劉波

摘 要：針對當前在線教學過程中缺乏交流互動的問題，本文設(shè)計了一套基于私有云的高校在線學習交流平臺。系統(tǒng)通過OpenStack搭建私有云服務(wù)，使用SpringBoot和Vue框架實現(xiàn)前后端分離并開發(fā)了在線學習交流平臺系統(tǒng)。通過用戶自主上傳學習資源、自由標記知識點問題和自由加入討論組，實現(xiàn)學習過程中的實時交流。通過本平臺，一方面解決了部分高校信息化建設(shè)基礎(chǔ)條件受限的問題；另一方面解決了在線教學過程中無人交流和無法實時解惑的問題。

關(guān)鍵詞：在線教學；OpenStack；前后端分離；討論組；交流

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

自新冠疫情爆發(fā)以來，全國高校逐漸進入停課不停學的狀態(tài)，高校的授課方式也由線下教學轉(zhuǎn)變?yōu)樵诰€教學。在線學習最早由《美國教育白皮書》提出，是指通過計算機和互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)形式進行知識內(nèi)容傳播和便捷學習的新型教育方法[1]。在國內(nèi)，慕課網(wǎng)[2]、職教云等各類在線學習平臺的出現(xiàn)，也為高校實現(xiàn)在線教學提供了技術(shù)支撐。在線學習為學生提供了豐富的學習資料和多樣化的學習方式，逐漸成為學生獲取知識的有效手段之一。為了研究在線學習是否能夠普及使用，有學者開始組織學生對在線學習、在線教學和模塊化教學進行評價[3]。結(jié)果顯示，有部分學生對在線學習體驗不滿意。其主要原因包括：1）環(huán)境與技術(shù)因素。例如基礎(chǔ)條件不足，同時缺乏互聯(lián)網(wǎng)使用經(jīng)驗以及必要培訓(xùn)[4]；2）在線教學過程中僅能夠在線留言和回復(fù)，無法對學習內(nèi)容進行實時交流。

為了解決這些問題，學者們也進行了探索。劉小英[5]等提出通過WebSocket通訊技術(shù)，實現(xiàn)實時交流，提高了師生互動性；安磊[6]等開發(fā)了一個基于ThinkPHP框架的遠程學習交流平臺，實現(xiàn)了網(wǎng)上交流和資料下載；張國平[7]開發(fā)了適用于軟件工程專業(yè)的學習交流平臺，實現(xiàn)了學生從被動聽講到主動參與的轉(zhuǎn)化。學者們的這些工作，在一定程度上解決了在線學習過程中的交流問題，在經(jīng)濟發(fā)展較好的地區(qū)及高校能夠快速地推廣使用。然而，這些信息化系統(tǒng)通常需要一定的硬件條件支撐，有些還需要較高的系統(tǒng)配置才能夠使用，同時還需要一定的后期維護。在一些基礎(chǔ)條件不足的高校，可能無法進行此類學習交流平臺系統(tǒng)的建設(shè)。

隨著云計算平臺的不斷發(fā)展，對于基礎(chǔ)設(shè)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，使其在數(shù)據(jù)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(gòu)建定制化的數(shù)字系統(tǒng)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(nèi)部用戶使用，最大程度地增加了數(shù)據(jù)的安全性。本文主要將私有云技術(shù)應(yīng)用到在線學習交流平臺中，以期用比公有云更低的經(jīng)濟成本，滿足高校學生在學習過程中的實時交流需求，同時為高校的信息化建設(shè)提供參考。

1 需求分析

本系統(tǒng)主要目標為構(gòu)建學習問題交流、分享發(fā)布學習資源、學習資源管理的在線交流平臺。根據(jù)用戶需要，系統(tǒng)主要涉及三種角色： 學生、教師和管理員。

1）學生用戶具有維護個人基本信息；查看各類通知公告；瀏覽課程資料、教師資料；瀏覽課程進度；針對課程信息的交流、留言；針對課程或某一問題創(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）教師用戶除學生用戶的功能外，還具有通知公告的編輯；課程資料編輯；課程大綱、教案、先導(dǎo)和后續(xù)課程的編輯等功能。

3）管理員用戶可以使用平臺的所有功能，除學生和教師用戶的功能外，還具有基礎(chǔ)信息維護[8]（包含院系、專業(yè)、班級、課程、學生、教師等基礎(chǔ)信息的初始化及導(dǎo)入導(dǎo)出）；系統(tǒng)的基礎(chǔ)管理；數(shù)據(jù)字典的設(shè)置；學習資源的審核管理等功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)包含基礎(chǔ)設(shè)施層、服務(wù)管理層和用戶層，其平臺架構(gòu)圖如圖1所示。基礎(chǔ)設(shè)施層將多臺服務(wù)器資源進行整合和存儲，由服務(wù)管理層對用戶數(shù)據(jù)進行管理，在用戶層進行結(jié)果展示。

1）基礎(chǔ)設(shè)施層：基礎(chǔ)設(shè)施層位于云平臺的最底層，包括構(gòu)成云計算平臺的基礎(chǔ)硬件設(shè)施、系統(tǒng)虛擬鏡像、數(shù)據(jù)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(jié)點的存儲、網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)存等資源，通過虛擬化技術(shù)將資源進行處理并整合為統(tǒng)一資源池。資源池內(nèi)部根據(jù)用戶的需要進行動態(tài)調(diào)整，為系統(tǒng)運行提供了基礎(chǔ)保障。

2）服務(wù)管理層：服務(wù)管理層為系統(tǒng)的核心層，采用模塊化設(shè)計，為平臺提供支撐，其數(shù)據(jù)資源來源于基礎(chǔ)設(shè)施層。具有元數(shù)據(jù)服務(wù)、資源庫服務(wù)、數(shù)據(jù)計算服務(wù)、在線交流平臺系統(tǒng)門戶服務(wù)等模塊。通過服務(wù)管理層實現(xiàn)在線學習交流系統(tǒng)的開發(fā)、配置、維護等。學習交流資源存儲在云端，學生可以便捷的上傳和下載。

3）用戶層：用戶層一般由瀏覽器構(gòu)成，包含PC端瀏覽器和移動端瀏覽器。用戶根據(jù)請求地址對數(shù)據(jù)資源進行請求操作，數(shù)據(jù)經(jīng)由基礎(chǔ)設(shè)施層和服務(wù)管理層的處理，最終以友好的方式向用戶展現(xiàn)。

2.2 私有云設(shè)計

云平臺構(gòu)建采用基于OpenStack的IaaS架構(gòu)，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(gòu)建時使用OpenStack中的核心組件及其功能如表1所示。

云平臺用戶經(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進行IP地址的配置，再由Cinder為虛擬機實例提供塊存儲。本系統(tǒng)使用五臺物理機，具有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、控制節(jié)點和計算節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點配置如表2，組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2。

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

在線學習交流平臺具有在線論壇和系統(tǒng)管理兩個模塊。在線論壇主要包括：在線學習、論壇板塊列表、論壇帖子列表、帖子交互（包括回復(fù)、引用、點贊、收藏等）、熱門內(nèi)容（時間段內(nèi)討論最多的問題）、關(guān)鍵字搜索等功能；系統(tǒng)管理主要包括[10]：論壇板塊管理、論壇帖子管理、討論組管理、學習資源管理（審核資源合法性）、初始化管理、通知公告和系統(tǒng)管理等模塊。具體系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1）課程資源管理

課程資源由授課教師進行編輯維護。教師負責維護課程的課程標準、教學大綱、教學設(shè)計、課程知識點、教學課件、課后習題等必要資源。對于多個教師同時教授一門課程時，可以同步維護課程資源。

2）資源上傳下載

用戶可以按照課程維度和知識點維度，自由上傳和下載相關(guān)學習資源。上傳資源類型支持Word、PPT、Excel、PDF、MP4、AVI、MOV、WMV和RMVB等。對于上傳的學習資源，可以選擇公開或獨有，但公開的學習資源，需要經(jīng)過管理員審核后才會被其他用戶所見。

3）資源在線學習

用戶可以自由查看課程相關(guān)資源，資源支持在線瀏覽學習，同時開始記錄學習時長。對于用戶瀏覽的非視頻資源，系統(tǒng)每隔15 min檢測一次客戶端是否活躍。當發(fā)現(xiàn)用戶無任何交互動作后，暫時計時，直到用戶重新激活學習狀態(tài)。學習資源也支持下載到本地觀看，線下學習時間不被系統(tǒng)記錄。

4）知識點標記

學生對于任意知識點問題，可以進行手動標記，可以看到已在該知識點下進行標記的學生列表。

5）討論組

當知識點被標記后，平臺自動以“專業(yè)-學科-知識點名稱”創(chuàng)建一個關(guān)于該知識點的討論組，學生可以自由選擇加入、邀請列表內(nèi)學生加入和退出該討論組。討論組內(nèi)可以進行實時交流，交流的消息記錄可以在云端永久保存。學生可以自由討論關(guān)于該知識點的見解或疑問，也可以針對該知識點選擇某一有授課記錄的教師來進行回復(fù)。受邀教師將收到平臺短消息推送，教師可以直接回復(fù)該問題，而不會自動加入該討論組。同一教師每日最多可以被選擇5次來進行答疑。

6）學生學習統(tǒng)計

學生可以查看當前已學習的課程信息，包括已學課程列表、在學課程列表、在學課程已完成進度、單科和全科學習時長，同時可以選擇是否公開個人學習狀態(tài)及信息。系統(tǒng)可以統(tǒng)計排名全站用戶的公開信息。

7）學習資源管理

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

8）初始化管理

管理員可以上傳導(dǎo)入學校基本資料，如院系信息、專業(yè)信息、課程信息、班級信息、學生信息、教師信息等，同時自動檢測是否存在對應(yīng)的課程論壇板塊。若該板塊不存在，則自動按照學院—專業(yè)—課程的目錄結(jié)構(gòu)創(chuàng)建該板塊。課程板塊創(chuàng)建完畢后，自動將有授課任務(wù)的教師列入該板塊的管理者。

3 私有云的構(gòu)建

3.1 基礎(chǔ)環(huán)境配置

物理機硬件采用8核心CPU、64 Gb內(nèi)存×4、16 Tb企業(yè)盤×4，操作系統(tǒng)使用Centos7.7。配置好網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、防火墻，數(shù)據(jù)庫使用MySQL。

3.2 Keystone 服務(wù)安裝

Keystone為OpenStack提供認證服務(wù)，其安裝過程如下：

1）基礎(chǔ)環(huán)境安裝后，登錄MySQL并創(chuàng)建Keystone數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)新系統(tǒng)用戶并賦予操作權(quán)限；

2）獲取對應(yīng)的管理口令，安裝軟件服務(wù)和配置文件；

3）執(zhí)行身份引導(dǎo)服務(wù)；

4）配置管理員用戶，創(chuàng)建項目、域、用戶、角色。創(chuàng)建項目作為OpenStack的系統(tǒng)項目，所有系統(tǒng)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)，為用戶的上傳、修改、導(dǎo)出、刪除虛擬機鏡像提供服務(wù)支撐，其安裝過程如下：

1）登錄MySQL并創(chuàng)建 Glance數(shù)據(jù)庫。

2）創(chuàng)建用戶、角色和API服務(wù)端點

3）安裝和配置Glance服務(wù)。

4）同步Glance數(shù)據(jù)庫，啟動并測試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)，可以用來管理虛擬機實例，其安裝過程與Glance服務(wù)的安裝基本一致：

1） 登錄MySQL并創(chuàng)建Nova數(shù)據(jù)庫。

2）創(chuàng)建用戶、角色和API服務(wù)端點。

3）安裝配置Nova。

4）同步Nova數(shù)據(jù)庫，啟動并測試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。其安裝過程如下：

1） 登錄MySQL并創(chuàng)建Neutron數(shù)據(jù)庫。

2）創(chuàng)建用戶、角色和API服務(wù)端點。

3）安裝配置Neutron，修改內(nèi)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，用戶可以使用控制臺完成項目管理。軟件安裝后，修改用戶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)，同時提供實例對象的虛擬磁盤。其安裝過程如下：

1）登錄MySQL并Cinder 數(shù)據(jù)庫。

2）創(chuàng)建用戶、角色和API服務(wù)端點。

3）安裝配置Cinder。

4）同步Cinder數(shù)據(jù)庫，啟動并測試Cinder服務(wù)。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)基于開源軟件若依進行開發(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(shù)據(jù)庫使用MySQL。

4.1 知識點標記

用戶可以選中知識點內(nèi)容，當監(jiān)聽到鼠標松開事件后，通過window.getSelection方法獲取選中的文本。將選中的文本內(nèi)容和當前行數(shù)的文本做配對，從而獲取選中文本的索引值，若未有用戶標記過則定義新的索引值，標記的內(nèi)容使用span標簽包裹并隨機設(shè)置背景色。然后通過標簽彈窗的方式，列出已標記該知識點的其他用戶，用戶間可以進行交互操作。其中，知識點添加點擊事件的關(guān)鍵代碼如下：

4.2 討論組實時交流

討論組的實時交流基于WebSocket通訊協(xié)議實現(xiàn)。用戶通過WebSocket的onOpen事件進入討論組，輸入交流內(nèi)容后通過WebSocket的send方法發(fā)送給服務(wù)端。服務(wù)端收到交流內(nèi)容后，經(jīng)過解析處理再轉(zhuǎn)發(fā)給討論組內(nèi)其他用戶，用戶通過WebSocket的onMessage方法接收交流內(nèi)容。其中，用戶接收交流內(nèi)容的方法如下：

當用戶在線學習時，發(fā)生以上任意動作，則累加動作間的時長。使用window.onload和 window. onbeforeunload方法監(jiān)聽頁面加載和頁面關(guān)閉；使用pageshow和pagehide監(jiān)聽瀏覽器前進或后退；使用visibilitychange監(jiān)聽Tab切換、桌面切換和電腦睡眠。

4.4 熱門內(nèi)容

用戶可以按時間維度查看高頻關(guān)鍵詞，關(guān)鍵詞統(tǒng)計源包括論壇帖子內(nèi)容、知識點活躍度和討論組內(nèi)關(guān)鍵詞等。關(guān)鍵詞以詞云的方式進行顯示，鼠標滑動到詞云時，顯示其詞頻數(shù)量及占比，如圖4所示。

5 結(jié)束語

本文系統(tǒng)分析了當前高?！巴Ｕn不停學”狀態(tài)下學生所遇到的問題，并基于OpenStack構(gòu)建了一個高校在線學習交流的私有云平臺。私有云通過硬件虛擬化、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數(shù)據(jù)的安全性和可靠性；在線學習交流平臺為學生在學習過程遇到的問題，提供了良好的解決途徑。本文對高校進一步完善在線教學的能力提供了參考。

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