鄧曉燕, 孫宗海, 袁 玲

(華南理工大學(xué) 自動化科學(xué)與工程學(xué)院, 廣東 廣州 510641)

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基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的實驗教學(xué)管理和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

鄧曉燕, 孫宗海, 袁 玲

(華南理工大學(xué) 自動化科學(xué)與工程學(xué)院, 廣東 廣州 510641)

將信息化系統(tǒng)建設(shè)與實驗室結(jié)合,設(shè)計了一種基于“互聯(lián)網(wǎng)+”思想的自動化實驗教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為實驗教學(xué)網(wǎng)站、實驗數(shù)據(jù)監(jiān)控和采集系統(tǒng)以及實驗數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)3個部分,既能在實驗教學(xué)的過程中對各項實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,實時地掌握各項核心實驗指標(biāo),又能夠運(yùn)用大數(shù)據(jù)的手段對整個實驗過程進(jìn)行分析,從而進(jìn)一步對實驗過程進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

互聯(lián)網(wǎng)+； 實驗教學(xué)； 數(shù)據(jù)采集； 數(shù)據(jù)分析

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

1 “互聯(lián)網(wǎng)+實驗室”的總體設(shè)計方案

1.1 “互聯(lián)網(wǎng)+實驗室”的設(shè)計思想

高校作為技術(shù)創(chuàng)新、知識創(chuàng)新和人才培養(yǎng)的骨干力量,其實驗室的信息化建設(shè)是一項重要的任務(wù)。打造“互聯(lián)網(wǎng)+實驗室”實驗教學(xué)系統(tǒng),要區(qū)別以往的實驗室管理系統(tǒng)平臺,必須將互聯(lián)網(wǎng)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(xiàn)實驗室開放共享,主要有4部分內(nèi)容:一是打破實驗時間的約束,學(xué)生能自行安排學(xué)習(xí)時間和計劃；二是開放實驗內(nèi)容,學(xué)生可根據(jù)自己的實際情況選擇實驗內(nèi)容；三是開放實驗對象,面向不同專業(yè)的學(xué)生,甚至其他高校的學(xué)生或社會人士開放；四是共享實驗資源,包括實驗設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)資源等。

(2) 平等協(xié)作。在教學(xué)過程中,采取過去的教師教、學(xué)生學(xué)的方式已不能滿足時代發(fā)展的需要,教師和學(xué)生之間、學(xué)生和學(xué)生之間應(yīng)是一種平等和相互學(xué)習(xí)的關(guān)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(fā),進(jìn)行思維的引導(dǎo)；學(xué)生幾乎能隨時隨地與老師和同學(xué)進(jìn)行交流學(xué)習(xí),更好地理解和完善實驗內(nèi)容。教師也能通過跟學(xué)生的討論和評價不斷改進(jìn)教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容,促使教師不斷調(diào)整和修正教學(xué)策略,以此博采眾長、互通有無。

(3) 虛實打通。借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù),學(xué)生不僅可以在線進(jìn)行虛擬仿真實驗,也可以在線預(yù)約實物實驗課程,實現(xiàn)虛擬仿真和實物實驗相結(jié)合,采取線上和線下教學(xué)一體化,虛中有實、實中有虛,虛實結(jié)合,融為一體。

(4) 打破時空約束。在教學(xué)中師生互動不再流于形式,通過互聯(lián)網(wǎng),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(xiàn)實驗室從有邊界到無邊界發(fā)展的突破,延伸開放實驗室的含義,縮短教與學(xué)、理論與現(xiàn)實的距離。教師的課堂教學(xué)也將變得更為自如,手段更為豐富。

1.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)“互聯(lián)網(wǎng)+實驗室”的設(shè)計思想設(shè)計自動化實驗教學(xué)管理分析，總體結(jié)構(gòu)見圖1。該系統(tǒng)涵蓋3個子系統(tǒng)。

圖1 實驗教學(xué)管理分析系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

(1) 實驗教學(xué)網(wǎng)站。這部分主要包含4個方面,一是實驗在線學(xué)習(xí),課前進(jìn)行視頻學(xué)習(xí),課后教學(xué)回顧,在線討論問題；二是實驗在線模擬,學(xué)生在線提交輸入?yún)?shù),網(wǎng)站后臺系統(tǒng)分析后返回實驗運(yùn)行曲線圖；三是創(chuàng)新實驗申請,包括實驗內(nèi)容、實驗時間、設(shè)備需求等；四是教學(xué)管理,包括學(xué)生信息管理、排課管理和實驗成績查詢等,學(xué)生可以在線查看每次實驗的實驗數(shù)據(jù)記錄和教師評分。

(2) 實驗數(shù)據(jù)實時監(jiān)控與采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要作用是通過對接組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)記錄,將各個實驗設(shè)備的數(shù)據(jù)實時地采集起來,在教師的監(jiān)視器上展示,并保存到數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要作用是將(1)、(2)中所采集的各類實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行收集,并導(dǎo)入Hadoop中,運(yùn)用大數(shù)據(jù)的方法對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和提煉,挖掘出其中的一些特點和規(guī)律,從而為進(jìn)一步改善實驗教學(xué)提供支持。

2 實驗教學(xué)網(wǎng)站

實驗教學(xué)網(wǎng)站是進(jìn)行實驗教學(xué)的窗口,系統(tǒng)主要構(gòu)成如圖2所示。整個實驗教學(xué)網(wǎng)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(shù)據(jù)庫,這也是目前兼顧功能和開發(fā)效率最常用的Web開發(fā)框架[8-9]。主要提供4個功能。

圖2 實驗教學(xué)網(wǎng)站主要構(gòu)成圖

(1) 在線視頻教學(xué)[10]。在線視頻教學(xué)是將實驗課程相關(guān)內(nèi)容制作成視頻形式放到教學(xué)站點上,學(xué)生可在課前和課后對實驗進(jìn)行在線學(xué)習(xí)或回顧,同時針對每個教學(xué)視頻提供在線QA內(nèi)容,學(xué)生在觀看視頻過程中產(chǎn)生的任何疑問都可在線上提問,由任課教師在線上進(jìn)行解答,學(xué)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(xué)生對實驗理論的理解。通過對實驗進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,將實驗的關(guān)鍵參數(shù)作為輸入,由學(xué)生在網(wǎng)頁上進(jìn)行設(shè)置。在學(xué)生提交參數(shù)后,后臺根據(jù)實驗的數(shù)學(xué)模型和學(xué)生輸入?yún)?shù),調(diào)用Matlab的接口對實驗進(jìn)行仿真,并返回實驗結(jié)果,還可以把相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)后臺，從而使學(xué)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(shù)對實驗的影響有更加深入的了解。

(3) 創(chuàng)新實驗申請。創(chuàng)新實驗申請主要為了鼓勵和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。學(xué)生在對已有基礎(chǔ)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(chuàng)新和研究性質(zhì)的實驗,教師在接收到學(xué)生的創(chuàng)新實驗申請后,根據(jù)申請的時間、設(shè)備要求,對創(chuàng)新實驗進(jìn)行規(guī)劃和安排,指導(dǎo)學(xué)生完成實驗并記錄學(xué)生的實驗成果。

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

3 實驗數(shù)據(jù)實時監(jiān)控與采集系統(tǒng)

實驗數(shù)據(jù)實時監(jiān)控與采集系統(tǒng)的主要功能是實時采集各個實驗設(shè)備的數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)記錄下來,一方面供教師實時監(jiān)控各實驗臺的實驗情況、了解實驗的進(jìn)度和效果,另一方面將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中,以便對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查閱和分析。

該系統(tǒng)是一個典型的CS結(jié)構(gòu)系統(tǒng)[12],在客戶端(實驗設(shè)備),客戶程序定時掃描實驗軟件的數(shù)據(jù)庫獲取實時的實驗數(shù)據(jù),并將采集到的數(shù)據(jù)通過TCP/IP協(xié)議上報到服務(wù)器上。在服務(wù)端,一個后臺服務(wù)實時采集客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù),并根據(jù)數(shù)據(jù)的信息對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類保存和監(jiān)控,同時對外提供查詢的接口，以便教師能夠?qū)崟r監(jiān)控數(shù)據(jù)和后續(xù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

該系統(tǒng)的難點在于服務(wù)端的設(shè)計,因為實驗數(shù)據(jù)的量很大,并且上報的頻率很高,要求服務(wù)端能夠及時響應(yīng)大量的并發(fā)請求。為此服務(wù)端采用了基于Epoll的異步非堵塞多線程網(wǎng)絡(luò)框架,原理如圖3所示[13]。

圖3 實驗數(shù)據(jù)監(jiān)控與采集系統(tǒng)原理圖

Epoll是Linux內(nèi)核提供一個異步IO接口[14],Epoll可以監(jiān)聽多個文件句柄的讀寫事件,當(dāng)一個文件句柄有數(shù)據(jù)可讀或可寫的時候,將會觸發(fā)對應(yīng)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(tǒng)的吞吐率。當(dāng)客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)端時,會觸發(fā)Epoll的讀操作,并將讀到的數(shù)據(jù)寫入任務(wù)隊列里, 而在任務(wù)隊列的另一端,是一組線程在不斷地從任務(wù)隊列中取得任務(wù)并進(jìn)行處理。整個實驗數(shù)據(jù)實時監(jiān)控與采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 實驗數(shù)據(jù)實時監(jiān)控與采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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

4 實驗數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

得益于計算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力的提高和大數(shù)據(jù)系統(tǒng)軟件的完善,越來越多的領(lǐng)域開始利用大數(shù)據(jù)的手段對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和挖掘,實驗數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)就是利用Hadoop+Hive對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析的系統(tǒng)[15],其系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

學(xué)生信息(包括學(xué)生基本信息和學(xué)生實驗課程信息)和實驗數(shù)據(jù)(主要是實驗過程中的實時監(jiān)控數(shù)據(jù))經(jīng)過數(shù)據(jù)適配層,轉(zhuǎn)換為Hive可以識別的格式的文件導(dǎo)入到Hive中。日常的數(shù)據(jù)分析任務(wù)主要通過任務(wù)調(diào)度器進(jìn)行管理。分析任務(wù)分為例行任務(wù)和臨時任務(wù)2類,臨時任務(wù)可以升級為例行任務(wù)。任務(wù)執(zhí)行后的結(jié)果會導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中,供教學(xué)站點查詢使用。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析,可以充分挖掘?qū)嶒炚n程與學(xué)生學(xué)習(xí)成果之間的關(guān)系,從而指導(dǎo)實驗教學(xué)向更有利于學(xué)生學(xué)習(xí)的方向改進(jìn)。

下面列舉2個數(shù)據(jù)分析的案例。

4.1 以實驗室設(shè)備使用情況數(shù)據(jù)分析為例

實驗室開課情況中設(shè)備使用時間的計算是實驗教學(xué)管理的重要任務(wù)之一,通過系統(tǒng)后臺的數(shù)據(jù)統(tǒng)計每臺設(shè)備使用的總時長,可以得到各實驗室的設(shè)備使用的總體情況,從而更清楚地了解各學(xué)期不同實驗室的設(shè)備使用率,更科學(xué)合理地分配設(shè)備維修費用和承擔(dān)的教學(xué)任務(wù)。

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

表1 2014—2015學(xué)年各實驗室主要教學(xué)設(shè)備使用時間表 小時

4.2 以實驗項目間關(guān)聯(lián)分析為例

通過實驗數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng),對每個學(xué)生的自動控制原理實驗中各個實驗項目成績進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析(見表2),發(fā)現(xiàn)第一個實驗內(nèi)容(典型環(huán)節(jié)的模擬研究)的成績與后續(xù)實驗項目的關(guān)聯(lián)性較大,也就是說實驗項目1非常重要,會直接影響后續(xù)實驗項目,因此教師在指導(dǎo)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(jìn)行指導(dǎo),并及時解答學(xué)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(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)。

表2 自動控制原理實驗1成績與后續(xù)實驗項目成績的關(guān)聯(lián)性表

5 結(jié)語

通過將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與實驗室教學(xué)相結(jié)合, 形成了一個覆蓋課前學(xué)習(xí)、線上教學(xué)、線下實驗、課后分析的基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的教學(xué)體系,并形成閉環(huán),不僅有效提高了實驗教學(xué)信息化水平、優(yōu)化了教學(xué)流程,而且充分結(jié)合了線上教育與線下教育,提高了教學(xué)的趣味性和學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和創(chuàng)新性,并為不斷優(yōu)化實驗教學(xué)提供了數(shù)據(jù)分析支持。

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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(xué)成果獎(高等教育)培育項目；2015廣東省高等教育教學(xué)研究和改革項目；2015教育部高等學(xué)校自動化類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會專業(yè)教育教學(xué)改革研究課題；華南理工大學(xué)第一批“探索性”實驗項目(Y1140700)；2015年華南理工大學(xué)教改教研項目(Y1150970)；2016年華南理工大學(xué)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(xué)以及控制科學(xué)與控制工程研究.

E-mail：dengxy@scut.edu.cn

G434

A

1002-4956(2016)11-0168-04