大數據平臺在專業實驗教學中的應用研究

摘 ?要： 當今社會大數據產業發展如火如荼，已經融入的社會的各行各業。針對高校的實踐教學的需要，探討了大數據平臺在專業實驗教學中的意義和可行性，通過對大數據平臺構建方案的詳細說明，以及與傳統實驗室的比較，闡述了大數據平臺的推廣應用對實踐教學的有效提升。

關鍵詞： 大數據平臺;AI協助;大數據資源中心;實驗教學管理

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

本文著錄格式：杜煒. 大數據平臺在專業實驗教學中的應用研究[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

在當今信息化的社會中，數據作為信息的載體，顯得越發重要。自從2015年國家正式提出實施大數據戰略，大數據已作為基礎性戰略資源[1]，開始影響著當今社會的各行業，并已出現與傳統產業協同發展的新業態新模式[2]。

大數據技術的蓬勃發展，加速推動高校傳統計算機實驗教學方式的改革?，F今高校招生規模逐年擴大，硬件更新換代加速，資金投入相對滯后，對計算機實踐教學提出了新的要求。本文以我校計算機實驗室為例，對于教學過程中出現的一些問題，通過對相關數據的分析，實現在有限資金的現狀下，利用大數據技術，改進傳統實踐教學方式，提升教學效率。

1 ?大數據平臺在專業實驗教學中的意義

根據中國信息通信研究院的數據統計，金融、政務和電商三個行業與大數據產業結合度最高。高校作為國家人才的重要來源，在人才培養和教育教學中要緊跟國家發展方向。雖然目前部分高校開設了大數據專業，但大數據實驗平臺在高校中的應用并不廣泛。多數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，現有計算機實驗機房授課仍采用傳統授課模式，主要借助電子教室軟件分發收集實驗報告，通過PPT進行理論知識的講授，實驗過程缺乏系統化流程，缺乏對實驗過程的監督。

計算機專業實驗室主要應用對象為理工科同學，強調個人的實踐動手能力。大數據實驗室立足社會實際需求進行實訓教學，突出專業性和針對性。在每次課程中，單純枯燥的驗證性實驗不再是實訓課程的主要內容，大數據平臺通過提供大量在線實踐機會，充實了實驗課程的內容，擴展了實驗課程的形式，增強了學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驗，使得所學知識更加貼近真實工作環境[4]。同時，大數據平臺的推廣應用也促進著教師教學水平的提升。大數據實驗室運用了很多最新的技術，這將促使一線的授課老師要首先學習了解相關知識，增強自身業務素質，這在無形中提升了教師隊伍的整體素質，提升了學校的教學水平[5]。

2 ?大數據平臺下專業實驗教學體系建設方案

2.1 ?大數據背景下實驗室建設思路

理論教學和實驗教學在教學工作中相輔相成，兩者必須在教學目標和培養方向上保持一致，才能達到良好的教學效果[6]。大數據背景下實驗室的建設，首先必須滿足人才培養方案的要求，為相關課程服務。實驗室的建設標準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，實驗室的建設應更加強調學生對基礎知識的掌握水平，注重培養學生的動手能力，激發學生自我創新能力。

大數據技術的主要優勢就是海量數據的處理能力。所以相比傳統實驗室，大數據實驗室要更加注重教學資源建設。教學資源包括課程資源、實驗實訓資源和測評資源。首先，課程資源是教學資源的數據基礎，實驗室課程資源建設不僅能夠滿足數據可視化、數據挖掘和統計分析等大數據專業課程，更能夠適用于大部分計算機專業基礎課程，使得實驗室的應用體系更具普遍性。其次，實驗實訓資源是實驗課程的核心內容，要注重提高實驗資源和理論知識的結合度，提升實驗課程的可操作性，加強人工智能技術對實驗過程的輔助。最后，測評資源是衡量教學質量的重要指標，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方面，若原實驗機房硬件狀態良好，可以充分利用現有實驗設施，配備相關的服務器、網絡設備等，即可實現實驗室硬件搭建，可以大大降低投入成本。

2.2 ?大數據背景下實驗室建設架構

傳統的計算機實驗室，只是簡單的將一群計算機劃入一個局域網，除了一些必備的應用軟件之外，并沒有用于提升實踐教學質量的軟件平臺支持，師生之間的交互聯動缺乏活力，教學方式傳統單一。而利用大數據技術，就可以徹底改變這種現象，并可以為實踐教學提供更多途徑和選擇，豐富教學內容拓展教學空間。

大數據實驗室采用BS+CS混合平臺架構。其中教師端和學生端采用CS通信模式[8];教師學生通過分配賬號，采用BS模式登錄訪問大數據平臺。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）大數據背景下專業實驗室和傳統計算機實驗室相比，配備了大數據資源中心、鏡像資源同步中心、備份中心等專用服務器，并具有海量數據運算處理能力。大數據中心負責向平臺分發教學資源，是整個系統結構的信息中心。大數據教學與實訓管理平臺是系統機構的命令中心和硬件主體，其中包括服務器、網絡設備、平臺軟件和科研平臺等。在大數據教學與實訓管理平臺的統一調度下，實現資源的共享，AI協助、過程監督等多項功能，使得實驗教學的應用場景更加真實和豐富。大數據教學與實訓平臺系統拓撲圖，如圖2。

大數據資源中心為實驗室提供豐富的課程資源、實訓資源和評測資源。管理員可以根據教學需要，對各類教學資源進行優化調整。由圖2可見，實訓平臺和客戶端同資源中心采用Internet或VPN連接方式，教師和學生可以通過分配的登錄賬號異地登錄實驗平臺，教師和學生可以不統一來到實驗室，即可完成部分教學任務，這將擴展實驗教學的空間性和時域性，降低實驗教學的資源成本，提高實驗教學的綜合效果。除此之外，大數據平臺還具有良好的擴展性，只需要在本拓撲結構中直接增加配套硬件設施，此平臺即具有一定科研實驗功能，實現教學科研的雙重功能，滿足教學單位多種需求。

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

（3）大數據平臺的另一重要特點即AI助手。AI協助表現在實驗助手、督導助手、測評助手三大方面。AI實驗助手可以實時自動監測學生每個任務的完成情況，并對實驗任務進行自動指導和錯誤糾正，老師只需要對實驗過程總體監控把握即可，大大減輕教師授課過程大量的學生指導工作，有效解決了有人上課無人輔導的教學問題。督導助手是教師教學過程的監督機制，協助老師檢查學生登錄狀態，檢查學生實驗完成情況等。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學習情況，安排有針對性的測評訓練，對測評結果進行個人分析，給出指導意見。

3 ?大數據平臺下實驗教學管理

大數據平臺對實驗教學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容功能。學生虛擬機功能模塊，提供學生虛擬機自主申請的功能，學生可以通過Web瀏覽器進行實驗操作，無需安裝任何開發軟件環境，內置在線SSH環境、在線語言編程環境、可視化開發環境、數據挖掘開發環境、統計分析開發環境、文本分析開發環境，使用簡單便捷。實驗報告填寫模塊，可協助學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。學生學習記錄查詢統計模塊，可以實現對所有學生的課程學習記錄進行記錄及查詢統計的功能，支持按學生、按班級、按課程查詢統計。

4 ?結論

當今社會先進科學技術同傳統教育方式的結合，可以有效解決目前高校辦學教育資源不足的困境。大數據平臺在專業實驗室的推廣應用，加快了實驗教學模式的改革提升，真正發揮了實驗教學的作用，豐富了實驗課程的內涵，增強了學生動手能力，提高了學生的實踐意識和實踐素質。這些積極影響，對高校提高學生培養水平，增強教師隊伍素質，提升就業率都是有極大的幫助。

參考文獻

[1] 工信部. 大數據產業發展規劃（2016-2020年）： 工信部規[2016]412號[Z]. 2016.

[2] 吳韜. 大數據國家戰略助推云南民族文化強省建設[J]. 才智， 2018， 8： 198-199， 201

[3] 賈東東. 高校計算機實驗室管理與維護探討[J]. 中小企業管理與科技， 2016， 12： 22-23.

[4] 卓濤. 基于應用型本科院校的大數據實驗室建設探究[J].科技經濟導刊， 2018， 26（19）： 161.

[5] 王姍珊. 基于教師技能大賽對教學團隊的積極影響淺議提升專業師資隊伍建設的方法[J]. 高教學刊， 2016， 7： 190-191.

[6] 王志華， 孔金生. 強化軟件人才實踐能力培養的課程體系建設[J]. 軟件導刊·教育技術， 2014， 12： 35-37.

[7] 張如超. 高職高專院校實驗室信息化管理初探[J]. 科學咨詢， 2011， 13： 68.

[8] 邱麗莉. 基于Leap Motion的計算機組裝虛擬實驗系統設計與實現. 電腦與電信， 2018， 4： 87-89.