網(wǎng)絡環(huán)境下在線課程教學系統(tǒng)設計

王金社　劉東　陸惠玲

摘 要： 網(wǎng)絡環(huán)境下在線課程教學能提高教學的針對性和教學資源共享性，在線課程教學系統(tǒng)由網(wǎng)絡通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、總線傳輸模塊和應用程序加載模塊等構成。在VME總線構架體系下進行在線課程教學系統(tǒng)的模塊連接和功能控制，以Eclipse 作為開發(fā)環(huán)境，構建在線課程教學的數(shù)據(jù)存儲層、用戶分析層和日志挖掘?qū)?，在用戶UI界面實現(xiàn)在線課程教學終端的控制和結構布局，完成系統(tǒng)優(yōu)化設計。系統(tǒng)測試結果表明，該系統(tǒng)進行在線課程教學的總線數(shù)據(jù)傳輸性能較好，有效滿足個性化需求。

關鍵詞： 網(wǎng)絡環(huán)境； 在線課程教學； VME總線； 功能控制

中圖分類號： TN711?34； TD76 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）22?0069?03

Abstract： The online course teaching in the network environment can improve the teaching pertinence and teaching resource sharing. The online course teaching system is composed of network communication module， data acquisition module， bus transmission module， application program loading module， etc. The module connection and function control of the online course teaching system are executed in the VME bus architecture， which takes Eclipse as its development environment to build data storage layer， user analysis layer and log mining layer of the online course teaching. The control and structural layout of the online course teaching terminal are realized in users′ UI interface to complete the system optimization design. The system test results show that the system has better performance of bus data transmission in the online course teaching， and can meet the individual needs effectively.

Keywords： network environment； online course teaching； VME bus； function control

0 引 言

網(wǎng)絡在線學習成為未來全日制和非全日制課程教學的主要方式，隨著網(wǎng)絡在線課程教學資源數(shù)的增多，需要對課程教學資源數(shù)據(jù)進行有效的篩選、分析和挖掘，并在在線課程教學系統(tǒng)中進行智能化控制識別，結合用戶的終端需求實現(xiàn)用戶行為分析，根據(jù)教學對象的喜好主動向用戶推薦教學資源信息[1]。

研究網(wǎng)絡在線課程教學系統(tǒng)設計方法，在互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)體系結構下進行功能模塊化設計，構架教學系統(tǒng)的感知設備、網(wǎng)絡通信設備和控制設備，對改善基礎教學設置，提高教學的智能化和信息化水平具有方向性的指導作用。

1 總體構架模型

1.1 在線課程教學系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

在網(wǎng)絡環(huán)境下構建在線課程教學系統(tǒng)，首先構建網(wǎng)絡體系結構模型，在物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式開發(fā)環(huán)境下進行系統(tǒng)設計，對教學系統(tǒng)的頂層設計進行全局性描述。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，網(wǎng)絡在線課程教學系統(tǒng)分為三層體系結構，分別為感知控制層、網(wǎng)絡傳輸層和應用服務層。其中，感知控制層是通過傳感器設備、無線射頻識別和多媒體感知技術進行教學資源信息采集，采用無線自組網(wǎng)技術和協(xié)同信息處理技術進行網(wǎng)絡控制，構建在線網(wǎng)絡控制的中間件，通過低速和中高速的網(wǎng)絡傳輸技術構建物聯(lián)網(wǎng)體系結構，為開放的服務訪問接口與網(wǎng)絡控制接口提供信息管理。在網(wǎng)絡傳輸層，建立異構網(wǎng)、移動通信網(wǎng)以及校園網(wǎng)絡，通過網(wǎng)絡支撐層實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)高能效、精準、可靠的在線課程教學資源傳輸和控制[2]。采用Browser/Server結構的模型視圖軟件開發(fā)模式，實現(xiàn)界面顯示和業(yè)務邏輯控制，在感知控制層定義用戶行為，通過用戶行為分析和控制器實現(xiàn)在線課程學習。本課程在線教學系統(tǒng)架構是將C/S和B/S模式結合在一起，基于開源的數(shù)據(jù)庫管理進行用戶信息注冊、登錄以及賬號管理，對數(shù)據(jù)庫資源通過詞庫的管理以及日志信息管理，實現(xiàn)在線課程教學資源的全方位檢索和信息查詢。

1.2 教學系統(tǒng)功能模塊構建

在線課程教學系統(tǒng)由網(wǎng)絡通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、總線傳輸模塊和應用程序加載模塊等構成。其中，數(shù)據(jù)采集模塊是進行原始的教學資源信息感知，通過海量數(shù)據(jù)信息采集技術上傳在線課程教學資源。教學范圍分為若干單元，在教學資源上傳和下載過程中根據(jù)單元分布和節(jié)點的重要程度和位置，把節(jié)點分為骨干節(jié)點、一般節(jié)點和接口節(jié)點，采用無線射頻技術提高網(wǎng)絡教學的實時性和資源互通性。

網(wǎng)絡通信模塊是實現(xiàn)網(wǎng)絡信息傳輸和在線通信功能。網(wǎng)絡通信采用的是4G通信和互聯(lián)網(wǎng)通信技術，通過 Internet 將分布在各個教學目標區(qū)域的信息串聯(lián)起來，建立通信設備和控制設備等基礎設施。利用OpenStack云計算平臺建立信息傳感網(wǎng)[3]，采用Web技術進行在線課程教學系統(tǒng)的網(wǎng)絡組網(wǎng)設計，實現(xiàn)了在線課程教學資源信息的對象存儲、數(shù)據(jù)挖掘、資源信息服務以及遠程調(diào)用和教學質(zhì)量反饋等。endprint

在接口訪問的服務能力層（Service Capacity Layer， SCL）架構下，教學系統(tǒng)主要由信息采集單元、教學資源信息存儲數(shù)據(jù)庫、組織架構和網(wǎng)絡應用服務器單元組成，通過異構、層次化結構的網(wǎng)絡體系構架和接口訪問控制，實現(xiàn)QoS管理和網(wǎng)絡傳輸?shù)陌踩u估。利用物聯(lián)網(wǎng)構建網(wǎng)絡適配層中間件技術，在線課程教學資源檢索單元利用WEB?GIS瀏覽器進行信息傳輸和共享服務，在GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊層，通過云計算模塊的分布式計算，提高對遠程教學信息處理和加工能力[4]。在線課程教學系統(tǒng)功能模塊構成如圖1所示。

2 系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)

2.1 在線課程教學的層次化設計

在VME總線構架體系下進行在線課程教學系統(tǒng)的模塊連接和功能控制，以Eclipse 作為開發(fā)環(huán)境，構建在線課程教學的數(shù)據(jù)存儲層，用戶分析層和日志挖掘?qū)?。對網(wǎng)絡環(huán)境下的在線課程教學系統(tǒng)層次化設計主要分為用戶子系統(tǒng)和后臺管理子系統(tǒng)。在用戶子系統(tǒng)中，教師和學生通過各自的用戶權限注冊并登錄在用戶系統(tǒng)中，在用戶UI界面設置用戶名和密碼，學生進行教學資源信息檢索和信息反饋，教師進行教學資源上傳和多媒體教學體系控制，教師通過教學評估軟件進行教學質(zhì)量評估。后臺管理子系統(tǒng)分為資源分類管理模塊、網(wǎng)絡控制模塊、用戶管理模塊和總線數(shù)據(jù)傳輸模塊，通過對來自外部數(shù)據(jù)源服務器上的用戶行為進行教學過程中的教學進度、教學內(nèi)容和教學對象測評，Mine 挖掘出來有用的教學資源信息[5]，教學系統(tǒng)的后臺子系統(tǒng)與其他智能終端設備連接，根據(jù)用戶的服務需求、功能架構進行信息通信與交流。在線課程教學的層次化設計結構如圖2所示。

利用高速局部總線控制方法設計終端登錄信息管理系統(tǒng)，結合上位機模塊進行數(shù)據(jù)通信，建立基礎軟件層、應用開發(fā)層和應用業(yè)務適配層。在線課程教學資源通過任務管理和網(wǎng)絡自愈合服務，在應用層配置網(wǎng)絡層管理實體對象模型，初始網(wǎng)絡信道，通過MAC 層完成輪詢調(diào)度和網(wǎng)絡連通性服務。在用戶UI界面進行在線課程教學終端控制和結構布局，在網(wǎng)絡層運用校園網(wǎng)和無線通信技術進行教學資源信息融合，設計嵌入式控制器對串口、并口、USB端口進行在線教學總線傳輸控制。用PXI?8155無線傳輸方式進行總線控制和信息采集，PXI?8155無線網(wǎng)絡設計有帶寬大和總線控制精度高的優(yōu)點[6]，構建在線教學系統(tǒng)通信模塊，用MUX101程控開關進行在線課程教學系統(tǒng)指令控制。在線教學系統(tǒng)控制任務標識對應狀態(tài)見表1。

根據(jù)教學系統(tǒng)控制的任務標識位設計，進行在線課程教學的層次化設計和應用程序?qū)懭耄{(diào)用Matlab的接口函數(shù)，使用專家連接器VCSE進行感知控制層的加載保護。在物聯(lián)網(wǎng)體系結構下進行在線課程教學系統(tǒng)的網(wǎng)關與網(wǎng)絡域mId 接口設計，根據(jù)信息運行的狀態(tài)，進行在線課程教學的資源數(shù)據(jù)加載和程序加載。在管理域子系統(tǒng)的架構中，在物聯(lián)網(wǎng)模式下實現(xiàn)在線課程教學的感知信息服務、感知信息管理、控制信息服務及控制信息管理，構建用戶交互組件，通過公共服務平臺在互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)下實現(xiàn)教學在線信息評估和資源共享，完成在線課程教學層次化設計，設計結構如圖3所示。

2.2 系統(tǒng)的軟件開發(fā)實現(xiàn)流程

在Visual DSP++ 4.5環(huán)境下進行遠程在線教學系統(tǒng)軟件開發(fā)設計，在集成開發(fā)環(huán)境IDDE中進行指令處理和本地存儲，整個系統(tǒng)的軟件開發(fā)實現(xiàn)在線教學資源集成與管理、分布式調(diào)度、打手并行處理、數(shù)據(jù)分析服務。用ST超低功耗ARM CortexTM?M0 微控制器作為主控芯片，建立教學系統(tǒng)A/D采樣模塊，采用高速數(shù)字信號處理芯片作為信號處理器核心芯片，采用5409A數(shù)字信號處理DSP芯片建立外圍控制模塊。

數(shù)字信號處理芯片具有1條程序總線，2個存儲器映射空間，能有效滿足遠程教學系統(tǒng)的程序緩存和數(shù)據(jù)回放的存儲空間需求[7]。在開發(fā)平臺上集成GNU開發(fā)工具集，如C編譯器GCC，C++編譯器G++，系統(tǒng)基線恢復模塊開發(fā)采用基于ADI公司的ADSP21160處理器，外圍器件選擇浮點DSP和定點DSP，配置CAN_IMASK寄存器與嵌入式STM32宿機連接，通過ZigBee 終端節(jié)點并聯(lián)組成信號采集陣列單元構成教學多媒體控制網(wǎng)絡結構，初始化設備驅(qū)動程序，在網(wǎng)絡層通過ZigBee+為服務器端提供一個虛擬服務。構建CAN總線驅(qū)動器實現(xiàn)高速率的總線數(shù)據(jù)傳輸，采用ADUM1201和PCA82C250設計運放模塊，通過系統(tǒng)的前級放大控制設定采樣信號上升和下降速率。設計程序加載模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊進行數(shù)據(jù)加載，在嵌入式Linux定制和配置文件，使編譯出來控制可執(zhí)行代碼能在ARM上運行，系統(tǒng)的設備驅(qū)動程序負責和無線網(wǎng)絡術信息融合。在控制設備中導入網(wǎng)絡參數(shù)、用戶參數(shù)等原始數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在線教學系統(tǒng)局域網(wǎng)接入功能。

3 應用測試分析

對網(wǎng)絡環(huán)境下在線課程教學系統(tǒng)的應用測試建立在ActivityGroup軟件仿真器（Simulator）中，ActivityGroup軟件集成了軟件仿真器、硬件仿真器（Emulator）和程序開發(fā)功能，Visual DSP++支持系統(tǒng)的輸出結果數(shù)據(jù)以圖形化的方式查看和編輯，并在編輯窗口、輸出窗口中進行系統(tǒng)的網(wǎng)絡性能和統(tǒng)計性能分析。使用Visual DSP++的Simulator應用程序開發(fā)軟件，在DSP硬件上運行程序，分析本文設計的在線課程教學系統(tǒng)的運行效果，得到系統(tǒng)運行的魯棒性測試曲線如圖4所示。

分析圖4結果得知，采用本文設計系統(tǒng)進行在線課程教學，系統(tǒng)運行的魯棒性較好，說明穩(wěn)定度較高，有效滿足個性化用戶教學需求。

4 結 語

本文設計的在線課程教學系統(tǒng)由網(wǎng)絡通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、總線傳輸模塊和應用程序加載模塊等構成。通過實驗分析，該系統(tǒng)的總線數(shù)據(jù)傳輸性能較好，能有效滿足個性化需求，具有較好的應用性。

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