以Pad為主體的多終端協同智慧教學平臺框架*

王曉春

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以Pad為主體的多終端協同智慧教學平臺框架*

王曉春

（首都師范大學 教育技術系，北京 100048）

為保證Pad終端有序、高效地支持課堂教學，文章提出了一種以Pad為主體的多終端協同智慧教學平臺框架，并從其硬件結構、軟件體系結構、運行時結構三個方面進行了詳細闡述。基于該框架，文章開發了一個以Pad為主體的多終端協同智慧教學支持系統原型，介紹了系統原型的四大功能模塊及其實現。該框架在系統原型中的應用，證明了該框架能提高師生在Pad課堂的協同工作效率，能保障Pad課堂在教師的控制下有條不紊地運作，提高了多終端協同智慧教學支持系統的開發效率。

Pad；多終端協同；智慧教學；平臺框架；支持系統原型

隨著移動終端和云計算技術的發展，Pad作為便攜式交互終端進入課堂已經成為智慧校園建設的一個趨勢[1]，且形成了基于Pad的1對1課堂教學環境[2]。如果教師不能控制和協調這些Pad設備，課堂就會進入混亂狀態，故如何協調這些Pad成為了Pad形態智慧教室中一個亟待解決的重要問題。在智慧空間的協同計算研究中，Badam等[3]實現了跨終端的網頁協同可視化；榮曉慧等[4]從時序角度，設計了一種大規模設備協同機制，主要用于場館的協同照明任務；陳孟頔[5]論述了智能家居中的多設備協同方法，并設計了智能家居協同模塊，以實現家電間的協調工作；丁揚等[6]開發了支持可穿戴設備協同的移動中間件；而萬爛軍[7]研究了異構眾核系統的多設備協同并行計算技術。本研究結合Pad的特點和多終端智慧教室環境的特征，提出了一個以Pad為主體的多終端協同智慧教學平臺框架（下文簡稱“框架”）。

一 框架的硬件結構

框架的硬件結構由教師Pad、學生Pad、服務器、電子白板、無線路由器、云端設備構成。其中，教師Pad由教師操控，通過控制學生Pad和電子白板，組織各種教學活動；學生通過學生Pad接收教學指令，開展學習活動；服務器作為整個教學環境的中心控制單元，實現教室內各終端的通信協調功能，并把各終端所需要的高性能計算布置于此；電子白板主要用于班級的集體交流、信息共享和面對面合作學習；無線路由器負責將教師Pad、學生Pad、服務器、云端設備互聯起來，建成智慧課堂的網絡環境；云端設備則負責存儲課堂所需的海量學習資源，教師和學生可利用自己的Pad便捷地從云端獲取所需的學習資源。

框架的硬件結構體現了教師、學生、教學資源和教學媒體之間的交互關系，為教師和學生提供了一個新型的課堂教學硬件支持服務環境，支持教學控制、學習資源獲取、課堂反饋、學習分析等，便于師生之間進行合作交流和信息共享；同時，教師也可以及時獲取學生的學習過程與學習結果等信息，并據此為學生提供個性化學習指導。

二 框架的軟件體系結構

框架的軟件體系結構由表示層、業務邏輯層、協調層、計算層和數據層構成，如圖1所示。其中，表示層指學生端、教師端、白板端的用戶界面，各終端界面接受用戶的輸入并進行預處理，然后把預處理的結果轉發給業務邏輯層，其支持的交互方式有觸屏、數字筆、軟鍵盤、語音、拍照等；業務邏輯層接收各交互終端表示層的處理結果，完成各終端能獨自完成的各種業務邏輯計算（包括課堂授課、課堂管理、課堂測試、課堂評價、課堂反饋、課堂激勵等），并把不能獨自完成的任務轉發給協調層；協調層接收業務邏輯層的各項任務，協調各項任務的優先級，解釋并轉發來自各終端的消息，從而實現對各終端的通信控制；計算層主要提供課堂必要的高性能計算功能，如資源推送、噪音清理、數據選擇、活動計算、模型選擇和模型計算等；數據層則實現Pad課堂所需數據（如基礎信息、教學資源、課堂行為信息等）的本地集中式存儲或必要的云存儲。

圖1 框架的軟件體系結構

圖2 框架的運行時結構

圖3 中心協調器的運行結構

在實際部署中，表示層、業務邏輯層運行于各終端（即教師端、學生端和白板端）；協調層分成兩部分：一部分運行于各終端，另一部分運行于服務器，以實現各終端和服務器之間的網絡通信與并發協調；計算層、數據層則主要運行于服務器端和云端，以提高整個環境的數據存儲能力和計算性能。

三 框架的運行時結構

框架的運行時結構反映了各終端與系統模塊之間的交互關系，如圖2所示。具體來說，師生之間的課堂活動過程由服務器上的中心協調器控制，課堂活動通常由教師Pad發起，學生通過Pad終端作為主體參與其中；在協作規則的許可或教師的指令下，學生的活動內容可同步到電子白板上，實現內容展示或開展合作學習；當需要大規模計算時，中心協調器將主動調用服務器端的活動計算模塊和存儲管理模塊，以完成必要的計算或存儲，并在必要時訪問云端資源。

為使框架內各終端協同運行，本研究設計了兩種協調模塊：各終端的協調模塊負責協調自身交互命令和來自服務器任務消息的執行順序，服務器端的協調模塊（即中心協調器）則負責協調整個環境內來自各終端任務消息的執行順序。值得一提的是，整個環境內的各教學終端都屬于輕量級計算設備，主要工作負載集中于服務器上。而服務器是采用單機架構還是集群并行架構，主要取決于整個環境需要支持的終端數和計算量——當終端數過多、計算量過大而影響反應速度時，應更換性能更高的服務器或采用集群架構，并做好各模塊的負載平衡設置。框架運行時結構的設計主要涉及以下方面：

1 中心協調器設計

中心協調器負責整個環境的時序控制、協調各終端之間的交互任務，確保整個智慧環境中的教學工作有序進行，其運行結構如圖3所示。具體來說，接收器負責接收各終端發送來的消息并將其加入到接收隊列中，然后由執行順序控制模塊負責接收隊列的自動排序，以確定接收隊列中待處理消息的執行順序。之后，線程控制器負責從接收隊列中取出消息，控制并發執行的線程數，創建相應的線程，分配線程所需的資源——每個線程由解釋器和處理器兩個模塊組成，解釋器負責解釋消息協議，處理器則負責依據解釋器給出的解釋結果，調用相應的功能模塊進行處理。處理完畢后，將產生兩種可能情況：一種是執行完畢，進行數據緩存，等待其它處理器做進一步處理；另一種是生成新消息，然后將新消息加入到發送隊列中，等待發送器將其轉發到相應終端做進一步處理。

2 任務之間的時序關系設計

在以Pad為主體的多終端協同智慧教學環境下，不同終端之間存在消息的同時接收與發送、不同任務之間存在并發執行的問題，為確保各項任務有條不紊地進行協同工作，在設計中心協調器時需考慮上下文相關任務之間的關系。基于此，本研究將時序關系分為以下兩類：

①順序關系，是指任務具有特定的執行順序。順序關系分為兩種：生成性順序關系是指一個任務的產生和執行導致另一個任務的產生；非生成性關系則指一個任務能否執行，依賴于另一個任務的狀態——當一個任務的執行必須等待另一任務執行完畢或應答時，為阻塞順序關系；當只要啟動某一任務就能啟動執行另一任務時，為非阻塞順序關系。

②并發關系，是指在同一時間間隔內有多個任務在同一機器上執行，但在某一具體時間上僅有一個任務在執行。并發關系分為三種：并發同步是指一個任務需要另一個任務提供數據，且按照同步規則執行；并發互斥是指兩個任務需要處理同一數據，且存在資源競爭，先搶到處理權的任務執行完畢另一任務才能執行；并發無關是指兩個任務之間雖然是并發關系，但并不存在數據同步或資源競爭，需按照優先級規則執行。

3 消息執行的優先級控制設計

在以Pad為主體的多終端協同智慧教學環境下，各種消息遵守系統規定的時序關系。多數高優先級命令由教師發出，因為教師對學生在Pad上的各項活動握有控制權——當教師將控制權交給學生端時，學生才擁有對Pad的控制權；當教師需要收回控制權時，學生對Pad的控制權就立即被收回。因此啟動學生端之后，學生自己不能關閉學生端，也無法進入其它應用程序。

框架中消息的優先級分為加急、教師級和學生級——加急消息通常由教師發出，但也可能由學生發出，如取消剛剛進行的操作；教師級消息和學生級消息分別由教師、學生在正常情況下發出。而在同一級別上，消息按照時間順序來確定優先級，即先到的優先級更高。為避免某些消息永遠無法通過中心協調器處理，本研究設計了利用等待時間提高消息優先級的功能，使一些低優先級的消息隨著時間的流逝而逐漸提高優先級，從而獲得執行權。

四 框架在系統原型中的應用

基于框架，本研究設計并開發了一個以Pad為主體的多終端協同智慧教學支持系統原型（下文簡稱“系統原型”），旨在為小學課堂提供智能化的教學支持。

1 系統原型的功能模塊

基于小學課堂的實際教學需要，系統原型共設有四大功能模塊：①授課模塊，主要完成新知識的課堂傳遞，可采取的模式有講解式、自主探究式和小組合作學習等。②管理模塊，主要實現教師對課堂教學過程和基礎數據的管理，如教師可以通過教師Pad查看學生信息，開啟或關閉屏幕廣播，切換、監看或鎖定學生Pad屏幕等。③反饋模塊，由師生問答、課堂測試和課后練習組成——師生問答是教師首先向學生發起提問，然后學生舉手，最后教師隨機選擇學生口頭作答或有針對性地指定某位學生口頭作答；課堂測試采取選擇、判斷等多種題型，對學生學習的某一個或多個知識點的學習情況進行測驗與分析；而課后練習是課堂測驗的離線版，學生可以隨時隨地完成練習，等到能上網時，再將練習過程與答案上傳到云端，由教師對學生的練習過程和結果進行分析。④評價模塊，分為課堂學生評價和學生課堂評價兩種——課堂學生評價是指在課堂上的教師評價和學生互評，學生課堂評價則指學生針對本節課的授課內容、自身學習狀況、趣味性、易懂性等進行反饋。

本研究以課堂測試為例，來分析與設計多終端間的協同功能。課堂測試是多終端協同工作中比較復雜的一項功能。在測試中，系統實時記錄學生作答題目的選項、起止時間、選擇過程等信息，再對試題的整體正確率、各個題目的正確率、成績等級分布、答題過程等信息進行實時統計分析，以幫助教師分析學生的答題過程和學習效果。課堂測試的多終端協同過程如圖4所示，其中（1）～（8）表示用戶的交互消息，①～?表示不同進程之間的通信消息。

圖4 課堂測試的多終端協同過程

首先，教師發出交互消息（1）啟動測試、發出交互消息（2）選擇試卷、發出交互消息（3）發放試卷，從而觸發通信消息①命令服務器發放試卷，引發服務器工作。隨后，服務器轉發消息①而產生廣播消息②，向全班學生Pad發送電子試卷，同時記錄與學生端的通信是否成功，以保證班級所有人都收到試卷。當所有學生Pad接收到消息②之后，服務器通知開始學生測試，當學生發出開始測試的消息（6）時，此學生端的Pad系統便進入學生答題狀態。學生通過選擇試題、給出答案、查看考試信息等答題交互動作，不斷向服務器發送答題信息③，答題完成后可以隨時發出交卷消息?以完成交卷。因此，消息①和消息②、消息（7）和消息③都是生成性順序關系，而消息②和消息（6）、消息（6）和消息（7）都是阻塞順序關系。

教師Pad通過交互消息（3）發送消息①，等待試卷全部發送給服務器后再發送交互消息（4），因此消息（3）與消息（4）構成阻塞順序關系，即教師Pad委托服務器發放試卷后，才允許交互消息（4）通知實時監控與分析模塊發出請求消息④，引發服務器端對消息③和消息?攜帶的數據進行分析，這時消息④和消息③、消息④和消息?之間是并發同步的，數據分析后會產生消息④的應答消息⑤或⑩，并將分析結果呈現給師生。當服務器上的接收數據緩沖區存滿時，就向測試行為庫寫入數據，需要數據時則從測試行為庫中讀出，因此消息⑥和消息⑦是并發互斥關系。

當考試結束時，教師Pad通過交互消息（5）向服務器發出強制收卷命令⑧，服務器向學生端廣播收卷命令?，進入收卷狀態。當學生Pad收到服務器轉發來的強制交卷命令后，已交卷的學生Pad忽略此消息，而未交卷的學生Pad進入收卷狀態，禁止學生繼續答題并把未發送完的答題信息③和交卷消息?逐一發送到服務器上。當服務器處理完所有的交卷信息后，應答收卷命令⑧而產生消息⑨，向各終端發送測試統計分析結果。因此，消息⑧和消息?、消息⑧和消息⑨之間都是生成性順序關系。

2 系統原型的實現

系統原型采用Android系統作為Pad的操作系統、普通臺式計算機作為服務器、MySQL數據庫管理系統作為數據服務器，并利用Java語言進行了實現。圖5、圖6和圖7是系統原型實現后的三個界面——圖5所示界面來自教師Pad端，用于查看和管理在線學生；圖6所示界面來自學生Pad端，是學生正在答題的界面，每題一屏，便于系統記錄學生的答題起止時間；圖7是某次課堂測試的試題正確率整體分析界面，既可在教師Pad端呈現，也可通過白板端投射到電子白板上，便于教師和學生了解測試的整體情況。

圖5 查看和管理在線學生界面

圖6 學生答題界面

圖7 試題正確率整體分析界面

通過框架在系統原型中的應用，本研究發現：框架作為一種分布式的協同教學環境平臺，既便于教師通過鎖屏操作有效控制學生對Pad的使用，避免學生分散注意力；也便于教師通過切屏操作將學生屏幕內容切換到電子白板上，實現內容展示或開展合作學習。此外，通過系統對測試的實時分析，教師能夠及時掌握學生的答題進度、答題用時、答案正誤，由此發現學生存在的問題——當然，如果是主觀題，學生僅利用拍照功能將答案傳遞給教師或在白板上展示，還是存在一定的局限性。總的來說，框架能提高師生在Pad課堂的協同工作效率，能保障Pad課堂在教師的控制下有條不紊地運作，提高了多終端協同智慧教學支持系統的開發效率。

[1]Vaughan M, Beers C. Using an exploratory professional development initiative to introduce iPads in the early childhood education classroom[J]. Early Childhood Education Journal, 2017,(3):321-331.

[2]王偉東,金義富.一對一數字化互動反饋智能課堂學習環境研究[J].中國電化教育,2015,(7):55-59.

[3]Badam S K, Elmqvist N. PolyChrome: A cross-device framework for collaborative web visualization[A]. Proceedings of the ninth ACM international conference on interactive tabletops and surfaces[C]. New York: ACM, 2014:109-118.

[4]榮曉慧,陳峰,鄧攀,等.大規模設備協同機制研究[J].計算機研究與發展,2011,(9):1589-1596.

[5]陳孟頔.智慧家居服務多終端協同控制方法與應用算法設計[D].南京:南京郵電大學,2013:15-16.

[6]丁揚,王淑剛,李石堅,等.Scudware Mobile:支持可穿戴設備協同的移動中間件[J].計算機科學,2015,(9):18-23.

[7]萬爛軍.面向新型異構眾核系統的多設備協同并行計算關鍵技術研究[D].長沙:湖南大學,2016:60-71.

The Framework of Pad-dominate Wisdom Teaching Platform with Multi-terminal Collaboration

WANG Xiao-chun

In order to ensure that Pad terminal can ordely and efficiently support classroom teaching, this paper proposed the framework of Pad-dominated wisdom teaching platform with multi-terminal collaboration, and described its hardware structure, software system architecture and runtime structure in detail. Based on this framework, the support system prototype of the Pad-dominated wisdom teaching with multi-terminal collaboration was developed, further the four function modules of the system prototype and its realization were introduced.The application of the framework in system prototype demonstrated that the framework could improve the collaborative work efficiency of teachers and students in Pad classroom, ensure the ordered operation of Pad classroom under teachers’ control, and improve the development efficiency of the support system of wisdom teaching with multi-terminal collaboration.

Pad; multi-terminal collaboration; smart teaching; platform framework; support system prototype

G40-057

A

1009—8097（2018）11—0121—06

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.11.018

本文受國家社科基金一般課題“‘一帶一路’開放教育資源共建共享機制及推進策略研究”（項目編號：BCA70073）、北京市教育科學“十二五”規劃重點課題“基礎教育學校課堂教學實驗研究（項目編號：ABA150008）”資助。

王曉春，副教授，博士，研究方向為智慧教育、普適計算，郵箱為IRHCI@qq.com。

編輯：小米