基于大数据分析的计算机网络课程的虚拟仿真实验教学研究

王勇 张婷

【摘 要】针对现有高校计算机网络课程实验教学的现状，对大数据背景下计算机网络现有虚拟仿真实验教学方式存在的主要问题进行总结和梳理，结合武汉工商学院信息工程学院的实验教学实际情况，从大数据信息化管理、虚拟仿真实验平台构建和资源多元化建设等多方面，探讨基于大数据分析的计算机网络课程虚拟仿真实验的建设方案，并进一步研究计算机网络课程基于大数据分析的虚拟仿真实验教学模式。

【关键词】计算机网络;大数据分析;虚拟仿真;实验教学

中图分类号： G434;TP393-4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）12-0124-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.059

【Abstract】In view of the present situation of computer network course experiment teaching in universities， this paper summarizes and combs the main problems existing in the existing virtual simulation experiment teaching mode of computer network under the background of large data.Combining with the actual situation of the experiment teaching in the Information Engineering College of Wuhan University of Business and Industry，this paper discusses the information management of large data，the construction of virtual simulation experiment platform and the diversification of resources. This paper discusses the construction scheme of virtual simulation experiment of computer network course based on big data analysis，and further studies the teaching method of virtual simulation experiment of computer network course based on big data analysis.

【Key words】Computer network;Big data analysis;Virtual simulation;Experimental teaching

1 目前计算机网络课程虚拟仿真实验教学现状及存在的问题

大数据背景下，如何更有效的开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设，是提升实验教学质量和水平的关键举措[1-2]。虚拟仿真实验教学能够促进现代信息智能技术与实验教学项目的深度交叉融合，从而从广度和深度上拓展实验教学内容、延伸实验教学时间和空间。但多年的计算机网络课程虚拟仿真实验教学的实践教学经验表明当前的虚拟仿真实验平台仍然存在有较多问题，具体如下：

1）实际教学中，虚拟仿真实验平台实验项目内容设置相对固定，不能结合学生实验情况灵活调整。虚拟仿真实验平台的使用设置多是依据教师的教学经验设计，使用时间也根据教师时间进行安排，时间上不能灵活根据高校学生学习时间多元化特点进行自由定制[3]。

2）实际教学中，虚拟仿真实验平台由于技术水平、实验条件等实际因素的制约，在教学过程中学习记录上存在明显缺陷，比如记录的数据为学生实验结果相关数据，而不能记录实过程中的实验数据。导致教师在教学中难以深入了解学生实施实验过程中存在的问题与错误。教师只能从实验报告上分析表面问题，内里性的问题无法深入分析，不能有效的收到学习反馈和从而进行教学中后期调整。

3）目前虚拟仿真实验平台实验资源库的资源内容、资源库来源相对单一，这就造成虚拟仿真实验教学内容的订制与设计不能满足不同层次不用专业的教学目标要求。当前教学条件下，虚拟仿真实验平台实验资源库主要来源是一个是任课教师，另外一个是设备厂商，导致资源缺少多元化、资源更新速度慢等缺陷，不能满足不同特点、不同学习层次、不同专业的学生实验教学需求。

2 基于大数据分析的计算机网络课程的虚拟仿真实验教学平台

利用当前大数据处理技术，进行更好的学习反馈、多元化构建教學内容和动态调整教学目标及方式，提高教学效果是当前虚拟仿真实验教学面临的一个关键问题。

本文提出的基于大数据分析的计算机网络课程的虚拟仿真智能实验平台系统，主要由四大子平台构成：虚拟仿真实验教学大数据智能分析平台、虚拟仿真实验教学管理平台、虚拟仿真实验资源建设模块、虚拟仿真实验平台，本系统架构如图1所示：

虚拟仿真实验智能平台系统结构图

2.1 虚拟仿真实验教学大数据智能分析平台

基于大数据分析下的虚拟仿真实验教学大数据智能分析平台作为本系统主要关键平台，其平台内部结构如图2所示，主要功能模块如下：

1）实验数据智能管理模块：在实验机中安装本系统的操作记录模块部分，将实验过程中，学生实验以及相关的一系列操作动作记录下来，并对收集到的数据进行分析和整理、归类，最后上传至云端供教师查阅。

2）实验数据智能分析模块：借助数据挖掘和机器学习技术，针对学生历史实验操作数据建立机器学习模型，智能分析学生实验周期内的学习情况。在此基础上，结合教学目标和学生自我学习需求，有针对性的、定制化地为学生选取基于能力需求的知识，从而达到可定制、多元化的教学目标需求。

3）实验过程智能指导模块：结合学生已有的实验历史记录数据，通过大数据分析技术分析在教学周期内学生学习的特点。并通过分析学生的学习特点了解学生学习中存在的问题，并针对性指导其进行改进。同时，实时将该数据分析结果反馈给任课教师，这样教师能够及时地了解教学效果、学生学习情况。教师能够通过系统记录的学生学习数据，进一步修正教学中存在的问题，这样有助于完善智能模型[4]。

4）实验评测点智能调整模块：基于前期数据分析模块、智能指导模块、自动批阅模块的数据统计与分析，使用大数据分析与决策技术，对教学内容、教学目标、教学方法、教学考核方式的评测点进行针对性的智能化调整，达到实时、动态的教学反馈与调整。

2.2 虚拟仿真实验教学管理平台

虚拟仿真实验教学管理平台，该平台主要功能模块包括实验教务管理模块、实验教学管理模块、实验教学资源管理模块、实验室开放预约管理模块，其内部结构如图3所示。

虚拟仿真教学管理平台在虚拟仿真实验教学过程中实现全信息化管理。通过虚拟仿真实验开放预约管理平台，以预约等多种形式给不同用户提供有限开放的共享虚拟仿真实验平台资源。在虚拟仿真实验教学前后，采集教务、教学管理相关数据，通过实验教务管理模块、实验教学管理模块，对教务、教学数据有效管理，从而保障实验教学的正常、稳定运行。同时，通过实验教学数据管理模块、实验教学资源管理模块，完成教学内容及教学目标的多元化订制与设计。

2.3 虚拟仿真实验资源平台

虚拟仿真实验资源平台，主要实现计算机网络课程实验教学内容、教学项目的个性化定制。该平台主要功能模块包括计算机网络课程模块、虚拟仿真实验资源库模块，其内部结构如图4所示。

计算机网络课程模块主要包含计算机网络课程主要方向与知识子模块资源，资源的特点在于可以针对课程教学内容与教学对象不同层次分类，并可以个性化定制。虚拟仿真实验资源库模块特点在于通过多种线上、线下公开的、共享的、合作的多种资源来源，在广度上和深度上构建计算机网络课程资源库，是计算机网络课程模块个性化定制的基础和保证。目前主要的计算机网络课程资源库来源：本地基础计算机网络实验项目资源库、在线计算机网络课程精品资源库、示范性虚拟仿真实验教学项目资源库、教育部产学合作协同育人项目资源库等。

2.4 虚拟仿真实验平台

虚拟仿真实验平台主要实现虚拟仿真实验平台的物理资源、虚拟资源等多元化资源接入与访问控制。其主要包括虚拟网络设备库模块、物理网络设备库模块、虚拟仿真控制平台模块，其内部结构如图5所示：

虚拟网络设备器材库模块包括各种虚拟网络设备器材、虚拟网络应用场景库、虚拟网络设备配置等多个模块。物理网络设备库模块包含各种物理网络设备器材、物理网络设备配置等多个模块。虚拟仿真控制平台完成物理网络设备资源、虚拟网络设备资源的集成与接入，并通过云端、B/S、C/S等多种接入控制方式完成对实验平台资源的控制访问。

3 基于大数据分析的计算机网络课程的虚拟仿真智能实验教学模式

基于大数据分析的虚拟仿真实验教学平台，计算机网络课程实验教学可以从数据分析、数据管理、虚拟仿真实验和实验资源四个角度出发，选择合适的虚拟仿真实验平台和适宜的多样化实验教学资源，重构个性化计算机网络实验课程。从而实现基于大数据分析的信息化实验过程管理，并通过线上线下相结合的方式最终实现可定制、智能化、精准化的实验教学新模式，该教学模式实践关键点在于：

1）确定虚拟仿真实验平台：结合计算机网络课程教学目标、教学目的、教学对象构建虚拟仿真实验平台，通常包括：虚拟网络设备库、物理网络设备库、基于云端的软件共享虚拟实验平台、基于客户端的仪器共享虚拟实验平台、基于虚实结合的远程控制实验平台。

2）选择适宜的实验教学资源：结合计算机网络课程教学目标、教学目的、教学对象，组织适宜的实验教学资源，教学资源库通常包括：基础计算机网络课程实验项目库、精品在线计算机网络实验课程库、示范性虚拟仿真计算机网络实验教学项目库、教育部产学合作协同育人项目库等。

3）重构个性化计算机网络实验课程：通过确定虚拟仿真实验平台和实验教学资源库，针对教学对象的特点，个性化制定计算机网络课程实验教学内容、教学实验方法、教学实验教学目标、教学实验考核方式。

4）开展信息化、智能化的虚拟仿真实验：实验过程包括实验前智能学习、实验过程智能指导、实验数据智能分析、实验结果智能批阅、实验评测点智能调整等。

4 总结

总之，在当前各高校加速教学信息化智能化的政策导向下，如何快速、高效的充分利用云计算、大数据数据处理、分析技术采集、分析教学数据，并对最终的教学做出准确的决策，是极其重要的研究内容。本文就当前计算机网络课程虚拟仿真实验教学目前存在的现状及原因做出来分析，引入大数据采集、分析、决策技术对现有教学模式进行了改革研究和探索，并提出了针对计算机网络实验课程的虚拟仿真实验智能分析平台框架设计方案。基于大数据分析的虚拟仿真实验教学方法其有助于调动学生的趣味性和积极性，同时可以提升教学的灵活性与针对性，达到更好的教学效果。

【参考文献】

[1]孙界平，琚生根，陈黎，等.计算机网络虚拟仿真实验平台的建设实践[J].实验技术与管理，2017，34（8）：115-117，128.

[2]琚生根，孙界平，陈黎，等.大数据下计算机网络虚拟实验智能分析平台设计框架[J].实验室研究与探索，2017，36 （12）：113-115，120.

[3]许小东，吴军强，杜选.构建虚实结合的计算机网络类实验平台的研究[J].实验技术与管理，2017，34（6）：127-130.

[4]欧坤，陈玲.新工科背景下计算机网络专业模块化课程体系的构建研究[J].惠州学院学报，2018，38（3）：125-127.

作者簡介：

王勇（1980—），男，湖北武汉人，硕士，讲师，研究方向：云计算、大数据。

张婷（1981—），女，湖北武汉人，硕士，讲师，研究方向：软件工程。