王永建，鐵小輝，楊建華，陳偉東，張 磊

(中國(guó)通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100079)

基于共有云的互動(dòng)課堂系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

王永建，鐵小輝，楊建華，陳偉東，張 磊

(中國(guó)通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100079)

云計(jì)算是近些年最為重要的信息化技術(shù)之一?；?dòng)課堂系統(tǒng)是智慧校園建設(shè)與教學(xué)創(chuàng)新的重要組成部分。因此，基于公有云，從SaaS模式角度，對(duì)互動(dòng)課堂系統(tǒng)做了研究。首先分析了互動(dòng)課堂系統(tǒng)的業(yè)務(wù)模型。然后，結(jié)合云計(jì)算系統(tǒng)分層框架，設(shè)計(jì)了互動(dòng)課堂系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)，分別對(duì)展現(xiàn)層、服務(wù)層、存儲(chǔ)層做了定義。最后，從教師端與學(xué)生端角度，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的功能。這些設(shè)計(jì)思路在一些實(shí)際項(xiàng)目中已運(yùn)用，效果良好。

SaaS；Html5；CDN；Nginx；Redis

本文著錄格式：王永建，鐵小輝，楊建華，等. 基于共有云的互動(dòng)課堂系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J]. 軟件，2016，37（11）：01-06

0 引言

習(xí)總書記曾講過：沒有信息化就沒有現(xiàn)代化。信息化在實(shí)現(xiàn)社會(huì)現(xiàn)代化，實(shí)現(xiàn)全面小康目標(biāo)中具有重要的戰(zhàn)略地位。2016年7月，中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《國(guó)家信息化發(fā)展戰(zhàn)略綱要》，要求將信息化貫穿我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程始終。

云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、傳感器、RFID（Radio Frequency Identification）、NFC（Near Field Communication）等信息技術(shù)的發(fā)展，深刻著影響著教育的變革與發(fā)展[1]。為促進(jìn)新形勢(shì)下教育理念和教育模式的轉(zhuǎn)變，教育部近些年大力推動(dòng)智慧校園規(guī)劃與建設(shè)的創(chuàng)新工作[2]。

2015年7月8日，教育部、清華大學(xué)等機(jī)構(gòu)舉行了“2015智慧校園規(guī)劃與建設(shè)暨高校信息化峰會(huì)”[3]；2016年2月2日，教育部印發(fā)了《2016年教育信息化工作要點(diǎn)》的通知[4]。

自從2006年Google提出了云的概念，云計(jì)算即成為信息技術(shù)領(lǐng)域最熱門的技術(shù)之一，學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界做了大量研究，在信息化建設(shè)中具有至關(guān)重要的作用[5]。

互動(dòng)課堂為教師革新教學(xué)方式，踐行教學(xué)理念提供業(yè)務(wù)及功能支持，更好的確立了學(xué)生是學(xué)習(xí)的

主體地位，教師變?yōu)閷W(xué)生學(xué)習(xí)過程的服務(wù)者、引領(lǐng)者、組織者、鼓勵(lì)者、合作者，對(duì)教學(xué)的改革與創(chuàng)新具有重要意義。本文從共有云的SaaS模式出發(fā)，對(duì)互動(dòng)課堂系統(tǒng)進(jìn)行了探究。

1 云計(jì)算分析

云計(jì)算是一種服務(wù),也是一種技術(shù),或者商業(yè)模式[6]。按照服務(wù)模式，本文將云計(jì)算由低層到高層分為四層。如圖1所示。

（1）基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS，Infrastructure as a Service），將服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、安全設(shè)施等構(gòu)建成云資源，將虛擬機(jī)、內(nèi)存、I/O、存儲(chǔ)、IP地址、網(wǎng)絡(luò)等組成虛擬化資源池，為用戶提供定制化服務(wù)[7]；

（2）平臺(tái)即服務(wù)（PaaS，Platform as a Service），將開發(fā)環(huán)境/平臺(tái)和基礎(chǔ)能力（如數(shù)據(jù)分析處理、身份認(rèn)證、中間件、數(shù)據(jù)庫(kù)等）作為服務(wù)，這是一種分布式服務(wù)，客戶在平臺(tái)上開發(fā)定制化應(yīng)用[8]；

（3）軟件即服務(wù)（SaaS，Software as a Service），將應(yīng)用軟件或者應(yīng)用程序部署在PaaS上作為服務(wù)，根據(jù)客戶訂購(gòu)的功能、數(shù)量、時(shí)間、性能要求等提供相應(yīng)服務(wù)[9]；

（4）呈現(xiàn)即服務(wù)（DaaS，Display as a Service），將Web、短彩信、APP、PC桌面、顯示大屏等作為服務(wù)。

圖1 云計(jì)算分層框架

按照服務(wù)對(duì)象，云計(jì)算可分為私有云、公有云、混合云；按照所屬行業(yè)，可分為政務(wù)云、民生云、旅游云、醫(yī)療云、教育云、企業(yè)云等[10]。本文的研究屬于教育云范疇，主要探究SaaS模式內(nèi)容。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 業(yè)務(wù)模型

本文從課前、課中、課后三個(gè)不同環(huán)節(jié)出發(fā)，分析互動(dòng)課堂系統(tǒng)，以課程為軸線將教師和學(xué)生串聯(lián)在一起，實(shí)現(xiàn)教師、課程內(nèi)容、學(xué)生三者之間的互動(dòng)。如圖2所示：

圖2 業(yè)務(wù)模型

（2）基于課前的任務(wù)推送結(jié)果反饋和學(xué)生線上學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)跟蹤，教師在課堂開始前即可了解學(xué)生任務(wù)完成，知識(shí)點(diǎn)掌握情況。有針對(duì)性的進(jìn)行課程內(nèi)容講解，通過屏幕同步、文件共享、堂間任務(wù)推送、評(píng)論標(biāo)記等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)課程內(nèi)容的控制、師生互動(dòng)。在授課期間，學(xué)生除了可以同步接收教師推送的任務(wù)、同步課程資源，也可以主動(dòng)的針對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行評(píng)價(jià)反饋，進(jìn)行課程筆記標(biāo)記。

（3）課程結(jié)束，教師基于平臺(tái)互動(dòng)課堂系統(tǒng)記錄的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)對(duì)不同學(xué)生群體進(jìn)行有針對(duì)性的課程評(píng)價(jià)獎(jiǎng)勵(lì)及區(qū)別和任性任務(wù)推送。

2.2 技術(shù)架構(gòu)

本文將互動(dòng)課堂系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)分為三層：展現(xiàn)層、服務(wù)層、存儲(chǔ)層。如圖3所示：

2.2.1 展現(xiàn)層

展現(xiàn)層由PC WEB端、教師移動(dòng)端、學(xué)生移動(dòng)端組成。通過Html5 Canvas+WebSocket實(shí)現(xiàn)各個(gè)終端畫面同步與交互。用先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段圍繞

課前、課中、課后三個(gè)不同環(huán)節(jié)，以課程為中心將教師和學(xué)生串聯(lián)在一起，實(shí)現(xiàn)教師、課程內(nèi)容、學(xué)生三者之間的互動(dòng)。

圖3 技術(shù)架構(gòu)

2.2.2 服務(wù)層

服務(wù)層為前端提供API服務(wù)。通過CDN服務(wù)與Nginx負(fù)載均衡構(gòu)建適應(yīng)高并發(fā)訪問的業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

2.2.3 存儲(chǔ)層

存儲(chǔ)層根據(jù)數(shù)據(jù)類型與作用域分為緩存存儲(chǔ)服務(wù)、日志存儲(chǔ)服務(wù)、多媒體文檔（圖片、音頻、視頻）存儲(chǔ)服務(wù)、關(guān)系型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)、非關(guān)系型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)。

（1）緩存存儲(chǔ)服務(wù)

類比于計(jì)算機(jī)中CPU為了提高訪問速度，通常把硬盤的數(shù)據(jù)提前緩存到內(nèi)存中。在實(shí)現(xiàn)高并發(fā)的架構(gòu)場(chǎng)景下，把數(shù)據(jù)寫入硬盤固然實(shí)現(xiàn)了最終的數(shù)據(jù)持久，但I(xiàn)O寫入效率低下會(huì)成整個(gè)應(yīng)用服務(wù)的性能瓶頸。在技術(shù)架構(gòu)中采了Redis做為內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)，它的讀寫性能測(cè)試達(dá)到每秒10萬(wàn)條左右，極大的提高了系統(tǒng)的性能。

（2）多媒體存儲(chǔ)服務(wù)

采用流式寫入和讀取，特別適合視頻等大文件的邊寫邊讀業(yè)務(wù)場(chǎng)景。支持jpg、png、bmp、gif、webp、tiff等多種圖片格式的文件格式轉(zhuǎn)換、縮略圖、剪裁、水印、縮放等多種操作。并提供高質(zhì)量，高速并行音視頻轉(zhuǎn)碼能力。搭配CDN進(jìn)行加速分發(fā)，穩(wěn)定、無(wú)回源帶寬限制。如圖4所示：

圖4 多媒體緩存服務(wù)

（3）關(guān)系型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)

采用Mysql的主從復(fù)制技術(shù)方案，并通過調(diào)優(yōu)實(shí)現(xiàn)了讀寫分離，應(yīng)對(duì)不同業(yè)務(wù)需求，在訪問高峰期時(shí)可進(jìn)行彈性擴(kuò)容，即開即用，高效應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)讀取負(fù)載。

3 功能設(shè)計(jì)

3.1 總體功能結(jié)構(gòu)

互動(dòng)課堂圍繞課前、課中、課后三個(gè)不同環(huán)節(jié)，為教師、學(xué)生提供無(wú)縫的學(xué)習(xí)通道，是集教師備課管理、課程授課、課堂互動(dòng)于一體的教學(xué)平臺(tái)[11]?？傮w功能如圖5所示：

課前教師可基于學(xué)生的學(xué)習(xí)情況分布，進(jìn)行授課內(nèi)容創(chuàng)建，設(shè)計(jì)課程內(nèi)容和課堂任務(wù)，并可將課前預(yù)習(xí)部分內(nèi)容以先導(dǎo)學(xué)習(xí)、課前測(cè)驗(yàn)摸底等方式推送給學(xué)生，學(xué)生實(shí)時(shí)獲取課程需要講授的內(nèi)容范圍并完成課前任務(wù)。

基于課前的任務(wù)推送結(jié)果反饋和學(xué)生線上學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)跟蹤，教師在課堂開始前即可了解學(xué)生任務(wù)完成，知識(shí)點(diǎn)掌握情況。有針對(duì)性的進(jìn)行課程內(nèi)容講解，通過屏幕同步、文件共享、堂間任務(wù)推送、評(píng)論反饋等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)課程內(nèi)容的控制、師生互動(dòng)。

圖5 總體功能結(jié)構(gòu)

在授課期間，學(xué)生除了可以同步接收教師推送的任務(wù)、同步課程資源，也可以主動(dòng)的針對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行評(píng)價(jià)反饋，進(jìn)行課程筆記標(biāo)記。

課程結(jié)束，教師基于平臺(tái)互動(dòng)課堂系統(tǒng)記錄的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)對(duì)不同學(xué)生群體進(jìn)行有針對(duì)性的課程評(píng)價(jià)獎(jiǎng)勵(lì)，并可跟進(jìn)個(gè)體區(qū)別進(jìn)行課后回顧任務(wù)的布置推送。

互動(dòng)課堂系統(tǒng)通過跟蹤分析學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，輔助教師完善教學(xué)計(jì)劃，制定區(qū)別化的課程任務(wù)，做到因材施教提升教學(xué)質(zhì)量。引導(dǎo)學(xué)生完成課程學(xué)習(xí)、任務(wù)反饋，有針對(duì)性進(jìn)行課程回顧服務(wù)提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。3.1.1 教師端功能結(jié)構(gòu)

互動(dòng)課堂系統(tǒng)教師端應(yīng)用主要分為：教師備課端、授課助手兩個(gè)部分。如圖6所示：

教師備課端：主要實(shí)現(xiàn)管理授課課程，并對(duì)每個(gè)授課課程制定授課計(jì)劃，根據(jù)授課班級(jí)學(xué)生學(xué)習(xí)情況創(chuàng)建授課資源并在上課過程中進(jìn)行課程內(nèi)容播放。

授課助手：教師可通過移動(dòng)端完成課程資源播放的控制、任務(wù)推送、查看答題數(shù)據(jù)、完成文件分享、批注同步等，授課助手幫助教師脫離講臺(tái)束縛完成授課過程控制。

3.1.2 學(xué)生端功能結(jié)構(gòu)

互動(dòng)課堂系統(tǒng)學(xué)生端：支持學(xué)生登錄互動(dòng)課堂系統(tǒng)，根據(jù)教師授課安排完成課程前中后推送布置的課程任務(wù)、參與上課同步?？煽旖莶榭匆焉险n的記錄、進(jìn)入授課課程完成任務(wù)獲取、任務(wù)解答，同步教師推送授課內(nèi)容和資源，進(jìn)行課程評(píng)論反饋并對(duì)教師和課程進(jìn)行評(píng)價(jià)，在課程開始前后進(jìn)行預(yù)習(xí)復(fù)習(xí)。如圖7所示：

3.2 詳細(xì)功能設(shè)計(jì)

互動(dòng)課堂系統(tǒng)功能模塊主要包括角色登錄、課程創(chuàng)建及管理、備課管理與計(jì)劃、任務(wù)管理及推送、課件控制與同步、內(nèi)容共享與同步、學(xué)生上課及互動(dòng)、數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用。具體如表1所示：

圖6 教師端功能結(jié)構(gòu)

圖7 學(xué)生端功能結(jié)構(gòu)

表1 詳細(xì)功能表

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從云計(jì)算的SAAS模式出發(fā)，研究設(shè)計(jì)了一種面向公有云的互動(dòng)課堂系統(tǒng)?；?dòng)課堂是個(gè)比較大的系統(tǒng)，本文僅僅是其中的一部分，還要考慮與其它系統(tǒng)對(duì)接互動(dòng)，例如智慧校園中的教務(wù)系統(tǒng)、圖書館系統(tǒng)、一卡通系統(tǒng)、未來課堂系統(tǒng)等。尤其是未來課堂系統(tǒng)，未來課堂系統(tǒng)是個(gè)綜合的多類型教學(xué)系統(tǒng)，能提供豐富的展示方式、互動(dòng)方式和評(píng)估方式，互動(dòng)課堂系統(tǒng)與其深度融合，才能更大限度的發(fā)揮作用。當(dāng)然，這也對(duì)互動(dòng)課堂系統(tǒng)的建設(shè)提出了更高的要求和標(biāo)準(zhǔn)，需要今后不斷的進(jìn)行完善與優(yōu)化。

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Study and Design of Interactive Classroom System Based on Common Cloud

WANG Yong-jian, TIE Xiao-hui, YANG Jian-hua, CHEN Wei-dong, ZHANG Lei
(China International Telecommunication Construction Group Design Institute Co. Ltd, Beijing 100079, China)

Cloud computing is one of the most important information technologies in recent years. Interactive classroom system is important part of smart campus construction and teaching innovation. Therefore, based on cloud computing, interactive classroom system is studied, from the perspective of SaaS mode. Firstly, the business model of interactive classroom system is analyzed. Then, combined with the hierarchical framework of cloud computing system, the technical framework of interactive classroom system is designed. The data service layer, the base platform layer, the service layer and the presentation layer are defined. The presentation layer, the service layer and the storage layer are defined. Finally, the function of the system is designed, from the point of view of teachers and students.These design ideas have been used in some actual projects, and the effect is good.

SaaS; Html5; CDN; Nginx; Redis

TP393.08

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.11.001

河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目（152102210206）

王永建(1981-)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾畔踩?、大?shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用；鐵小輝(1965-)，通訊作者，男，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用、信息安全；楊建華(1979-)，男，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)通信、計(jì)算機(jī)應(yīng)用；陳偉東(1980-)，男，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用；張磊(1983-)，男，本科，工程師，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)通信、計(jì)算機(jī)應(yīng)用。