無線互動教學系統設計與開發

梁遠成，關繼超，楊宇杰，姜文超，林穗

（廣東工業大學計算機學院，廣州510006）

無線互動教學系統設計與開發

梁遠成，關繼超，楊宇杰，姜文超，林穗

（廣東工業大學計算機學院，廣州510006）

無線網技術及其應用已遍及生活的各個角落，對人們的工作乃至生活方式帶來巨大變革。利用無線網絡技術能夠有效結合手機設備構建出一個輕松高效的教學互動環境,在傳統教學基礎上增加終端設備（計算機、移動手機、平板等），教學投影儀圖像投放到幕墻的同時，可以同步投影到各個移動終端，大大方便教學過程；學生有疑問可以在線提問，教師也可以遠程操作終端演示，對學生學習過程進行監督有效促進教學互動；主要功能包括：考勤簽到、屏幕共享、聲音共享、文件共享、板書共享、無線麥克風、遠程控制、問題討論、投票統計、隨機抽取等。該系統結合無線網絡和電腦手機的線上互動，降低教育成本，優化教學環境，提高辦學效益，促進教學質量的提高。

無線局域網；JGroups；群組通訊；可靠組播

0 引言

傳統的教學，是以書本為載體，以教師為中心，以教師講解和學生聽講與練習為主要活動方式的一種教學模式。教師憑借一本教材、一本教學參考書、一個投影儀，即可以班級組織形式有目標、有計劃、有重點地開展教育、教學活動，完成教學任務，學生對知識的獲取依賴于教師的傳授和點撥。傳統課堂強調教師“灌輸式”教學模式，我們只掌握了知識的本身，并沒有掌握獲取知識的方法，思維和創新能力較差，更不懂得超越教師和教材，只是每節課規規矩矩地聽，認認真真地背，下來按時完成老師布置的課外作業。對掌握的知識缺乏更深的思考。傳統課堂不足包括：講授內容受到時空限制、不能展示三維空間圖像、不能模擬實驗操作過程、不能重復回放教學內容、單位時間信息容量偏少[1]。

1 多媒體教學的引入

與傳統教學相比，多媒體教學具有以下優勢：①直觀性。多媒體課件能化抽象為具體，化呆板為生動，突破視覺限制，突出教學要點，使學生能多角度地觀察對象，建立空間概念,在直觀形象基礎上培養思維能力，有助于學生對概念的理解和方法的掌握；②形象性。多媒體課件能提供圖、文、聲、像，形象生動，可以對人的視覺、聽覺甚至心理觸覺產生全方位的刺激，可以給學生留下深刻印象，有助于多角度激發學生學習興趣，調節學生學習情緒，集中學生學習注意力，幫助學生掌握所學知識；③動態性。多媒體課件可以化靜為動，能按超文本、超鏈接方式組織管理學科知識和各種教學信息，有利于反映概念及過程，能有效地突破教學難點；有利于突破傳統教學中單調、枯燥的教學過程，有效的組織課堂教學；④高效性。多媒體課件特有的大信息量、大容量的特點，能增加課堂教學容量，優化教學結構，突破空間限制，節約教學時間，擴大學生知識視野，提高課堂教學效率。

雖然多媒體設備的普及使用已經大大提高了課堂的教學效率和質量，但是所有的多媒體設備都是提供給教師教授使用的，但學生還是坐在下面的座位被動地接收學習，缺少互動。隨著生活水平的提高和科技的進步，筆記本電腦成為了生活不可或缺的一部分。這些設備輕便小巧，便于攜帶，能夠連接Wi-Fi進行互動與共享。然而這些設備融入了課堂卻并沒有融入到教學當中。

另外，無線互動式教學的需求也帶來了許多新的問題，具體包括：①教學資源的有限，導致許多學校不斷的擴招，特別是高校，大課室和大課堂已經是很普遍。另外近視群體漸漸龐大起來，坐在后排的學生常常看不到黑板和投影儀；②課堂只給教師配備了麥克風，學生回答問題要么從教師處長距離傳遞麥克風，要么回答聲音很小，其他同學聽不清；③課堂考勤時間長寬大的教室很難互動和答疑。學生舉手提問，教師往往看不到，互動比例很低。

2 無線互動教學系統總體設計

無線教學互動系統基于無線局域網絡，利用JGroups開源項目實現多播的可靠傳輸，系統主要功能模塊如圖1所示。

圖1 無線互動教學系統功能模塊

2.1 創建網絡

系統基于無線局域網通信為基礎。在不處于局域網的環境下，教師可以利用攜帶無線網卡的PC設備，創建網絡。流程活動如表1所示。

表1 創建網絡

教師打開服務端，選中創建網絡區域，輸入要創建的網絡名稱和密碼，若密碼長度小于8，則提示密碼錯誤。否則提示創建成功，圖標相應改變顏色，創建網絡活動流程如圖2所示。

圖2 創建網絡活動圖

2.2 考勤簽到

教師在上課之前必須綁定課堂名單，打開考勤功能。學生通過PC客戶端或者Android、iOS移動端，進行考勤簽到。流程活動如表2所示。

表2 考勤簽到

教師打開服務端的同時，建立JGroups集群，學生客戶端點擊簽到，將個人學號等信息共享到集群中，每個學生唯一映射一個id,重復簽到，則最近的一次簽到信息會覆蓋之前的簽到信息，以避免替簽的情況。服務端根據學生學號查詢學生是否在課堂名單中，若存在則返回簽到成功和相應的課程信息，若不在名單中則提示學生不是該課程的學生。通信過程如圖3所示。

圖3 考勤簽到通信時序圖

2.3 電子白板

教師和學生可以打開電子板書，所有的操作都會實時同步到各個終端，達到板書實時展示的效果。流程活動如表3所示。

表3 電子白板

教師服務端開啟電子白板后，收集白板涂畫的坐標和相應的顏色，通過集群通信，實時傳輸到各個學生終端中，學生終端白板根據坐標顏色還原成相應的涂畫展現出來，通信過程如圖4所示。

圖4 電子白板通信時序圖

2.4 遠程控制

學生遇到問題可以申請讓教師操作本地設備，進行實時的操作演示，更好的進行教學。如表4所示。

表4 遠程控制

學生終端發出申請遠程控制指令，教師接收到指令后提示學生信息，并詢問是否接受申請控制學生電腦。將接受指令發回給學生端，學生端接收指令開啟屏幕圖像采集，并以300毫秒的頻率傳輸到教師服務端，教師接收到屏幕圖像后進行展示和操作，相應的鍵盤事件和鼠標事件傳回給學生端，學生端還原事件作用到本機設備。通信過程如圖5所示。

圖5 遠程控制通信時序圖

3 系統實現與測試

實驗測試在帶有無線網卡的的筆記本電腦以及Android和蘋果手機上進行，Windows系統下可以通過cmd命令創建虛擬無線網絡。Java語言提供了調用本地接口的各種類和方法。Runtime封裝著Java程序的運行時環境。通過Runtime實例，Java應用能夠與其運行的環境連接。Runtime在JVM中保持一個單例，所以不能通過Runtime類的構造函數。只能通過Run?time.getRuntime()來獲的當前Runtime的一個實例。獲得Runtime實例后，就可以通過Runtime的exec()方法在當前JVM進程外啟動其他進程，創建網絡截圖如圖6所示。

圖6 創建無線教學互動網絡

3.1 考勤簽到

考勤簽到模塊除了PC的服務端可客戶端，還包括Android與iOS在內的移動終端，如圖9。通過本模塊能方便地實現點名簽到過程的完全自動化、無紙化、實時化以及上課中簽到數據的全程覆蓋。

（1）PC服務端端簽到模塊的數據來源與教務系統導出的名單文件，在開啟簽到功能之前必須綁定名單文件。綁定簽到名單成功后，系統會讀取名單中的課程信息并顯示在軟件上方。

（2）教師點擊開始簽到，接收學生信息并展示。

（3）教師在簽到結束后，將簽到結果寫入名單文件中，對缺席的學生標記為‘X’,并在底下統計缺席人數。

（4）學生PC客戶端上課前需要輸入個人學號再進行簽到，若學號不在名單中會提示，否則簽到成功。

Android和iOS客戶端啟動后自行進行簽到，如圖7所示。

簽到成功后會保存到手機本地數據庫，可以對簽到記錄進行刪除操作

3.2 遠程控制

學生在座位上遇到問題可以申請遠程控制，讓教師能夠通過網絡傳輸進行演示和指導，如圖8所示。遠程控制與多屏共享不同的是，多屏共享是單向傳輸屏幕圖像，而遠程控制是在屏幕傳輸基礎上傳輸鍵盤和鼠標事件。

圖7 簽到過程

圖8 遠程協助

4 結語

無線技術及其應用已遍及生活的各個角落，對人們的工作乃至生活方式帶來巨大變革。利用無線網絡技術能夠有效結合手機設備構建出一個輕松高效的教學互動環境,在傳統教學基礎上增加了終端設備（計算機、移動手機、平板等），教學投影儀圖像投放到幕墻的同時，可以同步投影到各個移動終端，大大方便了教學過程；學生有疑問可以在線提問，教師也可以遠程操作終端演示，對學生學習過程進行監督有效促進教學互動；主要功能包括：考勤簽到、屏幕共享、聲音共享、文件共享、板書共享。無線麥克風、遠程控制、問題討論、投票統計、隨機抽取等。該系統結合無線網絡和電腦手機的線上互動，降低教育成本，優化教學環境，提高辦學效益，促進教學質量的提高。

[1]郭診水，高小玲.遠程數育系統設計實例[M].北京：中國宇航出版社，2004.

[2]李俊杰.Maven在企業Java軟件產品中的應用[J].電腦知識與技術，2011，7（7）：1562-1565.

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[4]馮先成，李德駿主編.計算機網絡及應用.武漢市：華中科技大學出版社,2011，07.

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[12]Cezar，Romulus，Philippe．A Flexible Communication Toolkit for Synchronous Groupware[J]．In：proceedings of the 2005 systems

Abstract：

The wireless network technology and its application have brought great changes to our social life.After joining terminal equipment,projec?tor image can into each terminal,and teaching courseware can share to each terminal and greatly facilitate the teaching and reduce the dis?tance of the projected image.Students have questions can ask questions,and teachers can make remote terminal operation demonstration.The main functions of Inter-Teaching System include attendance sign-in,screen sharing,file sharing,shared blackboard writing,wireless microphone,remote control,problem discussion,voting statistics and random selection.In combination with the wireless network and mo?bile computer interactive,reduces the cost of education,optimizes the environment of teaching,improves the teaching efficiency and pro?motes the improvement of teaching quality.

Keywords：

Wireless Local Area Network;JGroups;Group Communication;Reliable Multicast

Design and Development of Wireless Inter-Teaching System

LIANG Yuan-cheng，GUAN Ji-chang，YANG Yu-jie，JIANG Wen-chao，LIN Sui
（School of Computers,Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006）

2017-03-28

2017-06-10

1007-1423（2017）18-0080-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.18.019

廣東工業大學大學生創新創業訓練項目(201511845023)、廣東工業大學教學改革項目（廣工大教字[2015]133號）、廣東省質量工程項目(粵教高函2015[133]號)、廣州市科技計劃項目（No.2017010160012）

梁遠成（1995-），男，廣東人，本科，研究方向為移動應用系統

關繼超（1994-），男，廣東人，本科，研究方向為移動應用系統

楊宇杰（1996-），男，廣東人，本科，研究方向為移動應用系統

姜文超（1977-），男，山東人，講師，研究方向為云計算、大數據分析

林穗（1972-），女，廣東人，副教授，研究方向為云計算、云存儲、操作系統