網絡環境下在線課程教學系統設計

王金社　劉東　陸惠玲

摘 要： 網絡環境下在線課程教學能提高教學的針對性和教學資源共享性，在線課程教學系統由網絡通信模塊、數據采集模塊、總線傳輸模塊和應用程序加載模塊等構成。在VME總線構架體系下進行在線課程教學系統的模塊連接和功能控制，以Eclipse 作為開發環境，構建在線課程教學的數據存儲層、用戶分析層和日志挖掘層，在用戶UI界面實現在線課程教學終端的控制和結構布局，完成系統優化設計。系統測試結果表明，該系統進行在線課程教學的總線數據傳輸性能較好，有效滿足個性化需求。

關鍵詞： 網絡環境； 在線課程教學； VME總線； 功能控制

中圖分類號： TN711?34； TD76 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）22?0069?03

Abstract： The online course teaching in the network environment can improve the teaching pertinence and teaching resource sharing. The online course teaching system is composed of network communication module， data acquisition module， bus transmission module， application program loading module， etc. The module connection and function control of the online course teaching system are executed in the VME bus architecture， which takes Eclipse as its development environment to build data storage layer， user analysis layer and log mining layer of the online course teaching. The control and structural layout of the online course teaching terminal are realized in users′ UI interface to complete the system optimization design. The system test results show that the system has better performance of bus data transmission in the online course teaching， and can meet the individual needs effectively.

Keywords： network environment； online course teaching； VME bus； function control

0 引 言

網絡在線學習成為未來全日制和非全日制課程教學的主要方式，隨著網絡在線課程教學資源數的增多，需要對課程教學資源數據進行有效的篩選、分析和挖掘，并在在線課程教學系統中進行智能化控制識別，結合用戶的終端需求實現用戶行為分析，根據教學對象的喜好主動向用戶推薦教學資源信息[1]。

研究網絡在線課程教學系統設計方法，在互聯網和物聯網體系結構下進行功能模塊化設計，構架教學系統的感知設備、網絡通信設備和控制設備，對改善基礎教學設置，提高教學的智能化和信息化水平具有方向性的指導作用。

1 總體構架模型

1.1 在線課程教學系統開發環境

在網絡環境下構建在線課程教學系統，首先構建網絡體系結構模型，在物聯網和嵌入式開發環境下進行系統設計，對教學系統的頂層設計進行全局性描述。在物聯網環境下，網絡在線課程教學系統分為三層體系結構，分別為感知控制層、網絡傳輸層和應用服務層。其中，感知控制層是通過傳感器設備、無線射頻識別和多媒體感知技術進行教學資源信息采集，采用無線自組網技術和協同信息處理技術進行網絡控制，構建在線網絡控制的中間件，通過低速和中高速的網絡傳輸技術構建物聯網體系結構，為開放的服務訪問接口與網絡控制接口提供信息管理。在網絡傳輸層，建立異構網、移動通信網以及校園網絡，通過網絡支撐層實現網絡數據傳輸，實現高能效、精準、可靠的在線課程教學資源傳輸和控制[2]。采用Browser/Server結構的模型視圖軟件開發模式，實現界面顯示和業務邏輯控制，在感知控制層定義用戶行為，通過用戶行為分析和控制器實現在線課程學習。本課程在線教學系統架構是將C/S和B/S模式結合在一起，基于開源的數據庫管理進行用戶信息注冊、登錄以及賬號管理，對數據庫資源通過詞庫的管理以及日志信息管理，實現在線課程教學資源的全方位檢索和信息查詢。

1.2 教學系統功能模塊構建

在線課程教學系統由網絡通信模塊、數據采集模塊、總線傳輸模塊和應用程序加載模塊等構成。其中，數據采集模塊是進行原始的教學資源信息感知，通過海量數據信息采集技術上傳在線課程教學資源。教學范圍分為若干單元，在教學資源上傳和下載過程中根據單元分布和節點的重要程度和位置，把節點分為骨干節點、一般節點和接口節點，采用無線射頻技術提高網絡教學的實時性和資源互通性。

網絡通信模塊是實現網絡信息傳輸和在線通信功能。網絡通信采用的是4G通信和互聯網通信技術，通過 Internet 將分布在各個教學目標區域的信息串聯起來，建立通信設備和控制設備等基礎設施。利用OpenStack云計算平臺建立信息傳感網[3]，采用Web技術進行在線課程教學系統的網絡組網設計，實現了在線課程教學資源信息的對象存儲、數據挖掘、資源信息服務以及遠程調用和教學質量反饋等。endprint

在接口訪問的服務能力層（Service Capacity Layer， SCL）架構下，教學系統主要由信息采集單元、教學資源信息存儲數據庫、組織架構和網絡應用服務器單元組成，通過異構、層次化結構的網絡體系構架和接口訪問控制，實現QoS管理和網絡傳輸的安全評估。利用物聯網構建網絡適配層中間件技術，在線課程教學資源檢索單元利用WEB?GIS瀏覽器進行信息傳輸和共享服務，在GPRS數據傳輸模塊層，通過云計算模塊的分布式計算，提高對遠程教學信息處理和加工能力[4]。在線課程教學系統功能模塊構成如圖1所示。

2 系統開發實現

2.1 在線課程教學的層次化設計

在VME總線構架體系下進行在線課程教學系統的模塊連接和功能控制，以Eclipse 作為開發環境，構建在線課程教學的數據存儲層，用戶分析層和日志挖掘層。對網絡環境下的在線課程教學系統層次化設計主要分為用戶子系統和后臺管理子系統。在用戶子系統中，教師和學生通過各自的用戶權限注冊并登錄在用戶系統中，在用戶UI界面設置用戶名和密碼，學生進行教學資源信息檢索和信息反饋，教師進行教學資源上傳和多媒體教學體系控制，教師通過教學評估軟件進行教學質量評估。后臺管理子系統分為資源分類管理模塊、網絡控制模塊、用戶管理模塊和總線數據傳輸模塊，通過對來自外部數據源服務器上的用戶行為進行教學過程中的教學進度、教學內容和教學對象測評，Mine 挖掘出來有用的教學資源信息[5]，教學系統的后臺子系統與其他智能終端設備連接，根據用戶的服務需求、功能架構進行信息通信與交流。在線課程教學的層次化設計結構如圖2所示。

利用高速局部總線控制方法設計終端登錄信息管理系統，結合上位機模塊進行數據通信，建立基礎軟件層、應用開發層和應用業務適配層。在線課程教學資源通過任務管理和網絡自愈合服務，在應用層配置網絡層管理實體對象模型，初始網絡信道，通過MAC 層完成輪詢調度和網絡連通性服務。在用戶UI界面進行在線課程教學終端控制和結構布局，在網絡層運用校園網和無線通信技術進行教學資源信息融合，設計嵌入式控制器對串口、并口、USB端口進行在線教學總線傳輸控制。用PXI?8155無線傳輸方式進行總線控制和信息采集，PXI?8155無線網絡設計有帶寬大和總線控制精度高的優點[6]，構建在線教學系統通信模塊，用MUX101程控開關進行在線課程教學系統指令控制。在線教學系統控制任務標識對應狀態見表1。

根據教學系統控制的任務標識位設計，進行在線課程教學的層次化設計和應用程序寫入，調用Matlab的接口函數，使用專家連接器VCSE進行感知控制層的加載保護。在物聯網體系結構下進行在線課程教學系統的網關與網絡域mId 接口設計，根據信息運行的狀態，進行在線課程教學的資源數據加載和程序加載。在管理域子系統的架構中，在物聯網模式下實現在線課程教學的感知信息服務、感知信息管理、控制信息服務及控制信息管理，構建用戶交互組件，通過公共服務平臺在互聯網+物聯網下實現教學在線信息評估和資源共享，完成在線課程教學層次化設計，設計結構如圖3所示。

2.2 系統的軟件開發實現流程

在Visual DSP++ 4.5環境下進行遠程在線教學系統軟件開發設計，在集成開發環境IDDE中進行指令處理和本地存儲，整個系統的軟件開發實現在線教學資源集成與管理、分布式調度、打手并行處理、數據分析服務。用ST超低功耗ARM CortexTM?M0 微控制器作為主控芯片，建立教學系統A/D采樣模塊，采用高速數字信號處理芯片作為信號處理器核心芯片，采用5409A數字信號處理DSP芯片建立外圍控制模塊。

數字信號處理芯片具有1條程序總線，2個存儲器映射空間，能有效滿足遠程教學系統的程序緩存和數據回放的存儲空間需求[7]。在開發平臺上集成GNU開發工具集，如C編譯器GCC，C++編譯器G++，系統基線恢復模塊開發采用基于ADI公司的ADSP21160處理器，外圍器件選擇浮點DSP和定點DSP，配置CAN_IMASK寄存器與嵌入式STM32宿機連接，通過ZigBee 終端節點并聯組成信號采集陣列單元構成教學多媒體控制網絡結構，初始化設備驅動程序，在網絡層通過ZigBee+為服務器端提供一個虛擬服務。構建CAN總線驅動器實現高速率的總線數據傳輸，采用ADUM1201和PCA82C250設計運放模塊，通過系統的前級放大控制設定采樣信號上升和下降速率。設計程序加載模塊、數據存儲模塊進行數據加載，在嵌入式Linux定制和配置文件，使編譯出來控制可執行代碼能在ARM上運行，系統的設備驅動程序負責和無線網絡術信息融合。在控制設備中導入網絡參數、用戶參數等原始數據，實現在線教學系統局域網接入功能。

3 應用測試分析

對網絡環境下在線課程教學系統的應用測試建立在ActivityGroup軟件仿真器（Simulator）中，ActivityGroup軟件集成了軟件仿真器、硬件仿真器（Emulator）和程序開發功能，Visual DSP++支持系統的輸出結果數據以圖形化的方式查看和編輯，并在編輯窗口、輸出窗口中進行系統的網絡性能和統計性能分析。使用Visual DSP++的Simulator應用程序開發軟件，在DSP硬件上運行程序，分析本文設計的在線課程教學系統的運行效果，得到系統運行的魯棒性測試曲線如圖4所示。

分析圖4結果得知，采用本文設計系統進行在線課程教學，系統運行的魯棒性較好，說明穩定度較高，有效滿足個性化用戶教學需求。

4 結 語

本文設計的在線課程教學系統由網絡通信模塊、數據采集模塊、總線傳輸模塊和應用程序加載模塊等構成。通過實驗分析，該系統的總線數據傳輸性能較好，能有效滿足個性化需求，具有較好的應用性。

參考文獻

[1] 蔡樹敏，鄭洪英，陳劍勇.遠程教學系統課程在線編輯的設計與實現[J].計算機工程與設計，2014，35（6）：2230?2233.

[2] 郭旭，茅俊杰，何嘉權，等.基于MOOC的在線教學實驗平臺的設計與實現[J].計算機工程與設計，2016，37（2）：545?551.

[3] 陸興華.基于以太網的家居監控系統設計[J].自動化技術與應用，2016，35（5）：136?139.

[4] 范世鵬，林德福，路宇龍，等.激光制導武器半實物仿真系統的設計與實現[J].紅外與激光工程，2014，43（2）：394?397.

[5] 李香菊，謝修娟，鄭英.基于WebRTC的實時視頻教學系統的設計與實現[J].現代電子技術，2016，39（6）：114?116.

[6] 謝洪安，李棟，蘇旸，等.基于聚類分析的可信網絡管理模型[J].計算機應用，2016，36（9）：2447?2451.

[7] 明平松，劉建昌.隨機多智能體系統穩定性綜述[J].控制與決策，2016，31（3）：385?393.

[8] 程新根，朝華.基于WSN的天然氣管道運行狀態安全監測系統設計[J].物聯網技術，2015，5（10）：23?25.endprint