面向大數據遠程開放實驗平臺構建研究

尹學松+蔣融融+張吉先+齊幼菊+厲毅

【摘 要】 遠程開放實驗平臺是開展遠程實踐教學的主體，為培養應用型人才提供了重要的遠程實驗資源保障?，F有的大多數遠程開放實驗平臺通常不能有效處理大并發量訪問請求，也不能提供自適應的個性化學習環境，難以滿足大規模實驗教學和個性化學習的要求。針對這些問題，結合工作實踐，筆者對面向大數據遠程開放實驗平臺進行了深入研究。首先，使用云計算技術搭建平臺基礎服務設施，著重解決大數據存儲與分析等問題，為應用層服務提供計算支撐；其次，基于泛在學習理念，并融入開放教學設計理念，勾勒出一個新的面向大數據的遠程開放實驗平臺體系架構，以支持個性化自適應學習；最后，以平臺架構為依托，以提升學習效果為導向，設計面向大數據遠程開放實驗平臺的實踐案例，為開展遠程實踐教學提供范例。所提出的構建平臺體系架構的思想可為面向大數據在線學習平臺建設提供有益的借鑒。

【關鍵詞】 大數據分析；深度學習；智慧化學習環境；知識計算；自適應學習

【中圖分類號】 G420 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 1009—458x（2016）11—0028—07

一、引言

近年來，隨著物聯網、云計算、移動互聯網與社交網絡等新興技術和服務的不斷涌現與逐漸應用，數據種類和數據規模急劇增加，不知不覺間，大數據時代已悄然走進人們的生活和學習。王元卓等（2013）認為大數據（Big Data）一般是指使用超大規模的機器和軟硬件工具才能對數據進行獲取、存儲、加工、管理、分析與服務的數據集合，常規的機器在一定時間內難以處理。一般說來，大數據有五個特性：數量（Volume）、速度（Velocity）、種類（Variety）、價值（Value）與真實性（Veracity）（方巍，等，2014）。自從2008年《自然》（Nature）雜志出版了大數據?？?，從網絡經濟學、互聯網技術、生物醫學與超級計算等方面研討大數據帶來的挑戰后，大數據真正走入人們的視野；《科學》（Science）雜志也于2011年推出數據處理（Dealing with Data）?？?，討論大數據對工業與科學研究的重要性。2012年，美國將大數據提升到國家戰略的高度，美國政府宣布啟動“大數據研究和開發計劃”，并投資2億美元。這是繼1993年宣布“信息高速公路”之后的又一次重大科技戰略部署。我國目前也在積極進行大數據研究與應用，《國家中長期科技發展規劃綱要（2006-2020年）》與《“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃》中都明確指出支持海量數據存儲和處理技術的研發與產業化，科技部將大數據計算研究作為國家基礎研究發展計劃（ 973計劃） 2014 年度重要支持方向之一。國內學術界對大數據的研究如火如荼，一些權威期刊最近兩年多次刊出大數據研究的學術論文（張引，等，2013；陳恩紅，等，2014；孟小峰，等，2014）。

魏順平（2013）認為挖掘教育大數據對了解學習過程、調整教學方法、完善考核方式及掌握學習動態具有重要價值，也為遠程開放學習平臺的構建提供了新的研究視角。如何構建和諧、易操作的遠程開放實驗平臺，如何實現遠程開放實驗平臺的可持續發展，大數據和學習分析技術帶給我們重要啟示，也是未來幾年遠程開放學習平臺研究和建設急需解決的核心問題之一。本研究旨在從大數據的視角出發，構建遠程開放實驗平臺模型，重點剖析實驗平臺的體系架構、功能模塊及實踐案例，以期為泛在學習理念下面向大數據遠程開放實驗平臺和其他學習平臺的建設提供有價值的參考。

二、遠程開放實驗平臺研究現狀

近年來，遠程開放實驗平臺建設受到越來越多高校的重視，如同濟大學建筑學院研發的建筑景觀與結構虛擬現實實驗，北京郵電大學與北京工業大學共同開發的網絡虛擬實驗等（尹學松，等，2008）。翟敬梅等（2012）設計了一個面向機械類基礎課程的遠程實驗系統，其目的是讓學生通過互聯網完成機械類的基礎實驗。沈曦等（2004）也設計了遠程虛擬實驗教學系統，該系統的主要功能模塊有訪問控制、虛擬現實實驗、系統與實驗管理、網上答疑與考核和統計。孫瑩等（2010）嘗試研究了一個基于物理化學和化工原理兩門課程的遠程模擬實驗系統。屈鴻翔等（2010）構建了一個簡單的包括四個功能模塊的現代遠程教育實驗教學平臺。董黎明等（2013）搭建了一個面向遠程開放教育的多媒體網絡實驗平臺，在該平臺上將實驗分為初級實驗、中級實驗與拓展實驗三類，每類實驗包括多個實驗任務供學生完成。如何將學生模塊、教師模塊與實驗模塊有機結合起來，是遠程開放實驗平臺的一個難點。

隨著云計算技術的應用，一部分教師將該技術運用到遠程開放實驗平臺的設計中。黃曉玲等（2011）提出了一個基于云計算的實驗教學平臺，其框架包括應用層 、虛擬化層與物理層。魯慧民等（2012）根據云計算理念設計了一個虛擬實驗教學系統，將基礎軟件和應用軟件放在基礎設施層，把開發的小實驗放在平臺層，將虛擬實驗模塊、管理模塊和交流模塊功能放在軟件層?？姿嚈啵?014）研究了3G移動模式下遠程實驗教學平臺框架，利用3G移動網絡與計算機技術拓展現有基于Internet的遠程開放實驗平臺，實現通過移動設備完成實驗。浙江廣播電視大學從2005年起就開展了遠程開放實驗平臺的研究與建設，研究人員從遠程開放實踐教學理念（方志剛，2012；龔祥國，等，2012）、實踐教學體系（齊幼菊，等，2014）、策略研究（方偉軍，等，2006）、平臺架構設計與應用（齊幼菊， 2007；齊幼菊，等，2007；厲毅，2009；鄭煒，等，2013）等方面進行了研究。齊幼菊等（2007）還研發了基于互聯網的遠程開放實驗平臺，集成各種實驗與實驗教學資源，整個平臺包括基本信息管理系統、實驗數據處理系統、實驗調度系統與實驗結果管理系統等功能。

總的來說，當前大多數遠程開放實驗平臺關注少數課程實驗的設計和實驗的集成，缺少平臺架構層面的設計和數據分析，尤其是借鑒云計算和大數據技術對可持續發展的遠程開放實驗平臺的設計。所構建的平臺通常局限于對少數課程實驗的集成，沒有突出平臺應對大規模訪問的處理方法，缺乏對實驗數據的分析與挖掘。因此，從大數據視角去分析遠程開放實驗平臺的建設具有重要的意義。

三、面向大數據遠程開放實驗平臺模型設計

（一）遠程開放實驗平臺的新發展

隨著學生人數、課程實驗、學習數據與學習資源的增多，以及學習者學習需求的多元化和服務社會功能的多樣化（吳戰杰，等，2013），遠程開放實驗平臺面臨的數據會越來越多，數據結構也越來越復雜。因此，構建一個能處理大數據的遠程開放實驗平臺至關重要。面向大數據遠程開放實驗平臺（BODOP， Big Data Oriented Distant and Open Experiment Platform）是以遠程開放教育理論為指導，使用云計算技術、計算機技術、網絡技術、多媒體技術和通信技術等將課程中的實體實驗遷移到互聯網環境中，在網絡空間實現各種實驗過程，獲取與保存實驗數據，并使用大數據技術和學習分析技術挖掘實驗數據，為教師合理開展實驗教學提供科學決策的線上實驗系統。一方面，BODOP為開展遠程開放實驗教學提供線上實驗學習環境；另一方面，學生能夠通過互聯網參與并體驗符合課程要求的各種實驗，不僅能學到實驗知識，掌握實驗過程，觀察實驗現象，得到合理的實驗結果，還可以學到相關的信息技術。

遠程開放教育是面向在職或職前人員的繼續教育，通過一段時間學習，使學習者獲得滿足職業提升與轉崗的知識與技能。為了順應“互聯網+”的發展趨勢和學習者的多樣化訴求，遠程開放教育在教學過程中需要突出職業特色，將學習者迫切需要的職業技能與現代信息技術素養作為教學核心，培養符合區域經濟發展與行業特點、適應企業需求的應用型技術人才。顯然，遠程開放實踐教學在提升學習者職業技能等方面扮演著極其重要的作用。而遠程開放實驗平臺（BODOP）是開展遠程開放實踐教學的線上教與學場所。因此，建設BODOP，改革實踐教學模式，加強面向任務和實踐技能的線上學習環境建設，是當前開展遠程開放教育的重要任務之一。

（二）大數據遠程開放實驗平臺的網絡拓撲設計

遠程實驗教學面臨的數據通常規模大、結構復雜、關聯度高，因此，傳統的遠程開放實驗平臺在處理這些大數據時，無論是響應并發量大的用戶訪問請求，還是存儲大規模交互數據，都難以在有效的時間里完成。因而，構建面向大數據的遠程開放實驗平臺，解決上述問題，需要以智能化云計算中心與較高帶寬互聯網為基礎設施，使用基于SOA（Service - oriented Architecture，面向服務架構）的技術搭建系統，設計平臺的網絡拓撲結構，以互聯網服務體系為依托，并輔以大數據存儲、分析與挖掘等技術，通過互聯網、移動互聯網及智能終端，為學習者提供實驗學習、數據存儲與分析服務。根據云計算的特點，在設計框架時，要充分考慮平臺的擴展性與計算性能，在硬件與軟件上都要具有前瞻性的部署（平臺的網絡拓撲如圖1所示）。事實上，在BODOP的整體架構中，云計算服務器是核心，所有的實驗與實驗教學資源都存放在云服務器上，借助云計算服務器的高性能服務，保障平臺平穩高效地運行。

對學習者來說，應用層呈現給用戶的實驗是平臺建設核心，沒有好的學習交互和環境體驗，平臺計算速度再快，也未必能實現實驗教學的真正目的。因此，在重視云計算服務建設的同時，也要重視實驗的建設。遠程實驗通常有兩類：一類是虛擬現實實驗，包括交互式虛擬實驗與沉浸式虛擬實驗；另一類是遠程控制實驗。從這兩類實驗出發，建設符合學習者職業發展和技能提升的遠程開放實驗。

平臺中的數據庫建設和維護也同樣重要，數據的收集、分析與挖掘結果都保存在服務器里。為了維護這些重要數據的安全，需要進行數據同步備份，可根據平臺運行實際情況，制訂時間與周期，將平臺里各子系統和每次學習者在實驗場景中的交互數據進行備份。此外，平臺還應有核心交換機、負載均衡設備與WEB服務器等重要設備，保障平臺的正常運行。

（三）大數據遠程開放實驗平臺的體系架構搭建

BODOP需要支持自適應學習環境，實現個性化的自適應學習以及完成實驗人才培養模式由平移式學習過渡到智慧化學習。因此，它的架構設計既要支撐基于互聯網的實驗學習與移動學習，又要支持數據分析與挖掘。

面向大數據的遠程開放實驗平臺體系架構如圖2所示。整個平臺架構包括服務層、功能層、系統層和實施層，每層的內涵如下：

1. 服務層主要面向學習者、教師、技術人員與管理人員，為學習者提供基于Web的實驗學習和移動實驗學習，同時根據學習者的學習能力和偏好等推薦相關學習資源。

2. 功能層基本上提供各種實驗，并融合這些實驗，為學習者提供實驗學習場景；收集各種數據，提供大數據存儲、分析與挖掘功能，為實現個性化自適應學習提供數據支撐，并實施實驗資源管理。

3. 系統層是由各個系統組成，如基于Web的遠程實驗系統、移動實驗系統、大數據計算系統（包括大數據存儲系統、分析系統與挖掘系統）、個性化自適應學習系統、實驗資源推薦系統等，這些系統雖然呈現給用戶的是不同的功能模塊，但底層數據互通，運行時互不影響，從而保證整個平臺的功能實現。

4. 設施層提供平臺運行需要的硬件、軟件及網絡資源，包括云計算服務器、核心交換機、負載均衡、數據庫、網絡等。

在設施層采用虛擬化技術，包括存儲虛擬化、網絡虛擬化及計算虛擬化，動態計算平臺上各種資源更準確地為各子系統分配計算資源，達到平臺最優化配置。平臺采用數據處理技術，將非結構化數據及結構化數據處理以后存儲在設施層，加強應用知識計算技術、知識庫技術等，并與數據處理技術相結合，為遠程開放實驗學習平臺智慧化服務提供技術支撐。

（四）大數據遠程開放實驗平臺的功能模塊實現

大數據技術可以分析與挖掘教育數據，為教師進行教學改革提供科學依據（何克抗，2014；呂瑤，2014）。在收集個人數據、實驗數據及系統數據的基礎上，BODOP對這些數據進行分析。教師根據分析結果，對實驗教學進行科學安排，幫助學習者完成實驗的深度學習，掌握職業知識，提升崗位技能。BODOP需要向社會提供服務，感興趣的學習者可以通過該平臺參加遠程實驗學習，學到相關的實踐知識?；谏鲜龇治?，BODOP的功能模塊設計理念體現在：一是有智慧化的學習場景，二是有針對性的課程實驗，三是有靈活便捷的交互，四是有數據分析與挖掘功能，五是有貼身式學習支持服務。

BODOP的功能模塊設計需要突出基于互聯網實驗學習和移動實驗學習功能，滿足學習者多樣化、多終端、個性化的隨時隨地學習需求，具體功能模塊如圖3所示。平臺實驗集成管理模塊不僅是集成與融合各種課程實驗，還要負責與實驗學習功能之間數據交互，使實驗過程數據和學習者實驗學習數據完好地保存到數據庫，便于數據分析與挖掘使用。用戶權限管理是對平臺各個角色進行定義，并分配給各角色相應的權限。

圖4展示的是BODOP的角色任務，不同職責的教師在平臺里的任務不同，功能自然也不同。平臺管理員可以兼任實驗責任教師；教學管理員可以兼任課程責任教師，負責學生的實驗學習。盡管這些教師在平臺里的責任不同，但他們建設實驗資源和輔導學習者的實驗學習的責任相同（如圖5所示）。

具體地說，平臺管理員負責添加實驗軟件、設置實驗責任教師、導入開課總表和學生總表；教學管理員負責教學點管理、設置課程責任教師、注冊開設課程、選擇本校學生、管理輔導教師與分組實驗；實驗責任教師負責設置軟件子實驗與管理子實驗；課程責任教師選擇課程子實驗、添加理論測試與管理課程資源；實驗輔導教師需要確認課程子實驗與管理實驗資源；學生的職責是學習課程實驗資源。其中，教師要根據學生學習數據的分析結果，在實驗過程中調整實驗難易度，干預實驗過程，促進學生深度學習。

四、面向大數據遠程開放

實驗平臺實踐案例分析

（一）個性化自適應實驗學習系統設計

BODOP構建的目的是將課程中的實體實驗遷移到互聯網上，搭建智慧實驗學習環境，學生可以在任何時間、任何地點完成實驗。實現上述目的，需要兩個要素：一是使用信息技術將課程實驗變成數字化虛擬實驗，在這個過程中，要充分利用各種技術將實驗完整體現，如使用交互式虛擬實驗與沉浸式虛擬實驗讓學生在網絡環境中學到的實驗與課本講授的實驗知識一致，達到實踐教學的目標；二是構建一個智慧化的網絡平臺，將各種實驗有機地集成起來，實現實驗數據、學生數據與其他課程數據之間的融合，并提供個性化實驗學習環境。智慧教育是借助于現代信息技術搭建具有感知、推理與決策等智慧特征的學習時空環境，以此促進學生身心協調、智力全面及個人可持續發展。智慧教育強調以人為本、一切為了學習者的教育思想，充分體現學習是一個充滿平衡與張力的接收知識過程（祝智庭，等，2013）。不難發現，構建BODOP，與智慧教育的特性是一致的。

BODOP注重智慧化遠程實驗環境建設，平臺以學習者為中心，圍繞實驗學習，搭建實驗資源、實驗評價系統、實驗管理系統、學生信息庫、學習實驗庫以及數據分析系統等，旨在構建一個個性化自適應實驗學習系統（如圖6所示）。在這個系統里，信息反饋與數據分析流程如下：

STEP 1：學生在平臺上注冊，平臺通過與教務系統的對接，保存學生的相關基本信息；

STEP 2：學生學習實驗，平臺啟動導學式引擎，旨在快速讓學生理解實驗；

STEP 3：學生與實驗之間的交互數據存儲在學習數據庫里；

STEP 4：數據分析系統根據學生的基本信息與學習數據進行分析，將結果傳輸給自適應引擎；

STEP 5：自適應引擎根據分析結果，調整實驗學習內容的進度；

STEP 6：教師分析實驗結果與實驗評價，參與實驗內容調整；

STEP7：教師與管理人員修改導學引擎，同時教師修改或完善實驗資源。

在第五步中，學生根據自適應引擎反饋的實驗學習進度、實驗技能完成情況、實驗過程測評等信息，結合自身學習實際，進行自我調節。例如，對簡單的實驗減少學習時間，對較為復雜的實驗投入更多的學習時間，及時掌握實驗知識與技能。教師根據數據分析系統得到反饋信息，及時掌握每個學生的實驗學習情況，根據這些信息，針對不同學生做出實驗內容調整和實驗進度調整，根據實驗中學生的學習信息，修改和完善實驗資源，與管理人員修改相應的導學引擎。實驗完成后，教師根據數據分析與評價系統，掌握哪些實驗內容有難度、需要哪些相關的實驗資源、如何做出輔導等，為下次實驗提供貼身式的服務。

（二）實驗案例設計

基于BODOP設計架構，并結合實驗學習流程，浙江廣播電視大學教學中心開發多門課程的實驗教學，本文以“計算機網絡”這門課程為例，討論實驗教學的開展，并通過案例的介紹，驗證BODOP對實驗教學與學習支持的有效性，實驗模型如圖7所示。

在BODOP上開設實驗課程，一般包括實驗預備、實驗學習、學習交流、實驗分析和統計分析五個模塊。實驗預備包括課程資源、輔導材料、課程題庫與理論測試，主要讓學生做實驗前掌握實驗必備的基礎知識，并根據課程內容和實驗內容，做一些習題測試，加深對課程知識的理解和掌握。對“計算機網絡”而言，實驗學習共有“網卡配置實驗”“DNS服務與配置實驗”“DHCP服務與配置實驗”“路由器配置實驗”“交換機IP地址配置實驗”等11個實驗。學習交流主要是學生與教師之間討論互動，還包括學生實驗學習的心得體會。實驗分析包括實驗過程評價、實驗結果評價和預測未來學習，主要是借助于大數據和學習分析技術對學生的實驗學習數據進行挖掘，對教學和學習進行指導。統計分析主要統計與分析學生實驗完成情況，包括實驗完成明細、成績統計分析、選課人數統計和完成實驗統計。

通過四個學期的課程實驗教學，相關實驗數據情況統計如表1所示。不難發現，對于簡單的實驗，即使事先預習實驗知識的學習者較少，實驗成績也較高，如實驗1“網卡配置實驗”；對于一些復雜的實驗，如果預習實驗知識的學習者不多，實驗過程中需要教師輔導，花的時間較長，實驗結果也不是太好，如實驗3 “DHCP服務與配置實驗”。通過對這些數據進行分析，挖掘其背后的一系列元數據（如學生的學習時間安排、認知能力、操作技能和學習態度等），幫助教師合理安排教學。

借助遠程開放實驗平臺進行實驗教學時，以學生為中心，在傳授實踐知識的同時，充分注重學生的個人成長與可持續發展。主要表現為，BODOP能根據學生的學習基礎、學習能力、學習需求與偏好等個性差異，提供個性化的輔導與學習服務，記錄每一位學生的實驗學習數據，然后對數據進行深入挖掘與分析，得到的數據分析結果用于揭示潛在問題、評估實驗學習過程、建設實驗資源、完善實驗評價與預測未來學習。因此，包含個性化自適應實驗學習系統的BODOP是遠程開放教育智慧學習環境構建的重要組成部分。同時，構建BODOP，實施遠程實踐教學，不僅能使學習者順利完成實驗，還可以對學習者的實驗學習進行輔導與干預，提升實驗學習的沉浸感，最終提高學習者的學習興趣與學習成就感，有助于學習者實踐知識的掌握，進一步提高職業技能。

五、結語

遠程實踐教學是提升學習者職業能力、崗位技能、社會綜合能力及職業創新能力的重要環節，通常起到不可替代的作用。在大數據環境下，構建遠程開放實驗平臺能為學習者提供個性化自適應遠程實驗學習環境，使學習者在愉悅的環境中完成實驗學習，提升職業技能。首先，對現有的遠程開放實驗平臺進行總結，分析平臺的不足；其次，從遠程開放實驗平臺（BODOP）的新發展、BODOP的網絡拓撲設計、體系架構搭建和功能模塊實現四個方面，提出了BODOP的模型設計；最后，從個性化自適應實驗學習系統和實驗案例設計分析BODOP實踐案例。從大數據視角討論遠程開放實驗平臺模型的構建，旨在為今后搭建類似的遠程學習平臺提供有益的建設思路。

隨著互聯網技術、大數據技術、云計算技術和物聯網技術等的快速發展，學習者對遠程開放實驗學習不斷提出更高的要求，構建面向大數據遠程開放實驗平臺不僅能很好地完成實驗教學，創建高效、適合泛在學習的智慧化學習環境，滿足學習者個性化、多元化及多終端的學習需求，還能進一步促進遠程開放教育的發展，扎實推動學習型社會的建設。

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責任編輯 韓世梅