“互联网+”环境下智慧教育支撑平台的架构研究

施 珺 王勇智 李 慧 汪前进

(淮海工学院计算机工程学院 江苏 连云港 222005)

“互联网+”环境下智慧教育支撑平台的架构研究

施 珺 王勇智 李 慧 汪前进

(淮海工学院计算机工程学院 江苏 连云港 222005)

随着互联网和信息技术的迅速发展，智慧教育的理念逐渐兴起。针对互联网+环境下智慧教育的需求，提出智慧教育支撑平台系统总体架构，规划平台的解决方案，包括子系统的划分、系统总体框架的选择、服务层的构建、负载均衡和数据库集群、推荐平台的构建等。从技术实现的层面上对“互联网+”环境下智慧教育关键要素的构建进行探索。目标是实现生态化的教育模式的构建，进一步提升教育服务质量，推进优质资源的整合与共享，保障智慧教育健康可持续发展。

智慧教育 总体架构 服务层 负载均衡

0 引 言

“互联网+”环境下的智慧教育模式是指以物联网、大数据、无线通信等信息技术为支撑，旨在将互联网技术与现代教育相结合，体现智能化、多元化、个性化和生态化特征的现代教育新形态。目前，已经有很多国家正在进行智慧教育的探索。美国密歇根州东南部的赛兰地区学校的学生使用全套Google Apps 软件取代了原来的电子邮件设施，可以共享电子表格、视频等资源，并利用Google Docs 进行注解和编辑[1]。我国也出现了企业推出的教育云解决方案。例如，被称作是“三部曲”的思科教育云解决方案: 从房间(教室、办公室里的设备)到校园(思科网络基础设施、终端设备识别、数据中心连接)，再到数据中心和云端[2]。

“互联网+”环境下智慧教育支撑平台的架构分析是整个平台的先行部分，影响着整个平台的构建，具有极其重要的地位。不仅需要分析系统的组成、子系统的划分、总体架构的规划、基本框架的选择等内容，还需要实现基本的系统权限管理、教学资源管理以及数据访问接口的设计等服务功能。

1 “互联网+”环境下智慧教育支撑平台分析

1.1 平台功能分析

在“互联网+”环境下，智慧教育需要一方面提高教师从事常规教学任务的效率，减少不必要的工作；另一方面需要提升学生的学习效果，调动学生的学习积极性，让学生更加主动地去学习[3]。

如何提高教学质量是高等教育永恒的话题，就需要对影响教学质量的多维因素进行分析得出合理的度量模型。考试是教育中检查教学质量的关键环节，保证考试公平公正、高效、高质量地运行是智慧教育需要研究的内容。大数据时代为教学活动提供了助力，挖掘学生感兴趣的课程并为其提供个性化的学习资源，从而提高教学质量，这也是智慧教育的重要环节。为给用户提供便利的学习条件，让用户能够随时随地学习，手机App则必不可少。

经分析得出，互联网+智慧教育平台包括：智能考场子系统、教学质量演进优化子系统、教学资源智能推荐子系统、基于社会网络的学习社区App、个性化学习资源推送App和交互式实时评测App。除此之外，平台有专门的系统UI综合设计和应用程序综合测试。

1.2 服务层分析

(1) 权限管理：平台共分为多个角色，不同的角色拥有不同的功能，所有的子系统共用一套权限管理系统，不同的角色进入系统显示不同功能操作界面。

(2) 教学资源管理：智慧教育平台的核心的数据资源是教学资源，大部分的子系统共享教学资源，并且能够记录用户的操作行为数据，为以后的智能推荐教学资源做准备。

(3) 数据库访问接口：本平台包括多个手机App端的应用，一是需要接收App端传来的数据，然后根据传来的数据条件进行数据库操作。二是需要将数据库中的数据转化为json格式的数据传递给手机端，手机端再进行解析展示数据。所以需要设计统一的数据库访问接口，为其提供高效、高质量的数据服务。

1.3 Web端框架选取

SSH为Struts+Spring+Hibernate的一个集成Web框架，用于构建灵活、易于扩展的多层Web应用程序，能够实现视图、控制器与模型的分离，而且能够实现业务逻辑层与持久层的分离[3]。这样做的好处是数据库的变化对前端的影响变小，而且不同层之间的耦合性小，易于扩展程序的功能，有利于团队成员协同工作，大大提高开发的效率。

1.4 推荐云平台构建分析

智慧教育平台数据量庞大，后期会利用庞大的数据量为学生提供个性化的教学资源推荐，拟构建推荐云平台，将其与智慧教育平台分离。智慧教育平台只需要将用户数据发送给推荐云平台，推荐云平台会根据特定的推荐算法推荐给用户课程资源[4]。

2 “互联网+”环境下智慧教育支撑平台架构设计

2.1 平台架构设计概述

从以上平台分析得出，互联网+智慧教育平台包括：智能考场子系统、教学质量演进优化子系统、教学资源智能推荐子系统、基于社会网络的学习社区App、个性化学习资源推送App和交互式实时评测App。服务器使用了Nginx+Tomcat实现负载均衡，在云平台基础服务框架之上，为各个子系统提供权限管理、教学资源管理、和数据库访问接口的服务。系统架构图如图1所示。

图1 “互联网+”环境下智慧教育支撑平台架构图

2.2 智慧教育云平台业务逻辑设计

智慧教育云平台SECP(Smart Education Cloud Platform)可直连教务处教学数据库获取基础教学信息，有部分功能依赖于外部系统。

师生通过SECP产生教学资源信息，并向社交媒体、教学资源网站系列平台TRWC(Teaching Resources Websites Cluster)系统推送这些信息；推荐云平台利用SECP产生的数据为学生个性化推送教学资源。

师生可以使用移动手机设备，通过微信公众号或者微博公众号访问这些信息。学生可以使用电脑、平板、移动智能设备等访问TRWC获取教学资源。

SECP相关系统上线后，将被托管在淮海工学院云数据中心机房内。淮海工学院云数据中心托管并运维生产系统，淮海工学院计算机学院云计算中心对系统做容灾备份，淮海工学院凌风e云智慧教学研究所负责淮海工学院SSO统一身份认证平台、智慧教育云平台、教学资源网站系列平台的研发工作。淮海工学院师生用户使用电脑、平板、智能移动设备通过互联网连接各个教学系统，获取相应的服务。

2.3 系统应用服务层设计

(1) 权限管理

智慧教育平台庞大，老师、学生、领导等不同的角色协同使用系统平台完成日常的工作、学习等任务，平台既要保证不同角色对应不同功能，又要保证功能访问的安全性，这就需要对每个访问的请求进行拦截判断。如果此角色有此访问的功能，就允许访问，否则就拦截禁止访问。系统的工作模型如图2所示。

图2 系统工作模型图

(2) 教学资源管理

当今时代教师已经不限于基于书本知识进行授课，学生获取知识的渠道也不再局限于课堂、图书馆等。通过互联网，师生可以根据自己的需要从搜索引擎、国内外的论坛、博客、视频、其他的高校网站等各种渠道获取自己需要的相关信息[5]。随着知识和新技术的急剧增长，未来的教学需要根据本校师生的特点，利用大数据分析技术，对这些海量信息进行有效的梳理和提取，制定针对性的学习策略。

本平台教学资源的获取采用网络爬虫技术爬取了超星慕课平台上的课程资源，爬取了超星平台上的所有的课程、课程对应的章节、课程的信息以及课程的参考教材文档。主要给网站Web端、手机App端提供课程访问学习，同时记录下学生访问的记录，为后期课程智能推荐提供资源做准备。

(3) 数据库访问接口设计

此模块主要给App端提供接口访问数据库，大体上分为公共信息接口、测评接口、电子书包接口和教学质量接口四个类别，处理的流程一般为后台接受手机App端传递的数据。然后根据所需要的信息查询数据库，返还给手机App端，流程图如图3所示。

图3 访问接口的一般处理流程图

2.4 Web端框架代码优化

在表示层中，首先JSP界面用来接收响应和请求交互的数据，然后通过Struts配置文件将接收到的请求交给对应的Action处理。在业务层中，利用Spring的IoC容器完成依赖注入和协作对象数据处理组件完成业务逻辑等工作，并提供缓冲池、事务处理等容器组件以提升系统性能。在持久层中，通过Hibernate的对象化映射和数据库进行交互，处理DAO组件的数据，并返回处理结果。

系统中会有很多公共的代码，比如增、删、改、查的方法。所以可以把公共的代码从中抽取出来，封装成公共类，子类直接继承此公共类就可以使用父类中的方法，减少代码的复杂度，提高开发的效率。Action层和Service层代码优化图如图4所示。

图4 Action层和Service层代码优化图

3 负载均衡与数据库集群

3.1 负载均衡

考虑到平台的访问量可能很大，单个服务器节点可能无法满足要求。负载均衡是将来自用户的请求通过负载均衡服务器分发到多个服务器上进行处理，从而共同完成工作任务，既保证服务的可用性，又提升了处理的效率，给用户很好的体验[6]。Web端系统采用Tomcat作为服务器，使用Nginx作为负载均衡服务器，将用户的请求分发到不同的服务器处理。

3.2 数据库集群

平台刚开始运行数据量还很少，但若是运行一段时间必将产生大量的数据，尤其是记录一些用户行为的数据，若是只有单个数据库承担，压力是非常大的。网站的访问一般是读操作远大于写操作[7]，搭建数据库的集群，一个主数据库对应多个从数据库，采用读写分离[8]，所有写操作都是写到主数据库中，所有的读操作从数据库中的读取。

4 “互联网+”环境下智慧教育平台推荐云平台的构建

由于学生产生的数据量较大，而且需要计算的东西也比较多，所以需要构建推荐云平台，在推荐云平台上主要运行的是算法的核心部分。学生通过手机App和Web端访问智慧教育平台会记录学生的访问信息。智慧教育平台服务器设置定时任务定时将用户的访问信息数据传送到推荐云平台[9]，推荐云平台通过计算得到推荐结果，将推荐的教学资源返还给智慧教育平台供终端用户访问。推荐云平台的构建如图5所示。

图5 智慧教育推荐平台设计图

5 结 语

“互联网+”环境下智慧教育平台架构分析了系统的功能，规划了平台的总体架构。采用网络爬虫技术实现了爬取超星慕课平台上的课程、课程章节、课程参考教材、课程介绍等信息，实现了和超星平台的无缝连接，提高了教学资源的共享程度。平台各个子系统使用一套权限管理系统，提高了平台的安全性，同时给手机App端提供了稳定的接口信息访问，极大地方便了App端数据的访问和传递。该架构的特点如下：

(1) 平台集成性：平台高度集成智慧教育平台各个子系统，采用网络爬虫技术，实现了和超星慕课平台的无缝连接，并且为其子系统提供权限管理、数据库接口访问、教学资源访问等功能服务。

(2) 平台高效性：网站采用Nginx+Tomcat实现负载均衡，提高了用户的访问效率，同时采用Hibernate的缓存机制，提高系统的响应速度。

(3) 平台开放性：系统采用接口模式开发，便于系统的扩展。

(4) 平台合理性：平台将公共的服务抽离，为各个子系统提供权限、数据等服务。同时平台将智慧教育平台与推荐平台分离，让其各自致力于自己的功能上，为之后的个性化学习资源推荐提供支持。

[1] 张进宝,黄荣怀,张连钢.智慧教育云服务:教育信息化服务新模式[J].开放教育研究,2012 (6):9-10.

[2] 祝智庭,贺斌.智慧教育:教育信息化的新境界[J].电化教育研究,2012 (12):5-13.

[3] 陈琳,王运武. 面向智慧教育的微课设计研究[J]. 教育研究. 2015(3):93-97.

[4] 王令群,何世钧,袁小华,等. 基于J2EE和云计算的智慧社区架构设计[J]. 实验室研究与探索,2014(1):123-127.

[5] 王义,马尚才.基于用户行为的个性化推荐系统的设计与应用[J].计算机系统应用,2010(8):29-33.

[6] 张立新,朱弘扬. 国际智慧教育的进展及其启示[J]. 教育发展研究, 2015(5):54-60.

[7] 胡华海,王新宇. 浅析大型网站的基础架构[J]. 科技风, 2009(4):12-13.

[8] 杨现民，余胜泉.智慧教育体系架构与关键技术[J].中国电化教育,2015(1)：77-84.

[9] 李宏运. 基于微博的在线学习资源推荐平台核心功能设计与实现[D].北京邮电大学,2015.

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。国家自然科学基金项目(61403156，61403155)。施珺，教授，主研领域：教育信息化。王勇智，学士。李慧，副教授。汪前进，副教授。

TP3

A

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