无线互动教学系统设计与开发

梁远成，关继超，杨宇杰，姜文超，林穗

（广东工业大学计算机学院，广州510006）

无线互动教学系统设计与开发

梁远成，关继超，杨宇杰，姜文超，林穗

（广东工业大学计算机学院，广州510006）

无线网技术及其应用已遍及生活的各个角落，对人们的工作乃至生活方式带来巨大变革。利用无线网络技术能够有效结合手机设备构建出一个轻松高效的教学互动环境,在传统教学基础上增加终端设备（计算机、移动手机、平板等），教学投影仪图像投放到幕墙的同时，可以同步投影到各个移动终端，大大方便教学过程；学生有疑问可以在线提问，教师也可以远程操作终端演示，对学生学习过程进行监督有效促进教学互动；主要功能包括：考勤签到、屏幕共享、声音共享、文件共享、板书共享、无线麦克风、远程控制、问题讨论、投票统计、随机抽取等。该系统结合无线网络和电脑手机的线上互动，降低教育成本，优化教学环境，提高办学效益，促进教学质量的提高。

无线局域网；JGroups；群组通讯；可靠组播

0 引言

传统的教学，是以书本为载体，以教师为中心，以教师讲解和学生听讲与练习为主要活动方式的一种教学模式。教师凭借一本教材、一本教学参考书、一个投影仪，即可以班级组织形式有目标、有计划、有重点地开展教育、教学活动，完成教学任务，学生对知识的获取依赖于教师的传授和点拨。传统课堂强调教师“灌输式”教学模式，我们只掌握了知识的本身，并没有掌握获取知识的方法，思维和创新能力较差，更不懂得超越教师和教材，只是每节课规规矩矩地听，认认真真地背，下来按时完成老师布置的课外作业。对掌握的知识缺乏更深的思考。传统课堂不足包括：讲授内容受到时空限制、不能展示三维空间图像、不能模拟实验操作过程、不能重复回放教学内容、单位时间信息容量偏少[1]。

1 多媒体教学的引入

与传统教学相比，多媒体教学具有以下优势：①直观性。多媒体课件能化抽象为具体，化呆板为生动，突破视觉限制，突出教学要点，使学生能多角度地观察对象，建立空间概念,在直观形象基础上培养思维能力，有助于学生对概念的理解和方法的掌握；②形象性。多媒体课件能提供图、文、声、像，形象生动，可以对人的视觉、听觉甚至心理触觉产生全方位的刺激，可以给学生留下深刻印象，有助于多角度激发学生学习兴趣，调节学生学习情绪，集中学生学习注意力，帮助学生掌握所学知识；③动态性。多媒体课件可以化静为动，能按超文本、超链接方式组织管理学科知识和各种教学信息，有利于反映概念及过程，能有效地突破教学难点；有利于突破传统教学中单调、枯燥的教学过程，有效的组织课堂教学；④高效性。多媒体课件特有的大信息量、大容量的特点，能增加课堂教学容量，优化教学结构，突破空间限制，节约教学时间，扩大学生知识视野，提高课堂教学效率。

虽然多媒体设备的普及使用已经大大提高了课堂的教学效率和质量，但是所有的多媒体设备都是提供给教师教授使用的，但学生还是坐在下面的座位被动地接收学习，缺少互动。随着生活水平的提高和科技的进步，笔记本电脑成为了生活不可或缺的一部分。这些设备轻便小巧，便于携带，能够连接Wi-Fi进行互动与共享。然而这些设备融入了课堂却并没有融入到教学当中。

另外，无线互动式教学的需求也带来了许多新的问题，具体包括：①教学资源的有限，导致许多学校不断的扩招，特别是高校，大课室和大课堂已经是很普遍。另外近视群体渐渐庞大起来，坐在后排的学生常常看不到黑板和投影仪；②课堂只给教师配备了麦克风，学生回答问题要么从教师处长距离传递麦克风，要么回答声音很小，其他同学听不清；③课堂考勤时间长宽大的教室很难互动和答疑。学生举手提问，教师往往看不到，互动比例很低。

2 无线互动教学系统总体设计

无线教学互动系统基于无线局域网络，利用JGroups开源项目实现多播的可靠传输，系统主要功能模块如图1所示。

图1 无线互动教学系统功能模块

2.1 创建网络

系统基于无线局域网通信为基础。在不处于局域网的环境下，教师可以利用携带无线网卡的PC设备，创建网络。流程活动如表1所示。

表1 创建网络

教师打开服务端，选中创建网络区域，输入要创建的网络名称和密码，若密码长度小于8，则提示密码错误。否则提示创建成功，图标相应改变颜色，创建网络活动流程如图2所示。

图2 创建网络活动图

2.2 考勤签到

教师在上课之前必须绑定课堂名单，打开考勤功能。学生通过PC客户端或者Android、iOS移动端，进行考勤签到。流程活动如表2所示。

表2 考勤签到

教师打开服务端的同时，建立JGroups集群，学生客户端点击签到，将个人学号等信息共享到集群中，每个学生唯一映射一个id,重复签到，则最近的一次签到信息会覆盖之前的签到信息，以避免替签的情况。服务端根据学生学号查询学生是否在课堂名单中，若存在则返回签到成功和相应的课程信息，若不在名单中则提示学生不是该课程的学生。通信过程如图3所示。

图3 考勤签到通信时序图

2.3 电子白板

教师和学生可以打开电子板书，所有的操作都会实时同步到各个终端，达到板书实时展示的效果。流程活动如表3所示。

表3 电子白板

教师服务端开启电子白板后，收集白板涂画的坐标和相应的颜色，通过集群通信，实时传输到各个学生终端中，学生终端白板根据坐标颜色还原成相应的涂画展现出来，通信过程如图4所示。

图4 电子白板通信时序图

2.4 远程控制

学生遇到问题可以申请让教师操作本地设备，进行实时的操作演示，更好的进行教学。如表4所示。

表4 远程控制

学生终端发出申请远程控制指令，教师接收到指令后提示学生信息，并询问是否接受申请控制学生电脑。将接受指令发回给学生端，学生端接收指令开启屏幕图像采集，并以300毫秒的频率传输到教师服务端，教师接收到屏幕图像后进行展示和操作，相应的键盘事件和鼠标事件传回给学生端，学生端还原事件作用到本机设备。通信过程如图5所示。

图5 远程控制通信时序图

3 系统实现与测试

实验测试在带有无线网卡的的笔记本电脑以及Android和苹果手机上进行，Windows系统下可以通过cmd命令创建虚拟无线网络。Java语言提供了调用本地接口的各种类和方法。Runtime封装着Java程序的运行时环境。通过Runtime实例，Java应用能够与其运行的环境连接。Runtime在JVM中保持一个单例，所以不能通过Runtime类的构造函数。只能通过Run⁃time.getRuntime()来获的当前Runtime的一个实例。获得Runtime实例后，就可以通过Runtime的exec()方法在当前JVM进程外启动其他进程，创建网络截图如图6所示。

图6 创建无线教学互动网络

3.1 考勤签到

考勤签到模块除了PC的服务端可客户端，还包括Android与iOS在内的移动终端，如图9。通过本模块能方便地实现点名签到过程的完全自动化、无纸化、实时化以及上课中签到数据的全程覆盖。

（1）PC服务端端签到模块的数据来源与教务系统导出的名单文件，在开启签到功能之前必须绑定名单文件。绑定签到名单成功后，系统会读取名单中的课程信息并显示在软件上方。

（2）教师点击开始签到，接收学生信息并展示。

（3）教师在签到结束后，将签到结果写入名单文件中，对缺席的学生标记为‘X’,并在底下统计缺席人数。

（4）学生PC客户端上课前需要输入个人学号再进行签到，若学号不在名单中会提示，否则签到成功。

Android和iOS客户端启动后自行进行签到，如图7所示。

签到成功后会保存到手机本地数据库，可以对签到记录进行删除操作

3.2 远程控制

学生在座位上遇到问题可以申请远程控制，让教师能够通过网络传输进行演示和指导，如图8所示。远程控制与多屏共享不同的是，多屏共享是单向传输屏幕图像，而远程控制是在屏幕传输基础上传输键盘和鼠标事件。

图7 签到过程

图8 远程协助

4 结语

无线技术及其应用已遍及生活的各个角落，对人们的工作乃至生活方式带来巨大变革。利用无线网络技术能够有效结合手机设备构建出一个轻松高效的教学互动环境,在传统教学基础上增加了终端设备（计算机、移动手机、平板等），教学投影仪图像投放到幕墙的同时，可以同步投影到各个移动终端，大大方便了教学过程；学生有疑问可以在线提问，教师也可以远程操作终端演示，对学生学习过程进行监督有效促进教学互动；主要功能包括：考勤签到、屏幕共享、声音共享、文件共享、板书共享。无线麦克风、远程控制、问题讨论、投票统计、随机抽取等。该系统结合无线网络和电脑手机的线上互动，降低教育成本，优化教学环境，提高办学效益，促进教学质量的提高。

[1]郭诊水，高小玲.远程数育系统设计实例[M].北京：中国宇航出版社，2004.

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[4]冯先成，李德骏主编.计算机网络及应用.武汉市：华中科技大学出版社,2011，07.

[5]W.Richard Stevens.TCP/IP详解卷1:协议:机械工业出版，2000.

[6]刘瑞挺.全国计算机等级考试三级教程网络技术：高等教育出版社，2010：45．

[7]JGroups-The JGroups Project 2002-2015,Red Hat http://jgroups.org/

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[12]Cezar，Romulus，Philippe．A Flexible Communication Toolkit for Synchronous Groupware[J]．In：proceedings of the 2005 systems

Abstract：

The wireless network technology and its application have brought great changes to our social life.After joining terminal equipment,projec⁃tor image can into each terminal,and teaching courseware can share to each terminal and greatly facilitate the teaching and reduce the dis⁃tance of the projected image.Students have questions can ask questions,and teachers can make remote terminal operation demonstration.The main functions of Inter-Teaching System include attendance sign-in,screen sharing,file sharing,shared blackboard writing,wireless microphone,remote control,problem discussion,voting statistics and random selection.In combination with the wireless network and mo⁃bile computer interactive,reduces the cost of education,optimizes the environment of teaching,improves the teaching efficiency and pro⁃motes the improvement of teaching quality.

Keywords：

Wireless Local Area Network;JGroups;Group Communication;Reliable Multicast

Design and Development of Wireless Inter-Teaching System

LIANG Yuan-cheng，GUAN Ji-chang，YANG Yu-jie，JIANG Wen-chao，LIN Sui
（School of Computers,Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006）

2017-03-28

2017-06-10

1007-1423（2017）18-0080-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.18.019

广东工业大学大学生创新创业训练项目(201511845023)、广东工业大学教学改革项目（广工大教字[2015]133号）、广东省质量工程项目(粤教高函2015[133]号)、广州市科技计划项目（No.2017010160012）

梁远成（1995-），男，广东人，本科，研究方向为移动应用系统

关继超（1994-），男，广东人，本科，研究方向为移动应用系统

杨宇杰（1996-），男，广东人，本科，研究方向为移动应用系统

姜文超（1977-），男，山东人，讲师，研究方向为云计算、大数据分析

林穗（1972-），女，广东人，副教授，研究方向为云计算、云存储、操作系统