基于私有云的在線(xiàn)學(xué)習交流平臺的設計與實(shí)現*

*基金項目：江蘇省現代教育技術(shù)研究課題（2022-R-100280）

自新冠疫情爆發(fā)以來(lái)，全國高校逐漸進(jìn)入停課不停學(xué)的狀態(tài)，高校的授課方式也由線(xiàn)下教學(xué)轉變?yōu)?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/在線(xiàn)教學(xué)">在線(xiàn)教學(xué)。在線(xiàn)學(xué)習最早由《美國教育白皮書(shū)》提出，是指通過(guò)計算機和互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)形式進(jìn)行知識內容傳播和便捷學(xué)習的新型教育方法^[1]。在國內，慕課網(wǎng)^[2]、職教云等各類(lèi)在線(xiàn)學(xué)習平臺的出現，也為高校實(shí)現在線(xiàn)教學(xué)提供了技術(shù)支撐。在線(xiàn)學(xué)習為學(xué)生提供了豐富的學(xué)習資料和多樣化的學(xué)習方式，逐漸成為學(xué)生獲取知識的有效手段之一。為了研究在線(xiàn)學(xué)習是否能夠普及使用，有學(xué)者開(kāi)始組織學(xué)生對在線(xiàn)學(xué)習、在線(xiàn)教學(xué)和模塊化教學(xué)進(jìn)行評價(jià)^[3]。結果顯示，有部分學(xué)生對在線(xiàn)學(xué)習體驗不滿(mǎn)意。其主要原因包括：1）環(huán)境與技術(shù)因素。例如基礎條件不足, 同時(shí)缺乏互聯(lián)網(wǎng)使用經(jīng)驗以及必要培訓^[4]；2）在線(xiàn)教學(xué)過(guò)程中僅能夠在線(xiàn)留言和回復，無(wú)法對學(xué)習內容進(jìn)行實(shí)時(shí)交流。

為了解決這些問(wèn)題，學(xué)者們也進(jìn)行了探索。劉小英^[5]等提出通過(guò)WebSocket 通訊技術(shù)，實(shí)現實(shí)時(shí)交流，提高了師生互動(dòng)性；安磊^[6]等開(kāi)發(fā)了一個(gè)基ThinkPHP框架的遠程學(xué)習交流平臺, 實(shí)現了網(wǎng)上交流和資料下載；張國平^[7]開(kāi)發(fā)了適用于軟件工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)習交流平臺，實(shí)現了學(xué)生從被動(dòng)聽(tīng)講到主動(dòng)參與的轉化。學(xué)者們的這些工作，在一定程度上解決了在線(xiàn)學(xué)習過(guò)程中的交流問(wèn)題，在經(jīng)濟發(fā)展較好的地區及高校能夠快速地推廣使用。然而，這些信息化系統通常需要一定的硬件條件支撐，有些還需要較高的系統配置才能夠使用，同時(shí)還需要一定的后期維護。在一些基礎條件不足的高校，可能無(wú)法進(jìn)行此類(lèi)學(xué)習交流平臺系統的建設。

隨著(zhù)云計算平臺的不斷發(fā)展，對于基礎設施的要求逐漸降低。因其具備虛擬性、可靠性、通用性、可伸縮性、按需使用等特點(diǎn)，使其在數據安全、計算效率、經(jīng)濟成本等方面都有巨大的優(yōu)勢。因此，使用云平臺構建定制化的數字系統也逐漸被各企事業(yè)單位所接受。私有云作為一種單獨為企事業(yè)單位創(chuàng )建的云服務(wù)，只為企事業(yè)單位內部用戶(hù)使用，最大程度地增加了數據的安全性。本文主要將私有云技術(shù)應用到在線(xiàn)學(xué)習交流平臺中，以期用比公有云更低的經(jīng)濟成本，滿(mǎn)足高校學(xué)生在學(xué)習過(guò)程中的實(shí)時(shí)交流需求，同時(shí)為高校的信息化建設提供參考。

1   需求分析

本系統主要目標為構建學(xué)習問(wèn)題交流、分享發(fā)布學(xué)習資源、學(xué)習資源管理的在線(xiàn)交流平臺。根據用戶(hù)需要，系統主要涉及三種角色: 學(xué)生、教師和管理員。

1）學(xué)生用戶(hù)具有維護個(gè)人基本信息；查看各類(lèi)通知公告；瀏覽課程資料、教師資料；瀏覽課程進(jìn)度；針對課程信息的交流、留言；針對課程或某一問(wèn)題創(chuàng )建、編輯、加入和退出討論組；課程相關(guān)資源的上傳下載等功能。

2）教師用戶(hù)除學(xué)生用戶(hù)的功能外，還具有通知公告的編輯；課程資料編輯；課程大綱、教案、先導和后續課程的編輯等功能。

3）管理員用戶(hù)可以使用平臺的所有功能，除學(xué)生和教師用戶(hù)的功能外，還具有基礎信息維護[8]（包含院系、專(zhuān)業(yè)、班級、課程、學(xué)生、教師等基礎信息的初始化及導入導出）；系統的基礎管理；數據字典的設置；學(xué)習資源的審核管理等功能。

2   系統設計

2.1 系統架構

本系統包含基礎設施層、服務(wù)管理層和用戶(hù)層，其平臺架構圖如圖1 所示?；A設施層將多臺服務(wù)器資源進(jìn)行整合和存儲，由服務(wù)管理層對用戶(hù)數據進(jìn)行管理，在用戶(hù)層進(jìn)行結果展示。

1）基礎設施層：基礎設施層位于云平臺的最底層，包括構成云計算平臺的基礎硬件設施、系統虛擬鏡像、數據管理服務(wù)及網(wǎng)絡(luò )服務(wù)等模塊。該層負責采集物理節點(diǎn)的存儲、網(wǎng)絡(luò )、內存等資源，通過(guò)虛擬化技術(shù)將資源進(jìn)行處理并整合為統一資源池。資源池內部根據用戶(hù)的需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)調整，為系統運行提供了基礎保障。

2）服務(wù)管理層：服務(wù)管理層為系統的核心層，采用模塊化設計，為平臺提供支撐，其數據資源來(lái)源于基礎設施層。具有元數據服務(wù)、資源庫服務(wù)、數據計算服務(wù)、在線(xiàn)交流平臺系統門(mén)戶(hù)服務(wù)等模塊。通過(guò)服務(wù)管理層實(shí)現在線(xiàn)學(xué)習交流系統的開(kāi)發(fā)、配置、維護等。學(xué)習交流資源存儲在云端，學(xué)生可以便捷的上傳和下載。

3）用戶(hù)層：用戶(hù)層一般由瀏覽器構成，包含PC 端瀏覽器和移動(dòng)端瀏覽器。用戶(hù)根據請求地址對數據資源進(jìn)行請求操作，數據經(jīng)由基礎設施層和服務(wù)管理層的處理，最終以友好的方式向用戶(hù)展現。

2.2 私有云設計

云平臺構建采用基于OpenStack 的IaaS 架構，OpenStack 云計算平臺的優(yōu)勢在于模塊耦合度低、組件靈活配置等^[9]。云平臺構建時(shí)使用OpenStack 中的核心組件及其功能如表1 所示。

云平臺用戶(hù)經(jīng)由Keystone 認證，使用Horizon 的UI界面創(chuàng )建虛擬機，鏡像服務(wù)由Glance 提供。由Neutron進(jìn)行IP 地址的配置，再由Cinder 為虛擬機實(shí)例提供塊存儲。本系統使用五臺物理機，具有網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)、控制節點(diǎn)和計算節點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)配置如表2，組網(wǎng)結構如圖2。

2.3 系統功能設計

在線(xiàn)學(xué)習交流平臺具有在線(xiàn)論壇和系統管理兩個(gè)模塊。在線(xiàn)論壇主要包括：在線(xiàn)學(xué)習、論壇板塊列表、論壇帖子列表、帖子交互（包括回復、引用、點(diǎn)贊、收藏等）、熱門(mén)內容（時(shí)間段內討論最多的問(wèn)題）、關(guān)鍵字搜索等功能；系統管理主要包括^[10]：論壇板塊管理、論壇帖子管理、討論組管理、學(xué)習資源管理（審核資源合法性）、初始化管理、通知公告和系統管理等模塊。具體系統功能結構如圖3 所示。

1）課程資源管理

課程資源由授課教師進(jìn)行編輯維護。教師負責維護課程的課程標準、教學(xué)大綱、教學(xué)設計、課程知識點(diǎn)、教學(xué)課件、課后習題等必要資源。對于多個(gè)教師同時(shí)教授一門(mén)課程時(shí)，可以同步維護課程資源。

2）資源上傳下載

用戶(hù)可以按照課程維度和知識點(diǎn)維度，自由上傳和下載相關(guān)學(xué)習資源。上傳資源類(lèi)型支持Word、PPT、Excel、PDF、MP4、AVI、MOV、WMV 和RMVB 等。對于上傳的學(xué)習資源，可以選擇公開(kāi)或獨有，但公開(kāi)的學(xué)習資源，需要經(jīng)過(guò)管理員審核后才會(huì )被其他用戶(hù)所見(jiàn)。

3）資源在線(xiàn)學(xué)習

用戶(hù)可以自由查看課程相關(guān)資源，資源支持在線(xiàn)瀏覽學(xué)習，同時(shí)開(kāi)始記錄學(xué)習時(shí)長(cháng)。對于用戶(hù)瀏覽的非視頻資源，系統每隔15 min 檢測一次客戶(hù)端是否活躍。當發(fā)現用戶(hù)無(wú)任何交互動(dòng)作后，暫時(shí)計時(shí)，直到用戶(hù)重新激活學(xué)習狀態(tài)。學(xué)習資源也支持下載到本地觀(guān)看，線(xiàn)下學(xué)習時(shí)間不被系統記錄。

4）知識點(diǎn)標記

學(xué)生對于任意知識點(diǎn)問(wèn)題，可以進(jìn)行手動(dòng)標記，可以看到已在該知識點(diǎn)下進(jìn)行標記的學(xué)生列表。

5）討論組

當知識點(diǎn)被標記后，平臺自動(dòng)以“專(zhuān)業(yè)- 學(xué)科- 知識點(diǎn)名稱(chēng)”創(chuàng )建一個(gè)關(guān)于該知識點(diǎn)的討論組，學(xué)生可以自由選擇加入、邀請列表內學(xué)生加入和退出該討論組。討論組內可以進(jìn)行實(shí)時(shí)交流，交流的消息記錄可以在云端永久保存。學(xué)生可以自由討論關(guān)于該知識點(diǎn)的見(jiàn)解或疑問(wèn)，也可以針對該知識點(diǎn)選擇某一有授課記錄的教師來(lái)進(jìn)行回復。受邀教師將收到平臺短消息推送，教師可以直接回復該問(wèn)題，而不會(huì )自動(dòng)加入該討論組。同一教師每日最多可以被選擇5 次來(lái)進(jìn)行答疑。

6）學(xué)生學(xué)習統計

學(xué)生可以查看當前已學(xué)習的課程信息，包括已學(xué)課程列表、在學(xué)課程列表、在學(xué)課程已完成進(jìn)度、單科和全科學(xué)習時(shí)長(cháng)，同時(shí)可以選擇是否公開(kāi)個(gè)人學(xué)習狀態(tài)及信息。系統可以統計排名全站用戶(hù)的公開(kāi)信息。

7）學(xué)習資源管理

用戶(hù)上傳的各類(lèi)學(xué)習資源，都處于待審核狀態(tài)，管理員負責管理審核該類(lèi)資源。對于Word、PPT、Excel等文件內容，首先由系統平臺掃描文件內是否存在違禁詞字典表中的內容，然后由管理員手動(dòng)審核正文內容是否存在意識形態(tài)等問(wèn)題，審核無(wú)誤后該資源才能被其他用戶(hù)所查看。對于視頻資源，系統平臺不支持視頻直接上傳，必須先上傳至第三方站點(diǎn)，再將該外鏈地址保存至系統平臺，合法的第三方站點(diǎn)由管理員在字典表中進(jìn)行設置。

8）初始化管理

管理員可以上傳導入學(xué)?；举Y料，如院系信息、專(zhuān)業(yè)信息、課程信息、班級信息、學(xué)生信息、教師信息等，同時(shí)自動(dòng)檢測是否存在對應的課程論壇板塊。若該板塊不存在，則自動(dòng)按照學(xué)院—專(zhuān)業(yè)—課程的目錄結構創(chuàng )建該板塊。課程板塊創(chuàng )建完畢后，自動(dòng)將有授課任務(wù)的教師列入該板塊的管理者。

3   私有云的構建

3.1 基礎環(huán)境配置

物理機硬件采用8 核心CPU、64 Gb 內存×4、16Tb企業(yè)盤(pán)×4，操作系統使用Centos7.7。配置好網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)、防火墻，數據庫使用MySQL。

3.2 Keystone 服務(wù)安裝

Keystone 為OpenStack 提供認證服務(wù)，其安裝過(guò)程如下：

1）基礎環(huán)境安裝后，登錄MySQL 并創(chuàng )建Keystone數據庫，創(chuàng )新系統用戶(hù)并賦予操作權限；

2）獲取對應的管理口令，安裝軟件服務(wù)和配置文件；

3）執行身份引導服務(wù)；

4）配置管理員用戶(hù)，創(chuàng )建項目、域、用戶(hù)、角色。創(chuàng )建項目作為OpenStack 的系統項目，所有系統服務(wù)加入該目。

3.3 Glance 服務(wù)安裝

Glance 為OpenStack 提供鏡像服務(wù)，為用戶(hù)的上傳、修改、導出、刪除虛擬機鏡像提供服務(wù)支撐，其安裝過(guò)程如下：

1）登錄MySQL 并創(chuàng )建 Glance 數據庫。

2）創(chuàng )建用戶(hù)、角色和API 服務(wù)端點(diǎn)

3）安裝和配置Glance 服務(wù)。

4）同步Glance 數據庫，啟動(dòng)并測試Glance 服務(wù)。

5）測試獨有鏡像并上傳。

3.4 Nova服務(wù)安裝

Nova 為OpenStack 提供計算服務(wù)，可以用來(lái)管理虛擬機實(shí)例，其安裝過(guò)程與Glance 服務(wù)的安裝基本一致：

1) 登錄MySQL 并創(chuàng )建Nova 數據庫。

2）創(chuàng )建用戶(hù)、角色和API 服務(wù)端點(diǎn)。

3）安裝配置Nova。

4）同步Nova 數據庫，啟動(dòng)并測試Nova 服務(wù)。

3.5 Neutron服務(wù)安裝

Neutron 為OpenStack 提供網(wǎng)絡(luò )服務(wù)，其對防火墻、交換機、負載均衡器等都有較好的支持。其安裝過(guò)程如下：

1) 登錄MySQL 并創(chuàng )建Neutron 數據庫。

2）創(chuàng )建用戶(hù)、角色和API 服務(wù)端點(diǎn)。

3）安裝配置Neutron，修改內核配置文件。

4）初始化創(chuàng )建網(wǎng)絡(luò )。

3.6 Horizon服務(wù)安裝

Horizon 為OpenStack 提供友好的交互界面，用戶(hù)可以使用控制臺完成項目管理。軟件安裝后，修改用戶(hù)域和角色并重啟服務(wù)，即可登錄OpenStack 控制臺。

3.7 Cinder服務(wù)安裝

Cinder 為OpenStack 提供塊存儲服務(wù)，同時(shí)提供實(shí)例對象的虛擬磁盤(pán)。其安裝過(guò)程如下：

1）登錄MySQL 并Cinder 數據庫。

2）創(chuàng )建用戶(hù)、角色和API 服務(wù)端點(diǎn)。

3）安裝配置Cinder。

4）同步Cinder 數據庫，啟動(dòng)并測試Cinder 服務(wù)。

4   系統實(shí)現

本系統基于開(kāi)源軟件若依進(jìn)行開(kāi)發(fā)。若依采用前后端分離技術(shù)，后端核心采用SpringBoot 集成MyBatis、Spring Security、Redis 等框架，前端集成ES6、Vue、Axios、Element-UI 等框架, 數據庫使用MySQL。

4.1 知識點(diǎn)標記

用戶(hù)可以選中知識點(diǎn)內容，當監聽(tīng)到鼠標松開(kāi)事件后，通過(guò)window.getSelection 方法獲取選中的文本。將選中的文本內容和當前行數的文本做配對，從而獲取選中文本的索引值，若未有用戶(hù)標記過(guò)則定義新的索引值，標記的內容使用span 標簽包裹并隨機設置背景色。然后通過(guò)標簽彈窗的方式，列出已標記該知識點(diǎn)的其他用戶(hù)，用戶(hù)間可以進(jìn)行交互操作。其中，知識點(diǎn)添加點(diǎn)擊事件的關(guān)鍵代碼如下：

4.2 討論組實(shí)時(shí)交流

討論組的實(shí)時(shí)交流基于WebSocket 通訊協(xié)議實(shí)現。用戶(hù)通過(guò)WebSocket 的onOpen 事件進(jìn)入討論組，輸入交流內容后通過(guò)WebSocket 的send 方法發(fā)送給服務(wù)端。服務(wù)端收到交流內容后，經(jīng)過(guò)解析處理再轉發(fā)給討論組內其他用戶(hù)，用戶(hù)通過(guò)WebSocket 的onMessage 方法接收交流內容。其中，用戶(hù)接收交流內容的方法如下：

public void onMessage(String message,Session

session){

ObjectMapper mapper =new ObjectMapper();

Message mess = mapper.readValue(message,

Message.class);

String toName = mess.getToName();

String data = mess.getMessage();

String username = (String) httpSession.getAttribute

(“user”);

String resultMessage = MessageUtils.getMessage

(false, username, data);

onlineUsers.get(toName).session.getBasicRemote().

sendText(resultMessage);

}

4.3 學(xué)習時(shí)長(cháng)統計

將學(xué)習頁(yè)面的生命周期劃分為“初始”、“切換”、“終止”3 個(gè)狀態(tài)，3 個(gè)狀態(tài)的認定形式如表3 所示。

當用戶(hù)在線(xiàn)學(xué)習時(shí)，發(fā)生以上任意動(dòng)作，則累加動(dòng)作間的時(shí)長(cháng)。使用window.onload 和 window.onbeforeunload 方法監聽(tīng)頁(yè)面加載和頁(yè)面關(guān)閉；使用pageshow 和pagehide 監聽(tīng)瀏覽器前進(jìn)或后退； 使用visibilitychange 監聽(tīng)Tab 切換、桌面切換和電腦睡眠。

4.4 熱門(mén)內容

用戶(hù)可以按時(shí)間維度查看高頻關(guān)鍵詞，關(guān)鍵詞統計源包括論壇帖子內容、知識點(diǎn)活躍度和討論組內關(guān)鍵詞等。關(guān)鍵詞以詞云的方式進(jìn)行顯示，鼠標滑動(dòng)到詞云時(shí)，顯示其詞頻數量及占比，如圖4 所示。

圖4 高頻關(guān)鍵詞

5   結束語(yǔ)

本文系統分析了當前高?！巴Ｕn不停學(xué)”狀態(tài)下學(xué)生所遇到的問(wèn)題，并基于OpenStack 構建了一個(gè)高校在線(xiàn)學(xué)習交流的私有云平臺。私有云通過(guò)硬件虛擬化、存儲虛擬化和網(wǎng)絡(luò )虛擬化等技術(shù)，能夠最大程度地保證用戶(hù)數據的安全性和可靠性；在線(xiàn)學(xué)習交流平臺為學(xué)生在學(xué)習過(guò)程遇到的問(wèn)題，提供了良好的解決途徑。本文對高校進(jìn)一步完善在線(xiàn)教學(xué)的能力提供了參考。

參考文獻：

[1] 孫金鑫.面向學(xué)習效能提升的智能在線(xiàn)學(xué)習平臺設計與實(shí)現[D].沈陽(yáng)：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院沈陽(yáng)計算技術(shù)研究所),2021.

[2] 習軍.MOOC趨勢下高校網(wǎng)絡(luò )公選課在線(xiàn)學(xué)習平臺的設計與實(shí)現[J].科技風(fēng),2018(16):62.

[3] TAJA-ON E, MIRAS R, JUROLAN C. E-Learning: teaching effectiveness to conventional teaching in undergraduates amid COVID-19 Pandemic[J]. Open Access Library Journal, 2021, 8(11): 1-10.

[4] MEKKY S T. On-line learning assessment: Egyptian universities as a case study[J].International Journal of Information and Education Technology, 2021, 11(10): 471-478.

[5] 劉小英,劉強.在線(xiàn)學(xué)習交流平臺的設計與實(shí)現[J].攀枝花學(xué)院學(xué)報,2021,38(2):62-67.

[6] 安磊,張波.在線(xiàn)學(xué)習平臺設計與實(shí)現[J].電腦編程技巧與維護,2020(3):17-19.

[7] 張國平,李亞麗,劉申申.基于SSH的軟件工程學(xué)習交流平臺的設計[J].科技資訊,2017,15(36):13-16.

[8] 謝兵,趙小梅.基于B/S架構的高校教學(xué)管理平臺設計與實(shí)現[J].電腦編程技巧與維護,2011(18):57-67.

[9] 裴棟,張巧燕,蒙曉燕.“雙高”建設任務(wù)背景下的云計算基礎實(shí)訓平臺的設計與實(shí)現[J].信息與電腦(理論版),2021,33(13):107-110.

[10] 鄭占,馬才學(xué).土地開(kāi)發(fā)整理項目預算系統設計研究[J].國土資源科技管理,2010,27(1):108-112.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年2月期）