數(shù)字化校園教學(xué)資源共享平臺(tái)設(shè)計(jì)

張錦宇　朱富麗

摘要：由于對不同訪問請求的反饋缺乏差異化機(jī)制，導(dǎo)致資源共享平臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定性較低，為此，提出數(shù)字化校園教學(xué)資源共享平臺(tái)設(shè)計(jì)，構(gòu)建了以FPGA服務(wù)器和云盒為基礎(chǔ)的硬件環(huán)境，利用處理器強(qiáng)大的計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的多源資料上傳模式，在云盒的傳輸支持下，服務(wù)器的2個(gè)RAID對上傳資料的正確性進(jìn)行判斷，當(dāng)接收到訪問請求時(shí)，平臺(tái)按照瀏覽、查詢、下載三種模式，定制了三種不同的顯示方式，以此降低平臺(tái)的運(yùn)行負(fù)載，提高穩(wěn)定性。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)的訪問響應(yīng)時(shí)間基本穩(wěn)定在2.0s以內(nèi)，具有較高的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：訪問請求;教學(xué)資源;共享平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G434? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）07-0071-02

與傳統(tǒng)教學(xué)方式相比，在疫情的影響下，線上教學(xué)更能滿足現(xiàn)階段教學(xué)條件與教學(xué)需求，其不僅打破了傳統(tǒng)教學(xué)對空間的限制，也最大限度降低了教學(xué)的時(shí)間成本，學(xué)生在覆蓋網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中即可參與到教學(xué)活動(dòng)中。但隨著線上教學(xué)活動(dòng)的不斷開展，構(gòu)建與之匹配的教學(xué)資源共享平臺(tái)成為推進(jìn)其發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。在課前以及課后階段，學(xué)生的預(yù)習(xí)以及復(fù)習(xí)都離不開教學(xué)資源的輔助，特別是對于高等院校而言，學(xué)生人數(shù)較多，專業(yè)和對應(yīng)的課程也相對較多，教學(xué)資源共享平臺(tái)需要具備同時(shí)承載大規(guī)模訪問的能力[1]。為此，本文提出數(shù)字化校園教學(xué)資源共享平臺(tái)設(shè)計(jì)，以期為實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的高效共享提供幫助。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 FPGA服務(wù)器

由于高校的教學(xué)資源存在明顯的多樣化，海量化的特征，并且隨著辦學(xué)時(shí)間段增加，對應(yīng)的教學(xué)資源也會(huì)逐漸累積，數(shù)量越來越多，這就要求資源共享平臺(tái)的服務(wù)器具有較高的運(yùn)行速度[2]。因此，本文選擇Power Edge R550作為本文設(shè)計(jì)平臺(tái)的FPGA服務(wù)，其背板是SAS/SATA，機(jī)箱大小為3.5英寸，內(nèi)含的8 ChipsetSATA硬盤可以滿足海量資源的存儲(chǔ)需求，搭載英特爾至強(qiáng)系列銀牌4309Y CPU，可滿足2.8G運(yùn)行需求，其余指標(biāo)分別為8C/16T， 10.4GT/s，12M的緩存速度為資源的下載提供更高效率。雙列RAID 型號(hào)均為C20，屬于含嵌入式SATA的驅(qū)動(dòng)，適用于SATA HDDs、SATA的混合驅(qū)動(dòng)需求[3]。內(nèi)置存儲(chǔ)控制器為S150，適用于不同的RAID，硬盤大小為2TB，在600W電源支持下可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，最大限度降低了對電源的要求

1.2 云盒

為了適應(yīng)數(shù)字化教學(xué)的使用需求，平臺(tái)的云盒為SZ10-CBO，其可以最大限度滿足智慧終端用戶對平臺(tái)的使用需求，內(nèi)置防浪涌系統(tǒng)、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、交流/直流電源控制和計(jì)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)路由和交換系統(tǒng)，配合智慧終端設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對平臺(tái)的輕松管理。設(shè)計(jì)充分考慮了平臺(tái)應(yīng)用的多功能性和穩(wěn)定性需求，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基本構(gòu)架，允許安全硬件的接入[4]。在WIFI、4G以及網(wǎng)口條件下均可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行，接入互聯(lián)網(wǎng)的方式為光口，并支持在多網(wǎng)中同時(shí)在線，其中，光口可以實(shí)現(xiàn)光纖二層組網(wǎng)，在環(huán)型、鏈型組網(wǎng)中均可靈活運(yùn)行?？稍鰷p的嵌入式交換通信模塊使得配置網(wǎng)絡(luò)端口可以適應(yīng)不同規(guī)模業(yè)務(wù)對端口的使用需。內(nèi)置的LoRa（支持LoRaWAN協(xié)議和私有協(xié)議）、ZigBee協(xié)議支持?jǐn)?shù)據(jù)的透明傳輸，MODBU可以實(shí)現(xiàn)對SCADA Modbus指令的記憶，更加便于用戶的使用。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 教學(xué)資源上傳

為了降低由于資源來源限制對平臺(tái)價(jià)值的抑制，本文設(shè)計(jì)平臺(tái)的資源上傳不受用戶屬性限制，這就意味著，無論是教師還是學(xué)生，高校內(nèi)所用平臺(tái)用戶都可以作為資源上傳者存在。考慮到這種對多源的數(shù)據(jù)收集方式對平臺(tái)計(jì)算能力的要求，本文利用Power Edge R550中的blobstore構(gòu)建資源上傳通道，以成員方法 create-uplaod-url實(shí)現(xiàn)上傳資源在平臺(tái)內(nèi)的同步?？紤]到部分資源的上傳數(shù)量較多，重復(fù)操作不僅會(huì)降低用戶的使用感受，也會(huì)影響平臺(tái)的運(yùn)行效率，因此在Power Edge R550的bolb-info功能內(nèi)構(gòu)建了 key 選項(xiàng)。通過這樣的方式，用戶可以將待上傳的資料以關(guān)鍵詞的形式進(jìn)行個(gè)性化選擇，并實(shí)現(xiàn)集中上傳。

2.2 教學(xué)資料審核

值得關(guān)注的是，平臺(tái)的多源信息上傳模式最明顯的問題就是對上傳資料可靠性的判斷。為此，本文將上傳請求中的資料暫時(shí)存儲(chǔ)在SZ10-CBO的預(yù)處理數(shù)據(jù)庫內(nèi)，之后，利用 AppHelper內(nèi)的is-ValidResoure對資源進(jìn)行檢查。首先是對資料基本準(zhǔn)確性的審核，包括錯(cuò)別字、符號(hào)、專有名詞表述方式。在服務(wù)器的1個(gè)RAID中輸入resrces 字段值，嵌入資源來源的 ID 值同時(shí)，利用 request 內(nèi)的 get-all對資料的內(nèi)容進(jìn)行審核，審核的標(biāo)準(zhǔn)以資料對應(yīng)專業(yè)的已有資源為準(zhǔn)。對于未通過審核的資源，直接返回至用戶端，并提示不符合上傳標(biāo)準(zhǔn)。對于通過審核的資源，通過ZigBee協(xié)議以同名的方式傳輸?shù)狡脚_(tái)存儲(chǔ)模塊，利用Resource 的成員方法 get-by-id 將該教學(xué)資源映射到閾值對應(yīng)的學(xué)科數(shù)據(jù)庫中，并利用服務(wù)器的另1個(gè)RAID將這些新的信息與舊的信息進(jìn)行相似度計(jì)算，對于相似度達(dá)到70%以上的資源，同樣作返回處理，對于重復(fù)率在5%以下的資源，發(fā)送至教師審核模塊，通過人工審核的方式對內(nèi)容的正確性進(jìn)行分析，當(dāng)審核結(jié)果為通過時(shí)，則允許上傳，否則返回至用戶端。

2.3 教學(xué)資源訪問

當(dāng)平臺(tái)接收到用戶的訪問請求時(shí)，首先利用urllib 內(nèi)的unquote對請求進(jìn)行解析，以關(guān)鍵詞的形式明確訪問的目標(biāo)，并將其分為瀏覽、查詢、下載三種，在通過SCADA Modbus對輸入的訪問輸入內(nèi)容進(jìn)行記憶，當(dāng)類似的訪問請求再次出現(xiàn)時(shí)，最大限度降低目標(biāo)解析時(shí)間。當(dāng)解析結(jié)果為瀏覽時(shí)，平臺(tái)顯示的資源以直接資料題目與內(nèi)容概要為全部內(nèi)容，以便用戶可以快速在顯示結(jié)果中確定目標(biāo)對象，也降低平臺(tái)對資源的加載時(shí)間，縮短反饋時(shí)間;當(dāng)解析結(jié)果為查詢時(shí)，平臺(tái)顯示的結(jié)果以題目或簡短敘述的形式出現(xiàn)，以最直觀顯示查詢內(nèi)容為目標(biāo);當(dāng)解析結(jié)果為下載時(shí)，顯示的內(nèi)容為符合訪問請求的全部資料內(nèi)容，以此確保用戶對下載的內(nèi)容有初步的了解，避免下載的資料與實(shí)際需求出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致多次下載，增加平臺(tái)的運(yùn)行負(fù)載，影響運(yùn)行效率。

3 平臺(tái)測試

將本文設(shè)計(jì)的共享平臺(tái)應(yīng)用于實(shí)際的高校教學(xué)過程中，測試其在不同使用條件下的性能。

3.1 測試目標(biāo)

本文設(shè)計(jì)的教學(xué)資源共享平臺(tái)主要是為了解決高校學(xué)生大規(guī)模集中性訪問狀態(tài)下平臺(tái)對請求的處理遲緩問題，因此，在實(shí)驗(yàn)過程中，性能測試主要以平臺(tái)并發(fā)處理能力為目標(biāo)，為了量化處理結(jié)果，本文將平臺(tái)響應(yīng)時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行測試?？紤]到平臺(tái)在實(shí)際的應(yīng)用過程中面對的環(huán)境，實(shí)驗(yàn)最大限度還原了不同程度的平臺(tái)使用需求，結(jié)合平臺(tái)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)條件，平臺(tái)的運(yùn)行指標(biāo)需要滿足以下條件：允許最大并發(fā)請求數(shù)量為1000，請求處理效率不低于200 事物/秒，對于單個(gè)請求的反饋時(shí)間不超過3s，并定義反饋時(shí)間在1s以內(nèi)為響應(yīng)速度迅捷;反饋時(shí)間在1～2s范圍內(nèi)為響應(yīng)速度正常;反饋時(shí)間在2～3s范圍內(nèi)為響應(yīng)速度緩慢;反饋時(shí)間在大于3s則認(rèn)為響應(yīng)速度超時(shí)。

3.2 平臺(tái)測試過程及結(jié)果

在測試開始前，首先利用 LOADRUNNER 性能測試工具中的 Vuser Generator 錄入性能測試執(zhí)行腳本。在確認(rèn)測試環(huán)境后，在平臺(tái)無壓力情況的狀態(tài)下將測試平臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送業(yè)務(wù)請求并接收返回結(jié)果腳本在平臺(tái)中進(jìn)行50次測試，并計(jì)算其平均響應(yīng)時(shí)間，最終結(jié)果為0.62s，以此作為衡量平臺(tái)響應(yīng)時(shí)間的基準(zhǔn)。

以此為基礎(chǔ)，首先對單訪問請求負(fù)載狀態(tài)下的平臺(tái)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測試，在平臺(tái)中每種教學(xué)資源中加載大小分別為10%、20%以及30%的負(fù)載，再測試用戶請求獲取目標(biāo)資源的時(shí)間以及CPU和內(nèi)存情況。為了提高測試結(jié)果的可靠性，用戶數(shù)量設(shè)置為100，將其測試結(jié)果的均值作為實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果，其結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，本文設(shè)計(jì)的平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載條件下的高效運(yùn)行，滿足用戶的資源訪問請求。

其次就是對平臺(tái)穩(wěn)定性的測試，根據(jù)結(jié)合高校的實(shí)際教學(xué)資源訪問處理業(yè)務(wù)量需求設(shè)置平臺(tái)峰值，并定義其為100%。按照這樣的標(biāo)準(zhǔn)，在負(fù)載狀態(tài)為30%狀態(tài)下，分別設(shè)置并發(fā)請求規(guī)模為峰值的60%、80%、100%以及120%時(shí)平臺(tái)的響應(yīng)時(shí)間及CPU和內(nèi)存情況。

從表2中可以看出，平臺(tái)仍具有巨大的應(yīng)用潛力，可以適應(yīng)更大規(guī)模的教學(xué)使用需求。

4 結(jié)束語

隨著信息時(shí)代的到來，計(jì)算機(jī)技術(shù)在越來越多領(lǐng)域開始發(fā)揮重要作用，教學(xué)領(lǐng)域也不例外。在此基礎(chǔ)上，各大高校積極探索線上教學(xué)模式，并構(gòu)建了以教學(xué)資源共享為目標(biāo)的學(xué)習(xí)平臺(tái)，為線上教學(xué)的實(shí)施提供基礎(chǔ)。本文提出的數(shù)字化校園教學(xué)資源共享平臺(tái)設(shè)計(jì)，在不同程度負(fù)載和并行請求狀態(tài)下的高效運(yùn)行，響應(yīng)時(shí)間可以滿足用戶的使用需求。通過本文的研究，以期為促進(jìn)高校的數(shù)字化教學(xué)模式發(fā)展提供有價(jià)值的參考。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：張薇】

收稿日期：2021-07-15

基金項(xiàng)目：河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目：教育信息化2.0背景下河南省高校課堂教學(xué)模式變革研究（20B880007）;河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院“課程思政”教改項(xiàng)目：信息技術(shù)與課程思政融合創(chuàng)新教學(xué)模式構(gòu)建研究（KCSZ-202029）

作者簡介：張錦宇（1983—），男，河南鄭州人，講師，碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)軟件技術(shù)。