基于大數據分析的計算機網絡課程的虛擬仿真實驗教學研究

王勇 張婷

【摘 要】針對現有高校計算機網絡課程實驗教學的現狀，對大數據背景下計算機網絡現有虛擬仿真實驗教學方式存在的主要問題進行總結和梳理，結合武漢工商學院信息工程學院的實驗教學實際情況，從大數據信息化管理、虛擬仿真實驗平臺構建和資源多元化建設等多方面，探討基于大數據分析的計算機網絡課程虛擬仿真實驗的建設方案，并進一步研究計算機網絡課程基于大數據分析的虛擬仿真實驗教學模式。

【關鍵詞】計算機網絡;大數據分析;虛擬仿真;實驗教學

中圖分類號： G434;TP393-4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）12-0124-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.059

【Abstract】In view of the present situation of computer network course experiment teaching in universities， this paper summarizes and combs the main problems existing in the existing virtual simulation experiment teaching mode of computer network under the background of large data.Combining with the actual situation of the experiment teaching in the Information Engineering College of Wuhan University of Business and Industry，this paper discusses the information management of large data，the construction of virtual simulation experiment platform and the diversification of resources. This paper discusses the construction scheme of virtual simulation experiment of computer network course based on big data analysis，and further studies the teaching method of virtual simulation experiment of computer network course based on big data analysis.

【Key words】Computer network;Big data analysis;Virtual simulation;Experimental teaching

1 目前計算機網絡課程虛擬仿真實驗教學現狀及存在的問題

大數據背景下，如何更有效的開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設，是提升實驗教學質量和水平的關鍵舉措[1-2]。虛擬仿真實驗教學能夠促進現代信息智能技術與實驗教學項目的深度交叉融合，從而從廣度和深度上拓展實驗教學內容、延伸實驗教學時間和空間。但多年的計算機網絡課程虛擬仿真實驗教學的實踐教學經驗表明當前的虛擬仿真實驗平臺仍然存在有較多問題，具體如下：

1）實際教學中，虛擬仿真實驗平臺實驗項目內容設置相對固定，不能結合學生實驗情況靈活調整。虛擬仿真實驗平臺的使用設置多是依據教師的教學經驗設計，使用時間也根據教師時間進行安排，時間上不能靈活根據高校學生學習時間多元化特點進行自由定制[3]。

2）實際教學中，虛擬仿真實驗平臺由于技術水平、實驗條件等實際因素的制約，在教學過程中學習記錄上存在明顯缺陷，比如記錄的數據為學生實驗結果相關數據，而不能記錄實過程中的實驗數據。導致教師在教學中難以深入了解學生實施實驗過程中存在的問題與錯誤。教師只能從實驗報告上分析表面問題，內里性的問題無法深入分析，不能有效的收到學習反饋和從而進行教學中后期調整。

3）目前虛擬仿真實驗平臺實驗資源庫的資源內容、資源庫來源相對單一，這就造成虛擬仿真實驗教學內容的訂制與設計不能滿足不同層次不用專業的教學目標要求。當前教學條件下，虛擬仿真實驗平臺實驗資源庫主要來源是一個是任課教師，另外一個是設備廠商，導致資源缺少多元化、資源更新速度慢等缺陷，不能滿足不同特點、不同學習層次、不同專業的學生實驗教學需求。

2 基于大數據分析的計算機網絡課程的虛擬仿真實驗教學平臺

利用當前大數據處理技術，進行更好的學習反饋、多元化構建教學內容和動態調整教學目標及方式，提高教學效果是當前虛擬仿真實驗教學面臨的一個關鍵問題。

本文提出的基于大數據分析的計算機網絡課程的虛擬仿真智能實驗平臺系統，主要由四大子平臺構成：虛擬仿真實驗教學大數據智能分析平臺、虛擬仿真實驗教學管理平臺、虛擬仿真實驗資源建設模塊、虛擬仿真實驗平臺，本系統架構如圖1所示：

虛擬仿真實驗智能平臺系統結構圖

2.1 虛擬仿真實驗教學大數據智能分析平臺

基于大數據分析下的虛擬仿真實驗教學大數據智能分析平臺作為本系統主要關鍵平臺，其平臺內部結構如圖2所示，主要功能模塊如下：

1）實驗數據智能管理模塊：在實驗機中安裝本系統的操作記錄模塊部分，將實驗過程中，學生實驗以及相關的一系列操作動作記錄下來，并對收集到的數據進行分析和整理、歸類，最后上傳至云端供教師查閱。

2）實驗數據智能分析模塊：借助數據挖掘和機器學習技術，針對學生歷史實驗操作數據建立機器學習模型，智能分析學生實驗周期內的學習情況。在此基礎上，結合教學目標和學生自我學習需求，有針對性的、定制化地為學生選取基于能力需求的知識，從而達到可定制、多元化的教學目標需求。

3）實驗過程智能指導模塊：結合學生已有的實驗歷史記錄數據，通過大數據分析技術分析在教學周期內學生學習的特點。并通過分析學生的學習特點了解學生學習中存在的問題，并針對性指導其進行改進。同時，實時將該數據分析結果反饋給任課教師，這樣教師能夠及時地了解教學效果、學生學習情況。教師能夠通過系統記錄的學生學習數據，進一步修正教學中存在的問題，這樣有助于完善智能模型[4]。

4）實驗評測點智能調整模塊：基于前期數據分析模塊、智能指導模塊、自動批閱模塊的數據統計與分析，使用大數據分析與決策技術，對教學內容、教學目標、教學方法、教學考核方式的評測點進行針對性的智能化調整，達到實時、動態的教學反饋與調整。

2.2 虛擬仿真實驗教學管理平臺

虛擬仿真實驗教學管理平臺，該平臺主要功能模塊包括實驗教務管理模塊、實驗教學管理模塊、實驗教學資源管理模塊、實驗室開放預約管理模塊，其內部結構如圖3所示。

虛擬仿真教學管理平臺在虛擬仿真實驗教學過程中實現全信息化管理。通過虛擬仿真實驗開放預約管理平臺，以預約等多種形式給不同用戶提供有限開放的共享虛擬仿真實驗平臺資源。在虛擬仿真實驗教學前后，采集教務、教學管理相關數據，通過實驗教務管理模塊、實驗教學管理模塊，對教務、教學數據有效管理，從而保障實驗教學的正常、穩定運行。同時，通過實驗教學數據管理模塊、實驗教學資源管理模塊，完成教學內容及教學目標的多元化訂制與設計。

2.3 虛擬仿真實驗資源平臺

虛擬仿真實驗資源平臺，主要實現計算機網絡課程實驗教學內容、教學項目的個性化定制。該平臺主要功能模塊包括計算機網絡課程模塊、虛擬仿真實驗資源庫模塊，其內部結構如圖4所示。

計算機網絡課程模塊主要包含計算機網絡課程主要方向與知識子模塊資源，資源的特點在于可以針對課程教學內容與教學對象不同層次分類，并可以個性化定制。虛擬仿真實驗資源庫模塊特點在于通過多種線上、線下公開的、共享的、合作的多種資源來源，在廣度上和深度上構建計算機網絡課程資源庫，是計算機網絡課程模塊個性化定制的基礎和保證。目前主要的計算機網絡課程資源庫來源：本地基礎計算機網絡實驗項目資源庫、在線計算機網絡課程精品資源庫、示范性虛擬仿真實驗教學項目資源庫、教育部產學合作協同育人項目資源庫等。

2.4 虛擬仿真實驗平臺

虛擬仿真實驗平臺主要實現虛擬仿真實驗平臺的物理資源、虛擬資源等多元化資源接入與訪問控制。其主要包括虛擬網絡設備庫模塊、物理網絡設備庫模塊、虛擬仿真控制平臺模塊，其內部結構如圖5所示：

虛擬網絡設備器材庫模塊包括各種虛擬網絡設備器材、虛擬網絡應用場景庫、虛擬網絡設備配置等多個模塊。物理網絡設備庫模塊包含各種物理網絡設備器材、物理網絡設備配置等多個模塊。虛擬仿真控制平臺完成物理網絡設備資源、虛擬網絡設備資源的集成與接入，并通過云端、B/S、C/S等多種接入控制方式完成對實驗平臺資源的控制訪問。

3 基于大數據分析的計算機網絡課程的虛擬仿真智能實驗教學模式

基于大數據分析的虛擬仿真實驗教學平臺，計算機網絡課程實驗教學可以從數據分析、數據管理、虛擬仿真實驗和實驗資源四個角度出發，選擇合適的虛擬仿真實驗平臺和適宜的多樣化實驗教學資源，重構個性化計算機網絡實驗課程。從而實現基于大數據分析的信息化實驗過程管理，并通過線上線下相結合的方式最終實現可定制、智能化、精準化的實驗教學新模式，該教學模式實踐關鍵點在于：

1）確定虛擬仿真實驗平臺：結合計算機網絡課程教學目標、教學目的、教學對象構建虛擬仿真實驗平臺，通常包括：虛擬網絡設備庫、物理網絡設備庫、基于云端的軟件共享虛擬實驗平臺、基于客戶端的儀器共享虛擬實驗平臺、基于虛實結合的遠程控制實驗平臺。

2）選擇適宜的實驗教學資源：結合計算機網絡課程教學目標、教學目的、教學對象，組織適宜的實驗教學資源，教學資源庫通常包括：基礎計算機網絡課程實驗項目庫、精品在線計算機網絡實驗課程庫、示范性虛擬仿真計算機網絡實驗教學項目庫、教育部產學合作協同育人項目庫等。

3）重構個性化計算機網絡實驗課程：通過確定虛擬仿真實驗平臺和實驗教學資源庫，針對教學對象的特點，個性化制定計算機網絡課程實驗教學內容、教學實驗方法、教學實驗教學目標、教學實驗考核方式。

4）開展信息化、智能化的虛擬仿真實驗：實驗過程包括實驗前智能學習、實驗過程智能指導、實驗數據智能分析、實驗結果智能批閱、實驗評測點智能調整等。

4 總結

總之，在當前各高校加速教學信息化智能化的政策導向下，如何快速、高效的充分利用云計算、大數據數據處理、分析技術采集、分析教學數據，并對最終的教學做出準確的決策，是極其重要的研究內容。本文就當前計算機網絡課程虛擬仿真實驗教學目前存在的現狀及原因做出來分析，引入大數據采集、分析、決策技術對現有教學模式進行了改革研究和探索，并提出了針對計算機網絡實驗課程的虛擬仿真實驗智能分析平臺框架設計方案。基于大數據分析的虛擬仿真實驗教學方法其有助于調動學生的趣味性和積極性，同時可以提升教學的靈活性與針對性，達到更好的教學效果。

【參考文獻】

[1]孫界平，琚生根，陳黎，等.計算機網絡虛擬仿真實驗平臺的建設實踐[J].實驗技術與管理，2017，34（8）：115-117，128.

[2]琚生根，孫界平，陳黎，等.大數據下計算機網絡虛擬實驗智能分析平臺設計框架[J].實驗室研究與探索，2017，36 （12）：113-115，120.

[3]許小東，吳軍強，杜選.構建虛實結合的計算機網絡類實驗平臺的研究[J].實驗技術與管理，2017，34（6）：127-130.

[4]歐坤，陳玲.新工科背景下計算機網絡專業模塊化課程體系的構建研究[J].惠州學院學報，2018，38（3）：125-127.

作者簡介：

王勇（1980—），男，湖北武漢人，碩士，講師，研究方向：云計算、大數據。

張婷（1981—），女，湖北武漢人，碩士，講師，研究方向：軟件工程。