施 珺 王勇智 李 慧 汪前進(jìn)

(淮海工學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院 江蘇 連云港 222005)

“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下智慧教育支撐平臺的架構(gòu)研究

施 珺 王勇智 李 慧 汪前進(jìn)

(淮海工學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院 江蘇 連云港 222005)

隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的迅速發(fā)展，智慧教育的理念逐漸興起。針對互聯(lián)網(wǎng)+環(huán)境下智慧教育的需求，提出智慧教育支撐平臺系統(tǒng)總體架構(gòu)，規(guī)劃平臺的解決方案，包括子系統(tǒng)的劃分、系統(tǒng)總體框架的選擇、服務(wù)層的構(gòu)建、負(fù)載均衡和數(shù)據(jù)庫集群、推薦平臺的構(gòu)建等。從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的層面上對“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下智慧教育關(guān)鍵要素的構(gòu)建進(jìn)行探索。目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)生態(tài)化的教育模式的構(gòu)建，進(jìn)一步提升教育服務(wù)質(zhì)量，推進(jìn)優(yōu)質(zhì)資源的整合與共享，保障智慧教育健康可持續(xù)發(fā)展。

智慧教育 總體架構(gòu) 服務(wù)層 負(fù)載均衡

0 引 言

“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下的智慧教育模式是指以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、無線通信等信息技術(shù)為支撐，旨在將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與現(xiàn)代教育相結(jié)合，體現(xiàn)智能化、多元化、個(gè)性化和生態(tài)化特征的現(xiàn)代教育新形態(tài)。目前，已經(jīng)有很多國家正在進(jìn)行智慧教育的探索。美國密歇根州東南部的賽蘭地區(qū)學(xué)校的學(xué)生使用全套Google Apps 軟件取代了原來的電子郵件設(shè)施，可以共享電子表格、視頻等資源，并利用Google Docs 進(jìn)行注解和編輯[1]。我國也出現(xiàn)了企業(yè)推出的教育云解決方案。例如，被稱作是“三部曲”的思科教育云解決方案: 從房間(教室、辦公室里的設(shè)備)到校園(思科網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、終端設(shè)備識別、數(shù)據(jù)中心連接)，再到數(shù)據(jù)中心和云端[2]。

“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下智慧教育支撐平臺的架構(gòu)分析是整個(gè)平臺的先行部分，影響著整個(gè)平臺的構(gòu)建，具有極其重要的地位。不僅需要分析系統(tǒng)的組成、子系統(tǒng)的劃分、總體架構(gòu)的規(guī)劃、基本框架的選擇等內(nèi)容，還需要實(shí)現(xiàn)基本的系統(tǒng)權(quán)限管理、教學(xué)資源管理以及數(shù)據(jù)訪問接口的設(shè)計(jì)等服務(wù)功能。

1 “互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下智慧教育支撐平臺分析

1.1 平臺功能分析

在“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下，智慧教育需要一方面提高教師從事常規(guī)教學(xué)任務(wù)的效率，減少不必要的工作；另一方面需要提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)生更加主動(dòng)地去學(xué)習(xí)[3]。

如何提高教學(xué)質(zhì)量是高等教育永恒的話題，就需要對影響教學(xué)質(zhì)量的多維因素進(jìn)行分析得出合理的度量模型?？荚囀墙逃袡z查教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，保證考試公平公正、高效、高質(zhì)量地運(yùn)行是智慧教育需要研究的內(nèi)容。大數(shù)據(jù)時(shí)代為教學(xué)活動(dòng)提供了助力，挖掘?qū)W生感興趣的課程并為其提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)資源，從而提高教學(xué)質(zhì)量，這也是智慧教育的重要環(huán)節(jié)。為給用戶提供便利的學(xué)習(xí)條件，讓用戶能夠隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)，手機(jī)App則必不可少。

經(jīng)分析得出，互聯(lián)網(wǎng)+智慧教育平臺包括：智能考場子系統(tǒng)、教學(xué)質(zhì)量演進(jìn)優(yōu)化子系統(tǒng)、教學(xué)資源智能推薦子系統(tǒng)、基于社會(huì)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)社區(qū)App、個(gè)性化學(xué)習(xí)資源推送App和交互式實(shí)時(shí)評測App。除此之外，平臺有專門的系統(tǒng)UI綜合設(shè)計(jì)和應(yīng)用程序綜合測試。

1.2 服務(wù)層分析

(1) 權(quán)限管理：平臺共分為多個(gè)角色，不同的角色擁有不同的功能，所有的子系統(tǒng)共用一套權(quán)限管理系統(tǒng)，不同的角色進(jìn)入系統(tǒng)顯示不同功能操作界面。

(2) 教學(xué)資源管理：智慧教育平臺的核心的數(shù)據(jù)資源是教學(xué)資源，大部分的子系統(tǒng)共享教學(xué)資源，并且能夠記錄用戶的操作行為數(shù)據(jù)，為以后的智能推薦教學(xué)資源做準(zhǔn)備。

(3) 數(shù)據(jù)庫訪問接口：本平臺包括多個(gè)手機(jī)App端的應(yīng)用，一是需要接收App端傳來的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)傳來的數(shù)據(jù)條件進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作。二是需要將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為json格式的數(shù)據(jù)傳遞給手機(jī)端，手機(jī)端再進(jìn)行解析展示數(shù)據(jù)。所以需要設(shè)計(jì)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫訪問接口，為其提供高效、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)服務(wù)。

1.3 Web端框架選取

SSH為Struts+Spring+Hibernate的一個(gè)集成Web框架，用于構(gòu)建靈活、易于擴(kuò)展的多層Web應(yīng)用程序，能夠?qū)崿F(xiàn)視圖、控制器與模型的分離，而且能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯層與持久層的分離[3]。這樣做的好處是數(shù)據(jù)庫的變化對前端的影響變小，而且不同層之間的耦合性小，易于擴(kuò)展程序的功能，有利于團(tuán)隊(duì)成員協(xié)同工作，大大提高開發(fā)的效率。

1.4 推薦云平臺構(gòu)建分析

智慧教育平臺數(shù)據(jù)量龐大，后期會(huì)利用龐大的數(shù)據(jù)量為學(xué)生提供個(gè)性化的教學(xué)資源推薦，擬構(gòu)建推薦云平臺，將其與智慧教育平臺分離。智慧教育平臺只需要將用戶數(shù)據(jù)發(fā)送給推薦云平臺，推薦云平臺會(huì)根據(jù)特定的推薦算法推薦給用戶課程資源[4]。

2 “互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下智慧教育支撐平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)概述

從以上平臺分析得出，互聯(lián)網(wǎng)+智慧教育平臺包括：智能考場子系統(tǒng)、教學(xué)質(zhì)量演進(jìn)優(yōu)化子系統(tǒng)、教學(xué)資源智能推薦子系統(tǒng)、基于社會(huì)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)社區(qū)App、個(gè)性化學(xué)習(xí)資源推送App和交互式實(shí)時(shí)評測App。服務(wù)器使用了Nginx+Tomcat實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，在云平臺基礎(chǔ)服務(wù)框架之上，為各個(gè)子系統(tǒng)提供權(quán)限管理、教學(xué)資源管理、和數(shù)據(jù)庫訪問接口的服務(wù)。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 “互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下智慧教育支撐平臺架構(gòu)圖

2.2 智慧教育云平臺業(yè)務(wù)邏輯設(shè)計(jì)

智慧教育云平臺SECP(Smart Education Cloud Platform)可直連教務(wù)處教學(xué)數(shù)據(jù)庫獲取基礎(chǔ)教學(xué)信息，有部分功能依賴于外部系統(tǒng)。

師生通過SECP產(chǎn)生教學(xué)資源信息，并向社交媒體、教學(xué)資源網(wǎng)站系列平臺TRWC(Teaching Resources Websites Cluster)系統(tǒng)推送這些信息；推薦云平臺利用SECP產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為學(xué)生個(gè)性化推送教學(xué)資源。

師生可以使用移動(dòng)手機(jī)設(shè)備，通過微信公眾號或者微博公眾號訪問這些信息。學(xué)生可以使用電腦、平板、移動(dòng)智能設(shè)備等訪問TRWC獲取教學(xué)資源。

SECP相關(guān)系統(tǒng)上線后，將被托管在淮海工學(xué)院云數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)。淮海工學(xué)院云數(shù)據(jù)中心托管并運(yùn)維生產(chǎn)系統(tǒng)，淮海工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院云計(jì)算中心對系統(tǒng)做容災(zāi)備份，淮海工學(xué)院凌風(fēng)e云智慧教學(xué)研究所負(fù)責(zé)淮海工學(xué)院SSO統(tǒng)一身份認(rèn)證平臺、智慧教育云平臺、教學(xué)資源網(wǎng)站系列平臺的研發(fā)工作?；春９W(xué)院師生用戶使用電腦、平板、智能移動(dòng)設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)連接各個(gè)教學(xué)系統(tǒng)，獲取相應(yīng)的服務(wù)。

2.3 系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)層設(shè)計(jì)

(1) 權(quán)限管理

智慧教育平臺龐大，老師、學(xué)生、領(lǐng)導(dǎo)等不同的角色協(xié)同使用系統(tǒng)平臺完成日常的工作、學(xué)習(xí)等任務(wù)，平臺既要保證不同角色對應(yīng)不同功能，又要保證功能訪問的安全性，這就需要對每個(gè)訪問的請求進(jìn)行攔截判斷。如果此角色有此訪問的功能，就允許訪問，否則就攔截禁止訪問。系統(tǒng)的工作模型如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作模型圖

(2) 教學(xué)資源管理

當(dāng)今時(shí)代教師已經(jīng)不限于基于書本知識進(jìn)行授課，學(xué)生獲取知識的渠道也不再局限于課堂、圖書館等。通過互聯(lián)網(wǎng)，師生可以根據(jù)自己的需要從搜索引擎、國內(nèi)外的論壇、博客、視頻、其他的高校網(wǎng)站等各種渠道獲取自己需要的相關(guān)信息[5]。隨著知識和新技術(shù)的急劇增長，未來的教學(xué)需要根據(jù)本校師生的特點(diǎn)，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對這些海量信息進(jìn)行有效的梳理和提取，制定針對性的學(xué)習(xí)策略。

本平臺教學(xué)資源的獲取采用網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)爬取了超星慕課平臺上的課程資源，爬取了超星平臺上的所有的課程、課程對應(yīng)的章節(jié)、課程的信息以及課程的參考教材文檔。主要給網(wǎng)站W(wǎng)eb端、手機(jī)App端提供課程訪問學(xué)習(xí)，同時(shí)記錄下學(xué)生訪問的記錄，為后期課程智能推薦提供資源做準(zhǔn)備。

(3) 數(shù)據(jù)庫訪問接口設(shè)計(jì)

此模塊主要給App端提供接口訪問數(shù)據(jù)庫，大體上分為公共信息接口、測評接口、電子書包接口和教學(xué)質(zhì)量接口四個(gè)類別，處理的流程一般為后臺接受手機(jī)App端傳遞的數(shù)據(jù)。然后根據(jù)所需要的信息查詢數(shù)據(jù)庫，返還給手機(jī)App端，流程圖如圖3所示。

圖3 訪問接口的一般處理流程圖

2.4 Web端框架代碼優(yōu)化

在表示層中，首先JSP界面用來接收響應(yīng)和請求交互的數(shù)據(jù)，然后通過Struts配置文件將接收到的請求交給對應(yīng)的Action處理。在業(yè)務(wù)層中，利用Spring的IoC容器完成依賴注入和協(xié)作對象數(shù)據(jù)處理組件完成業(yè)務(wù)邏輯等工作，并提供緩沖池、事務(wù)處理等容器組件以提升系統(tǒng)性能。在持久層中，通過Hibernate的對象化映射和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互，處理DAO組件的數(shù)據(jù)，并返回處理結(jié)果。

系統(tǒng)中會(huì)有很多公共的代碼，比如增、刪、改、查的方法。所以可以把公共的代碼從中抽取出來，封裝成公共類，子類直接繼承此公共類就可以使用父類中的方法，減少代碼的復(fù)雜度，提高開發(fā)的效率。Action層和Service層代碼優(yōu)化圖如圖4所示。

圖4 Action層和Service層代碼優(yōu)化圖

3 負(fù)載均衡與數(shù)據(jù)庫集群

3.1 負(fù)載均衡

考慮到平臺的訪問量可能很大，單個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)可能無法滿足要求。負(fù)載均衡是將來自用戶的請求通過負(fù)載均衡服務(wù)器分發(fā)到多個(gè)服務(wù)器上進(jìn)行處理，從而共同完成工作任務(wù)，既保證服務(wù)的可用性，又提升了處理的效率，給用戶很好的體驗(yàn)[6]。Web端系統(tǒng)采用Tomcat作為服務(wù)器，使用Nginx作為負(fù)載均衡服務(wù)器，將用戶的請求分發(fā)到不同的服務(wù)器處理。

3.2 數(shù)據(jù)庫集群

平臺剛開始運(yùn)行數(shù)據(jù)量還很少，但若是運(yùn)行一段時(shí)間必將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，尤其是記錄一些用戶行為的數(shù)據(jù)，若是只有單個(gè)數(shù)據(jù)庫承擔(dān)，壓力是非常大的。網(wǎng)站的訪問一般是讀操作遠(yuǎn)大于寫操作[7]，搭建數(shù)據(jù)庫的集群，一個(gè)主數(shù)據(jù)庫對應(yīng)多個(gè)從數(shù)據(jù)庫，采用讀寫分離[8]，所有寫操作都是寫到主數(shù)據(jù)庫中，所有的讀操作從數(shù)據(jù)庫中的讀取。

4 “互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下智慧教育平臺推薦云平臺的構(gòu)建

由于學(xué)生產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量較大，而且需要計(jì)算的東西也比較多，所以需要構(gòu)建推薦云平臺，在推薦云平臺上主要運(yùn)行的是算法的核心部分。學(xué)生通過手機(jī)App和Web端訪問智慧教育平臺會(huì)記錄學(xué)生的訪問信息。智慧教育平臺服務(wù)器設(shè)置定時(shí)任務(wù)定時(shí)將用戶的訪問信息數(shù)據(jù)傳送到推薦云平臺[9]，推薦云平臺通過計(jì)算得到推薦結(jié)果，將推薦的教學(xué)資源返還給智慧教育平臺供終端用戶訪問。推薦云平臺的構(gòu)建如圖5所示。

圖5 智慧教育推薦平臺設(shè)計(jì)圖

5 結(jié) 語

“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下智慧教育平臺架構(gòu)分析了系統(tǒng)的功能，規(guī)劃了平臺的總體架構(gòu)。采用網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)實(shí)現(xiàn)了爬取超星慕課平臺上的課程、課程章節(jié)、課程參考教材、課程介紹等信息，實(shí)現(xiàn)了和超星平臺的無縫連接，提高了教學(xué)資源的共享程度。平臺各個(gè)子系統(tǒng)使用一套權(quán)限管理系統(tǒng)，提高了平臺的安全性，同時(shí)給手機(jī)App端提供了穩(wěn)定的接口信息訪問，極大地方便了App端數(shù)據(jù)的訪問和傳遞。該架構(gòu)的特點(diǎn)如下：

(1) 平臺集成性：平臺高度集成智慧教育平臺各個(gè)子系統(tǒng)，采用網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了和超星慕課平臺的無縫連接，并且為其子系統(tǒng)提供權(quán)限管理、數(shù)據(jù)庫接口訪問、教學(xué)資源訪問等功能服務(wù)。

(2) 平臺高效性：網(wǎng)站采用Nginx+Tomcat實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，提高了用戶的訪問效率，同時(shí)采用Hibernate的緩存機(jī)制，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

(3) 平臺開放性：系統(tǒng)采用接口模式開發(fā)，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展。

(4) 平臺合理性：平臺將公共的服務(wù)抽離，為各個(gè)子系統(tǒng)提供權(quán)限、數(shù)據(jù)等服務(wù)。同時(shí)平臺將智慧教育平臺與推薦平臺分離，讓其各自致力于自己的功能上，為之后的個(gè)性化學(xué)習(xí)資源推薦提供支持。

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STUDYOFSMARTEDUCATIONPLATFORMARCHITECTUREUNDERTHEINTERNETPLUSENVIRONMENT

Shi Jun Wang Yongzhi Li Hui Wang Qianjing

(SchoolofComputerEngineering,HuaihaiInstituteofTechnology,Lianyungang222005,Jiangsu,China)

With the rapid development of Internet and information technology, the idea of smart education is rising gradually. According to the requirements of smart education under the Internet plus environment, this paper proposes the overall architecture and the platform solution of smart education platform, which include subsystem division, overall framework selection, service layer construction, load balancing, database cluster and recommendation platform construction. From the level of technology, we will explore the structure of smart education key elements under the Internet plus environment. The aim is to realize the ecological education model, further enhance the quality of education services, and promote the integration and sharing of high-quality resources, and ensure the healthy and sustainable development of smart education.

Smart education Overall architecture Service layer Load balancing

2016-11-24。國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61403156，61403155)。施珺，教授，主研領(lǐng)域：教育信息化。王勇智，學(xué)士。李慧，副教授。汪前進(jìn)，副教授。

TP3

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.11.013