基于云平臺(tái)的教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李冀東, 張進(jìn)猛, 蘇 健

(石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河北 石家莊 050021)

“數(shù)字化教學(xué)平臺(tái)”是由中國(guó)郵政網(wǎng)絡(luò)學(xué)院建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的面向石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院上萬(wàn)名學(xué)生和各系教師的在線教學(xué)服務(wù)平臺(tái)。作為課堂教學(xué)的輔助平臺(tái),為進(jìn)行直觀教學(xué),發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性,使學(xué)生能選擇自己感興趣的知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)并提高學(xué)習(xí)效率發(fā)揮了重要的作用。教師通過(guò)該教學(xué)系統(tǒng)能夠共享教學(xué)資源、優(yōu)化教學(xué)資源配置,提高教學(xué)效率[1]。

該系統(tǒng)搭建在云平臺(tái)[2-4]上,私有云和公有云相結(jié)合,為學(xué)生和教師提供穩(wěn)定的服務(wù)。系統(tǒng)引入視頻解碼技術(shù)和點(diǎn)播自動(dòng)上云技術(shù)。視頻解碼技術(shù)保證PC和移動(dòng)設(shè)備等多渠道點(diǎn)播課件;點(diǎn)播自動(dòng)上云技術(shù)保證課件點(diǎn)播的流暢性。該系統(tǒng)為教師提供了系統(tǒng)管理、成績(jī)管理、學(xué)生管理、班級(jí)管理、課程管理、考試管理、作業(yè)管理、專業(yè)管理、在線答疑等功能,為學(xué)生提供了在線學(xué)習(xí)、在線考試、在線作業(yè)、在線交流的功能。針對(duì)整個(gè)數(shù)字化教學(xué)平臺(tái)所需的數(shù)據(jù)信息,設(shè)計(jì)了具體的數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu),形成一個(gè)系統(tǒng)、規(guī)范的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)的變化,完成數(shù)據(jù)的持久化操作[5]。整個(gè)系統(tǒng)界面友好、穩(wěn)定性好、實(shí)用性強(qiáng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于云平臺(tái)的教學(xué)系統(tǒng)包括石郵學(xué)堂和專業(yè)資源庫(kù)兩個(gè)子系統(tǒng)。其中,石郵學(xué)堂是為在線教學(xué)服務(wù)的,提供了機(jī)構(gòu)管理和用戶注冊(cè)、登錄、權(quán)限控制,學(xué)員的前臺(tái)學(xué)習(xí)考試功能和教師后臺(tái)班級(jí)、課程管理功能;專業(yè)資源庫(kù)主要是為學(xué)校的各專業(yè)建設(shè)提供資源共享,包含專業(yè)概覽資源、專業(yè)拓展資源、專業(yè)課程資源。系統(tǒng)的整體功能圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體功能

1.1 基于SSH框架的數(shù)字化輔助教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

SSH框架[6-10]是目前比較流行的開(kāi)源框架,教學(xué)系統(tǒng)采用Struts2、Spring3、Hibernate4,將數(shù)據(jù)處理、界面以及用戶的行為控制分為3層架構(gòu)：模型(model)、視圖(view)和控制器(controller)。選用3層架構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 系統(tǒng)管理簡(jiǎn)單,主要維護(hù)服務(wù)端系統(tǒng),無(wú)客戶端維護(hù)工作;

(2) 具有靈活的硬件系統(tǒng)構(gòu)成,各層可以選擇與處理負(fù)荷和處理特性相適應(yīng)的硬件,方便地實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡;

(3) 提高程序的可維護(hù)性,在三層B/S架構(gòu)中,各層可以并行開(kāi)發(fā)。

1.2 系統(tǒng)部署設(shè)計(jì)

為了學(xué)生和教師能方便地使用該系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)和教學(xué)資源的管理,系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)設(shè)計(jì),用戶可用PC瀏覽器或者智能手機(jī)等對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行訪問(wèn)。服務(wù)器位于中國(guó)郵政網(wǎng)絡(luò)學(xué)院一樓的機(jī)房中,在郵政網(wǎng)絡(luò)學(xué)院的私有云上進(jìn)行系統(tǒng)的部署,采用Apache Tomcat。系統(tǒng)采用Java、Spring Invoke、Hibernate 3.0、Struts2、Ajax、jquery、high Charts等技術(shù)體系支撐,可重用性好,業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和頁(yè)面展示部分耦合度低。系統(tǒng)部署設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)部署設(shè)計(jì)

1.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用oracle11g數(shù)據(jù)庫(kù),數(shù)據(jù)庫(kù)表共119個(gè),存儲(chǔ)了機(jī)構(gòu)信息、功能信息、權(quán)限信息、角色信息、學(xué)生信息、教師信息、班級(jí)信息、課程信息、課件信息、考試信息、作業(yè)信息、專業(yè)信息等。以auth_開(kāi)頭的表存儲(chǔ)了功能信息、權(quán)限信息、角色信息以及用戶角色和管轄機(jī)構(gòu)信息;以dc_開(kāi)頭的表存儲(chǔ)了班級(jí)相關(guān)信息;以kc_開(kāi)頭的表存儲(chǔ)了課程、課件、講義信息;以ks_開(kāi)頭的表存儲(chǔ)了考試、試卷、試題、學(xué)生考試結(jié)果等信息;以px_開(kāi)頭的表存儲(chǔ)了學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程信息;以rz_開(kāi)頭的表存儲(chǔ)了用戶信息。

系統(tǒng)采用連接池技術(shù)管理數(shù)據(jù)庫(kù),以應(yīng)對(duì)高并發(fā)訪問(wèn)。為了使數(shù)據(jù)庫(kù)的并發(fā)訪問(wèn)處理能力達(dá)到最優(yōu),服務(wù)器動(dòng)態(tài)調(diào)整連接池的最大連接數(shù)和最小連接數(shù),保證系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)[11]。最小連接數(shù)和最大連接數(shù)是數(shù)據(jù)庫(kù)連接池技術(shù)的兩項(xiàng)重要參數(shù)[12-14]。

1.4 功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包含石郵學(xué)堂和專業(yè)資源庫(kù)2個(gè)子系統(tǒng)。

石郵學(xué)堂子系統(tǒng)包含前臺(tái)和后臺(tái)兩部分,前臺(tái)供學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí),主要功能包含用戶登錄、精品課程、在線課程、個(gè)人中心、課程查詢、課程詳情、在線學(xué)習(xí)、在線作業(yè)、在線測(cè)驗(yàn)、在線考試、在線提問(wèn)等功能;后臺(tái)供教師管理班級(jí)、課程、解答學(xué)生疑問(wèn),主要功能包含系統(tǒng)管理、成績(jī)管理、教學(xué)管理、班級(jí)管理、課程管理等幾個(gè)模塊。

專業(yè)資源庫(kù)主要是提供教學(xué)資源共享,包括專業(yè)概覽資源、專業(yè)拓展資源、專業(yè)課程資源等模塊。

(1) 登錄模塊。登錄模塊是系統(tǒng)的入口,負(fù)責(zé)教師登錄進(jìn)入后臺(tái)和學(xué)生登錄進(jìn)行學(xué)習(xí)的管理。用戶的登錄認(rèn)證統(tǒng)一調(diào)用郵政網(wǎng)絡(luò)學(xué)院的統(tǒng)一認(rèn)證系統(tǒng)接口,進(jìn)行人員身份的識(shí)別,并根據(jù)數(shù)字化教學(xué)平臺(tái)各用戶的角色,控制用戶的權(quán)限,記錄人員的登錄/退出日志。此外,登錄模塊還具有用戶修改密碼的功能,并記錄其操作日志。

(2) 系統(tǒng)管理模塊。系統(tǒng)管理模塊[15]是系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊,包含機(jī)構(gòu)、用戶、功能、權(quán)限、角色的管理。對(duì)教學(xué)來(lái)說(shuō),教務(wù)處是學(xué)校的最高管理機(jī)構(gòu),其下是系(部),系(部)以下為教研室。因?yàn)樗杏脩艟卩]政網(wǎng)絡(luò)學(xué)院中,系統(tǒng)未提供用戶注冊(cè)功能,只把歸屬于數(shù)字教學(xué)平臺(tái)的用戶從網(wǎng)絡(luò)學(xué)院導(dǎo)入。各用戶的權(quán)限是按照一個(gè)權(quán)限對(duì)應(yīng)多個(gè)功能、一個(gè)角色對(duì)應(yīng)多個(gè)權(quán)限、每個(gè)用戶分配相應(yīng)的角色的規(guī)則劃分的。

(3) 課程管理模塊。課程管理是系統(tǒng)的核心。因?yàn)閷?duì)學(xué)生來(lái)說(shuō),主要的學(xué)習(xí)對(duì)象就是課程,教師也是通過(guò)課程將要教授的內(nèi)容展示給學(xué)生。所以課程管理是一個(gè)最重要和復(fù)雜的功能。課程管理模塊的主要功能分為課程管理、課件管理、章節(jié)管理、講義管理。課程管理主要錄入課程的介紹、總時(shí)長(zhǎng)、教師團(tuán)隊(duì)等信息。一個(gè)課程可分為若干章節(jié),每個(gè)章節(jié)的教學(xué)資源分為課件和講義。課件以視頻為主,講義以文檔為主。每個(gè)視頻上傳之后,為了能在手機(jī)端進(jìn)行觀看,需要進(jìn)行解碼操作,將視頻按照清晰度分為超清、高清、標(biāo)清3個(gè)檔次,用戶可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況自主選擇。

(4) 班級(jí)管理模塊。班級(jí)管理模塊主要包含對(duì)班級(jí)的管理、班級(jí)教務(wù)的管理以及班級(jí)學(xué)生的管理。班級(jí)的管理主要是對(duì)班級(jí)的信息進(jìn)行維護(hù),包含班級(jí)名稱、班級(jí)代碼、所屬專業(yè)、班主任、班級(jí)開(kāi)始結(jié)束時(shí)間等。班級(jí)教務(wù)的管理包含對(duì)班級(jí)的課程、班級(jí)的資料、班級(jí)的考試、班級(jí)的作業(yè)等進(jìn)行管理。班級(jí)學(xué)生的管理主要是導(dǎo)入班級(jí)學(xué)生的信息,可采取自由導(dǎo)入以及選取實(shí)際班級(jí)兩種方式。

(5) 教學(xué)管理模塊。教學(xué)管理跟課程管理一樣,是系統(tǒng)的核心功能。教學(xué)管理包含對(duì)資源文件的管理以及考試的管理?？荚嚬芾碇饕捎妙}庫(kù)和卷庫(kù)的方式。一個(gè)考試可分兩種組織方式：一種是卷庫(kù)的方式,即教師把組織好的試題直接作為試卷導(dǎo)入系統(tǒng),進(jìn)行一場(chǎng)考試;另一種是教師創(chuàng)建題庫(kù),平時(shí)不斷向題庫(kù)添加試題,每次考試前,可根據(jù)一定規(guī)則隨機(jī)生成一套或多套試卷,考試時(shí)根據(jù)生成的試卷隨機(jī)抽取試卷。

(6) 成績(jī)管理模塊。成績(jī)管理主要是在線對(duì)考試中的主觀題和平時(shí)的作業(yè)進(jìn)行評(píng)分?？荚嚨目陀^題是在學(xué)生提交試卷時(shí)進(jìn)行自動(dòng)判分的,并回顯給學(xué)生。主觀題需要教師在線評(píng)分,評(píng)分時(shí)系統(tǒng)只顯示試題的題目和學(xué)生的作答內(nèi)容,不顯示作答人信息,教師評(píng)分后系統(tǒng)直接把評(píng)分結(jié)果和學(xué)生考試的客觀題得分相加,作為學(xué)生的最終得分結(jié)果。評(píng)分結(jié)束后班主任可查詢本班學(xué)生的考試結(jié)果,普通教師可查看學(xué)生的考試結(jié)果以及試卷分析,統(tǒng)計(jì)答卷中每道題的錯(cuò)誤率。

(7) 專業(yè)資源庫(kù)模塊。專業(yè)資源庫(kù)主要是為學(xué)校的各專業(yè)建設(shè)提供資源共享,包含專業(yè)概覽資源、專業(yè)拓展資源、專業(yè)課程資源。其中專業(yè)概覽分為專業(yè)介紹、人才培養(yǎng)方案、職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、專業(yè)調(diào)研、職業(yè)認(rèn)證、技能競(jìng)賽、名師名家;專業(yè)拓展資源分為行業(yè)動(dòng)態(tài)、企業(yè)案例、企業(yè)培訓(xùn)課程;專業(yè)課程資源分為專業(yè)核心課、專業(yè)基礎(chǔ)課、公共基礎(chǔ)課、公共選修課。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu),用戶可由PC瀏覽器、手機(jī)、iPad等多種設(shè)備進(jìn)入系統(tǒng)。由于訪問(wèn)渠道的多樣性,為了保證課件可在各種設(shè)備上順暢播放,需要對(duì)上傳課件進(jìn)行解碼操作。經(jīng)過(guò)解碼的課件可以在各種設(shè)備上順暢播放,并且用戶可根據(jù)自己的網(wǎng)絡(luò)情況選擇不同清晰度的視頻進(jìn)行播放。由于各時(shí)間段用戶訪問(wèn)量不同,點(diǎn)播課件占用網(wǎng)絡(luò)帶寬不同,當(dāng)用戶訪問(wèn)非常集中時(shí),會(huì)把郵政網(wǎng)絡(luò)學(xué)院的帶寬占滿。為了盡量保證用戶播放的流暢度,系統(tǒng)采取點(diǎn)播自動(dòng)上云技術(shù)。

2.1 課件解碼

用戶可以以多種方式登錄系統(tǒng),包括PC瀏覽器、手機(jī)、iPad等。系統(tǒng)要保證課件可以在各種設(shè)備上播放,需采用課件解碼技術(shù),將教師上傳的音視頻轉(zhuǎn)碼成適合在PC以及移動(dòng)終端上播放的格式。由于解碼速度取決于課件的播放時(shí)長(zhǎng),解碼速度相對(duì)較慢,故系統(tǒng)配置3臺(tái)視頻解碼服務(wù)器以及1臺(tái)學(xué)習(xí)記錄服務(wù)器,分別用于音視頻解碼和學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)的記錄。課件解碼分為超清、高清、標(biāo)清這3種清晰度的視頻,在播放界面由學(xué)生根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境選擇清晰度。

2.2 點(diǎn)播自動(dòng)上云

郵政網(wǎng)絡(luò)學(xué)院租用了電信、聯(lián)通各500 M帶寬,供郵政員工以及學(xué)院學(xué)生點(diǎn)播課件使用。在用戶不集中訪問(wèn)系統(tǒng)的情況下,帶寬足夠使用;但在舉行重大活動(dòng)的時(shí)候,會(huì)發(fā)生帶寬被占滿,后登錄用戶無(wú)法點(diǎn)播課件的情況。考慮到現(xiàn)有資源以及用戶體驗(yàn),采取了點(diǎn)播自動(dòng)上云的策略。根據(jù)該預(yù)設(shè)策略,自動(dòng)對(duì)學(xué)員點(diǎn)播學(xué)習(xí)請(qǐng)求進(jìn)行調(diào)度,提供最快的線路和點(diǎn)播服務(wù)等資源。

首先,系統(tǒng)需要判斷用戶的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商,然后獲取相應(yīng)線路占用情況,根據(jù)上云和下云的設(shè)置條件判斷學(xué)員是用郵政網(wǎng)絡(luò)學(xué)院線路點(diǎn)播,還是到阿里云上進(jìn)行點(diǎn)播。如果滿足上云條件,則用戶到阿里云進(jìn)行課件的點(diǎn)播,如果用戶減少,占用帶寬滿足下云條件,則學(xué)員點(diǎn)播課件又調(diào)回郵政網(wǎng)絡(luò)學(xué)院的線路點(diǎn)播。整個(gè)過(guò)程流程圖如圖3所示：

圖3 點(diǎn)播自動(dòng)上云策略圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在“數(shù)字化教學(xué)平臺(tái)”系統(tǒng)上線使用前,召集了部分學(xué)生和各系教師對(duì)系統(tǒng)就行了多輪功能測(cè)試和性能測(cè)試。

功能測(cè)試包括學(xué)生的學(xué)習(xí)和教師對(duì)班級(jí)、課程的管理。對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)功能的測(cè)試有精品課程的展示、開(kāi)放課程的展示、課程詳情、課程學(xué)習(xí)、課件的播放、文檔的查看、課程作業(yè)、課程考試、課程測(cè)驗(yàn)、課程研討、個(gè)人中心;對(duì)教師的后臺(tái)管理功能測(cè)試有系統(tǒng)管理、班級(jí)管理、學(xué)生管理、課程管理、教學(xué)文件管理、題庫(kù)管理、專業(yè)管理等。測(cè)試結(jié)果表明：各功能可以正常使用,且功能完善、界面友好、交互性好。

性能測(cè)試主要測(cè)試學(xué)生并發(fā)訪問(wèn)主要學(xué)習(xí)功能時(shí),系統(tǒng)的性能和頁(yè)面響應(yīng)時(shí)間。針對(duì)500人并發(fā)訪問(wèn)各功能的情景,用LoadRunner進(jìn)行了性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示：各功能的響應(yīng)時(shí)間在300 ms～2 s,且服務(wù)器的CPU和內(nèi)存占用均低于50%,能滿足系統(tǒng)的使用要求,保證系統(tǒng)的順暢運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)教學(xué)主要是課堂教學(xué),教學(xué)形式單一,且受時(shí)間與空間限制,效率不高。本文實(shí)現(xiàn)了基于SSH框架的數(shù)字化輔助教學(xué)平臺(tái),可支持多人同時(shí)在線學(xué)習(xí),作為課堂教學(xué)方式的輔助教學(xué),適應(yīng)了現(xiàn)代教學(xué)方式的多元化,加強(qiáng)了直觀性教學(xué),提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn),并實(shí)現(xiàn)了資源共享。系統(tǒng)基于B/S機(jī)構(gòu),教師可隨時(shí)隨地發(fā)布學(xué)生感興趣的資源,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率;提供文字及語(yǔ)音等多種教學(xué)資源,提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性;可通過(guò)在線考試結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析等相關(guān)功能,及時(shí)了解學(xué)生學(xué)習(xí)掌握程度,提高學(xué)生成績(jī)。