以Pad为主体的多终端协同智慧教学平台框架*

王晓春



以Pad为主体的多终端协同智慧教学平台框架*

王晓春

（首都师范大学 教育技术系，北京 100048）

为保证Pad终端有序、高效地支持课堂教学，文章提出了一种以Pad为主体的多终端协同智慧教学平台框架，并从其硬件结构、软件体系结构、运行时结构三个方面进行了详细阐述。基于该框架，文章开发了一个以Pad为主体的多终端协同智慧教学支持系统原型，介绍了系统原型的四大功能模块及其实现。该框架在系统原型中的应用，证明了该框架能提高师生在Pad课堂的协同工作效率，能保障Pad课堂在教师的控制下有条不紊地运作，提高了多终端协同智慧教学支持系统的开发效率。

Pad；多终端协同；智慧教学；平台框架；支持系统原型

随着移动终端和云计算技术的发展，Pad作为便携式交互终端进入课堂已经成为智慧校园建设的一个趋势[1]，且形成了基于Pad的1对1课堂教学环境[2]。如果教师不能控制和协调这些Pad设备，课堂就会进入混乱状态，故如何协调这些Pad成为了Pad形态智慧教室中一个亟待解决的重要问题。在智慧空间的协同计算研究中，Badam等[3]实现了跨终端的网页协同可视化；荣晓慧等[4]从时序角度，设计了一种大规模设备协同机制，主要用于场馆的协同照明任务；陈孟頔[5]论述了智能家居中的多设备协同方法，并设计了智能家居协同模块，以实现家电间的协调工作；丁扬等[6]开发了支持可穿戴设备协同的移动中间件；而万烂军[7]研究了异构众核系统的多设备协同并行计算技术。本研究结合Pad的特点和多终端智慧教室环境的特征，提出了一个以Pad为主体的多终端协同智慧教学平台框架（下文简称“框架”）。

一 框架的硬件结构

框架的硬件结构由教师Pad、学生Pad、服务器、电子白板、无线路由器、云端设备构成。其中，教师Pad由教师操控，通过控制学生Pad和电子白板，组织各种教学活动；学生通过学生Pad接收教学指令，开展学习活动；服务器作为整个教学环境的中心控制单元，实现教室内各终端的通信协调功能，并把各终端所需要的高性能计算布置于此；电子白板主要用于班级的集体交流、信息共享和面对面合作学习；无线路由器负责将教师Pad、学生Pad、服务器、云端设备互联起来，建成智慧课堂的网络环境；云端设备则负责存储课堂所需的海量学习资源，教师和学生可利用自己的Pad便捷地从云端获取所需的学习资源。

框架的硬件结构体现了教师、学生、教学资源和教学媒体之间的交互关系，为教师和学生提供了一个新型的课堂教学硬件支持服务环境，支持教学控制、学习资源获取、课堂反馈、学习分析等，便于师生之间进行合作交流和信息共享；同时，教师也可以及时获取学生的学习过程与学习结果等信息，并据此为学生提供个性化学习指导。

二 框架的软件体系结构

框架的软件体系结构由表示层、业务逻辑层、协调层、计算层和数据层构成，如图1所示。其中，表示层指学生端、教师端、白板端的用户界面，各终端界面接受用户的输入并进行预处理，然后把预处理的结果转发给业务逻辑层，其支持的交互方式有触屏、数字笔、软键盘、语音、拍照等；业务逻辑层接收各交互终端表示层的处理结果，完成各终端能独自完成的各种业务逻辑计算（包括课堂授课、课堂管理、课堂测试、课堂评价、课堂反馈、课堂激励等），并把不能独自完成的任务转发给协调层；协调层接收业务逻辑层的各项任务，协调各项任务的优先级，解释并转发来自各终端的消息，从而实现对各终端的通信控制；计算层主要提供课堂必要的高性能计算功能，如资源推送、噪音清理、数据选择、活动计算、模型选择和模型计算等；数据层则实现Pad课堂所需数据（如基础信息、教学资源、课堂行为信息等）的本地集中式存储或必要的云存储。

图1 框架的软件体系结构

图2 框架的运行时结构

图3 中心协调器的运行结构

在实际部署中，表示层、业务逻辑层运行于各终端（即教师端、学生端和白板端）；协调层分成两部分：一部分运行于各终端，另一部分运行于服务器，以实现各终端和服务器之间的网络通信与并发协调；计算层、数据层则主要运行于服务器端和云端，以提高整个环境的数据存储能力和计算性能。

三 框架的运行时结构

框架的运行时结构反映了各终端与系统模块之间的交互关系，如图2所示。具体来说，师生之间的课堂活动过程由服务器上的中心协调器控制，课堂活动通常由教师Pad发起，学生通过Pad终端作为主体参与其中；在协作规则的许可或教师的指令下，学生的活动内容可同步到电子白板上，实现内容展示或开展合作学习；当需要大规模计算时，中心协调器将主动调用服务器端的活动计算模块和存储管理模块，以完成必要的计算或存储，并在必要时访问云端资源。

为使框架内各终端协同运行，本研究设计了两种协调模块：各终端的协调模块负责协调自身交互命令和来自服务器任务消息的执行顺序，服务器端的协调模块（即中心协调器）则负责协调整个环境内来自各终端任务消息的执行顺序。值得一提的是，整个环境内的各教学终端都属于轻量级计算设备，主要工作负载集中于服务器上。而服务器是采用单机架构还是集群并行架构，主要取决于整个环境需要支持的终端数和计算量——当终端数过多、计算量过大而影响反应速度时，应更换性能更高的服务器或采用集群架构，并做好各模块的负载平衡设置。框架运行时结构的设计主要涉及以下方面：

1 中心协调器设计

中心协调器负责整个环境的时序控制、协调各终端之间的交互任务，确保整个智慧环境中的教学工作有序进行，其运行结构如图3所示。具体来说，接收器负责接收各终端发送来的消息并将其加入到接收队列中，然后由执行顺序控制模块负责接收队列的自动排序，以确定接收队列中待处理消息的执行顺序。之后，线程控制器负责从接收队列中取出消息，控制并发执行的线程数，创建相应的线程，分配线程所需的资源——每个线程由解释器和处理器两个模块组成，解释器负责解释消息协议，处理器则负责依据解释器给出的解释结果，调用相应的功能模块进行处理。处理完毕后，将产生两种可能情况：一种是执行完毕，进行数据缓存，等待其它处理器做进一步处理；另一种是生成新消息，然后将新消息加入到发送队列中，等待发送器将其转发到相应终端做进一步处理。

2 任务之间的时序关系设计

在以Pad为主体的多终端协同智慧教学环境下，不同终端之间存在消息的同时接收与发送、不同任务之间存在并发执行的问题，为确保各项任务有条不紊地进行协同工作，在设计中心协调器时需考虑上下文相关任务之间的关系。基于此，本研究将时序关系分为以下两类：

①顺序关系，是指任务具有特定的执行顺序。顺序关系分为两种：生成性顺序关系是指一个任务的产生和执行导致另一个任务的产生；非生成性关系则指一个任务能否执行，依赖于另一个任务的状态——当一个任务的执行必须等待另一任务执行完毕或应答时，为阻塞顺序关系；当只要启动某一任务就能启动执行另一任务时，为非阻塞顺序关系。

②并发关系，是指在同一时间间隔内有多个任务在同一机器上执行，但在某一具体时间上仅有一个任务在执行。并发关系分为三种：并发同步是指一个任务需要另一个任务提供数据，且按照同步规则执行；并发互斥是指两个任务需要处理同一数据，且存在资源竞争，先抢到处理权的任务执行完毕另一任务才能执行；并发无关是指两个任务之间虽然是并发关系，但并不存在数据同步或资源竞争，需按照优先级规则执行。

3 消息执行的优先级控制设计

在以Pad为主体的多终端协同智慧教学环境下，各种消息遵守系统规定的时序关系。多数高优先级命令由教师发出，因为教师对学生在Pad上的各项活动握有控制权——当教师将控制权交给学生端时，学生才拥有对Pad的控制权；当教师需要收回控制权时，学生对Pad的控制权就立即被收回。因此启动学生端之后，学生自己不能关闭学生端，也无法进入其它应用程序。

框架中消息的优先级分为加急、教师级和学生级——加急消息通常由教师发出，但也可能由学生发出，如取消刚刚进行的操作；教师级消息和学生级消息分别由教师、学生在正常情况下发出。而在同一级别上，消息按照时间顺序来确定优先级，即先到的优先级更高。为避免某些消息永远无法通过中心协调器处理，本研究设计了利用等待时间提高消息优先级的功能，使一些低优先级的消息随着时间的流逝而逐渐提高优先级，从而获得执行权。

四 框架在系统原型中的应用

基于框架，本研究设计并开发了一个以Pad为主体的多终端协同智慧教学支持系统原型（下文简称“系统原型”），旨在为小学课堂提供智能化的教学支持。

1 系统原型的功能模块

基于小学课堂的实际教学需要，系统原型共设有四大功能模块：①授课模块，主要完成新知识的课堂传递，可采取的模式有讲解式、自主探究式和小组合作学习等。②管理模块，主要实现教师对课堂教学过程和基础数据的管理，如教师可以通过教师Pad查看学生信息，开启或关闭屏幕广播，切换、监看或锁定学生Pad屏幕等。③反馈模块，由师生问答、课堂测试和课后练习组成——师生问答是教师首先向学生发起提问，然后学生举手，最后教师随机选择学生口头作答或有针对性地指定某位学生口头作答；课堂测试采取选择、判断等多种题型，对学生学习的某一个或多个知识点的学习情况进行测验与分析；而课后练习是课堂测验的离线版，学生可以随时随地完成练习，等到能上网时，再将练习过程与答案上传到云端，由教师对学生的练习过程和结果进行分析。④评价模块，分为课堂学生评价和学生课堂评价两种——课堂学生评价是指在课堂上的教师评价和学生互评，学生课堂评价则指学生针对本节课的授课内容、自身学习状况、趣味性、易懂性等进行反馈。

本研究以课堂测试为例，来分析与设计多终端间的协同功能。课堂测试是多终端协同工作中比较复杂的一项功能。在测试中，系统实时记录学生作答题目的选项、起止时间、选择过程等信息，再对试题的整体正确率、各个题目的正确率、成绩等级分布、答题过程等信息进行实时统计分析，以帮助教师分析学生的答题过程和学习效果。课堂测试的多终端协同过程如图4所示，其中（1）～（8）表示用户的交互消息，①～⑫表示不同进程之间的通信消息。

图4 课堂测试的多终端协同过程

首先，教师发出交互消息（1）启动测试、发出交互消息（2）选择试卷、发出交互消息（3）发放试卷，从而触发通信消息①命令服务器发放试卷，引发服务器工作。随后，服务器转发消息①而产生广播消息②，向全班学生Pad发送电子试卷，同时记录与学生端的通信是否成功，以保证班级所有人都收到试卷。当所有学生Pad接收到消息②之后，服务器通知开始学生测试，当学生发出开始测试的消息（6）时，此学生端的Pad系统便进入学生答题状态。学生通过选择试题、给出答案、查看考试信息等答题交互动作，不断向服务器发送答题信息③，答题完成后可以随时发出交卷消息⑫以完成交卷。因此，消息①和消息②、消息（7）和消息③都是生成性顺序关系，而消息②和消息（6）、消息（6）和消息（7）都是阻塞顺序关系。

教师Pad通过交互消息（3）发送消息①，等待试卷全部发送给服务器后再发送交互消息（4），因此消息（3）与消息（4）构成阻塞顺序关系，即教师Pad委托服务器发放试卷后，才允许交互消息（4）通知实时监控与分析模块发出请求消息④，引发服务器端对消息③和消息⑫携带的数据进行分析，这时消息④和消息③、消息④和消息⑫之间是并发同步的，数据分析后会产生消息④的应答消息⑤或⑩，并将分析结果呈现给师生。当服务器上的接收数据缓冲区存满时，就向测试行为库写入数据，需要数据时则从测试行为库中读出，因此消息⑥和消息⑦是并发互斥关系。

当考试结束时，教师Pad通过交互消息（5）向服务器发出强制收卷命令⑧，服务器向学生端广播收卷命令⑪，进入收卷状态。当学生Pad收到服务器转发来的强制交卷命令后，已交卷的学生Pad忽略此消息，而未交卷的学生Pad进入收卷状态，禁止学生继续答题并把未发送完的答题信息③和交卷消息⑫逐一发送到服务器上。当服务器处理完所有的交卷信息后，应答收卷命令⑧而产生消息⑨，向各终端发送测试统计分析结果。因此，消息⑧和消息⑪、消息⑧和消息⑨之间都是生成性顺序关系。

2 系统原型的实现

系统原型采用Android系统作为Pad的操作系统、普通台式计算机作为服务器、MySQL数据库管理系统作为数据服务器，并利用Java语言进行了实现。图5、图6和图7是系统原型实现后的三个界面——图5所示界面来自教师Pad端，用于查看和管理在线学生；图6所示界面来自学生Pad端，是学生正在答题的界面，每题一屏，便于系统记录学生的答题起止时间；图7是某次课堂测试的试题正确率整体分析界面，既可在教师Pad端呈现，也可通过白板端投射到电子白板上，便于教师和学生了解测试的整体情况。

图5 查看和管理在线学生界面

图6 学生答题界面

图7 试题正确率整体分析界面

通过框架在系统原型中的应用，本研究发现：框架作为一种分布式的协同教学环境平台，既便于教师通过锁屏操作有效控制学生对Pad的使用，避免学生分散注意力；也便于教师通过切屏操作将学生屏幕内容切换到电子白板上，实现内容展示或开展合作学习。此外，通过系统对测试的实时分析，教师能够及时掌握学生的答题进度、答题用时、答案正误，由此发现学生存在的问题——当然，如果是主观题，学生仅利用拍照功能将答案传递给教师或在白板上展示，还是存在一定的局限性。总的来说，框架能提高师生在Pad课堂的协同工作效率，能保障Pad课堂在教师的控制下有条不紊地运作，提高了多终端协同智慧教学支持系统的开发效率。

[1]Vaughan M, Beers C. Using an exploratory professional development initiative to introduce iPads in the early childhood education classroom[J]. Early Childhood Education Journal, 2017,(3):321-331.

[2]王伟东,金义富.一对一数字化互动反馈智能课堂学习环境研究[J].中国电化教育,2015,(7):55-59.

[3]Badam S K, Elmqvist N. PolyChrome: A cross-device framework for collaborative web visualization[A]. Proceedings of the ninth ACM international conference on interactive tabletops and surfaces[C]. New York: ACM, 2014:109-118.

[4]荣晓慧,陈峰,邓攀,等.大规模设备协同机制研究[J].计算机研究与发展,2011,(9):1589-1596.

[5]陈孟頔.智慧家居服务多终端协同控制方法与应用算法设计[D].南京:南京邮电大学,2013:15-16.

[6]丁扬,王淑刚,李石坚,等.Scudware Mobile:支持可穿戴设备协同的移动中间件[J].计算机科学,2015,(9):18-23.

[7]万烂军.面向新型异构众核系统的多设备协同并行计算关键技术研究[D].长沙:湖南大学,2016:60-71.

The Framework of Pad-dominate Wisdom Teaching Platform with Multi-terminal Collaboration

WANG Xiao-chun

In order to ensure that Pad terminal can ordely and efficiently support classroom teaching, this paper proposed the framework of Pad-dominated wisdom teaching platform with multi-terminal collaboration, and described its hardware structure, software system architecture and runtime structure in detail. Based on this framework, the support system prototype of the Pad-dominated wisdom teaching with multi-terminal collaboration was developed, further the four function modules of the system prototype and its realization were introduced.The application of the framework in system prototype demonstrated that the framework could improve the collaborative work efficiency of teachers and students in Pad classroom, ensure the ordered operation of Pad classroom under teachers’ control, and improve the development efficiency of the support system of wisdom teaching with multi-terminal collaboration.

Pad; multi-terminal collaboration; smart teaching; platform framework; support system prototype

G40-057

A

1009—8097（2018）11—0121—06

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.11.018

本文受国家社科基金一般课题“‘一带一路’开放教育资源共建共享机制及推进策略研究”（项目编号：BCA70073）、北京市教育科学“十二五”规划重点课题“基础教育学校课堂教学实验研究（项目编号：ABA150008）”资助。

王晓春，副教授，博士，研究方向为智慧教育、普适计算，邮箱为IRHCI@qq.com。

编辑：小米