基于共有云的互动课堂系统设计研究

王永建，铁小辉，杨建华，陈伟东，张 磊

(中国通信建设集团设计院有限公司，北京 100079)

基于共有云的互动课堂系统设计研究

王永建，铁小辉，杨建华，陈伟东，张 磊

(中国通信建设集团设计院有限公司，北京 100079)

云计算是近些年最为重要的信息化技术之一。互动课堂系统是智慧校园建设与教学创新的重要组成部分。因此，基于公有云，从SaaS模式角度，对互动课堂系统做了研究。首先分析了互动课堂系统的业务模型。然后，结合云计算系统分层框架，设计了互动课堂系统的技术架构，分别对展现层、服务层、存储层做了定义。最后，从教师端与学生端角度，设计了系统的功能。这些设计思路在一些实际项目中已运用，效果良好。

SaaS；Html5；CDN；Nginx；Redis

本文著录格式：王永建，铁小辉，杨建华，等. 基于共有云的互动课堂系统设计研究[J]. 软件，2016，37（11）：01-06

0 引言

习总书记曾讲过：没有信息化就没有现代化。信息化在实现社会现代化，实现全面小康目标中具有重要的战略地位。2016年7月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发《国家信息化发展战略纲要》，要求将信息化贯穿我国现代化进程始终。

云计算、大数据、传感器、RFID（Radio Frequency Identification）、NFC（Near Field Communication）等信息技术的发展，深刻着影响着教育的变革与发展[1]。为促进新形势下教育理念和教育模式的转变，教育部近些年大力推动智慧校园规划与建设的创新工作[2]。

2015年7月8日，教育部、清华大学等机构举行了“2015智慧校园规划与建设暨高校信息化峰会”[3]；2016年2月2日，教育部印发了《2016年教育信息化工作要点》的通知[4]。

自从2006年Google提出了云的概念，云计算即成为信息技术领域最热门的技术之一，学术界与产业界做了大量研究，在信息化建设中具有至关重要的作用[5]。

互动课堂为教师革新教学方式，践行教学理念提供业务及功能支持，更好的确立了学生是学习的

主体地位，教师变为学生学习过程的服务者、引领者、组织者、鼓励者、合作者，对教学的改革与创新具有重要意义。本文从共有云的SaaS模式出发，对互动课堂系统进行了探究。

1 云计算分析

云计算是一种服务,也是一种技术,或者商业模式[6]。按照服务模式，本文将云计算由低层到高层分为四层。如图1所示。

（1）基础设施即服务（IaaS，Infrastructure as a Service），将服务器、存储、网络、安全设施等构建成云资源，将虚拟机、内存、I/O、存储、IP地址、网络等组成虚拟化资源池，为用户提供定制化服务[7]；

（2）平台即服务（PaaS，Platform as a Service），将开发环境/平台和基础能力（如数据分析处理、身份认证、中间件、数据库等）作为服务，这是一种分布式服务，客户在平台上开发定制化应用[8]；

（3）软件即服务（SaaS，Software as a Service），将应用软件或者应用程序部署在PaaS上作为服务，根据客户订购的功能、数量、时间、性能要求等提供相应服务[9]；

（4）呈现即服务（DaaS，Display as a Service），将Web、短彩信、APP、PC桌面、显示大屏等作为服务。

图1 云计算分层框架

按照服务对象，云计算可分为私有云、公有云、混合云；按照所属行业，可分为政务云、民生云、旅游云、医疗云、教育云、企业云等[10]。本文的研究属于教育云范畴，主要探究SaaS模式内容。

2 总体设计

2.1 业务模型

本文从课前、课中、课后三个不同环节出发，分析互动课堂系统，以课程为轴线将教师和学生串联在一起，实现教师、课程内容、学生三者之间的互动。如图2所示：

图2 业务模型

（2）基于课前的任务推送结果反馈和学生线上学习行为数据跟踪，教师在课堂开始前即可了解学生任务完成，知识点掌握情况。有针对性的进行课程内容讲解，通过屏幕同步、文件共享、堂间任务推送、评论标记等功能，实现对课程内容的控制、师生互动。在授课期间，学生除了可以同步接收教师推送的任务、同步课程资源，也可以主动的针对课程内容进行评价反馈，进行课程笔记标记。

（3）课程结束，教师基于平台互动课堂系统记录的学习数据对不同学生群体进行有针对性的课程评价奖励及区别和任性任务推送。

2.2 技术架构

本文将互动课堂系统技术架构分为三层：展现层、服务层、存储层。如图3所示：

2.2.1 展现层

展现层由PC WEB端、教师移动端、学生移动端组成。通过Html5 Canvas+WebSocket实现各个终端画面同步与交互。用先进的互联网技术手段围绕

课前、课中、课后三个不同环节，以课程为中心将教师和学生串联在一起，实现教师、课程内容、学生三者之间的互动。

图3 技术架构

2.2.2 服务层

服务层为前端提供API服务。通过CDN服务与Nginx负载均衡构建适应高并发访问的业务场景。

2.2.3 存储层

存储层根据数据类型与作用域分为缓存存储服务、日志存储服务、多媒体文档（图片、音频、视频）存储服务、关系型数据存储服务、非关系型数据存储服务。

（1）缓存存储服务

类比于计算机中CPU为了提高访问速度，通常把硬盘的数据提前缓存到内存中。在实现高并发的架构场景下，把数据写入硬盘固然实现了最终的数据持久，但IO写入效率低下会成整个应用服务的性能瓶颈。在技术架构中采了Redis做为内存数据库，它的读写性能测试达到每秒10万条左右，极大的提高了系统的性能。

（2）多媒体存储服务

采用流式写入和读取，特别适合视频等大文件的边写边读业务场景。支持jpg、png、bmp、gif、webp、tiff等多种图片格式的文件格式转换、缩略图、剪裁、水印、缩放等多种操作。并提供高质量，高速并行音视频转码能力。搭配CDN进行加速分发，稳定、无回源带宽限制。如图4所示：

图4 多媒体缓存服务

（3）关系型数据存储服务

采用Mysql的主从复制技术方案，并通过调优实现了读写分离，应对不同业务需求，在访问高峰期时可进行弹性扩容，即开即用，高效应对数据库读取负载。

3 功能设计

3.1 总体功能结构

互动课堂围绕课前、课中、课后三个不同环节，为教师、学生提供无缝的学习通道，是集教师备课管理、课程授课、课堂互动于一体的教学平台[11]。总体功能如图5所示：

课前教师可基于学生的学习情况分布，进行授课内容创建，设计课程内容和课堂任务，并可将课前预习部分内容以先导学习、课前测验摸底等方式推送给学生，学生实时获取课程需要讲授的内容范围并完成课前任务。

基于课前的任务推送结果反馈和学生线上学习行为数据跟踪，教师在课堂开始前即可了解学生任务完成，知识点掌握情况。有针对性的进行课程内容讲解，通过屏幕同步、文件共享、堂间任务推送、评论反馈等功能，实现对课程内容的控制、师生互动。

图5 总体功能结构

在授课期间，学生除了可以同步接收教师推送的任务、同步课程资源，也可以主动的针对课程内容进行评价反馈，进行课程笔记标记。

课程结束，教师基于平台互动课堂系统记录的学习数据对不同学生群体进行有针对性的课程评价奖励，并可跟进个体区别进行课后回顾任务的布置推送。

互动课堂系统通过跟踪分析学习数据，辅助教师完善教学计划，制定区别化的课程任务，做到因材施教提升教学质量。引导学生完成课程学习、任务反馈，有针对性进行课程回顾服务提高学习质量。3.1.1 教师端功能结构

互动课堂系统教师端应用主要分为：教师备课端、授课助手两个部分。如图6所示：

教师备课端：主要实现管理授课课程，并对每个授课课程制定授课计划，根据授课班级学生学习情况创建授课资源并在上课过程中进行课程内容播放。

授课助手：教师可通过移动端完成课程资源播放的控制、任务推送、查看答题数据、完成文件分享、批注同步等，授课助手帮助教师脱离讲台束缚完成授课过程控制。

3.1.2 学生端功能结构

互动课堂系统学生端：支持学生登录互动课堂系统，根据教师授课安排完成课程前中后推送布置的课程任务、参与上课同步。可快捷查看已上课的记录、进入授课课程完成任务获取、任务解答，同步教师推送授课内容和资源，进行课程评论反馈并对教师和课程进行评价，在课程开始前后进行预习复习。如图7所示：

3.2 详细功能设计

互动课堂系统功能模块主要包括角色登录、课程创建及管理、备课管理与计划、任务管理及推送、课件控制与同步、内容共享与同步、学生上课及互动、数据分析与应用。具体如表1所示：

图6 教师端功能结构

图7 学生端功能结构

表1 详细功能表

4 结束语

本文从云计算的SAAS模式出发，研究设计了一种面向公有云的互动课堂系统。互动课堂是个比较大的系统，本文仅仅是其中的一部分，还要考虑与其它系统对接互动，例如智慧校园中的教务系统、图书馆系统、一卡通系统、未来课堂系统等。尤其是未来课堂系统，未来课堂系统是个综合的多类型教学系统，能提供丰富的展示方式、互动方式和评估方式，互动课堂系统与其深度融合，才能更大限度的发挥作用。当然，这也对互动课堂系统的建设提出了更高的要求和标准，需要今后不断的进行完善与优化。

[1] 王永建, 王海兵, 周显等.智慧校园一卡通与图书馆系统对接探究[J]. 软件, 2016(5): 111-114.

[2] 王永建, 张春献, 张鑫等. 智慧校园一卡通与教务系统对接设计[J]. 电信快报, 2016(7): 10-13.

[3] 教育部科技发展中心. 2015智慧校园规划与建设暨高校信息化峰会[EB/OL]. http://www.edu.cn/xxh/focus/xs_hui_ yi/201507/t20150709_1286771.shtml, 2015-07-08/2016-04-12.

[4] 教育部办公厅. 2016年教育信息化工作要点[DB/OL]. http://www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201602/t2016021 9_229804.html, 2016-02-04/2016-04-12.

[5] 王永建. 基于公有云的民生服务平台研究[J]. 电信网技术, 2016(10): 15-20.

[6] 张斌, 罗东森. 云计算数据中心SDN部署研究[J]. 通信技术, 2014, 47(12): 1424-1428.

[7] J Rhoton, R Haukioja.Cloud Computing Architecture: Solutions Design Handbook[M].America:Recursive Press, 2011: 5-6.

[8] 杨洁, 王左利. 教育信息化跃上云端[J]. 中国教育网络, 2016(09): 18-19.

[9] 潘晓敏. 基于公有云SaaS模式的科技园区服务平台[J]. 上海工程技术大学学报[J]. 2012, 26(2): 185-188.

[10] 王永建, 朱运起, 徐杨等. 基于云计算的智慧政务安全体系设计研究[J]. 通信技术, 2016, 49(4): 462-468.

[11] 郑振祥, 祝春华. 以幸福小组为载体的135教学模式[J].教育: 周刊, 2016(2): 16-17.

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

河南省重点科技攻关项目（152102210206）

王永建(1981-)，男，高级工程师，研究方向为信息安全、大数据、计算机应用；铁小辉(1965-)，通讯作者，男，本科，高级工程师，研究方向为计算机应用、信息安全；杨建华(1979-)，男，本科，高级工程师，研究方向为数据通信、计算机应用；陈伟东(1980-)，男，本科，高级工程师，研究方向为计算机应用；张磊(1983-)，男，本科，工程师，研究方向为数据通信、计算机应用。