基于ID3决策树算法高校经管类虚拟仿真实验平台①

吴金桃, 丁鑫龙

(1.莱西姆大学研究生院,菲律宾 卡威迪 4107;2.马鞍山师范高等专科学校经济与社会管理系,安徽 马鞍山 243041; 3.安徽工业大学电气学院,安徽 马鞍山 243041)

0 引 言

我国教育部大力主张各高校开展虚拟仿真实验中心建设工作,要求中心的虚拟仿真教学资源既要体现自身学科优势与专业特色,也要构建开放式、灵活性的虚拟仿真实验教学资源共享体系,实现各高校之间资源联动[1]。高校经管类专业涉及的应用行业较为广泛,电商管理、物流管理均在其内。经管类虚拟仿真实验是指使用特殊的管理软件进行业务模拟、经济管理活动仿真,在逼真的工作场景中获得利于自身知识体系构建的学习体验[2]。令学生以实践的方式掌握相应的管理技能。为解决高校经管类教学实验室规模有限、实验资金短缺、教学资源使用效率低导致的专业实验教学缺乏问题的问题,基于云计算技术开发了经管类虚拟仿真实验平台。

1 基于云计算的高校经管类虚拟仿真实验平台

1.1 虚拟仿真实验平台整体架构

研究基于云计算技术以原有虚拟仿真实验教学中心为载体,以数据接入和信息整合的方式开发了经管类虚拟仿真实验平台,打造经管类专业虚拟仿真实验共享场所。平台具有较高的资源整合标准,对技术的成熟性、内容的科学性、教学的稳定性要求极其严格。经管类虚拟仿真实验教学平台主旨是培养创新人才,统一的接口规范和标准提高了平台对其他渠道资源的包容性,高效联动虚拟实验平台与数据资源[3]。专业技术管理人员可登陆后台对平台资源信息和管理功能进行维护升级,便于平台的日常管理。图1描述了该平台的整体架构。

由图1可知,平台以云计算硬件虚拟化服务平台、虚拟仿真实验教学中心为支撑,由5个层次和客户端构成。云计算虚拟化服务平台下分基础设施层,该层次使用Linux内核态的KVM优化技术向下一层次提供计算、存储、资源通信等服务,物理硬件层和虚拟化层是下一层次的关键部分[4]。物理硬件层主要有服务器集群、存储器、网络设备等硬件;虚拟化层使用虚拟化管理物理硬件层的设备,为下一层次的数据运算、数据存储、网络通信输送虚拟资源。

资源虚拟化平台层负责虚拟化资源池的管理,用户需经过身份认证登录方可以通过申请虚拟主机的方式申请虚拟化后的资源,对个人实验环境(虚拟实验类型、教学内容、应用软件、工具等)实施个性化布局,在云端进行传统机房迁移实现私人虚拟实验教学数据的云端虚拟存储,便于开展与同学、教师之间的信息共享与互动行为[5]。

资源共享层开发了虚拟化层调用的API接口,服务于平台开发技术人员,向基于云计算教育应用软件提供开发环境和公共API服务,和其他虚拟仿真实验教学平台及门户网站进行资源互通。

图1 高校经管类虚拟仿真实验教学平台总体架构

虚拟实验应用层基于虚拟化技术池化平台所需的计算、网络、存储方面的资源,达到物理硬件资源向逻辑资源的映射,削弱物理资源复杂程度与多变性质;以云计算管理软件为载体统一管理教学资源,在同一体系内实现计算资源、网络资源、存储资源的有效联动,根据需求灵活分配教学资源、适时扩展应用资源[6]。该层次主要设置了各类型的虚拟仿真实验教学课程,也具备实验教学的数据分析功能,在虚拟化资源助力下实现经管类虚拟仿真实验教学应用。

虚拟仿真实验教学平台建设整合了经管类教学的大量优质资源,打造远程的虚拟实验教学环境,不受时间与地点限制,也不受实验人数约束,满足了大学生自主学习的迫切需求。平台设有教学评价功能,对学生自主体验的虚拟教学效果实施评价与反馈,学生之间借助平台可以进行交流互动,夯实对知识的掌握与理解。

1.2 经管类虚拟仿真实验课程建立

在平台的“虚拟实验应用层”建立经管类虚拟实验课程,涉及电子商务实验仿真、创业模拟训练仿真、物流管理实验模拟等各个专业领域,为经管类各专业技能训练、教学实践提供了有效的虚拟实验场所。虚拟实验应用层具体从“基础教学课程”、“综合设计课程”、“创新研究课程”三个方面设计了各专业虚拟实验仿真教学模块,各层次内容如图2所示。

图2 虚拟仿真实验课程结构

结合图2分析各模块的功能:

(1)“基础教学课程”模块。提供了基础演示类型的虚拟仿真实验,在课堂教学演示、专业认知学习、行业标准与安全知识学习、作业训练与评估方面发挥作用,学生通过此模块高效率的理解知识点,调动参与专业知识学习的积极性。

该模块的开发基于全面的市场调查数据实现,充分分析当前经管类人才的用人标准与需求,制定了培养学生创新思维、独立意识、经管能力的实验教学目标,从而设计了个性化的虚拟实验教学课程、打造具有经管类专业特色的虚拟化实训平台[7]。

(2)“综合设计课程”模块。包含多类型的虚拟实验课程,涉及专业综合实验、创业模拟训练、个性课程模拟、毕业设计与实习仿真、作业训练与评估几个大类,教学活动的综合性质较强。

此模块对经管类学生实习和毕业设计阶段的虚拟实验训练进行了补充:实习阶段校方借助平台的云计算功能对学生开展实践教学,规划实践教学的程序,不仅为实践学习提供帮助而且可以辅助经管类学生开展职业生涯规划并实施有效的远程实践教学监管,把控实习与毕业设计成效。实习生遭遇就业困难、产生不良情绪可通过平台获得及时的心理疏导服务;平台数据挖掘功能可根据每个学生的学习成绩、实践成绩、性格特征建立评估系统并推荐符合其职业规划的就业方向与职位,解决毕业生就业问题;另外,由于该平台具有资源共享功能,通过资源共享接口可与其他高校、虚拟仿真实验教学平台进行实时资源共享,在开展虚拟实验教学过程中,教师可以参考同行业先进的教学管理经验,学生可以拓宽专业知识来源渠道,实现共享式、开放式的虚拟仿真实验教学状态[8]。

(3)“创新研究课程”模块。学校每年定期举办大学生虚拟仿真实验教学项目创新设计竞赛,该模块以引导学生参与经管类作品设计大赛、创业大赛、产学研项目,鼓励教师开展科研训练、加强校企合作联系为目的,凸显经管类专业教学的创新性质。

1.3 基于ID3决策树算法的教学效果评价

基于ID3决策树算法对经管类虚拟仿真教学平台的教学效果展开评价,为学生自主学习提供学习反馈依据。ID3算法以信息增益为指标判别决策树各层次节点上数据的特征属性,测试属性样本即为信息增益最大的属性;ID3算法构建决策树分支的依据是属性的不同数值,决策树的下一级节点与分支通过分支实例子集递归的方式来完成,从而将此子集实例判定为具体的类别。

根据该原理将经管类虚拟仿真教学平台教学数据作为样本,对教学数据样本的类别进行预测与划分,判定平台的虚拟仿真教学效果。定义Q,q分别表示训练集与样本数量,如果m个差异性数值分布于教学质量类别Ci中,那么qi则为类别Ci的样本数。公式(1)描述了给定教学质量样本分类要求的期望信息:

G(q1,q2,…,qm)=

-(l1*log2(l1)+l2*log2(l2)+…+

lm*log2(lm))

(1)

式(1)中,教学质量样本为类别Ci的可能性用li=qi/q表示。

定义属性H包含v个差异性数值{a1,a2,…,av},基于属性H划分训练集Q为v个子集表示为{Q1,Q2,…,Qv},那么属性H包含一个与Qj样本相同的值aj。当H视为测试属性的情况下,那么Q节点形成的分支则在分类子集中体现。Qj中类别Ci的样本数量为qij,划分H的子集期望信息熵如公式(2)所示:

(2)

Gain(H)=G(q1,q2,…,qm)-E(H)

(3)

Q测试属性的设置通过选择最高信息增益的属性实现,以测试属性为依据构建节点信息,标记好属性信息并据其构建决策树的分支实现样本类别的划分。

基于以上方式构建经管类虚拟仿真教学平台教学质量评价的决策树,将最大的增益值作为决策树分类的节点;不断的基于特征取值构建分支,对分支实例子集实施递归运算,当存在一个子集中全部例子均为相同子集的情况则决策分类完成,获得教学质量评价等级的类别。

1.4 平台应用效果测试

为评估高校经管类虚拟仿真实验教学平台实际应用效果,在高校经管类专业选取20名学生作为调研对象,进行了资源响应效率测试。20位调研对象分别进行5次业务访问、文档信息访问、视频资源访问、虚拟课程访问实验,统计了各个访问行为所需的平台响应时间,结果如表1所示。

表1 各访问行为的平台响应时间统计/s

表1数据显示,业务资源费访问、文档信息访问用时在2s～3s上下,视频资源由于信息内容量较大其响应用时稍长,但仅为4.61s;虚拟课程访问响应时间在10s之内,用时较短,用户可以快速进入虚拟仿真实验室。总体而言,平台资源响应时间开销较短,满足了用户开展虚拟仿真实验教学的需求。

此外,20位调研对象阐述了平台应用的感受,认为平台虚拟学习资源量大、质量优、资源易共享;平台具有作业布置与评价功能,使其自主学习效果得到良好反馈,符合当代高校经管类教学与学习的基本需求。

2 结 语

本文设计的高校经管类虚拟仿真实验平台具有以下特色与优势:

(1)云计算技术创造了虚拟实验教学资源获取环境,学生基于虚拟仿真环境体验差异性的岗位角色,突破了某个知识点思考的限制,对培养学生综合运用能力、环境适应能力、发挥个人潜质有较大帮助,对于长期的职业规划具有指导性意义。

(2)平台集成了作业布置与评价功能,基于ID3决策树算法对虚拟仿真教学效果展开评价,学生自主学习后的成果得到有价值的评估与意见反馈,有方向性的提高自身的专业知识储备与技能盲区;而传统教学教师资源量匮乏,单纯依赖教师进行教学反馈的效率较低、精确度也难以保障。

总体而言,本次研究满足了当代经济社会发展的人才需要,遵循了实践育人的客观发展规律,平台实际应用性较强。