基于私有云的在線學(xué)習(xí)交流平臺的設(shè)計與實現(xiàn)*

*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(jìn)入停課不停學(xué)的狀態(tài)，高校的授課方式也由線下教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/在線教學(xué)">在線教學(xué)。在線學(xué)習(xí)最早由《美國教育白皮書》提出，是指通過計算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)形式進(jìn)行知識內(nèi)容傳播和便捷學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)平臺的出現(xiàn)，也為高校實現(xiàn)在線教學(xué)提供了技術(shù)支撐。在線學(xué)習(xí)為學(xué)生提供了豐富的學(xué)習(xí)資料和多樣化的學(xué)習(xí)方式，逐漸成為學(xué)生獲取知識的有效手段之一。為了研究在線學(xué)習(xí)是否能夠普及使用，有學(xué)者開始組織學(xué)生對在線學(xué)習(xí)、在線教學(xué)和模塊化教學(xué)進(jìn)行評價^[3]。結(jié)果顯示，有部分學(xué)生對在線學(xué)習(xí)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(xué)過程中僅能夠在線留言和回復(fù)，無法對學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行實時交流。

為了解決這些問題，學(xué)者們也進(jìn)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ThinkPHP框架的遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)交流平臺，實現(xiàn)了學(xué)生從被動聽講到主動參與的轉(zhuǎn)化。學(xué)者們的這些工作，在一定程度上解決了在線學(xué)習(xí)過程中的交流問題，在經(jīng)濟(jì)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(hù)。在一些基礎(chǔ)條件不足的高校，可能無法進(jìn)行此類學(xué)習(xí)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(jì)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(xué)習(xí)交流平臺中，以期用比公有云更低的經(jīng)濟(jì)成本，滿足高校學(xué)生在學(xué)習(xí)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(biāo)為構(gòu)建學(xué)習(xí)問題交流、分享發(fā)布學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)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(xué)生、教師和管理員。

1）學(xué)生用戶具有維護(hù)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(jìn)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(xué)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(xué)生和教師用戶的功能外，還具有基礎(chǔ)信息維護(hù)[8]（包含院系、專業(yè)、班級、課程、學(xué)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(xué)習(xí)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?；A(chǔ)設(shè)施層將多臺服務(wù)器資源進(jìn)行整合和存儲，由服務(wù)管理層對用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，在用戶層進(jìn)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(fù)責(zé)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(jìn)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(jìn)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(xué)習(xí)交流系統(tǒng)的開發(fā)、配置、維護(hù)等。學(xué)習(xí)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(jìn)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(rèn)證，使用Horizon 的UI界面創(chuàng)建虛擬機(jī)，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(jī)實例提供塊存儲。本系統(tǒng)使用五臺物理機(jī)，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(xué)習(xí)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(xué)習(xí)、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(xué)習(xí)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(jìn)行編輯維護(hù)。教師負(fù)責(zé)維護(hù)課程的課程標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)大綱、教學(xué)設(shè)計、課程知識點、教學(xué)課件、課后習(xí)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(hù)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(xué)習(xí)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(xué)習(xí)資源，可以選擇公開或獨有，但公開的學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)

用戶可以自由查看課程相關(guān)資源，資源支持在線瀏覽學(xué)習(xí)，同時開始記錄學(xué)習(xí)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(dāng)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(xué)習(xí)狀態(tài)。學(xué)習(xí)資源也支持下載到本地觀看，線下學(xué)習(xí)時間不被系統(tǒng)記錄。

4）知識點標(biāo)記

學(xué)生對于任意知識點問題，可以進(jìn)行手動標(biāo)記，可以看到已在該知識點下進(jìn)行標(biāo)記的學(xué)生列表。

5）討論組

當(dāng)知識點被標(biāo)記后，平臺自動以“專業(yè)- 學(xué)科- 知識點名稱”創(chuàng)建一個關(guān)于該知識點的討論組，學(xué)生可以自由選擇加入、邀請列表內(nèi)學(xué)生加入和退出該討論組。討論組內(nèi)可以進(jìn)行實時交流，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(jìn)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(jìn)行答疑。

6）學(xué)生學(xué)習(xí)統(tǒng)計

學(xué)生可以查看當(dāng)前已學(xué)習(xí)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(xí)時長，同時可以選擇是否公開個人學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)資源管理

用戶上傳的各類學(xué)習(xí)資源，都處于待審核狀態(tài)，管理員負(fù)責(zé)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(jìn)行設(shè)置。

8）初始化管理

管理員可以上傳導(dǎo)入學(xué)校基本資料，如院系信息、專業(yè)信息、課程信息、班級信息、學(xué)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(xué)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(jī)硬件采用8 核心CPU、64 Gb 內(nèi)存×4、16Tb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(rèn)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(jī)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(jī)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(jī)、負(fù)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(jìn)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(biāo)記

用戶可以選中知識點內(nèi)容，當(dāng)監(jiān)聽到鼠標(biāo)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(dāng)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(biāo)記過則定義新的索引值，標(biāo)記的內(nèi)容使用span 標(biāo)簽包裹并隨機(jī)設(shè)置背景色。然后通過標(biāo)簽彈窗的方式，列出已標(biāo)記該知識點的其他用戶，用戶間可以進(jìn)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(jìn)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：

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(xí)時長統(tǒng)計

將學(xué)習(xí)頁面的生命周期劃分為“初始”、“切換”、“終止”3 個狀態(tài)，3 個狀態(tài)的認(rèn)定形式如表3 所示。

當(dāng)用戶在線學(xué)習(xí)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(jìn)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(jìn)行顯示，鼠標(biāo)滑動到詞云時，顯示其詞頻數(shù)量及占比，如圖4 所示。

圖4 高頻關(guān)鍵詞

5   結(jié)束語

本文系統(tǒng)分析了當(dāng)前高?！巴Ｕn不停學(xué)”狀態(tài)下學(xué)生所遇到的問題，并基于OpenStack 構(gòu)建了一個高校在線學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)交流平臺為學(xué)生在學(xué)習(xí)過程遇到的問題，提供了良好的解決途徑。本文對高校進(jìn)一步完善在線教學(xué)的能力提供了參考。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年2月期）