關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)挖掘；虛擬仿真技術(shù)；實踐教學(xué)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）25-0120-03

虛擬仿真技術(shù)，作為多項前沿科技的綜合應(yīng)用，通過計算機(jī)模擬生成高度逼真的交互環(huán)境，不僅是教育信息化進(jìn)程中的重要組成部分，也是教育部力推的五大“金課”之一，更是應(yīng)用型高校培養(yǎng)理論知識扎實、技術(shù)能力卓越的高素質(zhì)人才的關(guān)鍵手段[1]。廣東東軟學(xué)院依托“高校+龍頭企業(yè)”的深度融合模式，成功建設(shè)并開發(fā)了具有自身特色的熱軋燒結(jié)工藝參數(shù)優(yōu)化虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。本文聚焦于數(shù)據(jù)挖掘課程中虛擬仿真教學(xué)平臺的必要性、平臺構(gòu)建及教學(xué)設(shè)計，旨在為提升教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才提供寶貴經(jīng)驗。

1 數(shù)據(jù)挖掘課程虛擬仿真教學(xué)平臺的必要性

數(shù)據(jù)挖掘課程融合了概率統(tǒng)計、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能及數(shù)據(jù)可視化等多個計算機(jī)領(lǐng)域的核心知識，因其在大數(shù)據(jù)分析中的核心地位而成為信息技術(shù)研究與應(yīng)用的關(guān)鍵領(lǐng)域[2]。掌握數(shù)據(jù)挖掘技能不僅能增強(qiáng)學(xué)生的科研能力，還能顯著提升其就業(yè)競爭力，對學(xué)生的學(xué)業(yè)及未來職業(yè)生涯具有深遠(yuǎn)影響[3]。然而，在數(shù)據(jù)日益重要的今天，數(shù)據(jù)挖掘課程的教學(xué)面臨諸多挑戰(zhàn)，這些問題不僅制約了教學(xué)質(zhì)量的提升，也對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和實際應(yīng)用能力造成了阻礙。

1.1 資源限制

數(shù)據(jù)挖掘是一門具有高度實踐性的課程，但傳統(tǒng)教學(xué)往往偏重理論，缺乏與實際應(yīng)用場景的緊密聯(lián)系[4-5]。學(xué)生雖能扎實掌握理論概念和方法論，但在面對真實數(shù)據(jù)時卻常感無從下手，難以有效應(yīng)用算法。實踐教學(xué)需依托大量實驗，但學(xué)校實驗資源有限，難以滿足所有學(xué)生的需求，限制了他們的實踐機(jī)會和學(xué)習(xí)效果。虛擬仿真平臺則能利用虛擬仿真技術(shù)提供豐富的實驗場景和數(shù)據(jù)，讓學(xué)生在模擬環(huán)境中自由探索，有效突破資源限制。

1.2 環(huán)境限制

數(shù)據(jù)挖掘作為一門以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的學(xué)科，真實、有效的數(shù)據(jù)集是數(shù)據(jù)挖掘?qū)嶒灥幕A(chǔ)，因而數(shù)據(jù)采集是數(shù)據(jù)挖掘?qū)嵺`教學(xué)的必要一環(huán)。數(shù)據(jù)采集為模型訓(xùn)練提供了必要的基礎(chǔ)，直接影響著模型的性能和準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量、規(guī)模和多樣性也對模型的泛化能力和魯棒性產(chǎn)生重要影響[6]。同時，數(shù)據(jù)采集需遵循法律和道德規(guī)范，確保數(shù)據(jù)的合法性和隱私保護(hù)。在傳統(tǒng)實踐教學(xué)中，由于時間、成本、安全和設(shè)備等因素的限制，學(xué)生無法進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集或在高危和極端環(huán)境下獲取實驗數(shù)據(jù)，而虛擬仿真平臺可以通過虛擬仿真技術(shù)，讓學(xué)生在課堂上就可以完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集工作，突破了時間和空間的限制。

2 數(shù)據(jù)挖掘課程虛擬仿真場景

本平臺采用虛擬現(xiàn)實、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，對具體生產(chǎn)線進(jìn)行情景、建模和應(yīng)用仿真，使學(xué)生掌握數(shù)據(jù)分析全過程，培養(yǎng)數(shù)據(jù)思維。圖1為場景之一的熱壓燒結(jié)工業(yè)參數(shù)優(yōu)化的虛擬仿真核心要素設(shè)計。

2.1 情景仿真

在熱壓燒結(jié)工藝中，生產(chǎn)過程是數(shù)據(jù)的主要來源，而數(shù)據(jù)又是數(shù)據(jù)挖掘課程中最重要的部分。教學(xué)團(tuán)隊經(jīng)過實地考察、深入生產(chǎn)線，構(gòu)建了以廣東奔朗新材料科技有限公司生產(chǎn)線為原型的仿真場景。本場景主要仿真了熱壓燒結(jié)工藝過程的物理量變化（溫度、壓強(qiáng)等曲線）以及數(shù)據(jù)采集的過程，把熱壓燒結(jié)機(jī)的生產(chǎn)線搬進(jìn)課堂，通過9006d90a1b4d65cc235bbbbf6ad25cd5虛擬現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)機(jī)器配置與運行仿真。學(xué)生能直觀了解模具樣本的屬性來源以及數(shù)據(jù)誤差的產(chǎn)生原因，為后續(xù)開展數(shù)據(jù)挖掘奠定基礎(chǔ)。

2.2 建模仿真

建模仿真主要用于實驗中的數(shù)據(jù)集構(gòu)建、模型構(gòu)建、模型訓(xùn)練和模型分析。通過利用大量預(yù)先訓(xùn)練好的模型，避免學(xué)生花費時間進(jìn)行訓(xùn)練，同時利用可視化工具，幫助學(xué)生直觀地理解模型。在建模過程中，存在多種方案可供選擇，每種選擇都會對最終結(jié)果產(chǎn)生不同影響。這為學(xué)生提供了實驗步驟任意組合的可能性，學(xué)生可以不斷試錯和反復(fù)探究。

2.3 應(yīng)用仿真

數(shù)據(jù)挖掘的目的是從大量的數(shù)據(jù)中提取出未知的、有意義的信息和知識，并將這些信息和知識應(yīng)用于實際中。因此本場景主要是將訓(xùn)練結(jié)果應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)場景中，以便學(xué)生能更好地理解訓(xùn)練結(jié)果如何應(yīng)用于真實生產(chǎn)，實現(xiàn)理論與實踐的有機(jī)結(jié)合。

3 數(shù)據(jù)挖掘課程虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的構(gòu)建

3.1虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的結(jié)構(gòu)與功能

虛擬仿真實驗教學(xué)平臺是基于B/S 架構(gòu)，采用Spring Boot框架構(gòu)建。它由教師端和學(xué)生端組成。系統(tǒng)采用整合SpringData的方式統(tǒng)一處理數(shù)據(jù)訪問層，使用Vue作為前端框架，以確保訪問服務(wù)的穩(wěn)定性和提升用戶體驗。

在前端，系統(tǒng)采用內(nèi)嵌WebGL模塊來呈現(xiàn)3D虛擬仿真實驗。這些3D虛擬仿真實驗基于真實的實驗步驟和數(shù)據(jù)進(jìn)行模型計算和三維仿真。實驗結(jié)束后，實驗數(shù)據(jù)會被提交到服務(wù)器進(jìn)行保存，并生成實驗數(shù)據(jù)報告。具體架構(gòu)如圖2所示：

3.2 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的教學(xué)模塊

本實驗平臺一共包含三大仿真場景，模擬了一個完整的數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用的全過程，具體包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)集構(gòu)建、模型構(gòu)建、模型訓(xùn)練、模型分析、工程應(yīng)用。這六大模塊綜合采用觀察學(xué)習(xí)法、比較分析法、控制變量法、數(shù)學(xué)模型法、科學(xué)推理法、自主設(shè)計法等實驗方法。該平臺鼓勵學(xué)生自主設(shè)計實驗方案，允許試錯，并倡導(dǎo)反復(fù)探究，以此逐步深化和鞏固相關(guān)原理與操作技能，實現(xiàn)理論學(xué)習(xí)與實驗實踐的緊密融合。通過模擬企業(yè)生產(chǎn)中的實際問題，引導(dǎo)學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)，課上開展合作研討，并延伸至課下的深入實驗探究，旨在激發(fā)學(xué)生的實驗興趣，提升其實驗操作技能。在完成實驗項目的過程中，學(xué)生將充分鍛煉知識獲取與解決復(fù)雜問題的能力，實現(xiàn)理論教學(xué)與實驗教學(xué)的互補(bǔ)與促進(jìn)，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力。

4 數(shù)據(jù)挖掘課程虛擬仿真實驗教學(xué)平臺應(yīng)用

4.1 教學(xué)設(shè)計

該虛擬仿真實驗屬于廣東東軟學(xué)院數(shù)據(jù)挖掘課程的實踐內(nèi)容，為軟件工程（大數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)方向）、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、人工智能專業(yè)的必修課程。該課程共32個學(xué)時，其中理論學(xué)習(xí)24學(xué)時，實踐學(xué)時8學(xué)時，本實驗為2學(xué)時實驗。學(xué)生在完成理論知識的學(xué)習(xí)后，需要在虛擬仿真實驗教學(xué)平臺上完成該實驗。從基礎(chǔ)理論到實際應(yīng)用，難度遞進(jìn)。虛擬仿真實驗不僅確保學(xué)生對基礎(chǔ)理論和業(yè)務(wù)操作流程的扎實掌握，還設(shè)置了適度的難度和挑戰(zhàn)，為學(xué)生提供了廣闊的自主探索空間。

4.2 考核方式

本實驗的考核方式由操作總時間和操作完成量兩部分組成，實驗總得分計算方式為：

實驗總得分=操作總時間得分系數(shù)×操作完成量評分 （1）

其中，操作總時間以實驗者的操作時間作為操作熟練程度的依據(jù)，并設(shè)定不同的操作總時間得分系數(shù)，如表1所示。

而操作完成量則是根據(jù)每個步驟的執(zhí)行情況進(jìn)行評分，對操作序列進(jìn)行統(tǒng)計，并將其與標(biāo)準(zhǔn)操作流程進(jìn)行比較，以完成操作的校對。通過在虛擬仿真實驗系統(tǒng)中提供提示，記錄每個步驟的完成情況百分比，具體計算方式為：

操作完成量評分= Σ每步操作評分×每步操作完成量（%） （2）

4.3 教學(xué)實驗效果

本實驗從2022年春季學(xué)期開始至今，在校內(nèi)已開設(shè)2個周期，學(xué)生的學(xué)習(xí)成績對比具體如表2所示。

5 結(jié)束語

數(shù)據(jù)挖掘作為一門具有高度實踐性、以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的學(xué)科，其傳統(tǒng)實踐教學(xué)模式存在諸多弊端。因此，我們開發(fā)了一個虛擬仿真實驗平臺，該平臺通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)對具體生產(chǎn)線進(jìn)行情景仿真、建模仿真和應(yīng)用仿真，旨在使學(xué)生全面掌握數(shù)據(jù)挖掘的全過程。在平臺上，學(xué)生可以運用所學(xué)知識自主設(shè)計實驗方案，進(jìn)行不斷地試錯和反復(fù)探究，從而加深對抽象理論的理解，并提升解決復(fù)雜工程問題的能力。

兩年的教學(xué)實踐成果充分證明，將虛擬仿真實驗教學(xué)平臺應(yīng)用于數(shù)據(jù)挖掘課程，能夠有效提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出既具備寬廣理論知識又擁有精湛技術(shù)能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。展望未來，我們將繼續(xù)把更多場景引入課堂，進(jìn)一步拓展實驗的深度和廣度，同時融合不同學(xué)科的資源，打造綜合性仿真平臺，以促進(jìn)知識的交叉與創(chuàng)新。此外，我們還將集成人工智能技術(shù)，使平臺能夠根據(jù)學(xué)生的操作習(xí)慣和學(xué)習(xí)進(jìn)度提供個性化的學(xué)習(xí)指導(dǎo)，從而進(jìn)一步提升學(xué)習(xí)效率。