摘 ?要： 當(dāng)今社會(huì)大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展如火如荼，已經(jīng)融入的社會(huì)的各行各業(yè)。針對(duì)高校的實(shí)踐教學(xué)的需要，探討了大數(shù)據(jù)平臺(tái)在專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的意義和可行性，通過(guò)對(duì)大數(shù)據(jù)平臺(tái)構(gòu)建方案的詳細(xì)說(shuō)明，以及與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的比較，闡述了大數(shù)據(jù)平臺(tái)的推廣應(yīng)用對(duì)實(shí)踐教學(xué)的有效提升。

關(guān)鍵詞： 大數(shù)據(jù)平臺(tái);AI協(xié)助;大數(shù)據(jù)資源中心;實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理

中圖分類號(hào)： TP308 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.06.007

本文著錄格式：杜煒. 大數(shù)據(jù)平臺(tái)在專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)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(dāng)今信息化的社會(huì)中，數(shù)據(jù)作為信息的載體，顯得越發(fā)重要。自從2015年國(guó)家正式提出實(shí)施大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，大數(shù)據(jù)已作為基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源[1]，開(kāi)始影響著當(dāng)今社會(huì)的各行業(yè)，并已出現(xiàn)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展的新業(yè)態(tài)新模式[2]。

大數(shù)據(jù)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，加速推動(dòng)高校傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的改革?，F(xiàn)今高校招生規(guī)模逐年擴(kuò)大，硬件更新?lián)Q代加速，資金投入相對(duì)滯后，對(duì)計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)提出了新的要求。本文以我校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室為例，對(duì)于教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的一些問(wèn)題，通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，實(shí)現(xiàn)在有限資金的現(xiàn)狀下，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)方式，提升教學(xué)效率。

1 ?大數(shù)據(jù)平臺(tái)在專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的意義

根據(jù)中國(guó)信息通信研究院的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，金融、政務(wù)和電商三個(gè)行業(yè)與大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)結(jié)合度最高。高校作為國(guó)家人才的重要來(lái)源，在人才培養(yǎng)和教育教學(xué)中要緊跟國(guó)家發(fā)展方向。雖然目前部分高校開(kāi)設(shè)了大數(shù)據(jù)專業(yè)，但大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在高校中的應(yīng)用并不廣泛。多數(shù)高校的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室都存在著硬件超期服役，故障率不斷提高和維護(hù)成本逐年增長(zhǎng)的現(xiàn)象[3]。除此之外計(jì)算機(jī)軟件的快速更新升級(jí)，也使得計(jì)算機(jī)的運(yùn)行顯得力不從心。更突出的問(wèn)題在于，現(xiàn)有計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)機(jī)房授課仍采用傳統(tǒng)授課模式，主要借助電子教室軟件分發(fā)收集實(shí)驗(yàn)報(bào)告，通過(guò)PPT進(jìn)行理論知識(shí)的講授，實(shí)驗(yàn)過(guò)程缺乏系統(tǒng)化流程，缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的監(jiān)督。

計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室主要應(yīng)用對(duì)象為理工科同學(xué)，強(qiáng)調(diào)個(gè)人的實(shí)踐動(dòng)手能力。大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)室立足社會(huì)實(shí)際需求進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)，突出專業(yè)性和針對(duì)性。在每次課程中，單純枯燥的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)不再是實(shí)訓(xùn)課程的主要內(nèi)容，大數(shù)據(jù)平臺(tái)通過(guò)提供大量在線實(shí)踐機(jī)會(huì)，充實(shí)了實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容，擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)課程的形式，增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的積極性，鞏固了理論知識(shí)，積累一些珍貴實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，使得所學(xué)知識(shí)更加貼近真實(shí)工作環(huán)境[4]。同時(shí)，大數(shù)據(jù)平臺(tái)的推廣應(yīng)用也促進(jìn)著教師教學(xué)水平的提升。大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用了很多最新的技術(shù)，這將促使一線的授課老師要首先學(xué)習(xí)了解相關(guān)知識(shí)，增強(qiáng)自身業(yè)務(wù)素質(zhì)，這在無(wú)形中提升了教師隊(duì)伍的整體素質(zhì)，提升了學(xué)校的教學(xué)水平[5]。

2 ?大數(shù)據(jù)平臺(tái)下專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)方案

2.1 ?大數(shù)據(jù)背景下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)思路

理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)在教學(xué)工作中相輔相成，兩者必須在教學(xué)目標(biāo)和培養(yǎng)方向上保持一致，才能達(dá)到良好的教學(xué)效果[6]。大數(shù)據(jù)背景下實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，首先必須滿足人才培養(yǎng)方案的要求，為相關(guān)課程服務(wù)。實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)需綜合考慮本校的實(shí)際情況，避免一味追求高大上，造成不必要的資源浪費(fèi)[7]。對(duì)于大部分非科研類高校，實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)應(yīng)更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握水平，注重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)生自我創(chuàng)新能力。

大數(shù)據(jù)技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)就是海量數(shù)據(jù)的處理能力。所以相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)室要更加注重教學(xué)資源建設(shè)。教學(xué)資源包括課程資源、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)資源和測(cè)評(píng)資源。首先，課程資源是教學(xué)資源的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)室課程資源建設(shè)不僅能夠滿足數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)挖掘和統(tǒng)計(jì)分析等大數(shù)據(jù)專業(yè)課程，更能夠適用于大部分計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)課程，使得實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用體系更具普遍性。其次，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)資源是實(shí)驗(yàn)課程的核心內(nèi)容，要注重提高實(shí)驗(yàn)資源和理論知識(shí)的結(jié)合度，提升實(shí)驗(yàn)課程的可操作性，加強(qiáng)人工智能技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的輔助。最后，測(cè)評(píng)資源是衡量教學(xué)質(zhì)量的重要指標(biāo)，要注重評(píng)測(cè)體系的實(shí)踐性和全面性。

在實(shí)驗(yàn)室硬件平臺(tái)的建設(shè)方面，若原實(shí)驗(yàn)機(jī)房硬件狀態(tài)良好，可以充分利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)施，配備相關(guān)的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，即可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室硬件搭建，可以大大降低投入成本。

2.2 ?大數(shù)據(jù)背景下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)架構(gòu)

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，只是簡(jiǎn)單的將一群計(jì)算機(jī)劃入一個(gè)局域網(wǎng)，除了一些必備的應(yīng)用軟件之外，并沒(méi)有用于提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的軟件平臺(tái)支持，師生之間的交互聯(lián)動(dòng)缺乏活力，教學(xué)方式傳統(tǒng)單一。而利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，就可以徹底改變這種現(xiàn)象，并可以為實(shí)踐教學(xué)提供更多途徑和選擇，豐富教學(xué)內(nèi)容拓展教學(xué)空間。

大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)室采用BS+CS混合平臺(tái)架構(gòu)。其中教師端和學(xué)生端采用CS通信模式[8];教師學(xué)生通過(guò)分配賬號(hào)，采用BS模式登錄訪問(wèn)大數(shù)據(jù)平臺(tái)。整個(gè)平臺(tái)具有AI功能，融入到實(shí)驗(yàn)課程之中。如圖1。

2.3 ?方案特點(diǎn)

（1）大數(shù)據(jù)背景下專業(yè)實(shí)驗(yàn)室和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室相比，配備了大數(shù)據(jù)資源中心、鏡像資源同步中心、備份中心等專用服務(wù)器，并具有海量數(shù)據(jù)運(yùn)算處理能力。大數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)向平臺(tái)分發(fā)教學(xué)資源，是整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的信息中心。大數(shù)據(jù)教學(xué)與實(shí)訓(xùn)管理平臺(tái)是系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的命令中心和硬件主體，其中包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、平臺(tái)軟件和科研平臺(tái)等。在大數(shù)據(jù)教學(xué)與實(shí)訓(xùn)管理平臺(tái)的統(tǒng)一調(diào)度下，實(shí)現(xiàn)資源的共享，AI協(xié)助、過(guò)程監(jiān)督等多項(xiàng)功能，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用場(chǎng)景更加真實(shí)和豐富。大數(shù)據(jù)教學(xué)與實(shí)訓(xùn)平臺(tái)系統(tǒng)拓?fù)鋱D，如圖2。

大數(shù)據(jù)資源中心為實(shí)驗(yàn)室提供豐富的課程資源、實(shí)訓(xùn)資源和評(píng)測(cè)資源。管理員可以根據(jù)教學(xué)需要，對(duì)各類教學(xué)資源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。由圖2可見(jiàn)，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)和客戶端同資源中心采用Internet或VPN連接方式，教師和學(xué)生可以通過(guò)分配的登錄賬號(hào)異地登錄實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，教師和學(xué)生可以不統(tǒng)一來(lái)到實(shí)驗(yàn)室，即可完成部分教學(xué)任務(wù)，這將擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的空間性和時(shí)域性，降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)的資源成本，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綜合效果。除此之外，大數(shù)據(jù)平臺(tái)還具有良好的擴(kuò)展性，只需要在本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中直接增加配套硬件設(shè)施，此平臺(tái)即具有一定科研實(shí)驗(yàn)功能，實(shí)現(xiàn)教學(xué)科研的雙重功能，滿足教學(xué)單位多種需求。

（2）大數(shù)據(jù)平臺(tái)下的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，是基于Docker容器技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)瞬間創(chuàng)建隨時(shí)運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。并且在創(chuàng)建環(huán)境時(shí)僅需幾臺(tái)機(jī)器即可虛擬出大量實(shí)驗(yàn)集群，滿足上百學(xué)生同時(shí)使用。對(duì)于教學(xué)過(guò)程中的大量實(shí)驗(yàn)集群，平臺(tái)采用Mesos+ZooKeeper+ Mrathon架構(gòu)管理方式，可確保實(shí)驗(yàn)集群完全隔離，互不干擾。即使實(shí)驗(yàn)環(huán)境被破壞，一鍵重啟即可建立新集群。

（3）大數(shù)據(jù)平臺(tái)的另一重要特點(diǎn)即AI助手。AI協(xié)助表現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)助手、督導(dǎo)助手、測(cè)評(píng)助手三大方面。AI實(shí)驗(yàn)助手可以實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)學(xué)生每個(gè)任務(wù)的完成情況，并對(duì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)進(jìn)行自動(dòng)指導(dǎo)和錯(cuò)誤糾正，老師只需要對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程總體監(jiān)控把握即可，大大減輕教師授課過(guò)程大量的學(xué)生指導(dǎo)工作，有效解決了有人上課無(wú)人輔導(dǎo)的教學(xué)問(wèn)題。督導(dǎo)助手是教師教學(xué)過(guò)程的監(jiān)督機(jī)制，協(xié)助老師檢查學(xué)生登錄狀態(tài)，檢查學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成情況等。測(cè)評(píng)助手可以幫助教師管理題庫(kù)和組卷，對(duì)成績(jī)進(jìn)行有效分析;同時(shí)，測(cè)評(píng)助手也針對(duì)每位同學(xué)學(xué)習(xí)情況，安排有針對(duì)性的測(cè)評(píng)訓(xùn)練，對(duì)測(cè)評(píng)結(jié)果進(jìn)行個(gè)人分析，給出指導(dǎo)意見(jiàn)。

3 ?大數(shù)據(jù)平臺(tái)下實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理

大數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(jí)管理員對(duì)專業(yè)開(kāi)展的課程進(jìn)行管理，以及分配班級(jí)教師授課課程的功能，且老師具備自定義課程內(nèi)容功能。學(xué)生虛擬機(jī)功能模塊，提供學(xué)生虛擬機(jī)自主申請(qǐng)的功能，學(xué)生可以通過(guò)Web瀏覽器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，無(wú)需安裝任何開(kāi)發(fā)軟件環(huán)境，內(nèi)置在線SSH環(huán)境、在線語(yǔ)言編程環(huán)境、可視化開(kāi)發(fā)環(huán)境、數(shù)據(jù)挖掘開(kāi)發(fā)環(huán)境、統(tǒng)計(jì)分析開(kāi)發(fā)環(huán)境、文本分析開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用簡(jiǎn)單便捷。實(shí)驗(yàn)報(bào)告填寫(xiě)模塊，可協(xié)助學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行編輯操作。成績(jī)管理模塊，提供教師對(duì)授課班級(jí)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行查閱、考核、查詢并對(duì)成績(jī)進(jìn)行管理的功能。學(xué)生學(xué)習(xí)記錄查詢統(tǒng)計(jì)模塊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有學(xué)生的課程學(xué)習(xí)記錄進(jìn)行記錄及查詢統(tǒng)計(jì)的功能，支持按學(xué)生、按班級(jí)、按課程查詢統(tǒng)計(jì)。

4 ?結(jié)論

當(dāng)今社會(huì)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)同傳統(tǒng)教育方式的結(jié)合，可以有效解決目前高校辦學(xué)教育資源不足的困境。大數(shù)據(jù)平臺(tái)在專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的推廣應(yīng)用，加快了實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革提升，真正發(fā)揮了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用，豐富了實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)涵，增強(qiáng)了學(xué)生動(dòng)手能力，提高了學(xué)生的實(shí)踐意識(shí)和實(shí)踐素質(zhì)。這些積極影響，對(duì)高校提高學(xué)生培養(yǎng)水平，增強(qiáng)教師隊(duì)伍素質(zhì)，提升就業(yè)率都是有極大的幫助。

參考文獻(xiàn)

[1] 工信部. 大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）： 工信部規(guī)[2016]412號(hào)[Z]. 2016.

[2] 吳韜. 大數(shù)據(jù)國(guó)家戰(zhàn)略助推云南民族文化強(qiáng)省建設(shè)[J]. 才智， 2018， 8： 198-199， 201

[3] 賈東東. 高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理與維護(hù)探討[J]. 中小企業(yè)管理與科技， 2016， 12： 22-23.

[4] 卓濤. 基于應(yīng)用型本科院校的大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)探究[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊， 2018， 26（19）： 161.

[5] 王姍珊. 基于教師技能大賽對(duì)教學(xué)團(tuán)隊(duì)的積極影響淺議提升專業(yè)師資隊(duì)伍建設(shè)的方法[J]. 高教學(xué)刊， 2016， 7： 190-191.

[6] 王志華， 孔金生. 強(qiáng)化軟件人才實(shí)踐能力培養(yǎng)的課程體系建設(shè)[J]. 軟件導(dǎo)刊·教育技術(shù)， 2014， 12： 35-37.

[7] 張如超. 高職高專院校實(shí)驗(yàn)室信息化管理初探[J]. 科學(xué)咨詢， 2011， 13： 68.

[8] 邱麗莉. 基于Leap Motion的計(jì)算機(jī)組裝虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn). 電腦與電信， 2018， 4： 87-89.