大数据平台在专业实验教学中的应用研究

摘  要： 当今社会大数据产业发展如火如荼，已经融入的社会的各行各业。针对高校的实践教学的需要，探讨了大数据平台在专业实验教学中的意义和可行性，通过对大数据平台构建方案的详细说明，以及与传统实验室的比较，阐述了大数据平台的推广应用对实践教学的有效提升。

关键词： 大数据平台;AI协助;大数据资源中心;实验教学管理

中图分类号： TP308    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.06.007

本文著录格式：杜炜. 大数据平台在专业实验教学中的应用研究[J]. 软件，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

在当今信息化的社会中，数据作为信息的载体，显得越发重要。自从2015年国家正式提出实施大数据战略，大数据已作为基础性战略资源[1]，开始影响着当今社会的各行业，并已出现与传统产业协同发展的新业态新模式[2]。

大数据技术的蓬勃发展，加速推动高校传统计算机实验教学方式的改革。现今高校招生规模逐年扩大，硬件更新换代加速，资金投入相对滞后，对计算机实践教学提出了新的要求。本文以我校计算机实验室为例，对于教学过程中出现的一些问题，通过对相关数据的分析，实现在有限资金的现状下，利用大数据技术，改进传统实践教学方式，提升教学效率。

1  大数据平台在专业实验教学中的意义

根据中国信息通信研究院的数据统计，金融、政务和电商三个行业与大数据产业结合度最高。高校作为国家人才的重要来源，在人才培养和教育教学中要紧跟国家发展方向。虽然目前部分高校开设了大数据专业，但大数据实验平台在高校中的应用并不广泛。多数高校的计算机实验室都存在着硬件超期服役，故障率不断提高和维护成本逐年增长的现象[3]。除此之外计算机软件的快速更新升级，也使得计算机的运行显得力不从心。更突出的问题在于，现有计算机实验机房授课仍采用传统授课模式，主要借助电子教室软件分发收集实验报告，通过PPT进行理论知识的讲授，实验过程缺乏系统化流程，缺乏对实验过程的监督。

计算机专业实验室主要应用对象为理工科同学，强调个人的实践动手能力。大数据实验室立足社会实际需求进行实训教学，突出专业性和针对性。在每次课程中，单纯枯燥的验证性实验不再是实训课程的主要内容，大数据平台通过提供大量在线实践机会，充实了实验课程的内容，扩展了实验课程的形式，增强了学生实验操作的积极性，巩固了理论知识，积累一些珍贵实践经验，使得所学知识更加贴近真实工作环境[4]。同时，大数据平台的推广应用也促进着教师教学水平的提升。大数据实验室运用了很多最新的技术，这将促使一线的授课老师要首先学习了解相关知识，增强自身业务素质，这在无形中提升了教师队伍的整体素质，提升了学校的教学水平[5]。

2  大数据平台下专业实验教学体系建设方案

2.1  大数据背景下实验室建设思路

理论教学和实验教学在教学工作中相辅相成，两者必须在教学目标和培养方向上保持一致，才能达到良好的教学效果[6]。大数据背景下實验室的建设，首先必须满足人才培养方案的要求，为相关课程服务。实验室的建设标准需综合考虑本校的实际情况，避免一味追求高大上，造成不必要的资源浪费[7]。对于大部分非科研类高校，实验室的建设应更加强调学生对基础知识的掌握水平，注重培养学生的动手能力，激发学生自我创新能力。

大数据技术的主要优势就是海量数据的处理能力。所以相比传统实验室，大数据实验室要更加注重教学资源建设。教学资源包括课程资源、实验实训资源和测评资源。首先，课程资源是教学资源的数据基础，实验室课程资源建设不仅能够满足数据可视化、数据挖掘和统计分析等大数据专业课程，更能够适用于大部分计算机专业基础课程，使得实验室的应用体系更具普遍性。其次，实验实训资源是实验课程的核心内容，要注重提高实验资源和理论知识的结合度，提升实验课程的可操作性，加强人工智能技术对实验过程的辅助。最后，测评资源是衡量教学质量的重要指标，要注重评测体系的实践性和全面性。

在實验室硬件平台的建设方面，若原实验机房硬件状态良好，可以充分利用现有实验设施，配备相关的服务器、网络设备等，即可实现实验室硬件搭建，可以大大降低投入成本。

2.2  大数据背景下实验室建设架构

传统的计算机实验室，只是简单的将一群计算机划入一个局域网，除了一些必备的应用软件之外，并没有用于提升实践教学质量的软件平台支持，师生之间的交互联动缺乏活力，教学方式传统单一。而利用大数据技术，就可以彻底改变这种现象，并可以为实践教学提供更多途径和选择，丰富教学内容拓展教学空间。

大数据实验室采用BS+CS混合平台架构。其中教师端和学生端采用CS通信模式[8];教师学生通过分配账号，采用BS模式登录访问大数据平台。整个平台具有AI功能，融入到实验课程之中。如图1。

2.3  方案特点

（1）大数据背景下专业实验室和传统计算机实验室相比，配备了大数据资源中心、镜像资源同步中心、备份中心等专用服务器，并具有海量数据运算处理能力。大数据中心负责向平台分发教学资源，是整个系统结构的信息中心。大数据教学与实训管理平台是系统机构的命令中心和硬件主体，其中包括服务器、网络设备、平台软件和科研平台等。在大数据教学与实训管理平台的统一调度下，实现资源的共享，AI协助、过程监督等多项功能，使得实验教学的应用场景更加真实和丰富。大数据教学与实训平台系统拓扑图，如图2。

大数据资源中心为实验室提供丰富的课程资源、实训资源和评测资源。管理员可以根据教学需要，对各类教学资源进行优化调整。由图2可见，实训平台和客户端同资源中心采用Internet或VPN连接方式，教师和学生可以通过分配的登录账号异地登录实验平台，教师和学生可以不统一来到实验室，即可完成部分教学任务，这将扩展实验教学的空间性和时域性，降低实验教学的资源成本，提高实验教学的综合效果。除此之外，大数据平台还具有良好的扩展性，只需要在本拓扑结构中直接增加配套硬件设施，此平台即具有一定科研实验功能，实现教学科研的双重功能，满足教学单位多种需求。

（2）大数据平台下的实验环境，是基于Docker容器技术，可实现瞬间创建随时运行的实验环境。并且在创建环境时仅需几台机器即可虚拟出大量实验集群，满足上百学生同时使用。对于教学过程中的大量实验集群，平台采用Mesos+ZooKeeper+ Mrathon架构管理方式，可确保实验集群完全隔离，互不干扰。即使实验环境被破坏，一键重启即可建立新集群。

（3）大数据平台的另一重要特点即AI助手。AI协助表现在实验助手、督导助手、测评助手三大方面。AI实验助手可以实时自动监测学生每个任务的完成情况，并对实验任务进行自动指导和错误纠正，老师只需要对实验过程总体监控把握即可，大大减轻教师授课过程大量的学生指导工作，有效解决了有人上课无人辅导的教学问题。督导助手是教师教学过程的监督机制，协助老师检查学生登录状态，检查学生实验完成情况等。测评助手可以帮助教师管理题库和组卷，对成绩进行有效分析;同时，测评助手也针对每位同学学习情况，安排有针对性的测评训练，对测评结果进行个人分析，给出指导意见。

3  大数据平台下实验教学管理

大数据平台对实验教学采取全面有效的模块化管理模式，如图3。课程管理模块，提供超级管理员对专业开展的课程进行管理，以及分配班级教师授课课程的功能，且老师具备自定义课程内容功能。学生虚拟机功能模块，提供学生虚拟机自主申请的功能，学生可以通过Web浏览器进行实验操作，无需安装任何开发软件环境，内置在线SSH环境、在线语言编程环境、可视化开发环境、数据挖掘开发环境、统计分析开发环境、文本分析开发环境，使用简单便捷。实验报告填写模块，可协助学生对实验报告进行编辑操作。成绩管理模块，提供教师对授课班级学生的实验报告进行查阅、考核、查询并对成绩进行管理的功能。学生学习记录查询统计模块，可以实现对所有学生的课程学习记录进行记录及查询统计的功能，支持按学生、按班级、按课程查询统计。

4  结论

当今社会先进科学技术同传统教育方式的结合，可以有效解决目前高校办学教育资源不足的困境。大数据平台在专业实验室的推广应用，加快了实验教学模式的改革提升，真正发挥了实验教学的作用，丰富了实验课程的内涵，增强了学生动手能力，提高了学生的实践意识和实践素质。这些积极影响，对高校提高学生培养水平，增强教师队伍素质，提升就业率都是有极大的帮助。

参考文献

[1] 工信部. 大数据产业发展规划（2016-2020年）： 工信部规[2016]412号[Z]. 2016.

[2] 吴韬. 大数据国家战略助推云南民族文化强省建设[J]. 才智， 2018， 8： 198-199， 201

[3] 贾东东. 高校计算机实验室管理与维护探讨[J]. 中小企业管理与科技， 2016， 12： 22-23.

[4] 卓涛. 基于应用型本科院校的大数据实验室建设探究[J].科技经济导刊， 2018， 26（19）： 161.

[5] 王姗珊. 基于教师技能大赛对教学团队的积极影响浅议提升专业师资队伍建设的方法[J]. 高教学刊， 2016， 7： 190-191.

[6] 王志华， 孔金生. 强化软件人才实践能力培养的课程体系建设[J]. 软件导刊·教育技术， 2014， 12： 35-37.

[7] 张如超. 高职高专院校实验室信息化管理初探[J]. 科学咨询， 2011， 13： 68.

[8] 邱丽莉. 基于Leap Motion的计算机组装虚拟实验系统设计与实现. 电脑与电信， 2018， 4： 87-89.