基于私有云的在線學(xué)習(xí)交流平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

*基金項(xiàng)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(lái)，全國(guó)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.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/在線教學(xué)">在線教學(xué)。在線學(xué)習(xí)最早由《美國(guó)教育白皮書(shū)》提出，是指通過(guò)計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)形式進(jìn)行知識(shí)內(nèi)容傳播和便捷學(xué)習(xí)的新型教育方法^[1]。在國(guó)內(nèi)，慕課網(wǎng)^[2]、職教云等各類(lèi)在線學(xué)習(xí)平臺(tái)的出現(xiàn)，也為高校實(shí)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(shí)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(kāi)始組織學(xué)生對(duì)在線學(xué)習(xí)、在線教學(xué)和模塊化教學(xué)進(jìn)行評(píng)價(jià)^[3]。結(jié)果顯示，有部分學(xué)生對(duì)在線學(xué)習(xí)體驗(yàn)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(shí)缺乏互聯(lián)網(wǎng)使用經(jīng)驗(yàn)以及必要培訓(xùn)^[4]；2）在線教學(xué)過(guò)程中僅能夠在線留言和回復(fù)，無(wú)法對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)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(xiàn)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(yuǎn)程學(xué)習(xí)交流平臺(tái), 實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)上交流和資料下載；張國(guó)平^[7]開(kāi)發(fā)了適用于軟件工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)習(xí)交流平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生從被動(dòng)聽(tīng)講到主動(dòng)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(guò)程中的交流問(wèn)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(shí)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(wú)法進(jìn)行此類(lèi)學(xué)習(xí)交流平臺(tái)系統(tǒng)的建設(shè)。

隨著云計(jì)算平臺(tái)的不斷發(fā)展，對(duì)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(diǎn)，使其在數(shù)據(jù)安全、計(jì)算效率、經(jīng)濟(jì)成本等方面都有巨大的優(yōu)勢(shì)。因此，使用云平臺(tái)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(dú)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(tái)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(guò)程中的實(shí)時(shí)交流需求，同時(shí)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(wèn)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(tái)。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(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(duì)課程信息的交流、留言；針對(duì)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(tái)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(zhuān)業(yè)、班級(jí)、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(jì)

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(tái)架構(gòu)圖如圖1 所示?；A(chǔ)設(shè)施層將多臺(tái)服務(wù)器資源進(jìn)行整合和存儲(chǔ)，由服務(wù)管理層對(duì)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(tái)的最底層，包括構(gòu)成云計(jì)算平臺(tái)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(diǎn)的存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)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(tǒng)一資源池。資源池內(nèi)部根據(jù)用戶的需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，為系統(tǒng)運(yùn)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(jì)，為平臺(tái)提供支撐，其數(shù)據(jù)資源來(lái)源于基礎(chǔ)設(shè)施層。具有元數(shù)據(jù)服務(wù)、資源庫(kù)服務(wù)、數(shù)據(jù)計(jì)算服務(wù)、在線交流平臺(tái)系統(tǒng)門(mén)戶服務(wù)等模塊。通過(guò)服務(wù)管理層實(shí)現(xiàn)在線學(xué)習(xí)交流系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、配置、維護(hù)等。學(xué)習(xí)交流資源存儲(chǔ)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(dòng)端瀏覽器。用戶根據(jù)請(qǐng)求地址對(duì)數(shù)據(jù)資源進(jìn)行請(qǐng)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(jì)

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

云平臺(tái)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(shí)例提供塊存儲(chǔ)。本系統(tǒng)使用五臺(tái)物理機(jī)，具有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)和計(jì)算節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(jì)

在線學(xué)習(xí)交流平臺(tái)具有在線論壇和系統(tǒng)管理兩個(gè)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(diǎn)贊、收藏等）、熱門(mén)內(nèi)容（時(shí)間段內(nèi)討論最多的問(wèn)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(jì)、課程知識(shí)點(diǎn)、教學(xué)課件、課后習(xí)題等必要資源。對(duì)于多個(gè)教師同時(shí)教授一門(mén)課程時(shí)，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(shí)點(diǎn)維度，自由上傳和下載相關(guān)學(xué)習(xí)資源。上傳資源類(lèi)型支持Word、PPT、Excel、PDF、MP4、AVI、MOV、WMV 和RMVB 等。對(duì)于上傳的學(xué)習(xí)資源，可以選擇公開(kāi)或獨(dú)有，但公開(kāi)的學(xué)習(xí)資源，需要經(jīng)過(guò)管理員審核后才會(huì)被其他用戶所見(jiàn)。

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(shí)開(kāi)始記錄學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)。對(duì)于用戶瀏覽的非視頻資源，系統(tǒng)每隔15 min 檢測(cè)一次客戶端是否活躍。當(dāng)發(fā)現(xiàn)用戶無(wú)任何交互動(dòng)作后，暫時(shí)計(jì)時(shí)，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(shí)間不被系統(tǒng)記錄。

4）知識(shí)點(diǎn)標(biāo)記

學(xué)生對(duì)于任意知識(shí)點(diǎn)問(wèn)題，可以進(jìn)行手動(dòng)標(biāo)記，可以看到已在該知識(shí)點(diǎn)下進(jìn)行標(biāo)記的學(xué)生列表。

5）討論組

當(dāng)知識(shí)點(diǎn)被標(biāo)記后，平臺(tái)自動(dòng)以“專(zhuān)業(yè)- 學(xué)科- 知識(shí)點(diǎn)名稱(chēng)”創(chuàng)建一個(gè)關(guān)于該知識(shí)點(diǎn)的討論組，學(xué)生可以自由選擇加入、邀請(qǐng)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(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(shí)點(diǎn)的見(jiàn)解或疑問(wèn)，也可以針對(duì)該知識(shí)點(diǎn)選擇某一有授課記錄的教師來(lái)進(jìn)行回復(fù)。受邀教師將收到平臺(tái)短消息推送，教師可以直接回復(fù)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(xí)統(tǒng)計(jì)

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(shí)長(zhǎng)，同時(shí)可以選擇是否公開(kāi)個(gè)人學(xué)習(xí)狀態(tài)及信息。系統(tǒng)可以統(tǒng)計(jì)排名全站用戶的公開(kāi)信息。

7）學(xué)習(xí)資源管理

用戶上傳的各類(lèi)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(lèi)資源。對(duì)于Word、PPT、Excel等文件內(nèi)容，首先由系統(tǒng)平臺(tái)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(dòng)審核正文內(nèi)容是否存在意識(shí)形態(tài)等問(wèn)題，審核無(wú)誤后該資源才能被其他用戶所查看。對(duì)于視頻資源，系統(tǒng)平臺(tái)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(tǒng)平臺(tái)，合法的第三方站點(diǎn)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)?；举Y料，如院系信息、專(zhuān)業(yè)信息、課程信息、班級(jí)信息、學(xué)生信息、教師信息等，同時(shí)自動(dòng)檢測(cè)是否存在對(duì)應(yīng)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(jié)構(gòu)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(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(pán)×4，操作系統(tǒng)使用Centos7.7。配置好網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、防火墻，數(shù)據(jù)庫(kù)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(guò)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(kù)，創(chuàng)新系統(tǒng)用戶并賦予操作權(quán)限；

2）獲取對(duì)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(xiàng)目、域、用戶、角色。創(chuàng)建項(xiàng)目作為OpenStack 的系統(tǒng)項(xiàng)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(guò)程如下：

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

2）創(chuàng)建用戶、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(shù)據(jù)庫(kù)，啟動(dòng)并測(cè)試Glance 服務(wù)。

5）測(cè)試獨(dú)有鏡像并上傳。

3.4 Nova服務(wù)安裝

Nova 為OpenStack 提供計(jì)算服務(wù)，可以用來(lái)管理虛擬機(jī)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(shù)據(jù)庫(kù)。

2）創(chuàng)建用戶、角色和API 服務(wù)端點(diǎn)。

3）安裝配置Nova。

4）同步Nova 數(shù)據(jù)庫(kù)，啟動(dòng)并測(cè)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(duì)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(guò)程如下：

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

2）創(chuàng)建用戶、角色和API 服務(wù)端點(diǎn)。

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(tái)完成項(xiàng)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(tái)。

3.7 Cinder服務(wù)安裝

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

1）登錄MySQL 并Cinder 數(shù)據(jù)庫(kù)。

2）創(chuàng)建用戶、角色和API 服務(wù)端點(diǎn)。

3）安裝配置Cinder。

4）同步Cinder 數(shù)據(jù)庫(kù)，啟動(dòng)并測(cè)試Cinder 服務(wù)。

4   系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)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(shù)據(jù)庫(kù)使用MySQL。

4.1 知識(shí)點(diǎn)標(biāo)記

用戶可以選中知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容，當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到鼠標(biāo)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(nèi)容和當(dāng)前行數(shù)的文本做配對(duì)，從而獲取選中文本的索引值，若未有用戶標(biāo)記過(guò)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(guò)標(biāo)簽彈窗的方式，列出已標(biāo)記該知識(shí)點(diǎn)的其他用戶，用戶間可以進(jìn)行交互操作。其中，知識(shí)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(xiàn)。用戶通過(guò)WebSocket 的onOpen 事件進(jìn)入討論組，輸入交流內(nèi)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(nèi)容后，經(jīng)過(guò)解析處理再轉(zhuǎn)發(fā)給討論組內(nèi)其他用戶，用戶通過(guò)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(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)

將學(xué)習(xí)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(rèn)定形式如表3 所示。

當(dāng)用戶在線學(xué)習(xí)時(shí)，發(fā)生以上任意動(dòng)作，則累加動(dòng)作間的時(shí)長(zhǎng)。使用window.onload 和 window.onbeforeunload 方法監(jiān)聽(tīng)頁(yè)面加載和頁(yè)面關(guān)閉；使用pageshow 和pagehide 監(jiān)聽(tīng)瀏覽器前進(jìn)或后退； 使用visibilitychange 監(jiān)聽(tīng)Tab 切換、桌面切換和電腦睡眠。

4.4 熱門(mén)內(nèi)容

用戶可以按時(shí)間維度查看高頻關(guān)鍵詞，關(guān)鍵詞統(tǒng)計(jì)源包括論壇帖子內(nèi)容、知識(shí)點(diǎn)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(dòng)到詞云時(shí)，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(yǔ)

本文系統(tǒng)分析了當(dāng)前高校“停課不停學(xué)”狀態(tài)下學(xué)生所遇到的問(wèn)題，并基于OpenStack 構(gòu)建了一個(gè)高校在線學(xué)習(xí)交流的私有云平臺(tái)。私有云通過(guò)硬件虛擬化、存儲(chǔ)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(tái)為學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程遇到的問(wèn)題，提供了良好的解決途徑。本文對(duì)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(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年2月期）