网络环境下在线课程教学系统设计
王金社 刘东 陆惠玲
摘 要： 网络环境下在线课程教学能提高教学的针对性和教学资源共享性，在线课程教学系统由网络通信模块、数据采集模块、总线传输模块和应用程序加载模块等构成。在VME总线构架体系下进行在线课程教学系统的模块连接和功能控制，以Eclipse 作为开发环境，构建在线课程教学的数据存储层、用户分析层和日志挖掘层，在用户UI界面实现在线课程教学终端的控制和结构布局，完成系统优化设计。系统测试结果表明，该系统进行在线课程教学的总线数据传输性能较好，有效满足个性化需求。
关键词： 网络环境； 在线课程教学； VME总线； 功能控制
中图分类号： TN711?34； TD76 文献标识码： A 文章编号： 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
網络在线学习成为未来全日制和非全日制课程教学的主要方式，随着网络在线课程教学资源数的增多，需要对课程教学资源数据进行有效的筛选、分析和挖掘，并在在线课程教学系统中进行智能化控制识别，结合用户的终端需求实现用户行为分析，根据教学对象的喜好主动向用户推荐教学资源信息[1]。
研究网络在线课程教学系统设计方法，在互联网和物联网体系结构下进行功能模块化设计，构架教学系统的感知设备、网络通信设备和控制设备，对改善基础教学设置，提高教学的智能化和信息化水平具有方向性的指导作用。
1 总体构架模型
1.1 在线课程教学系统开发环境
在网络环境下构建在线课程教学系统，首先构建网络体系结构模型，在物联网和嵌入式开发环境下进行系统设计，对教学系统的顶层设计进行全局性描述。在物联网环境下，网络在线课程教学系统分为三层体系结构，分别为感知控制层、网络传输层和应用服务层。其中，感知控制层是通过传感器设备、无线射频识别和多媒体感知技术进行教学资源信息采集，采用无线自组网技术和协同信息处理技术进行网络控制，构建在线网络控制的中间件，通过低速和中高速的网络传输技术构建物联网体系结构，为开放的服务访问接口与网络控制接口提供信息管理。在网络传输层，建立异构网、移动通信网以及校园网络，通过网络支撑层实现网络数据传输，实现高能效、精准、可靠的在线课程教学资源传输和控制[2]。采用Browser/Server结构的模型视图软件开发模式，实现界面显示和业务逻辑控制，在感知控制层定义用户行为，通过用户行为分析和控制器实现在线课程学习。本课程在线教学系统架构是将C/S和B/S模式结合在一起，基于开源的数据库管理进行用户信息注册、登录以及账号管理，对数据库资源通过词库的管理以及日志信息管理，实现在线课程教学资源的全方位检索和信息查询。
1.2 教学系统功能模块构建
在线课程教学系统由网络通信模块、数据采集模块、总线传输模块和应用程序加载模块等构成。其中，数据采集模块是进行原始的教学资源信息感知，通过海量数据信息采集技术上传在线课程教学资源。教学范围分为若干单元，在教学资源上传和下载过程中根据单元分布和节点的重要程度和位置，把节点分为骨干节点、一般节点和接口节点，采用无线射频技术提高网络教学的实时性和资源互通性。
网络通信模块是实现网络信息传输和在线通信功能。网络通信采用的是4G通信和互联网通信技术，通过 Internet 将分布在各个教学目标区域的信息串联起来，建立通信设备和控制设备等基础设施。利用OpenStack云计算平台建立信息传感网[3]，采用Web技术进行在线课程教学系统的网络组网设计，实现了在线课程教学资源信息的对象存储、数据挖掘、资源信息服务以及远程调用和教学质量反馈等。
在接口访问的服务能力层（Service Capacity Layer， SCL）架构下，教学系统主要由信息采集单元、教学资源信息存储数据库、组织架构和网络应用服务器单元组成，通过异构、层次化结构的网络体系构架和接口访问控制，实现QoS管理和网络传输的安全评估。利用物联网构建网络适配层中间件技术，在线课程教学资源检索单元利用WEB?GIS浏览器进行信息传输和共享服务，在GPRS数据传输模块层，通过云计算模块的分布式计算，提高对远程教学信息处理和加工能力[4]。在线课程教学系统功能模块构成如图1所示。
2 系统开发实现
2.1 在线课程教学的层次化设计
在VME总线构架体系下进行在线课程教学系统的模块连接和功能控制，以Eclipse 作为开发环境，构建在线课程教学的数据存储层，用户分析层和日志挖掘层。对网络环境下的在线课程教学系统层次化设计主要分为用户子系统和后台管理子系统。在用户子系统中，教师和学生通过各自的用户权限注册并登录在用户系统中，在用户UI界面设置用户名和密码，学生进行教学资源信息检索和信息反馈，教师进行教学资源上传和多媒体教学体系控制，教师通过教学评估软件进行教学质量评估。后台管理子系统分为资源分类管理模块、网络控制模块、用户管理模块和总线数据传输模块，通过对来自外部数据源服务器上的用户行为进行教学过程中的教学进度、教学内容和教学对象测评，Mine 挖掘出来有用的教学资源信息[5]，教学系统的后台子系统与其他智能终端设备连接，根据用户的服务需求、功能架构进行信息通信与交流。在线课程教学的层次化设计结构如图2所示。
利用高速局部总线控制方法设计终端登录信息管理系统，结合上位机模块进行数据通信，建立基础软件层、应用开发层和应用业务适配层。在线课程教学资源通过任务管理和网络自愈合服务，在应用层配置网络层管理实体对象模型，初始网络信道，通过MAC 层完成轮询调度和网络连通性服务。在用户UI界面进行在线课程教学终端控制和结构布局，在网络层运用校园网和无線通信技术进行教学资源信息融合，设计嵌入式控制器对串口、并口、USB端口进行在线教学总线传输控制。用PXI?8155无线传输方式进行总线控制和信息采集，PXI?8155无线网络设计有带宽大和总线控制精度高的优点[6]，构建在线教学系统通信模块，用MUX101程控开关进行在线课程教学系统指令控制。在线教学系统控制任务标识对应状态见表1。
根据教学系统控制的任务标识位设计，进行在线课程教学的层次化设计和应用程序写入，调用Matlab的接口函数，使用专家连接器VCSE进行感知控制层的加载保护。在物联网体系结构下进行在线课程教学系统的网关与网络域mId 接口设计，根据信息运行的状态，进行在线课程教学的资源数据加载和程序加载。在管理域子系统的架构中，在物联网模式下实现在线课程教学的感知信息服务、感知信息管理、控制信息服务及控制信息管理，构建用户交互组件，通过公共服务平台在互联网+物联网下实现教学在线信息评估和资源共享，完成在线课程教学层次化设计，设计结构如图3所示。
2.2 系统的软件开发实现流程
在Visual DSP++ 4.5环境下进行远程在线教学系统软件开发设计，在集成开发环境IDDE中进行指令处理和本地存储，整个系统的软件开发实现在线教学资源集成与管理、分布式调度、打手并行处理、数据分析服务。用ST超低功耗ARM CortexTM?M0 微控制器作为主控芯片，建立教学系统A/D采样模块，采用高速数字信号处理芯片作为信号处理器核心芯片，采用5409A数字信号处理DSP芯片建立外围控制模块。
数字信号处理芯片具有1条程序总线，2个存储器映射空间，能有效满足远程教学系统的程序缓存和数据回放的存储空间需求[7]。在开发平台上集成GNU开发工具集，如C编译器GCC，C++编译器G++，系统基线恢复模块开发采用基于ADI公司的ADSP21160处理器，外围器件选择浮点DSP和定点DSP，配置CAN_IMASK寄存器与嵌入式STM32宿机连接，通过ZigBee 终端节点并联组成信号采集阵列单元构成教学多媒体控制网络结构，初始化设备驱动程序，在网络层通过ZigBee+为服务器端提供一个虚拟服务。构建CAN总线驱动器实现高速率的总线数据传输，采用ADUM1201和PCA82C250设计运放模块，通过系统的前级放大控制设定采样信号上升和下降速率。设计程序加载模块、数据存储模块进行数据加载，在嵌入式Linux定制和配置文件，使编译出来控制可执行代码能在ARM上运行，系统的设备驱动程序负责和无线网络术信息融合。在控制设备中导入网络参数、用户参数等原始数据，实现在线教学系统局域网接入功能。
3 应用测试分析
对网络环境下在线课程教学系统的应用测试建立在ActivityGroup软件仿真器（Simulator）中，ActivityGroup软件集成了软件仿真器、硬件仿真器（Emulator）和程序开发功能，Visual DSP++支持系统的输出结果数据以图形化的方式查看和编辑，并在编辑窗口、输出窗口中进行系统的网络性能和统计性能分析。使用Visual DSP++的Simulator应用程序开发软件，在DSP硬件上运行程序，分析本文设计的在线课程教学系统的运行效果，得到系统运行的鲁棒性测试曲线如图4所示。
分析图4结果得知，采用本文设计系统进行在线课程教学，系统运行的鲁棒性较好，说明稳定度较高，有效满足个性化用户教学需求。
4 结 语
本文设计的在线课程教学系统由网络通信模块、数据采集模块、总线传输模块和应用程序加载模块等构成。通过实验分析，该系统的总线数据传输性能较好，能有效满足个性化需求，具有较好的应用性。
参考文献
[1] 蔡树敏，郑洪英，陈剑勇.远程教学系统课程在线编辑的设计与实现[J].计算机工程与设计，2014，35（6）：2230?2233.
[2] 郭旭，茅俊杰，何嘉权，等.基于MOOC的在线教学实验平台的设计与实现[J].计算机工程与设计，2016，37（2）：545?551.
[3] 陆兴华.基于以太网的家居监控系统设计[J].自动化技术与应用，2016，35（5）：136?139.
[4] 范世鹏，林德福，路宇龙，等.激光制导武器半实物仿真系统的设计与实现[J].红外与激光工程，2014，43（2）：394?397.
[5] 李香菊，谢修娟，郑英.基于WebRTC的实时视频教学系统的设计与实现[J].现代电子技术，2016，39（6）：114?116.
[6] 谢洪安，李栋，苏旸，等.基于聚类分析的可信网络管理模型[J].计算机应用，2016，36（9）：2447?2451.
[7] 明平松，刘建昌.随机多智能体系统稳定性综述[J].控制与决策，2016，31（3）：385?393.
[8] 程新根，朝华.基于WSN的天然气管道运行状态安全监测系统设计[J].物联网技术，2015，5（10）：23?25.
摘 要： 网络环境下在线课程教学能提高教学的针对性和教学资源共享性，在线课程教学系统由网络通信模块、数据采集模块、总线传输模块和应用程序加载模块等构成。在VME总线构架体系下进行在线课程教学系统的模块连接和功能控制，以Eclipse 作为开发环境，构建在线课程教学的数据存储层、用户分析层和日志挖掘层，在用户UI界面实现在线课程教学终端的控制和结构布局，完成系统优化设计。系统测试结果表明，该系统进行在线课程教学的总线数据传输性能较好，有效满足个性化需求。
关键词： 网络环境； 在线课程教学； VME总线； 功能控制
中图分类号： TN711?34； TD76 文献标识码： A 文章编号： 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
網络在线学习成为未来全日制和非全日制课程教学的主要方式，随着网络在线课程教学资源数的增多，需要对课程教学资源数据进行有效的筛选、分析和挖掘，并在在线课程教学系统中进行智能化控制识别，结合用户的终端需求实现用户行为分析，根据教学对象的喜好主动向用户推荐教学资源信息[1]。
研究网络在线课程教学系统设计方法，在互联网和物联网体系结构下进行功能模块化设计，构架教学系统的感知设备、网络通信设备和控制设备，对改善基础教学设置，提高教学的智能化和信息化水平具有方向性的指导作用。
1 总体构架模型
1.1 在线课程教学系统开发环境
在网络环境下构建在线课程教学系统，首先构建网络体系结构模型，在物联网和嵌入式开发环境下进行系统设计，对教学系统的顶层设计进行全局性描述。在物联网环境下，网络在线课程教学系统分为三层体系结构，分别为感知控制层、网络传输层和应用服务层。其中，感知控制层是通过传感器设备、无线射频识别和多媒体感知技术进行教学资源信息采集，采用无线自组网技术和协同信息处理技术进行网络控制，构建在线网络控制的中间件，通过低速和中高速的网络传输技术构建物联网体系结构，为开放的服务访问接口与网络控制接口提供信息管理。在网络传输层，建立异构网、移动通信网以及校园网络，通过网络支撑层实现网络数据传输，实现高能效、精准、可靠的在线课程教学资源传输和控制[2]。采用Browser/Server结构的模型视图软件开发模式，实现界面显示和业务逻辑控制，在感知控制层定义用户行为，通过用户行为分析和控制器实现在线课程学习。本课程在线教学系统架构是将C/S和B/S模式结合在一起，基于开源的数据库管理进行用户信息注册、登录以及账号管理，对数据库资源通过词库的管理以及日志信息管理，实现在线课程教学资源的全方位检索和信息查询。
1.2 教学系统功能模块构建
在线课程教学系统由网络通信模块、数据采集模块、总线传输模块和应用程序加载模块等构成。其中，数据采集模块是进行原始的教学资源信息感知，通过海量数据信息采集技术上传在线课程教学资源。教学范围分为若干单元，在教学资源上传和下载过程中根据单元分布和节点的重要程度和位置，把节点分为骨干节点、一般节点和接口节点，采用无线射频技术提高网络教学的实时性和资源互通性。
网络通信模块是实现网络信息传输和在线通信功能。网络通信采用的是4G通信和互联网通信技术，通过 Internet 将分布在各个教学目标区域的信息串联起来，建立通信设备和控制设备等基础设施。利用OpenStack云计算平台建立信息传感网[3]，采用Web技术进行在线课程教学系统的网络组网设计，实现了在线课程教学资源信息的对象存储、数据挖掘、资源信息服务以及远程调用和教学质量反馈等。
在接口访问的服务能力层（Service Capacity Layer， SCL）架构下，教学系统主要由信息采集单元、教学资源信息存储数据库、组织架构和网络应用服务器单元组成，通过异构、层次化结构的网络体系构架和接口访问控制，实现QoS管理和网络传输的安全评估。利用物联网构建网络适配层中间件技术，在线课程教学资源检索单元利用WEB?GIS浏览器进行信息传输和共享服务，在GPRS数据传输模块层，通过云计算模块的分布式计算，提高对远程教学信息处理和加工能力[4]。在线课程教学系统功能模块构成如图1所示。
2 系统开发实现
2.1 在线课程教学的层次化设计
在VME总线构架体系下进行在线课程教学系统的模块连接和功能控制，以Eclipse 作为开发环境，构建在线课程教学的数据存储层，用户分析层和日志挖掘层。对网络环境下的在线课程教学系统层次化设计主要分为用户子系统和后台管理子系统。在用户子系统中，教师和学生通过各自的用户权限注册并登录在用户系统中，在用户UI界面设置用户名和密码，学生进行教学资源信息检索和信息反馈，教师进行教学资源上传和多媒体教学体系控制，教师通过教学评估软件进行教学质量评估。后台管理子系统分为资源分类管理模块、网络控制模块、用户管理模块和总线数据传输模块，通过对来自外部数据源服务器上的用户行为进行教学过程中的教学进度、教学内容和教学对象测评，Mine 挖掘出来有用的教学资源信息[5]，教学系统的后台子系统与其他智能终端设备连接，根据用户的服务需求、功能架构进行信息通信与交流。在线课程教学的层次化设计结构如图2所示。
利用高速局部总线控制方法设计终端登录信息管理系统，结合上位机模块进行数据通信，建立基础软件层、应用开发层和应用业务适配层。在线课程教学资源通过任务管理和网络自愈合服务，在应用层配置网络层管理实体对象模型，初始网络信道，通过MAC 层完成轮询调度和网络连通性服务。在用户UI界面进行在线课程教学终端控制和结构布局，在网络层运用校园网和无線通信技术进行教学资源信息融合，设计嵌入式控制器对串口、并口、USB端口进行在线教学总线传输控制。用PXI?8155无线传输方式进行总线控制和信息采集，PXI?8155无线网络设计有带宽大和总线控制精度高的优点[6]，构建在线教学系统通信模块，用MUX101程控开关进行在线课程教学系统指令控制。在线教学系统控制任务标识对应状态见表1。
根据教学系统控制的任务标识位设计，进行在线课程教学的层次化设计和应用程序写入，调用Matlab的接口函数，使用专家连接器VCSE进行感知控制层的加载保护。在物联网体系结构下进行在线课程教学系统的网关与网络域mId 接口设计，根据信息运行的状态，进行在线课程教学的资源数据加载和程序加载。在管理域子系统的架构中，在物联网模式下实现在线课程教学的感知信息服务、感知信息管理、控制信息服务及控制信息管理，构建用户交互组件，通过公共服务平台在互联网+物联网下实现教学在线信息评估和资源共享，完成在线课程教学层次化设计，设计结构如图3所示。
2.2 系统的软件开发实现流程
在Visual DSP++ 4.5环境下进行远程在线教学系统软件开发设计，在集成开发环境IDDE中进行指令处理和本地存储，整个系统的软件开发实现在线教学资源集成与管理、分布式调度、打手并行处理、数据分析服务。用ST超低功耗ARM CortexTM?M0 微控制器作为主控芯片，建立教学系统A/D采样模块，采用高速数字信号处理芯片作为信号处理器核心芯片，采用5409A数字信号处理DSP芯片建立外围控制模块。
数字信号处理芯片具有1条程序总线，2个存储器映射空间，能有效满足远程教学系统的程序缓存和数据回放的存储空间需求[7]。在开发平台上集成GNU开发工具集，如C编译器GCC，C++编译器G++，系统基线恢复模块开发采用基于ADI公司的ADSP21160处理器，外围器件选择浮点DSP和定点DSP，配置CAN_IMASK寄存器与嵌入式STM32宿机连接，通过ZigBee 终端节点并联组成信号采集阵列单元构成教学多媒体控制网络结构，初始化设备驱动程序，在网络层通过ZigBee+为服务器端提供一个虚拟服务。构建CAN总线驱动器实现高速率的总线数据传输，采用ADUM1201和PCA82C250设计运放模块，通过系统的前级放大控制设定采样信号上升和下降速率。设计程序加载模块、数据存储模块进行数据加载，在嵌入式Linux定制和配置文件，使编译出来控制可执行代码能在ARM上运行，系统的设备驱动程序负责和无线网络术信息融合。在控制设备中导入网络参数、用户参数等原始数据，实现在线教学系统局域网接入功能。
3 应用测试分析
对网络环境下在线课程教学系统的应用测试建立在ActivityGroup软件仿真器（Simulator）中，ActivityGroup软件集成了软件仿真器、硬件仿真器（Emulator）和程序开发功能，Visual DSP++支持系统的输出结果数据以图形化的方式查看和编辑，并在编辑窗口、输出窗口中进行系统的网络性能和统计性能分析。使用Visual DSP++的Simulator应用程序开发软件，在DSP硬件上运行程序，分析本文设计的在线课程教学系统的运行效果，得到系统运行的鲁棒性测试曲线如图4所示。
分析图4结果得知，采用本文设计系统进行在线课程教学，系统运行的鲁棒性较好，说明稳定度较高，有效满足个性化用户教学需求。
4 结 语
本文设计的在线课程教学系统由网络通信模块、数据采集模块、总线传输模块和应用程序加载模块等构成。通过实验分析，该系统的总线数据传输性能较好，能有效满足个性化需求，具有较好的应用性。
参考文献
[1] 蔡树敏，郑洪英，陈剑勇.远程教学系统课程在线编辑的设计与实现[J].计算机工程与设计，2014，35（6）：2230?2233.
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[8] 程新根，朝华.基于WSN的天然气管道运行状态安全监测系统设计[J].物联网技术，2015，5（10）：23?25.
