基于二維碼技術(shù)的學(xué)習(xí)資源管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李晶晶 殷新春

摘? 要： 本文針對大量的多媒體學(xué)習(xí)資源，快速查找對應(yīng)的學(xué)習(xí)資源相對繁瑣，由于二維碼技術(shù)日臻成熟，并且討論了二維碼技術(shù)運用在多媒體學(xué)習(xí)資源中的可行性，將二維碼技術(shù)與多媒體學(xué)習(xí)資源結(jié)合運用到立體化教材建設(shè)中，在實際運用二維碼時，由于QR碼容易被攻擊，因此采用矩陣式二維碼中的QR碼，并結(jié)合信息加密技術(shù)RC4加解密算法，保證二維碼信息的安全保密性。設(shè)計并實現(xiàn)一個應(yīng)用二維碼技術(shù)的學(xué)習(xí)資源管理系統(tǒng)，包括學(xué)習(xí)資源管理系統(tǒng)和二維碼掃描子系統(tǒng)，主要分為PC端編碼模塊的和Android手機(jī)端解碼模塊。實踐表明，二維碼運用在系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，在學(xué)習(xí)資源管理中使用二維碼提高了管理和使用的效率。

關(guān)鍵詞： 立體化教材;二維碼;RC4加密算法;學(xué)習(xí)資源管理;J2EE

中圖分類號： TP311. 52? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.01.004

【Abstract】： This paper aims at a large number of multimedia learning resources， quick search for the corresponding learning resources is relatively cumbersome， as the two-dimensional code technology matures， and discusses the feasibility of using two-dimensional code technology in multimedia learning resources， the combination of two-dimensional code technology and multimedia learning resources is applied to the construction of three-dimensional teaching materials. In practice， QR code is easy to be attacked， so QR code in matrix two-dimensional code is adopted， and RC4 encryption and decryption algorithm is combined to ensure the security of two-dimensional code information. Design and implement a learning resource management system using two-dimensional code technology， including learning resource management system and two-dimensional code scanning subsystem， mainly divided into PC-side encoding module and Android phone-side decoding module. Practice shows that the use of two-dimensional code in the system has obvious advantages in the use of two-dimensional learning resources management to improve the management and use of efficiency.

【Key words】： Dimensional textbooks; Two-dimensional code; RC4 encryption algorithm; Learning resource management

0? 引言

當(dāng)前已經(jīng)有許多高校將多媒體教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)運用到實際教學(xué)中，這些教學(xué)方式會產(chǎn)生大量的多媒體教學(xué)資源，例如音頻課件、視頻課件、教學(xué)PPT以及相關(guān)練習(xí)等等，如何對這些資源進(jìn)行管理就成為一項重要課題。因此提供一個既方便教師教學(xué)和對教學(xué)資源進(jìn)行統(tǒng)一管理，又能方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)的平臺成為了一項重要任務(wù)。

隨著國家信息化步伐的加快、智能手機(jī)的全面普及，二維碼技術(shù)日臻成熟[1]，這為二維碼技術(shù)在傳統(tǒng)出版中的應(yīng)用提供了土壤與條件。立體化教材是由立體化的學(xué)習(xí)資源和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)組成的，這兩個部分是教材的立體化建設(shè)的重要組成部分[2]，所以在立體化教材建設(shè)中應(yīng)用二維碼技術(shù)[3]。學(xué)習(xí)資源管理系統(tǒng)管理的是立體化教材中的學(xué)習(xí)資源，該系統(tǒng)對促進(jìn)高校教學(xué)的改革與創(chuàng)新，提高自主學(xué)習(xí)的水平，以及實現(xiàn)學(xué)習(xí)資源的共享起到重要的作用，學(xué)習(xí)資源管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)具有重要的實際應(yīng)用價值。

1? 關(guān)鍵技術(shù)

1.1? 整合技術(shù)

本文介紹的是學(xué)習(xí)資源管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)。系統(tǒng)PC端采用B/S模式，Android手機(jī)端采用C/S模式，系統(tǒng)采用三層體系結(jié)構(gòu)，并使用了SSH整合框架，該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、靈活性、可伸縮性和易維護(hù)性，以及操作簡單、方便。

搭建一個合適的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境可以使得系統(tǒng)開發(fā)者有效、快速、方便地建立學(xué)習(xí)資源管理系統(tǒng)，有效地實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能，更好地滿足用戶需求。本系統(tǒng)選用的服務(wù)器端操作系統(tǒng)是Windows，同時選擇了Tomcat作為該系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器。在數(shù)據(jù)庫的選擇上，我們通過MySQL與其他幾種數(shù)據(jù)庫的比較，MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫功能強(qiáng)大，不僅速度快，而且支持多平臺和多種開發(fā)語言，以及能提供多種存儲器引擎，同時也能夠支持大型數(shù)據(jù)庫，根據(jù)MySQL數(shù)據(jù)庫的這些特點，我們選擇了MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。PC端開發(fā)工具選擇MyEclipse，采用的是Java編程語言，使用J2EE體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)[4]，并采用采用J2EE框架[5]。Android手機(jī)端開發(fā)工具選擇Eclipse，也采用的是Java編程語言。

1.2? 安全技術(shù)

由于在二維碼編譯碼中，安全漏洞是不可避免會出現(xiàn)的狀況。通過分析現(xiàn)有的幾種典型的攻擊方式，我們需要在編碼的環(huán)節(jié)中添加加密方法并且在譯碼環(huán)節(jié)進(jìn)行解密。通過認(rèn)證手段將編譯碼的安全性得到提升，進(jìn)行安全管理。為了提升二維碼信息的安全性與保密性，我們通過信息加密技術(shù)對環(huán)節(jié)進(jìn)行處理;為了使用戶獲取的信息的正確性得到保證，所以我們需要在系統(tǒng)中添加認(rèn)證管理手段，所以將RC4加密算法使用在二維碼信息加密的過程中，以此來保證二維碼的安全。

我們發(fā)現(xiàn)RC4算法不僅具有算法實現(xiàn)簡易，而且安全性能高的特點，而且RC4算法在加密速度上也表現(xiàn)優(yōu)異，能夠快速加密。同時還具有RC4算法的密鑰長度可變，一般采用256個字節(jié)的特點。

序列密碼算法中最典型的算法就是RC4加密算法。在二維碼編譯碼的流程中加入RC4加密算法，該算法不僅有固定的密文序列長度，而且該長度還與明文序列長度相等，因此二維碼圖形的結(jié)構(gòu)和糾錯碼的糾錯性能不會因為信息長度的變化而受到影響。

密鑰調(diào)度算法（KSA）和偽隨機(jī)數(shù)生成算法（PRGA）這兩個都是RC4算法的子算法。KSA產(chǎn)生密鑰流生成器的初始狀態(tài)S0，其依據(jù)是可變長度的加密密鑰，密鑰流Zt是由PRGA根據(jù)S0產(chǎn)生的。密文是由Zt與明文異或之后得到的，并且Zt與密文異或就可以進(jìn)行解密其具體的算法如下：

2? 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1? 功能設(shè)計

本系統(tǒng)應(yīng)用于高校的課堂教學(xué)和自主學(xué)習(xí)過程中，為教師給書本中和教學(xué)PPT中添加的二維碼進(jìn)行學(xué)習(xí)資源管理提供了平臺。該系統(tǒng)給教師和學(xué)生提供方便，不僅提高教師的教學(xué)效率，而且提供學(xué)生的自主學(xué)習(xí)效率，因此實用性很強(qiáng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)學(xué)習(xí)資源以及相對應(yīng)的二維碼的管理，有效地將書上的知識內(nèi)容以及課堂上的學(xué)習(xí)內(nèi)容通過二維碼編輯分類，通過本系統(tǒng)對學(xué)習(xí)資源進(jìn)行分類管理，學(xué)生可以通過客戶端掃描書本上知識點所對應(yīng)的二維碼有效地快速查找學(xué)習(xí)資源，并且教學(xué)過程中教師可以在教學(xué)PPT中公布對應(yīng)知識的二維碼，如果學(xué)生在聽課過程中可以掃描PPT上的二維碼深入學(xué)習(xí)，并且通過使用記錄和我的收藏功能，更好的了解自己的自主學(xué)習(xí)情況，同時教師根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為記錄，分析出學(xué)生感興趣的知識點、錯誤率高的題目以及客觀公正的給出學(xué)生的平時成績。學(xué)生使用Android手機(jī)客戶端掃描二維碼獲取自己所需的多媒體學(xué)習(xí)資源，使得自主學(xué)習(xí)更加簡單、方便[9]。

學(xué)習(xí)資源管理系統(tǒng)的總體功能模塊有用戶管理、權(quán)限管理、資源管理、數(shù)據(jù)管理、學(xué)生行為記錄管理以及二維碼生成這六大功能模塊，其中每個大的模塊又分為許多小的模塊，具體如圖1所示。

2.2? 流程設(shè)計

本系統(tǒng)主要由學(xué)習(xí)資源管理系統(tǒng)和Android客戶端的二維碼掃描子系統(tǒng)這兩個部分組成，本文對學(xué)習(xí)資源管理流程和二維碼掃描的子系統(tǒng)的流程進(jìn)行了詳細(xì)地分析，不同的用戶角色具有的功能不同，在用戶登錄時對用戶角色進(jìn)行判定，進(jìn)入不同的用戶功能頁面，系統(tǒng)的詳細(xì)流程圖如圖3和4所示。

3? 二維碼功能實現(xiàn)

3.1? 二維碼生成功能

在PC端完成二維碼生成功能，該功能是把教學(xué)視頻、教學(xué)PPT、知識擴(kuò)展、相關(guān)練習(xí)以及課堂鏈接的學(xué)習(xí)資源編譯生成二維碼或活碼，生成二維碼的同時還要確保其安全性[10]。

（1）二維碼編碼

矩陣式二維碼類型中的QRCode是本系統(tǒng)所選擇的二維碼編碼方式。我們得到的二維碼圖形是通過以下四種不同的標(biāo)準(zhǔn)化編碼模式。根據(jù)這四種編碼模式的數(shù)據(jù)內(nèi)容，可以簡單地概括成：數(shù)字、字母數(shù)字、二進(jìn)制字節(jié)以及漢字，具體編碼的流程如下步驟所示。

Step 1：通過原始的信息的獲取進(jìn)而得到該信息的數(shù)據(jù)類型。依據(jù)上述分析得到的結(jié)果選擇最為合適的編碼模式，即效率最高者。

Step 2：通過上一步驟得到的效率最高的編碼模式，我們可以對原始的信息作進(jìn)一步處理：轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制比特流后，再進(jìn)行信息的編碼。

Step 3：通過信息的數(shù)據(jù)量將碼字進(jìn)行分塊處理，通過糾錯編碼將分塊后的數(shù)據(jù)容量形成對應(yīng)的糾錯信息碼，再依照分塊順序?qū)ζ溥M(jìn)行合并，得到最終糾錯結(jié)果：糾錯碼[11-12]。

Step 4：得到數(shù)據(jù)和糾錯碼之后，按照規(guī)則將每一塊中放入數(shù)據(jù)和糾錯碼，在必要的時候還要加剩余位。

Step 5：將尋像圖形、分隔符、矯正圖形和碼字，按照規(guī)則排列，放入矩陣。

Step 6：用八種掩模圖形按照順序處理在位圖中編碼區(qū)域的符號進(jìn)行掩模處理，分析經(jīng)過掩模處理后的8種結(jié)果，選擇相對而言最優(yōu)的一種。

Step 7：最后生成版本信息（如果有需求）和格式信息，構(gòu)成符號，得到QR碼圖片，具體編碼的流程如圖5所示。

（2）二維碼加密

在二維碼編解碼過程中，難以避免問題的就是安全漏洞。通過分析現(xiàn)有的幾種典型的攻擊方式，我們需要在編碼的環(huán)節(jié)中添加加密方法并且在解碼環(huán)節(jié)進(jìn)行解密。通過認(rèn)證手段將編解碼的安全性得到提升，進(jìn)行安全管理。為了提升二維碼信息的安全性與保密性，我們通過信息加密技術(shù)對環(huán)節(jié)進(jìn)行處理;為了使用戶獲取的信息的正確性得到保證，所以我們需要在系統(tǒng)中添加認(rèn)證管理手段。通過對比其他加密算法，我們發(fā)現(xiàn)RC4算法[13]不僅算法實現(xiàn)簡易，而且它的安全性能較高。不僅如此，RC4算法在加密速度上也表現(xiàn)優(yōu)異。RC4算法的密鑰長度可變，一般采用256個字節(jié)，所以將RC4加密算法運用在二維碼信息加密過程中，具體是應(yīng)用于QR碼的編碼環(huán)節(jié)，并采用的QR碼的雙重加密策略[14-15]，具體如圖6所示。

（3）二維碼保存

生成后的二維碼圖片需要進(jìn)行保存。本系統(tǒng)的資源上傳功能就實現(xiàn)了將生成的二維碼圖片上傳到數(shù)據(jù)庫，同二維碼圖片一起上傳保存的還有與該二維碼圖片相對應(yīng)的知識點ID、圖書號、書名、知識點內(nèi)容。

3.2? 二維碼掃碼功能

二維碼掃碼功能是在Android手機(jī)端完成，通過用手機(jī)掃描書本中的二維碼和PPT中公布的二維碼，獲得教學(xué)視頻、教學(xué)PPT、知識擴(kuò)展、相關(guān)練習(xí)以及課堂鏈接這些不同類型學(xué)習(xí)資源的完整信息。

（1）二維碼解碼

二維碼的編碼過程是將數(shù)據(jù)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為二維碼圖形，那么二維碼的解碼過程就是將二維碼圖形掃描識讀完成數(shù)據(jù)內(nèi)容輸出，這個過程被稱為編碼的逆過程。具體的解碼流程如下所示。

Step 1：通過手機(jī)端對二維碼圖形掃描，進(jìn)行圖形識讀。

Step 2：二維碼圖形上面一共有三個方塊，在任何方向都可以對二維碼圖形進(jìn)行掃描

就是這三個方塊起到的作用。要對二維碼圖形進(jìn)行解碼，那么就要對這三個方塊進(jìn)行圖形探測。確定QR二維碼的方向和位置的方法是尋像圖形和定位圖形，并且要校正圖像，從而確定采樣網(wǎng)絡(luò)。

Step 3：對數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯，就要識別模塊的深淺，讀取格式，以及二維碼版本的信息，消除掩模，恢復(fù)數(shù)據(jù)的內(nèi)容和糾錯信息碼，數(shù)據(jù)和糾錯進(jìn)行解碼對比。糾錯和解碼同時進(jìn)行，并且錯誤檢查是通過糾錯碼進(jìn)行的。

Step 4：在糾錯解碼之后，就要對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解碼。

Step 5：輸出顯示信息的內(nèi)容，具體的解碼流程如圖7所示。

（2）二維碼解密

因為在二維碼編碼的過程中使用了RC4算法雙重加密策略，所以在二維碼的解碼過程里面，就要對二維碼的進(jìn)行解密，具體如圖8所示。

4? 系統(tǒng)測試

軟件測試是軟件開發(fā)過程的重要組成部分，大致包括了功能測試、性能測試、兼容性測試、安全性測試等。對系統(tǒng)進(jìn)行測試的目的就是要用最少的時間和人力，找出系統(tǒng)中存在的各種各樣的錯誤、漏洞以及缺陷，同時來確認(rèn)系統(tǒng)的功能或性能是否與系統(tǒng)開發(fā)之前所提出的一些需求相符合。

（1）系統(tǒng)兼容性測試

進(jìn)行學(xué)習(xí)資源掃描子系統(tǒng)兼容性測試的平臺是Testin（一站式移動應(yīng)用測試平臺），測試過程中選用了市場上較為主流的50款機(jī)型。測試內(nèi)容包括初始化、安裝、啟動、遍歷，Monkey等測試項。測試通過率為90%，其中2款初始化失敗，3款安裝失敗。初始化失敗可能是應(yīng)用程序組件丟失，應(yīng)用程序完整的運行需要一些系統(tǒng)文件的支持;安裝包可能有損壞。安裝失敗的可能是安卓手機(jī)客戶端內(nèi)存不足;安裝apk時出現(xiàn)解析包錯誤;系統(tǒng)版本限制（比如手機(jī)支持2.3系統(tǒng)，而應(yīng)用程序只支持4.0及以上系統(tǒng)），部分的測試結(jié)果如圖9所示。

（2）系統(tǒng)性能測試

學(xué)習(xí)資源掃描子系統(tǒng)進(jìn)行性能測試是為了確保該子系統(tǒng)在不同的移動客戶端具有良好的使用性能，測試結(jié)果的性能概況圖中可以看出，安裝時間是7.35s，啟動時間是0.62s，CPU占用率是1.58%等，學(xué)習(xí)資源掃描子系統(tǒng)進(jìn)行性能測試的具體結(jié)果如圖10所示。

5? 結(jié)論

學(xué)習(xí)資源管理系統(tǒng)在設(shè)計和開發(fā)的過程中結(jié)合了現(xiàn)代軟件工程理論、J2EE體系結(jié)構(gòu)，以及SSH三大框架，將學(xué)習(xí)資源管理作為系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)目標(biāo)，對系統(tǒng)的功能模塊、系統(tǒng)架構(gòu)、以及數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了具體設(shè)計與實現(xiàn)，使得更加合理的進(jìn)行學(xué)習(xí)資源管理成為可能。為實現(xiàn)教師輔助教學(xué)、管理學(xué)習(xí)資源以及學(xué)生自主學(xué)習(xí)，本文設(shè)計并實現(xiàn)一個學(xué)習(xí)資源管理系統(tǒng)。教師用戶使用本系統(tǒng)將教學(xué)視頻、教學(xué)PPT，相關(guān)練習(xí)等學(xué)習(xí)資源生成二維碼，并且可以對書本以及課件中添加的學(xué)習(xí)資源二維碼進(jìn)行管理。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對學(xué)習(xí)資源以及相對應(yīng)的二維碼的管理功能。教師可以在教學(xué)過程中的教學(xué)PPT上加入對應(yīng)知識的二維碼，學(xué)生可以掃描PPT上的二維碼進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，同時教師根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為記錄，分析出學(xué)生感興趣的知識點、錯誤率高的題目從而可以客觀公正的給出學(xué)生的平時成績。學(xué)生用戶可以使用移動客戶終端掃描方掃描書本上知識點所對應(yīng)的二維碼有效快速地查找、獲取學(xué)習(xí)資源。該系統(tǒng)有利于提高教師的教學(xué)效率和學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，因此這個系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實用性。

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