琚生根, 孫界平, 陳 黎, 師 維

(四川大學 計算機學院，成都 610065)

0 引 言

2012年，聯合國發(fā)布大數據白皮書“Big Data for Development：Challenges & Opportunities”，明確提出大數據時代已經到來[1]。大數據時代的到來，數據不斷更新，時刻影響著人們的工作、生活和學習。通過大數據人們可以獲得更多、更有價值的信息。在維克托.邁爾-舍恩伯格的《與大數據同行——學習和教育的未來》一書中提到，大數據正在進入教育的方方面面，并對整個世界的學習產生深遠的影響。斯坦福大學的吳恩達教授收集了學生的很多信息，使得他的課程能夠自動實現：改善教學，提高學生理解力和成績，定制基于個人需求的教育[2]。大數據的出現對高校的教育帶來了很大的沖擊，不少相關的研究都集中在伴隨大數據時代的到來，高校的教育應該如何進行改革來適應大數據時代的教育[3-7]。那么“計算機網絡”實驗課程在大數據時代的發(fā)展機遇下，也需正視困難和挑戰(zhàn)，不斷完善教學質量，提高教學效果。

1 計算機網絡虛擬實驗平臺設計的現狀及存在問題

網絡虛擬實驗是目前高校中進行計算機網絡實驗課程非常重要的活動，通過網絡虛擬實驗可以模擬協(xié)議或者網絡環(huán)境的工作原理、為學生的深入協(xié)議理論的學習帶來了很多好處，同時也克服了真實實驗環(huán)境的時間、空間以及設備的限制[8]。但是當前設計的虛擬實驗平臺還存在下面一些問題：

(1) 虛擬實驗平臺所設置的實驗固定，不能根據學生的具體情況提供個性化的需求。虛擬實驗平臺的使用設置是設計者根據教師的經驗所設計，并在一定的時間內固定不變。然而在教學過程中發(fā)現，隨著技術的不斷發(fā)展，學生學習過程中存在的問題也會隨著時間發(fā)生變化，并不是永恒不變的。

(2) 虛擬實驗平臺只能記錄學生的實驗，并不記錄實驗過程，這使得教師無法有效了解學生實施實驗過程中存在的問題。虛擬實驗做完以后，老師得到的是學生在平臺上做好的實驗環(huán)境以及實驗報告，而學生在實驗過程中存在的問題，除非有同學向老師提出，否則教師無法詳細了解。

(3) 虛擬實驗平臺只能對學生的實驗成績的結果進行分析統(tǒng)計，不能夠為教師提供學生存在問題的分析報告。

2 構建基于大數據網絡虛擬實驗智能分析平臺的意義

大數據時代的到來，為教育工作也帶來了很大的挑戰(zhàn)，同時也帶來了契機。大數據時代最寶貴的是數據，而在虛擬平臺實驗過程中可以獲得學生在實驗過程中的大量數據信息，例如：在平臺中拖動了什么設備，刪除了什么設備，輸入了什么命令，打開瀏覽器查詢了什么信息等。如果將這些數據記錄下來，那么就可以獲得大量且珍貴的數據信息。如何有效利用這些信息，就需要借助于數據挖掘和機器學習技術對這些數據進行分析。目前數據挖掘和機器學習相關算法已經非常成熟，并在各個領域的大數據分析中得到廣泛的應用，這也為分析實驗課程中的大數據信息提供了技術保障。在大數據時代下進行計算機網絡實驗課程虛擬實驗下的教學改革有著重要意義。

(1) 創(chuàng)新教學模式，提高學生積極性。虛擬實驗平臺應用的大數據分析在，能夠及時跟蹤學生的實驗過程，并對實驗過程進行及時的指導，以免學生在實驗結束時才發(fā)現錯誤，導致實驗必須從頭開始。將分析結果和實驗過程有效的結合起來，能夠一定程度上彌補了教師不能夠及時輔導出現的問題，調動了學生學習的積極性。

(2) 提高學生實驗課程的效率。傳統(tǒng)的實驗過程，學生發(fā)現問題的時候，通過向老師提出問題或在網絡中查詢相關信息。而通過改革虛擬實驗平臺，可從學生的歷史操作記錄中了解學生在實驗過程中需要哪些相關的輔助知識，及時給學生提供幫助。

(3) 能更加有效了解學生的學習情況。實驗操作中存在的問題往往和理論課程密切相關。通過實驗平臺的改革，教師可以從實驗過程中了解學生存在的問題，在理論課程中才能夠更加有針對性的進行補充。

3 大數據下網絡虛擬實驗智能分析平臺的構建

目前有越來越多的人關注教育方面的大數據應用的研究，例如譚忠理等[9]提出了基于云計算的大數據和教學實訓平臺，譚翔緯等[10]提出了在大數據背景下Java課程的教學改革，也提出了通過采集Java課程相關的各種數據，以獲取學生平時學習情況，并利用模型自動進行考核。而在實驗課程中的大數據研究主要是針對實驗平臺考慮的，缺乏對數據的分析，無法利用分析的結果來指導教學的改革[11-12]。

3.1 大數據下網絡虛擬實驗智能分析平臺的總體框架

首先依托云計算平臺構建大數據實驗的教學平臺。利用Hadoop和HDFS構建大數據分析、管理、存儲的實驗教學平臺，并依托云平臺構建網絡虛擬實驗室。

大數據下計算機網絡實驗課程的網絡虛擬實驗智能分析平臺總體框架設計如圖1所示。

圖1 網絡虛擬實驗智能分析平臺的總體架構

(1) 數據采集模塊。在每臺學生實驗機中安裝電腦的操作記錄爬蟲，將學生在整個實驗過程中的所有操作(虛擬平臺的實驗操作以及平臺之外的所有操作)記錄下來，上傳給云平臺。

(2) 智能分析模塊。云平臺利用數據挖掘和機器學習技術對歷史實驗數據進行建模，調整對現有的虛擬平臺的功能，例如：學習過程中提供學生需要的輔助知識等。

(3) 智能指導模塊。新使用虛擬平臺的學生的數據也通過爬蟲實時送到云平臺進行處理。模型根據學生當前的幾步操作分析其問題，并實時反饋給教師以及學生，幫助教師了解學生的實驗情況，同時可及時糾正學生實驗中出現的問題。在新用戶使用過程中產生的操作數據也被記錄下來，不斷修正智能模型。

3.2 智能分析模塊的功能

智能分析模塊主要是指在采集了大量學生的實驗操作數據的基礎上對數據進行分析處理。該模塊是整個系統(tǒng)的大腦，需要運用數據挖掘技術和機器學習的相關算法對收集的數據進行分析。該模塊主要包括下面3個功能。

(1) 實驗輔助知識的完善。不同高校使用教程的差異以及教師水平的差異，導致學生接受的知識層面存在很大的差異，所以智能平臺系統(tǒng)能夠根據高校自身學生歷年的歷史數據分析學生需要的輔助知識。

這部分可以通過數據挖掘技術分析在各個實驗過程中，學生常見的查詢信息，并對這些信息進行自動聚類，根據聚類結果自動從Web中獲取相關知識，供學生在實驗過程中使用。

(2) 實驗操作的建模。利用機器學習算法從云平臺的歷史操作數據中對各個實驗過程進行建模，如圖2所示，使得模型能夠有效的根據用戶的操作步驟識別其步驟錯誤操作的可能性，并給出學生建議。

圖2 智能模型建模流程

(3) 實驗操作和理論知識點的關聯。根據學生實驗操作的歷史數據，利用機器學習中的聚類算法對錯誤信息進行聚類，如圖3所示，然后將聚類結果和計算機網絡課程的知識點計算相似性，建立相似關聯，并將分析結果匯總供教師參考。

3.3 智能指導模塊的功能

智能分析模塊主要指學生在虛擬平臺實驗操作過程中，智能平臺對學生的實驗過程進行監(jiān)督指導。該模塊主要包括下面3個功能。

(1) 相關知識推薦。學生在實驗過程中，當某個步驟出現疑問，無法繼續(xù)時，可以查看相關的知識推薦，然后根據學習的結果再繼續(xù)后續(xù)的實驗步驟。在傳統(tǒng)的實驗中，當學生在實驗過程中出現疑問時，可能不知道去查詢哪些相關知識能夠有效解決問題，因此知識推薦就能夠有針對性幫助學生解決實驗過程中的疑惑，提高實驗的效果，激發(fā)學生的學習積極性。

圖3 錯誤結果聚類分析

(2) 實驗助手。將學生在實驗過程中的每個步驟及時發(fā)送到云平臺進行分析，當學生在實驗過程中出現問題時，實驗助手及時給出建議(而不是直接給出正確的步驟)提醒，學生根據提醒再仔細分析先前的實驗步驟以及參數設置，再進行修正。如果學生在某個步驟中多次嘗試都無法正確進行，實驗助手要及時將消息發(fā)送到教師端，教師根據消息進行指導。

(3) 錯誤分析報告。錯誤分析報告主要是供教師使用，將本班學生該次實驗的結果及時進行分析，以便教師掌握該次實驗的情況，并根據分析報告對教學內容進行調整。

4 結 語

本文提出的計算機網絡實驗課程網絡虛擬實驗智能分析平臺框架構想，盡管需要大量實驗和嘗試，但是基于大數據分析結果來開展教學，并做出更符合學生特性的教學模式是未來高校教學的主流，也是高校教學發(fā)展的必然趨勢。這樣的個性化教學能夠調動學生的積極性，更能夠體會到學習的樂趣，提高學習的效果。

[1] 徐 鵬,王以寧,劉艷華.大數據視角分析學習變革——美國通過教育數據挖掘和學習分析促進教與學報告解讀及啟示[J].遠程教育雜志，2013，8(1)：11-13.

[2] 維克托·邁爾-舍恩伯格，肯尼思·庫克耶. 與大數據同行-學習和教育的未來[M]. 上海：華東師范大學出版社, 2015.

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[9] 譚忠理. 基于云計算和大數據教學實訓平臺的設計研究[J]. 智能建筑與城市信息,2014(8):86-90.

[10] 譚翔緯,蔣慧勇. 大數據背景下的高校計算機編程類課程教學改革探討——以《Java程序設計》課程教學改革為例[J]. 電腦知識與技術,2015(23):91-92.

[11] 李鴻健. 大數據時代計算機專業(yè)實驗教學改革研究[J]. 現代計算機,2013(19):29-30.

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