問,由任課教師在線上進行解答,學生也可看到別人提出的問題,從而加深對整個實驗的了解。

(2) 在線模擬實驗[11]。在線實驗是為了加深學生對實驗理論的理解。通過對實驗進行數學建模,將實驗的關鍵參數作為輸入,由學生在網頁上進行設置。在學生提交參數后,后臺根據實驗的數學模型和學生輸入參數,調用Matlab的接口對實驗進行仿真,并返回實驗結果,還可以把相關數據上傳到系統后臺，從而使學生能夠熟悉實驗的流程,并對實驗背后的理論原理和不同參數對實驗的影響有更加深入的了解。

(3) 創新實驗申請。創新實驗申請主要為了鼓勵和培養學生的創新精神。學生在對已有基礎實驗充分了解的情況下,可以在線申請課程外的、具有一定創新和研究性質的實驗,教師在接收到學生的創新實驗申請后,根據申請的時間、設備要求,對創新實驗進行規劃和安排,指導學生完成實驗并記錄學生的實驗成果。

(4) 教學管理。教學管理是輔助教師對實驗課程進行排期、對學生進行分組以及對學生實驗結果進行打分的系統,學生也可以在該系統上查到自己實驗課程的安排和成績。

3 實驗數據實時監控與采集系統

實驗數據實時監控與采集系統的主要功能是實時采集各個實驗設備的數據,并將數據記錄下來,一方面供教師實時監控各實驗臺的實驗情況、了解實驗的進度和效果,另一方面將數據保存到數據庫中,以便對歷史數據進行查閱和分析。

該系統是一個典型的CS結構系統[12],在客戶端(實驗設備),客戶程序定時掃描實驗軟件的數據庫獲取實時的實驗數據,并將采集到的數據通過TCP/IP協議上報到服務器上。在服務端,一個后臺服務實時采集客戶端發送的數據,并根據數據的信息對數據進行分類保存和監控,同時對外提供查詢的接口，以便教師能夠實時監控數據和后續對數據進行分析。

該系統的難點在于服務端的設計,因為實驗數據的量很大,并且上報的頻率很高,要求服務端能夠及時響應大量的并發請求。為此服務端采用了基于Epoll的異步非堵塞多線程網絡框架,原理如圖3所示[13]。

圖3 實驗數據監控與采集系統原理圖

Epoll是Linux內核提供一個異步IO接口[14],Epoll可以監聽多個文件句柄的讀寫事件,當一個文件句柄有數據可讀或可寫的時候,將會觸發對應的讀寫操作。通過Epoll的異步加上非阻塞的IO,可以極大地提高系統的吞吐率。當客戶端發送數據到服務端時,會觸發Epoll的讀操作,并將讀到的數據寫入任務隊列里, 而在任務隊列的另一端,是一組線程在不斷地從任務隊列中取得任務并進行處理。整個實驗數據實時監控與采集系統的結構圖如圖4所示。

圖4 實驗數據實時監控與采集系統結構圖

以過程控制實驗室為例,首先在實驗設備的主控機上部署數據采集客戶端,上位PC機上安裝有組態軟件(組態王),客戶端通過定時掃描組態軟件的數據庫獲取實驗設備的數據,將所得數據通過TCP/IP協議上報到服務器上,服務器將接收到的數據寫入數據庫,教師通過專門的監控界面可以實時地獲取各實驗設備的數據,并以曲線的形式展示在監視器上,這樣教師就可以通過監視器了解各小組的實驗情況,并及時地做出指導。

4 實驗數據分析系統

得益于計算機數據處理能力的提高和大數據系統軟件的完善,越來越多的領域開始利用大數據的手段對數據進行處理和挖掘,實驗數據分析系統就是利用Hadoop+Hive對實驗數據進行大數據分析的系統[15],其系統架構如圖5所示。

圖5 數據分析系統結構圖

學生信息(包括學生基本信息和學生實驗課程信息)和實驗數據(主要是實驗過程中的實時監控數據)經過數據適配層,轉換為Hive可以識別的格式的文件導入到Hive中。日常的數據分析任務主要通過任務調度器進行管理。分析任務分為例行任務和臨時任務2類,臨時任務可以升級為例行任務。任務執行后的結果會導入到數據庫中,供教學站點查詢使用。通過對實驗數據的分析,可以充分挖掘實驗課程與學生學習成果之間的關系,從而指導實驗教學向更有利于學生學習的方向改進。

下面列舉2個數據分析的案例。

4.1 以實驗室設備使用情況數據分析為例

實驗室開課情況中設備使用時間的計算是實驗教學管理的重要任務之一,通過系統后臺的數據統計每臺設備使用的總時長,可以得到各實驗室的設備使用的總體情況,從而更清楚地了解各學期不同實驗室的設備使用率,更科學合理地分配設備維修費用和承擔的教學任務。

例如通過實驗數據采集和分析系統,統計2014—2015學年的各實驗室主要教學設備使用時間(見表1):實驗室3和5的每臺設備使用時間均較長,且設備的臺套數均較少,而實驗室4和7的設備使用時間相對較低,因此可以看出實驗室3和5的設備對課程教學起到了非常重要的作用,如條件允許可增設這2個實驗室設備的臺套數或適當增加對這些設備的維修費用,也可以看出在課程設置和實驗室利用方面存在有待改進的地方。

表1 2014—2015學年各實驗室主要教學設備使用時間表 小時

4.2 以實驗項目間關聯分析為例

通過實驗數據采集和分析系統,對每個學生的自動控制原理實驗中各個實驗項目成績進行關聯分析(見表2),發現第一個實驗內容(典型環節的模擬研究)的成績與后續實驗項目的關聯性較大,也就是說實驗項目1非常重要,會直接影響后續實驗項目,因此教師在指導第一個實驗項目時要格外注意,需要利用更多的時間和精力去進行指導,并及時解答學生實驗中存在的問題,從而在開展實驗時可以更有針對性地對學生進行指導。

表2 自動控制原理實驗1成績與后續實驗項目成績的關聯性表

5 結語

通過將互聯網技術與實驗室教學相結合, 形成了一個覆蓋課前學習、線上教學、線下實驗、課后分析的基于“互聯網+”的教學體系,并形成閉環,不僅有效提高了實驗教學信息化水平、優化了教學流程,而且充分結合了線上教育與線下教育,提高了教學的趣味性和學生學習的自主性和創新性,并為不斷優化實驗教學提供了數據分析支持。

References)

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[13] 余光遠.基于Epoll的消息推送系統的設計與實現[D].武漢:華中科技大學,2011.

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[15] 劉永增.基于Hadoop/Hive的海量Web日志處理系統的設計與實現[D].大連:大連理工大學,2011.

Experimental teaching management and data analysis system based on “Internet+”

Deng Xiaoyan, Sun Zonghai, Yuan Ling

(School of Automation Science and Engineer, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)

Combining the construction of laboratory information, an automation experimental teaching system has been designed, which is based on “Internet+.” The system is divided into three parts including the experimental teaching Website, the experimental data monitoring and collection system and the data analysis system. This system can not only collect the online data in the process of the experimental teaching to master the core experimental indexes real-timely, but also analyze the whole process of the experiment by means of big data, so as to improve and optimize the experimental process.

Internet+; experimental teaching; data acquisition; data analysis

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.042

2016-05-02

2014廣東教育教學成果獎(高等教育)培育項目；2015廣東省高等教育教學研究和改革項目；2015教育部高等學校自動化類專業教學指導委員會專業教育教學改革研究課題；華南理工大學第一批“探索性”實驗項目(Y1140700)；2015年華南理工大學教改教研項目(Y1150970)；2016年華南理工大學教改教研項目

鄧曉燕(1983—),女,廣東大埔,碩士,實驗師,主要從事實驗室管理和實驗教學以及控制科學與控制工程研究.

E-mail：dengxy@scut.edu.cn

G434

A

1002-4956(2016)11-0168-04