基于ID3決策樹算法高校經管類虛擬仿真實驗平臺①

吳金桃, 丁鑫龍

(1.萊西姆大學研究生院,菲律賓 卡威迪 4107;2.馬鞍山師范高等?？茖W校經濟與社會管理系,安徽 馬鞍山 243041; 3.安徽工業大學電氣學院,安徽 馬鞍山 243041)

0 引 言

我國教育部大力主張各高校開展虛擬仿真實驗中心建設工作,要求中心的虛擬仿真教學資源既要體現自身學科優勢與專業特色,也要構建開放式、靈活性的虛擬仿真實驗教學資源共享體系,實現各高校之間資源聯動[1]。高校經管類專業涉及的應用行業較為廣泛,電商管理、物流管理均在其內。經管類虛擬仿真實驗是指使用特殊的管理軟件進行業務模擬、經濟管理活動仿真,在逼真的工作場景中獲得利于自身知識體系構建的學習體驗[2]。令學生以實踐的方式掌握相應的管理技能。為解決高校經管類教學實驗室規模有限、實驗資金短缺、教學資源使用效率低導致的專業實驗教學缺乏問題的問題,基于云計算技術開發了經管類虛擬仿真實驗平臺。

1 基于云計算的高校經管類虛擬仿真實驗平臺

1.1 虛擬仿真實驗平臺整體架構

研究基于云計算技術以原有虛擬仿真實驗教學中心為載體,以數據接入和信息整合的方式開發了經管類虛擬仿真實驗平臺,打造經管類專業虛擬仿真實驗共享場所。平臺具有較高的資源整合標準,對技術的成熟性、內容的科學性、教學的穩定性要求極其嚴格。經管類虛擬仿真實驗教學平臺主旨是培養創新人才,統一的接口規范和標準提高了平臺對其他渠道資源的包容性,高效聯動虛擬實驗平臺與數據資源[3]。專業技術管理人員可登陸后臺對平臺資源信息和管理功能進行維護升級,便于平臺的日常管理。圖1描述了該平臺的整體架構。

由圖1可知,平臺以云計算硬件虛擬化服務平臺、虛擬仿真實驗教學中心為支撐,由5個層次和客戶端構成。云計算虛擬化服務平臺下分基礎設施層,該層次使用Linux內核態的KVM優化技術向下一層次提供計算、存儲、資源通信等服務,物理硬件層和虛擬化層是下一層次的關鍵部分[4]。物理硬件層主要有服務器集群、存儲器、網絡設備等硬件;虛擬化層使用虛擬化管理物理硬件層的設備,為下一層次的數據運算、數據存儲、網絡通信輸送虛擬資源。

資源虛擬化平臺層負責虛擬化資源池的管理,用戶需經過身份認證登錄方可以通過申請虛擬主機的方式申請虛擬化后的資源,對個人實驗環境(虛擬實驗類型、教學內容、應用軟件、工具等)實施個性化布局,在云端進行傳統機房遷移實現私人虛擬實驗教學數據的云端虛擬存儲,便于開展與同學、教師之間的信息共享與互動行為[5]。

資源共享層開發了虛擬化層調用的API接口,服務于平臺開發技術人員,向基于云計算教育應用軟件提供開發環境和公共API服務,和其他虛擬仿真實驗教學平臺及門戶網站進行資源互通。

圖1 高校經管類虛擬仿真實驗教學平臺總體架構

虛擬實驗應用層基于虛擬化技術池化平臺所需的計算、網絡、存儲方面的資源,達到物理硬件資源向邏輯資源的映射,削弱物理資源復雜程度與多變性質;以云計算管理軟件為載體統一管理教學資源,在同一體系內實現計算資源、網絡資源、存儲資源的有效聯動,根據需求靈活分配教學資源、適時擴展應用資源[6]。該層次主要設置了各類型的虛擬仿真實驗教學課程,也具備實驗教學的數據分析功能,在虛擬化資源助力下實現經管類虛擬仿真實驗教學應用。

虛擬仿真實驗教學平臺建設整合了經管類教學的大量優質資源,打造遠程的虛擬實驗教學環境,不受時間與地點限制,也不受實驗人數約束,滿足了大學生自主學習的迫切需求。平臺設有教學評價功能,對學生自主體驗的虛擬教學效果實施評價與反饋,學生之間借助平臺可以進行交流互動,夯實對知識的掌握與理解。

1.2 經管類虛擬仿真實驗課程建立

在平臺的“虛擬實驗應用層”建立經管類虛擬實驗課程,涉及電子商務實驗仿真、創業模擬訓練仿真、物流管理實驗模擬等各個專業領域,為經管類各專業技能訓練、教學實踐提供了有效的虛擬實驗場所。虛擬實驗應用層具體從“基礎教學課程”、“綜合設計課程”、“創新研究課程”三個方面設計了各專業虛擬實驗仿真教學模塊,各層次內容如圖2所示。

圖2 虛擬仿真實驗課程結構

結合圖2分析各模塊的功能:

(1)“基礎教學課程”模塊。提供了基礎演示類型的虛擬仿真實驗,在課堂教學演示、專業認知學習、行業標準與安全知識學習、作業訓練與評估方面發揮作用,學生通過此模塊高效率的理解知識點,調動參與專業知識學習的積極性。

該模塊的開發基于全面的市場調查數據實現,充分分析當前經管類人才的用人標準與需求,制定了培養學生創新思維、獨立意識、經管能力的實驗教學目標,從而設計了個性化的虛擬實驗教學課程、打造具有經管類專業特色的虛擬化實訓平臺[7]。

(2)“綜合設計課程”模塊。包含多類型的虛擬實驗課程,涉及專業綜合實驗、創業模擬訓練、個性課程模擬、畢業設計與實習仿真、作業訓練與評估幾個大類,教學活動的綜合性質較強。

此模塊對經管類學生實習和畢業設計階段的虛擬實驗訓練進行了補充:實習階段校方借助平臺的云計算功能對學生開展實踐教學,規劃實踐教學的程序,不僅為實踐學習提供幫助而且可以輔助經管類學生開展職業生涯規劃并實施有效的遠程實踐教學監管,把控實習與畢業設計成效。實習生遭遇就業困難、產生不良情緒可通過平臺獲得及時的心理疏導服務;平臺數據挖掘功能可根據每個學生的學習成績、實踐成績、性格特征建立評估系統并推薦符合其職業規劃的就業方向與職位,解決畢業生就業問題;另外,由于該平臺具有資源共享功能,通過資源共享接口可與其他高校、虛擬仿真實驗教學平臺進行實時資源共享,在開展虛擬實驗教學過程中,教師可以參考同行業先進的教學管理經驗,學生可以拓寬專業知識來源渠道,實現共享式、開放式的虛擬仿真實驗教學狀態[8]。

(3)“創新研究課程”模塊。學校每年定期舉辦大學生虛擬仿真實驗教學項目創新設計競賽,該模塊以引導學生參與經管類作品設計大賽、創業大賽、產學研項目,鼓勵教師開展科研訓練、加強校企合作聯系為目的,凸顯經管類專業教學的創新性質。

1.3 基于ID3決策樹算法的教學效果評價

基于ID3決策樹算法對經管類虛擬仿真教學平臺的教學效果展開評價,為學生自主學習提供學習反饋依據。ID3算法以信息增益為指標判別決策樹各層次節點上數據的特征屬性,測試屬性樣本即為信息增益最大的屬性;ID3算法構建決策樹分支的依據是屬性的不同數值,決策樹的下一級節點與分支通過分支實例子集遞歸的方式來完成,從而將此子集實例判定為具體的類別。

根據該原理將經管類虛擬仿真教學平臺教學數據作為樣本,對教學數據樣本的類別進行預測與劃分,判定平臺的虛擬仿真教學效果。定義Q,q分別表示訓練集與樣本數量,如果m個差異性數值分布于教學質量類別Ci中,那么qi則為類別Ci的樣本數。公式(1)描述了給定教學質量樣本分類要求的期望信息:

G(q1,q2,…,qm)=

-(l1*log2(l1)+l2*log2(l2)+…+

lm*log2(lm))

(1)

式(1)中,教學質量樣本為類別Ci的可能性用li=qi/q表示。

定義屬性H包含v個差異性數值{a1,a2,…,av},基于屬性H劃分訓練集Q為v個子集表示為{Q1,Q2,…,Qv},那么屬性H包含一個與Qj樣本相同的值aj。當H視為測試屬性的情況下,那么Q節點形成的分支則在分類子集中體現。Qj中類別Ci的樣本數量為qij,劃分H的子集期望信息熵如公式(2)所示:

(2)

Gain(H)=G(q1,q2,…,qm)-E(H)

(3)

Q測試屬性的設置通過選擇最高信息增益的屬性實現,以測試屬性為依據構建節點信息,標記好屬性信息并據其構建決策樹的分支實現樣本類別的劃分。

基于以上方式構建經管類虛擬仿真教學平臺教學質量評價的決策樹,將最大的增益值作為決策樹分類的節點;不斷的基于特征取值構建分支,對分支實例子集實施遞歸運算,當存在一個子集中全部例子均為相同子集的情況則決策分類完成,獲得教學質量評價等級的類別。

1.4 平臺應用效果測試

為評估高校經管類虛擬仿真實驗教學平臺實際應用效果,在高校經管類專業選取20名學生作為調研對象,進行了資源響應效率測試。20位調研對象分別進行5次業務訪問、文檔信息訪問、視頻資源訪問、虛擬課程訪問實驗,統計了各個訪問行為所需的平臺響應時間,結果如表1所示。

表1 各訪問行為的平臺響應時間統計/s

表1數據顯示,業務資源費訪問、文檔信息訪問用時在2s～3s上下,視頻資源由于信息內容量較大其響應用時稍長,但僅為4.61s;虛擬課程訪問響應時間在10s之內,用時較短,用戶可以快速進入虛擬仿真實驗室?？傮w而言,平臺資源響應時間開銷較短,滿足了用戶開展虛擬仿真實驗教學的需求。

此外,20位調研對象闡述了平臺應用的感受,認為平臺虛擬學習資源量大、質量優、資源易共享;平臺具有作業布置與評價功能,使其自主學習效果得到良好反饋,符合當代高校經管類教學與學習的基本需求。

2 結 語

本文設計的高校經管類虛擬仿真實驗平臺具有以下特色與優勢:

(1)云計算技術創造了虛擬實驗教學資源獲取環境,學生基于虛擬仿真環境體驗差異性的崗位角色,突破了某個知識點思考的限制,對培養學生綜合運用能力、環境適應能力、發揮個人潛質有較大幫助,對于長期的職業規劃具有指導性意義。

(2)平臺集成了作業布置與評價功能,基于ID3決策樹算法對虛擬仿真教學效果展開評價,學生自主學習后的成果得到有價值的評估與意見反饋,有方向性的提高自身的專業知識儲備與技能盲區;而傳統教學教師資源量匱乏,單純依賴教師進行教學反饋的效率較低、精確度也難以保障。

總體而言,本次研究滿足了當代經濟社會發展的人才需要,遵循了實踐育人的客觀發展規律,平臺實際應用性較強。