摘要：傳統(tǒng)的在線教學(xué)系統(tǒng)由于延遲高、穩(wěn)定性差等問題影響了教學(xué)效果和學(xué)習(xí)體驗(yàn)。因此，文章設(shè)計(jì)了基于云平臺的計(jì)算機(jī)專業(yè)在線互動式教學(xué)系統(tǒng)。硬件方面，采用集群式服務(wù)器實(shí)現(xiàn)高可用性和負(fù)載均衡，使用分布式存儲器提高數(shù)據(jù)可靠性和訪問速度，配備高性能網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備以確保高效數(shù)據(jù)傳輸。軟件方面，采用RBAC模型對不同用戶角色進(jìn)行權(quán)限管理；實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源共享與個性化推薦功能；最后，利用云平臺技術(shù)實(shí)現(xiàn)教學(xué)中的實(shí)時互動協(xié)作。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?yàn)橛脩籼峁┓€(wěn)定、流暢、高效的在線學(xué)習(xí)環(huán)境，有效提升教學(xué)效果和學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：云平臺；計(jì)算機(jī)專業(yè)；在線互動式；教學(xué)系統(tǒng)；用戶權(quán)限

中圖分類號：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在計(jì)算機(jī)專業(yè)教育中，在線互動式教學(xué)系統(tǒng)能夠打破時間和空間的限制，為師生提供更加靈活、便捷的教學(xué)和學(xué)習(xí)環(huán)境^［1］。因此，研究基于云平臺的計(jì)算機(jī)專業(yè)在線互動式教學(xué)系統(tǒng)，對于推動教育信息化進(jìn)程、提高教育質(zhì)量具有重要意義。當(dāng)前，國內(nèi)外在線教學(xué)系統(tǒng)大多具備教學(xué)資源管理、用戶權(quán)限劃分等基本功能^［2］，但在個性化推薦、實(shí)時互動協(xié)作等方面仍存在諸多不足。同時，部分系統(tǒng)在實(shí)時互動協(xié)作方面也存在延遲高、穩(wěn)定性差等問題，嚴(yán)重影響了教學(xué)效果和學(xué)習(xí)體驗(yàn)^［3］。

針對上述問題，本文研究了基于云平臺的計(jì)算機(jī)專業(yè)在線互動式教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在硬件方面，采用集群式服務(wù)器、分布式存儲器和高性能網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，確保系統(tǒng)的高可用性、負(fù)載均衡、數(shù)據(jù)可靠性和高效數(shù)據(jù)傳輸。在軟件方面，實(shí)現(xiàn)不同用戶的權(quán)限劃分管理，提供教學(xué)資源共享與個性化推薦以及基于云平臺的教學(xué)實(shí)時互動協(xié)作等功能，全面提升系統(tǒng)的實(shí)用性和用戶體驗(yàn)。本文將為計(jì)算機(jī)專業(yè)教育提供更加高效、便捷、可靠的在線教學(xué)解決方案，推動教育信息化進(jìn)程的不斷深入。

1 基于云平臺的計(jì)算機(jī)專業(yè)在線互動式教學(xué)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 集群式服務(wù)器

集群式服務(wù)器是基于云平臺的計(jì)算機(jī)專業(yè)在線互動式教學(xué)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的核心組成部分。通過采用多臺高性能服務(wù)器組成集群，能夠在高并發(fā)訪問情況下保持穩(wěn)定運(yùn)行。每臺服務(wù)器都配備有足夠的中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、內(nèi)存和存儲資源，以滿足大量用戶同時在線學(xué)習(xí)、互動和資源訪問的需求^［4］。使用負(fù)載均衡器F5將用戶請求分配到不同的服務(wù)器上，確保每臺服務(wù)器的負(fù)載均衡，具體請求分配公式如下。

H_p=（F_i/∑n/i=1F_i）

F_i=（P_μ-D_i/P_μ）（1）

式（1）中，H_p為用戶請求分發(fā)概率；F_i為服務(wù)器在第i個節(jié)點(diǎn)上的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載；D_i為第i個節(jié)點(diǎn)的訪問數(shù)量；P_μ為動態(tài)可分配資源。此外，集群式服務(wù)器還具備故障自動切換和數(shù)據(jù)備份功能，確保在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時能夠迅速恢復(fù)服務(wù)，保障教學(xué)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

1.2 分布式存儲器

為了存儲大量的教學(xué)資源和學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，采用分布式存儲器架構(gòu)，將數(shù)據(jù)分散存儲在多個節(jié)點(diǎn)上，提高數(shù)據(jù)的可靠性和訪問速度^［5］。首先選擇高性能、高可靠性的存儲設(shè)備作為存儲節(jié)點(diǎn)。將數(shù)據(jù)分片后存儲在不同的節(jié)點(diǎn)上并為每個數(shù)據(jù)片創(chuàng)建多個副本，以提高數(shù)據(jù)的可靠性和容錯性。數(shù)據(jù)可靠性計(jì)算公式如下。

γ=1-m/i=1（1-p_i）（2）

式（2）中，m為數(shù)據(jù)副本的數(shù)量；p_i為第i個副本不可用的概率。通過式（2）計(jì)算在所有副本中至少有一個可用的概率，從而評估數(shù)據(jù)的可靠性。使用分布式文件系統(tǒng)來管理存儲的數(shù)據(jù)，同時提供高效的數(shù)據(jù)訪問接口。

1.3 高性能網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備

高性能網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備是連接集群式服務(wù)器和分布式存儲器的關(guān)鍵。這些設(shè)備采用高速網(wǎng)絡(luò)接口和傳輸協(xié)議，確保服務(wù)器之間、服務(wù)器與存儲器之間以及服務(wù)器與用戶之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)備還支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的可靠性和可擴(kuò)展性^［6］。通過高性能網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，系統(tǒng)能夠確保用戶在學(xué)習(xí)過程中獲得流暢的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，避免因網(wǎng)絡(luò)延遲或中斷而影響學(xué)習(xí)效果。

2 基于云平臺的計(jì)算機(jī)專業(yè)在線互動式教學(xué)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 劃分管理不同用戶的權(quán)限

為了實(shí)現(xiàn)不同用戶角色的權(quán)限管理，采用基于角色的訪問控制（Role-Based Access Control，RBAC）模型。該模型將用戶、角色和權(quán)限三者關(guān)聯(lián)起來，通過為用戶分配不同的角色，賦予其相應(yīng)的權(quán)限^［7］。根據(jù)系統(tǒng)需求定義不同的角色，每個角色對應(yīng)不同的權(quán)限集。具體權(quán)限分配如表1所示。

在添加新用戶時，系統(tǒng)根據(jù)用戶的身份和需求，將其分配到相應(yīng)的角色中。用戶登錄后，系統(tǒng)根據(jù)其角色自動加載相應(yīng)的權(quán)限集合，用戶只能訪問和操作權(quán)限范圍內(nèi)的內(nèi)容^［8］。在用戶執(zhí)行任何操作之前，系統(tǒng)都會驗(yàn)證用戶當(dāng)前的角色是否具有執(zhí)行該操作所需的權(quán)限。如果沒有權(quán)限，系統(tǒng)將拒絕執(zhí)行該操作。

2.2 教學(xué)資源共享與個性化推薦

系統(tǒng)提供了豐富的教學(xué)資源共享功能，允許教師上傳分享各種教學(xué)資源。這些教學(xué)資源將被安全地存儲在云端平臺上，確保學(xué)生能夠隨時隨地訪問與學(xué)習(xí)。系統(tǒng)通過先進(jìn)的日志收集與分析技術(shù)，全面記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，涵蓋訪問的課程、頁面停留時長、點(diǎn)擊及瀏覽過的資源等關(guān)鍵信息。根據(jù)用戶的歷史學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，構(gòu)建一個的m×n用戶-資源評分矩陣，其中m為系統(tǒng)用戶數(shù)，n為教學(xué)資源數(shù)，矩陣中的元素R_ij為系統(tǒng)用戶i對教學(xué)資源j的評分。計(jì)算用戶之間的相似度公式如下。

sim（u，v）=（∑_j∈IuvR_uj·R_vj/∑_j∈IuR²_uj·∑_j∈IvR²_vj）（3）

式（3）中，I_uv為用戶u和用戶v共同評分的計(jì)算機(jī)教學(xué)資源集合；I_u和I_v分別為用戶u和用戶v評分的教學(xué)資源集合。對于目標(biāo)用戶μ，根據(jù)其相似用戶集合N（μ）的偏好，計(jì)算每個未評分資源j的預(yù)測評分，具體公式如下。

R_μj=（∑_{v∈N（μ）}sim（u，v）·R_vj/∑_{v∈N（μ）}sim（u，v））（4）

根據(jù)上述公式（4）計(jì)算出的預(yù)測評分，選取評分較高的資源作為推薦結(jié)果，便于學(xué)生快速鎖定并訪問自己感興趣的教學(xué)資源。

2.3 基于云平臺實(shí)現(xiàn)教學(xué)實(shí)時互動協(xié)作

為了實(shí)現(xiàn)教學(xué)實(shí)時互動協(xié)作功能，充分利用云平臺的強(qiáng)大技術(shù)優(yōu)勢，構(gòu)建一個高效、便捷、可靠的在線教學(xué)環(huán)境^［9］?；谠破脚_實(shí)現(xiàn)教學(xué)實(shí)時互動協(xié)作的具體流程如圖1所示。在云平臺上部署高性能的WebSocket服務(wù)器集群，利用負(fù)載均衡技術(shù)確保服務(wù)器的高可用性和可擴(kuò)展性。通過WebSocket實(shí)現(xiàn)消息的實(shí)時傳輸，允許教師與學(xué)生在課堂上進(jìn)行實(shí)時交流。為了進(jìn)一步增強(qiáng)互動性，引入白板工具^［10］，使得教師和學(xué)生可以在共享的白板上進(jìn)行交流和討論。

集成支持多種編程語言的在線代碼編輯器Monaco Editor，通過WebSocket協(xié)議，實(shí)現(xiàn)代碼的實(shí)時協(xié)作編輯功能。當(dāng)多位學(xué)生在同一個項(xiàng)目中工作時，他們的編輯操作會實(shí)時同步到云端，確保所有人都能看到最新的代碼狀態(tài)。云端部署了虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生可以通過遠(yuǎn)程訪問進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)了自動批改功能，它支持編程作業(yè)的代碼評測與結(jié)果對比，系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)設(shè)的評測標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生的代碼進(jìn)行評分并給出詳細(xì)的評測報告。同時設(shè)計(jì)了互動數(shù)據(jù)可視化面板，它展示了課堂活躍度、學(xué)生參與度等指標(biāo)。便于教師了解教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)。通過上述一系列步驟，完成了基于云平臺的計(jì)算機(jī)專業(yè)在線互動式教學(xué)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)測試

3.1 系統(tǒng)搭建

在系統(tǒng)測試階段，首先進(jìn)行系統(tǒng)搭建。硬件方面，按照設(shè)計(jì)方案，將集群式服務(wù)器、分布式存儲器以及高性能網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備安裝并連接。確保所有硬件設(shè)備正常運(yùn)行后，進(jìn)行軟件環(huán)境的搭建。這包括安裝操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、中間件以及在線互動式教學(xué)系統(tǒng)軟件。所有軟件組件均按照預(yù)定的架構(gòu)進(jìn)行部署，確保系統(tǒng)各模塊之間的通信和數(shù)據(jù)交互順暢無阻。

3.2 系統(tǒng)測試參數(shù)設(shè)置

為了確保系統(tǒng)測試的全面性和準(zhǔn)確性，設(shè)置多項(xiàng)測試參數(shù)。這些參數(shù)涵蓋了系統(tǒng)的性能、穩(wěn)定性以及安全性等多個方面。具體系統(tǒng)測試參數(shù)設(shè)置如表2所示。

在性能測試中，模擬不同用戶規(guī)模下的并發(fā)訪問場景，以評估系統(tǒng)的負(fù)載能力和響應(yīng)時間。穩(wěn)定性測試中，長時間運(yùn)行系統(tǒng)并監(jiān)控其運(yùn)行狀態(tài)，以檢查是否存在內(nèi)存泄漏、服務(wù)崩潰等問題。安全性測試則重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制，包括數(shù)據(jù)加密和訪問控制等。

3.3 系統(tǒng)測試結(jié)果

使用上述設(shè)置的測試參數(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行全面的測試。性能測試結(jié)果如表3所示。

由表3數(shù)據(jù)可以看出，在不同用戶規(guī)模的測試場景下，所有響應(yīng)時間均遠(yuǎn)低于設(shè)定的閾值，系統(tǒng)均表現(xiàn)出良好的負(fù)載能力和響應(yīng)時間。系統(tǒng)穩(wěn)定性測試結(jié)果如表4所示。

由表4數(shù)據(jù)可以看出，在7×24 h連續(xù)運(yùn)行測試中，系統(tǒng)始終保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。內(nèi)存使用率和CPU使用率均未超過設(shè)定的監(jiān)控閾值。這證明了系統(tǒng)具備長時間穩(wěn)定運(yùn)行的能力，能夠滿足實(shí)際教學(xué)場景中的需求。在安全性測試中，系統(tǒng)數(shù)據(jù)加密算法（AES-256）經(jīng)過嚴(yán)格測試，未發(fā)現(xiàn)任何數(shù)據(jù)泄露或加密失敗的情況。同時，基于RBAC模型的訪問控制策略也表現(xiàn)良好，用戶只能訪問其授權(quán)范圍內(nèi)的資源，有效防止了非法訪問和數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險。綜上所述，本文設(shè)計(jì)的基于云平臺的計(jì)算機(jī)專業(yè)在線互動式教學(xué)系統(tǒng)，能夠滿足計(jì)算機(jī)專業(yè)在線教育的實(shí)際需求，為師生提供高效、便捷、安全的在線教學(xué)平臺。

4 結(jié)語

本文詳細(xì)闡述了基于云平臺的計(jì)算機(jī)專業(yè)在線互動式教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過集群式服務(wù)器、分布式存儲器和高性能網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的有機(jī)結(jié)合，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了負(fù)載均衡、數(shù)據(jù)可靠性和高效數(shù)據(jù)傳輸，為在線教學(xué)提供了穩(wěn)定、流暢的學(xué)習(xí)環(huán)境。在軟件設(shè)計(jì)方面，系統(tǒng)采用基于角色的訪問控制模型，實(shí)現(xiàn)了不同用戶角色的權(quán)限管理，提供了豐富的教學(xué)資源共享與個性化推薦功能。同時，系統(tǒng)充分利用云平臺的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)實(shí)時互動協(xié)作，極大地提升了在線教學(xué)的互動性和實(shí)效性。

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（編輯 沈 強(qiáng)）

Design of online interactive teaching system for computer majors based on cloud platform

ZHANG Xiaomei， YU Zijia

（Suzhou University， Suzhou 234000， China）

Abstract：Traditional online teaching systems suffer from issues such as high latency and poor stability， which affect teaching effectiveness and learning experience. Therefore， the article designed an online interactive teaching system for computer majors based on cloud platforms. In terms of hardware， cluster servers are used to achieve high availability and load balancing， distributed storage is used to improve data reliability and access speed， and high-performance network communication equipment is equipped to ensure efficient data transmission. In terms of software， the RBAC model is used to implement permission management for different user roles; Teaching resource sharing and personalized recommendation function; Finally， utilizing cloud platform technology to achieve real-time interactive collaboration in teaching. The test results show that the system can provide users with a stable， smooth， and efficient online learning environment， effectively improving teaching effectiveness and learning experience.

Key words：cloud platform; computer major; online interactive; teaching system; user rights