基于“互联网+”的实验教学管理和数据分析系统

邓晓燕, 孙宗海, 袁 玲

(华南理工大学 自动化科学与工程学院, 广东 广州 510641)



基于“互联网+”的实验教学管理和数据分析系统

邓晓燕, 孙宗海, 袁 玲

(华南理工大学 自动化科学与工程学院, 广东 广州 510641)

将信息化系统建设与实验室结合,设计了一种基于“互联网+”思想的自动化实验教学系统。该系统分为实验教学网站、实验数据监控和采集系统以及实验数据分析系统3个部分,既能在实验教学的过程中对各项实验数据进行采集,实时地掌握各项核心实验指标,又能够运用大数据的手段对整个实验过程进行分析,从而进一步对实验过程进行改进和优化。

互联网+； 实验教学； 数据采集； 数据分析

全国人大第十二届三次会议上,李克强总理在政府工作报告中首次提出“互联网+”行动计划[1]。在“互联网+”的影响下,教育行业也逐步由封闭走向开放,延续了多年的传统教学模式,也将随着各种信息化技术的融入发生变化,其中高校实验室也成为了信息化发展的对象[2]。高校实验室信息化的建设在一定程度上可提高学生和教师的学习能力,也能提高教学和管理的效率,但目前高校实验教学系统还存在着不少问题:实验教学系统多以实验室管理为主,如设备、人员和实验课程的管理,对实验教学过程的管理和数据的实时采集相对较少；大部分实验教学的信息化平台缺乏对实验教学过程数据的决策分析[3],对利用有用的信息指导实验教学、改进实验教学的考虑较少[4]。基于以上的背景,为了能更好地开展实验教学,本文提出了一种基于“互联网+”思想的实验教学管理和数据分析系统,既能够在实验教学过程中在线采集、监控和分析各项实验数据,实时掌握各项核心的实验指标,又能够运用大数据的手段对整个实验过程的数据进行分析,从而进一步对实验教学过程进行改进和优化。

1 “互联网+实验室”的总体设计方案

1.1 “互联网+实验室”的设计思想

高校作为技术创新、知识创新和人才培养的骨干力量,其实验室的信息化建设是一项重要的任务。打造“互联网+实验室”实验教学系统,要区别以往的实验室管理系统平台,必须将互联网的思想与实验室的实际情况紧密融合[5-7]。

(1) 开放共享。就高校来说,要实现实验室开放共享,主要有4部分内容:一是打破实验时间的约束,学生能自行安排学习时间和计划；二是开放实验内容,学生可根据自己的实际情况选择实验内容；三是开放实验对象,面向不同专业的学生,甚至其他高校的学生或社会人士开放；四是共享实验资源,包括实验设备、网络资源等。

(2) 平等协作。在教学过程中,采取过去的教师教、学生学的方式已不能满足时代发展的需要,教师和学生之间、学生和学生之间应是一种平等和相互学习的关系。教师不再居高临下地灌输知识,更多的是实施兴趣的激发,进行思维的引导；学生几乎能随时随地与老师和同学进行交流学习,更好地理解和完善实验内容。教师也能通过跟学生的讨论和评价不断改进教学方法和教学内容,促使教师不断调整和修正教学策略,以此博采众长、互通有无。

(3) 虚实打通。借助网络技术,学生不仅可以在线进行虚拟仿真实验,也可以在线预约实物实验课程,实现虚拟仿真和实物实验相结合,采取线上和线下教学一体化,虚中有实、实中有虚,虚实结合,融为一体。

(4) 打破时空约束。在教学中师生互动不再流于形式,通过互联网,完全突破了课堂上的时空限制,使实验过程不局限在实验室中完成,实现实验室从有边界到无边界发展的突破,延伸开放实验室的含义,缩短教与学、理论与现实的距离。教师的课堂教学也将变得更为自如,手段更为丰富。

1.2 系统体系结构

根据“互联网+实验室”的设计思想设计自动化实验教学管理分析，总体结构见图1。该系统涵盖3个子系统。

图1 实验教学管理分析系统总体结构图

(1) 实验教学网站。这部分主要包含4个方面,一是实验在线学习,课前进行视频学习,课后教学回顾,在线讨论问题；二是实验在线模拟,学生在线提交输入参数,网站后台系统分析后返回实验运行曲线图；三是创新实验申请,包括实验内容、实验时间、设备需求等；四是教学管理,包括学生信息管理、排课管理和实验成绩查询等,学生可以在线查看每次实验的实验数据记录和教师评分。

(2) 实验数据实时监控与采集系统。该系统的主要作用是通过对接组态软件的数据记录,将各个实验设备的数据实时地采集起来,在教师的监视器上展示,并保存到数据库中,这样教师直接在线上就能完成对各个实验小组实验状况的掌握。

(3) 实验数据分析系统。该系统的主要作用是将(1)、(2)中所采集的各类实验数据进行收集,并导入Hadoop中,运用大数据的方法对这些数据进行分析和提炼,挖掘出其中的一些特点和规律,从而为进一步改善实验教学提供支持。

2 实验教学网站

实验教学网站是进行实验教学的窗口,系统主要构成如图2所示。整个实验教学网站从前到后依次采用html5 + bootstrap + jQuery的Web前段框架,ASP.NET(MVC5)的Web后台框架,以及SQL-Server数据库,这也是目前兼顾功能和开发效率最常用的Web开发框架[8-9]。主要提供4个功能。

图2 实验教学网站主要构成图

(1) 在线视频教学[10]。在线视频教学是将实验课程相关内容制作成视频形式放到教学站点上,学生可在课前和课后对实验进行在线学习或回顾,同时针对每个教学视频提供在线QA内容,学生在观看视频过程中产生的任何疑问都可在线上提问,由任课教师在线上进行解答,学生也可看到别人提出的问题,从而加深对整个实验的了解。

(2) 在线模拟实验[11]。在线实验是为了加深学生对实验理论的理解。通过对实验进行数学建模,将实验的关键参数作为输入,由学生在网页上进行设置。在学生提交参数后,后台根据实验的数学模型和学生输入参数,调用Matlab的接口对实验进行仿真,并返回实验结果,还可以把相关数据上传到系统后台，从而使学生能够熟悉实验的流程,并对实验背后的理论原理和不同参数对实验的影响有更加深入的了解。

(3) 创新实验申请。创新实验申请主要为了鼓励和培养学生的创新精神。学生在对已有基础实验充分了解的情况下,可以在线申请课程外的、具有一定创新和研究性质的实验,教师在接收到学生的创新实验申请后,根据申请的时间、设备要求,对创新实验进行规划和安排,指导学生完成实验并记录学生的实验成果。

(4) 教学管理。教学管理是辅助教师对实验课程进行排期、对学生进行分组以及对学生实验结果进行打分的系统,学生也可以在该系统上查到自己实验课程的安排和成绩。

3 实验数据实时监控与采集系统

实验数据实时监控与采集系统的主要功能是实时采集各个实验设备的数据,并将数据记录下来,一方面供教师实时监控各实验台的实验情况、了解实验的进度和效果,另一方面将数据保存到数据库中,以便对历史数据进行查阅和分析。

该系统是一个典型的CS结构系统[12],在客户端(实验设备),客户程序定时扫描实验软件的数据库获取实时的实验数据,并将采集到的数据通过TCP/IP协议上报到服务器上。在服务端,一个后台服务实时采集客户端发送的数据,并根据数据的信息对数据进行分类保存和监控,同时对外提供查询的接口，以便教师能够实时监控数据和后续对数据进行分析。

该系统的难点在于服务端的设计,因为实验数据的量很大,并且上报的频率很高,要求服务端能够及时响应大量的并发请求。为此服务端采用了基于Epoll的异步非堵塞多线程网络框架,原理如图3所示[13]。

图3 实验数据监控与采集系统原理图

Epoll是Linux内核提供一个异步IO接口[14],Epoll可以监听多个文件句柄的读写事件,当一个文件句柄有数据可读或可写的时候,将会触发对应的读写操作。通过Epoll的异步加上非阻塞的IO,可以极大地提高系统的吞吐率。当客户端发送数据到服务端时,会触发Epoll的读操作,并将读到的数据写入任务队列里, 而在任务队列的另一端,是一组线程在不断地从任务队列中取得任务并进行处理。整个实验数据实时监控与采集系统的结构图如图4所示。

图4 实验数据实时监控与采集系统结构图

以过程控制实验室为例,首先在实验设备的主控机上部署数据采集客户端,上位PC机上安装有组态软件(组态王),客户端通过定时扫描组态软件的数据库获取实验设备的数据,将所得数据通过TCP/IP协议上报到服务器上,服务器将接收到的数据写入数据库,教师通过专门的监控界面可以实时地获取各实验设备的数据,并以曲线的形式展示在监视器上,这样教师就可以通过监视器了解各小组的实验情况,并及时地做出指导。

4 实验数据分析系统

得益于计算机数据处理能力的提高和大数据系统软件的完善,越来越多的领域开始利用大数据的手段对数据进行处理和挖掘,实验数据分析系统就是利用Hadoop+Hive对实验数据进行大数据分析的系统[15],其系统架构如图5所示。

图5 数据分析系统结构图

学生信息(包括学生基本信息和学生实验课程信息)和实验数据(主要是实验过程中的实时监控数据)经过数据适配层,转换为Hive可以识别的格式的文件导入到Hive中。日常的数据分析任务主要通过任务调度器进行管理。分析任务分为例行任务和临时任务2类,临时任务可以升级为例行任务。任务执行后的结果会导入到数据库中,供教学站点查询使用。通过对实验数据的分析,可以充分挖掘实验课程与学生学习成果之间的关系,从而指导实验教学向更有利于学生学习的方向改进。

下面列举2个数据分析的案例。

4.1 以实验室设备使用情况数据分析为例

实验室开课情况中设备使用时间的计算是实验教学管理的重要任务之一,通过系统后台的数据统计每台设备使用的总时长,可以得到各实验室的设备使用的总体情况,从而更清楚地了解各学期不同实验室的设备使用率,更科学合理地分配设备维修费用和承担的教学任务。

例如通过实验数据采集和分析系统,统计2014—2015学年的各实验室主要教学设备使用时间(见表1):实验室3和5的每台设备使用时间均较长,且设备的台套数均较少,而实验室4和7的设备使用时间相对较低,因此可以看出实验室3和5的设备对课程教学起到了非常重要的作用,如条件允许可增设这2个实验室设备的台套数或适当增加对这些设备的维修费用,也可以看出在课程设置和实验室利用方面存在有待改进的地方。

表1 2014—2015学年各实验室主要教学设备使用时间表 小时

4.2 以实验项目间关联分析为例

通过实验数据采集和分析系统,对每个学生的自动控制原理实验中各个实验项目成绩进行关联分析(见表2),发现第一个实验内容(典型环节的模拟研究)的成绩与后续实验项目的关联性较大,也就是说实验项目1非常重要,会直接影响后续实验项目,因此教师在指导第一个实验项目时要格外注意,需要利用更多的时间和精力去进行指导,并及时解答学生实验中存在的问题,从而在开展实验时可以更有针对性地对学生进行指导。

表2 自动控制原理实验1成绩与后续实验项目成绩的关联性表

5 结语

通过将互联网技术与实验室教学相结合, 形成了一个覆盖课前学习、线上教学、线下实验、课后分析的基于“互联网+”的教学体系,并形成闭环,不仅有效提高了实验教学信息化水平、优化了教学流程,而且充分结合了线上教育与线下教育,提高了教学的趣味性和学生学习的自主性和创新性,并为不断优化实验教学提供了数据分析支持。

References)

[1] 百度百科.互联网+[EB/OL]. http://baike.baidu.com/view/10991568.htm.

[2] 郑月秋.高校实验管理系统的设计与实现[D].成都:电子科技大学,2013.[3] 雷明,宁雷.新型远程实验教学系统的开发[J].实验室研究与探索,2009,28(4):229-232.

[4] 张艳伶,黄声烈,金京姬.实验教学管理系统的设计与实现[J].实验技术与管理,2009,26(6):87-90.

[5] 黄楚新,王丹.“互联网+”意味着什么:对“互联网+”的深层认识[J].上海电气技术,2015(5):5-9.

[6] 吴旻瑜,刘欢,任友群.“互联网+”校园:高校智慧校园建设的新阶段[J].远程教育杂志,2015(4):8-13.

[7] 解继丽. “互联网+”引领教育改革新趋势[J].楚雄师范学院学报, 2015,30(2):86-88,108.

[8] 王攀,王晶,陈少平.基于Web的实验教学管理系统的设计与实现[J].中国电化教育,2010(2):115-118.

[9] 马艳,徐淑华.基于Microsoft NET技术的实验教学平台建设[J].实验技术与管理,2008,25(9)108-111.

[10] 张金磊,王颖,张宝辉.翻转课堂教学模式研究[J].远程教育杂志,2012(4):46-51.

[11] 邓晓燕,袁玲,刘泽华，等.基于Matlab与VB的过程控制实验仿真系统设计[J].信息技术,2013(2):21-23.

[12] 黄文博,燕杨. C/S结构与B/S结构的分析与比较[J].长春师范学院学报,2006,25(4):56-58.

[13] 余光远.基于Epoll的消息推送系统的设计与实现[D].武汉:华中科技大学,2011.

[14] 梁明刚,陈西曲.Linux下基于Epoll+线程池高并发服务器实现研究[J].武汉工业学院学报,2012,31(3):54-59.

[15] 刘永增.基于Hadoop/Hive的海量Web日志处理系统的设计与实现[D].大连:大连理工大学,2011.

Experimental teaching management and data analysis system based on “Internet+”

Deng Xiaoyan, Sun Zonghai, Yuan Ling

(School of Automation Science and Engineer, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)

Combining the construction of laboratory information, an automation experimental teaching system has been designed, which is based on “Internet+.” The system is divided into three parts including the experimental teaching Website, the experimental data monitoring and collection system and the data analysis system. This system can not only collect the online data in the process of the experimental teaching to master the core experimental indexes real-timely, but also analyze the whole process of the experiment by means of big data, so as to improve and optimize the experimental process.

Internet+; experimental teaching; data acquisition; data analysis

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.042

2016-05-02

2014广东教育教学成果奖(高等教育)培育项目；2015广东省高等教育教学研究和改革项目；2015教育部高等学校自动化类专业教学指导委员会专业教育教学改革研究课题；华南理工大学第一批“探索性”实验项目(Y1140700)；2015年华南理工大学教改教研项目(Y1150970)；2016年华南理工大学教改教研项目

邓晓燕(1983—),女,广东大埔,硕士,实验师,主要从事实验室管理和实验教学以及控制科学与控制工程研究.

E-mail：dengxy@scut.edu.cn

G434

A

1002-4956(2016)11-0168-04