以Pad為主體的多終端協(xié)同智慧教學(xué)平臺框架*

王曉春

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以Pad為主體的多終端協(xié)同智慧教學(xué)平臺框架*

王曉春

（首都師范大學(xué) 教育技術(shù)系，北京 100048）

為保證Pad終端有序、高效地支持課堂教學(xué)，文章提出了一種以Pad為主體的多終端協(xié)同智慧教學(xué)平臺框架，并從其硬件結(jié)構(gòu)、軟件體系結(jié)構(gòu)、運行時結(jié)構(gòu)三個方面進行了詳細闡述。基于該框架，文章開發(fā)了一個以Pad為主體的多終端協(xié)同智慧教學(xué)支持系統(tǒng)原型，介紹了系統(tǒng)原型的四大功能模塊及其實現(xiàn)。該框架在系統(tǒng)原型中的應(yīng)用，證明了該框架能提高師生在Pad課堂的協(xié)同工作效率，能保障Pad課堂在教師的控制下有條不紊地運作，提高了多終端協(xié)同智慧教學(xué)支持系統(tǒng)的開發(fā)效率。

Pad；多終端協(xié)同；智慧教學(xué)；平臺框架；支持系統(tǒng)原型

隨著移動終端和云計算技術(shù)的發(fā)展，Pad作為便攜式交互終端進入課堂已經(jīng)成為智慧校園建設(shè)的一個趨勢[1]，且形成了基于Pad的1對1課堂教學(xué)環(huán)境[2]。如果教師不能控制和協(xié)調(diào)這些Pad設(shè)備，課堂就會進入混亂狀態(tài)，故如何協(xié)調(diào)這些Pad成為了Pad形態(tài)智慧教室中一個亟待解決的重要問題。在智慧空間的協(xié)同計算研究中，Badam等[3]實現(xiàn)了跨終端的網(wǎng)頁協(xié)同可視化；榮曉慧等[4]從時序角度，設(shè)計了一種大規(guī)模設(shè)備協(xié)同機制，主要用于場館的協(xié)同照明任務(wù)；陳孟頔[5]論述了智能家居中的多設(shè)備協(xié)同方法，并設(shè)計了智能家居協(xié)同模塊，以實現(xiàn)家電間的協(xié)調(diào)工作；丁揚等[6]開發(fā)了支持可穿戴設(shè)備協(xié)同的移動中間件；而萬爛軍[7]研究了異構(gòu)眾核系統(tǒng)的多設(shè)備協(xié)同并行計算技術(shù)。本研究結(jié)合Pad的特點和多終端智慧教室環(huán)境的特征，提出了一個以Pad為主體的多終端協(xié)同智慧教學(xué)平臺框架（下文簡稱“框架”）。

一 框架的硬件結(jié)構(gòu)

框架的硬件結(jié)構(gòu)由教師Pad、學(xué)生Pad、服務(wù)器、電子白板、無線路由器、云端設(shè)備構(gòu)成。其中，教師Pad由教師操控，通過控制學(xué)生Pad和電子白板，組織各種教學(xué)活動；學(xué)生通過學(xué)生Pad接收教學(xué)指令，開展學(xué)習(xí)活動；服務(wù)器作為整個教學(xué)環(huán)境的中心控制單元，實現(xiàn)教室內(nèi)各終端的通信協(xié)調(diào)功能，并把各終端所需要的高性能計算布置于此；電子白板主要用于班級的集體交流、信息共享和面對面合作學(xué)習(xí)；無線路由器負責將教師Pad、學(xué)生Pad、服務(wù)器、云端設(shè)備互聯(lián)起來，建成智慧課堂的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；云端設(shè)備則負責存儲課堂所需的海量學(xué)習(xí)資源，教師和學(xué)生可利用自己的Pad便捷地從云端獲取所需的學(xué)習(xí)資源。

框架的硬件結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了教師、學(xué)生、教學(xué)資源和教學(xué)媒體之間的交互關(guān)系，為教師和學(xué)生提供了一個新型的課堂教學(xué)硬件支持服務(wù)環(huán)境，支持教學(xué)控制、學(xué)習(xí)資源獲取、課堂反饋、學(xué)習(xí)分析等，便于師生之間進行合作交流和信息共享；同時，教師也可以及時獲取學(xué)生的學(xué)習(xí)過程與學(xué)習(xí)結(jié)果等信息，并據(jù)此為學(xué)生提供個性化學(xué)習(xí)指導(dǎo)。

二 框架的軟件體系結(jié)構(gòu)

框架的軟件體系結(jié)構(gòu)由表示層、業(yè)務(wù)邏輯層、協(xié)調(diào)層、計算層和數(shù)據(jù)層構(gòu)成，如圖1所示。其中，表示層指學(xué)生端、教師端、白板端的用戶界面，各終端界面接受用戶的輸入并進行預(yù)處理，然后把預(yù)處理的結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)給業(yè)務(wù)邏輯層，其支持的交互方式有觸屏、數(shù)字筆、軟鍵盤、語音、拍照等；業(yè)務(wù)邏輯層接收各交互終端表示層的處理結(jié)果，完成各終端能獨自完成的各種業(yè)務(wù)邏輯計算（包括課堂授課、課堂管理、課堂測試、課堂評價、課堂反饋、課堂激勵等），并把不能獨自完成的任務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)層；協(xié)調(diào)層接收業(yè)務(wù)邏輯層的各項任務(wù)，協(xié)調(diào)各項任務(wù)的優(yōu)先級，解釋并轉(zhuǎn)發(fā)來自各終端的消息，從而實現(xiàn)對各終端的通信控制；計算層主要提供課堂必要的高性能計算功能，如資源推送、噪音清理、數(shù)據(jù)選擇、活動計算、模型選擇和模型計算等；數(shù)據(jù)層則實現(xiàn)Pad課堂所需數(shù)據(jù)（如基礎(chǔ)信息、教學(xué)資源、課堂行為信息等）的本地集中式存儲或必要的云存儲。

圖1 框架的軟件體系結(jié)構(gòu)

圖2 框架的運行時結(jié)構(gòu)

圖3 中心協(xié)調(diào)器的運行結(jié)構(gòu)

在實際部署中，表示層、業(yè)務(wù)邏輯層運行于各終端（即教師端、學(xué)生端和白板端）；協(xié)調(diào)層分成兩部分：一部分運行于各終端，另一部分運行于服務(wù)器，以實現(xiàn)各終端和服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)通信與并發(fā)協(xié)調(diào)；計算層、數(shù)據(jù)層則主要運行于服務(wù)器端和云端，以提高整個環(huán)境的數(shù)據(jù)存儲能力和計算性能。

三 框架的運行時結(jié)構(gòu)

框架的運行時結(jié)構(gòu)反映了各終端與系統(tǒng)模塊之間的交互關(guān)系，如圖2所示。具體來說，師生之間的課堂活動過程由服務(wù)器上的中心協(xié)調(diào)器控制，課堂活動通常由教師Pad發(fā)起，學(xué)生通過Pad終端作為主體參與其中；在協(xié)作規(guī)則的許可或教師的指令下，學(xué)生的活動內(nèi)容可同步到電子白板上，實現(xiàn)內(nèi)容展示或開展合作學(xué)習(xí)；當需要大規(guī)模計算時，中心協(xié)調(diào)器將主動調(diào)用服務(wù)器端的活動計算模塊和存儲管理模塊，以完成必要的計算或存儲，并在必要時訪問云端資源。

為使框架內(nèi)各終端協(xié)同運行，本研究設(shè)計了兩種協(xié)調(diào)模塊：各終端的協(xié)調(diào)模塊負責協(xié)調(diào)自身交互命令和來自服務(wù)器任務(wù)消息的執(zhí)行順序，服務(wù)器端的協(xié)調(diào)模塊（即中心協(xié)調(diào)器）則負責協(xié)調(diào)整個環(huán)境內(nèi)來自各終端任務(wù)消息的執(zhí)行順序。值得一提的是，整個環(huán)境內(nèi)的各教學(xué)終端都屬于輕量級計算設(shè)備，主要工作負載集中于服務(wù)器上。而服務(wù)器是采用單機架構(gòu)還是集群并行架構(gòu)，主要取決于整個環(huán)境需要支持的終端數(shù)和計算量——當終端數(shù)過多、計算量過大而影響反應(yīng)速度時，應(yīng)更換性能更高的服務(wù)器或采用集群架構(gòu)，并做好各模塊的負載平衡設(shè)置。框架運行時結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要涉及以下方面：

1 中心協(xié)調(diào)器設(shè)計

中心協(xié)調(diào)器負責整個環(huán)境的時序控制、協(xié)調(diào)各終端之間的交互任務(wù)，確保整個智慧環(huán)境中的教學(xué)工作有序進行，其運行結(jié)構(gòu)如圖3所示。具體來說，接收器負責接收各終端發(fā)送來的消息并將其加入到接收隊列中，然后由執(zhí)行順序控制模塊負責接收隊列的自動排序，以確定接收隊列中待處理消息的執(zhí)行順序。之后，線程控制器負責從接收隊列中取出消息，控制并發(fā)執(zhí)行的線程數(shù)，創(chuàng)建相應(yīng)的線程，分配線程所需的資源——每個線程由解釋器和處理器兩個模塊組成，解釋器負責解釋消息協(xié)議，處理器則負責依據(jù)解釋器給出的解釋結(jié)果，調(diào)用相應(yīng)的功能模塊進行處理。處理完畢后，將產(chǎn)生兩種可能情況：一種是執(zhí)行完畢，進行數(shù)據(jù)緩存，等待其它處理器做進一步處理；另一種是生成新消息，然后將新消息加入到發(fā)送隊列中，等待發(fā)送器將其轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)終端做進一步處理。

2 任務(wù)之間的時序關(guān)系設(shè)計

在以Pad為主體的多終端協(xié)同智慧教學(xué)環(huán)境下，不同終端之間存在消息的同時接收與發(fā)送、不同任務(wù)之間存在并發(fā)執(zhí)行的問題，為確保各項任務(wù)有條不紊地進行協(xié)同工作，在設(shè)計中心協(xié)調(diào)器時需考慮上下文相關(guān)任務(wù)之間的關(guān)系。基于此，本研究將時序關(guān)系分為以下兩類：

①順序關(guān)系，是指任務(wù)具有特定的執(zhí)行順序。順序關(guān)系分為兩種：生成性順序關(guān)系是指一個任務(wù)的產(chǎn)生和執(zhí)行導(dǎo)致另一個任務(wù)的產(chǎn)生；非生成性關(guān)系則指一個任務(wù)能否執(zhí)行，依賴于另一個任務(wù)的狀態(tài)——當一個任務(wù)的執(zhí)行必須等待另一任務(wù)執(zhí)行完畢或應(yīng)答時，為阻塞順序關(guān)系；當只要啟動某一任務(wù)就能啟動執(zhí)行另一任務(wù)時，為非阻塞順序關(guān)系。

②并發(fā)關(guān)系，是指在同一時間間隔內(nèi)有多個任務(wù)在同一機器上執(zhí)行，但在某一具體時間上僅有一個任務(wù)在執(zhí)行。并發(fā)關(guān)系分為三種：并發(fā)同步是指一個任務(wù)需要另一個任務(wù)提供數(shù)據(jù)，且按照同步規(guī)則執(zhí)行；并發(fā)互斥是指兩個任務(wù)需要處理同一數(shù)據(jù)，且存在資源競爭，先搶到處理權(quán)的任務(wù)執(zhí)行完畢另一任務(wù)才能執(zhí)行；并發(fā)無關(guān)是指兩個任務(wù)之間雖然是并發(fā)關(guān)系，但并不存在數(shù)據(jù)同步或資源競爭，需按照優(yōu)先級規(guī)則執(zhí)行。

3 消息執(zhí)行的優(yōu)先級控制設(shè)計

在以Pad為主體的多終端協(xié)同智慧教學(xué)環(huán)境下，各種消息遵守系統(tǒng)規(guī)定的時序關(guān)系。多數(shù)高優(yōu)先級命令由教師發(fā)出，因為教師對學(xué)生在Pad上的各項活動握有控制權(quán)——當教師將控制權(quán)交給學(xué)生端時，學(xué)生才擁有對Pad的控制權(quán)；當教師需要收回控制權(quán)時，學(xué)生對Pad的控制權(quán)就立即被收回。因此啟動學(xué)生端之后，學(xué)生自己不能關(guān)閉學(xué)生端，也無法進入其它應(yīng)用程序。

框架中消息的優(yōu)先級分為加急、教師級和學(xué)生級——加急消息通常由教師發(fā)出，但也可能由學(xué)生發(fā)出，如取消剛剛進行的操作；教師級消息和學(xué)生級消息分別由教師、學(xué)生在正常情況下發(fā)出。而在同一級別上，消息按照時間順序來確定優(yōu)先級，即先到的優(yōu)先級更高。為避免某些消息永遠無法通過中心協(xié)調(diào)器處理，本研究設(shè)計了利用等待時間提高消息優(yōu)先級的功能，使一些低優(yōu)先級的消息隨著時間的流逝而逐漸提高優(yōu)先級，從而獲得執(zhí)行權(quán)。

四 框架在系統(tǒng)原型中的應(yīng)用

基于框架，本研究設(shè)計并開發(fā)了一個以Pad為主體的多終端協(xié)同智慧教學(xué)支持系統(tǒng)原型（下文簡稱“系統(tǒng)原型”），旨在為小學(xué)課堂提供智能化的教學(xué)支持。

1 系統(tǒng)原型的功能模塊

基于小學(xué)課堂的實際教學(xué)需要，系統(tǒng)原型共設(shè)有四大功能模塊：①授課模塊，主要完成新知識的課堂傳遞，可采取的模式有講解式、自主探究式和小組合作學(xué)習(xí)等。②管理模塊，主要實現(xiàn)教師對課堂教學(xué)過程和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理，如教師可以通過教師Pad查看學(xué)生信息，開啟或關(guān)閉屏幕廣播，切換、監(jiān)看或鎖定學(xué)生Pad屏幕等。③反饋模塊，由師生問答、課堂測試和課后練習(xí)組成——師生問答是教師首先向?qū)W生發(fā)起提問，然后學(xué)生舉手，最后教師隨機選擇學(xué)生口頭作答或有針對性地指定某位學(xué)生口頭作答；課堂測試采取選擇、判斷等多種題型，對學(xué)生學(xué)習(xí)的某一個或多個知識點的學(xué)習(xí)情況進行測驗與分析；而課后練習(xí)是課堂測驗的離線版，學(xué)生可以隨時隨地完成練習(xí)，等到能上網(wǎng)時，再將練習(xí)過程與答案上傳到云端，由教師對學(xué)生的練習(xí)過程和結(jié)果進行分析。④評價模塊，分為課堂學(xué)生評價和學(xué)生課堂評價兩種——課堂學(xué)生評價是指在課堂上的教師評價和學(xué)生互評，學(xué)生課堂評價則指學(xué)生針對本節(jié)課的授課內(nèi)容、自身學(xué)習(xí)狀況、趣味性、易懂性等進行反饋。

本研究以課堂測試為例，來分析與設(shè)計多終端間的協(xié)同功能。課堂測試是多終端協(xié)同工作中比較復(fù)雜的一項功能。在測試中，系統(tǒng)實時記錄學(xué)生作答題目的選項、起止時間、選擇過程等信息，再對試題的整體正確率、各個題目的正確率、成績等級分布、答題過程等信息進行實時統(tǒng)計分析，以幫助教師分析學(xué)生的答題過程和學(xué)習(xí)效果。課堂測試的多終端協(xié)同過程如圖4所示，其中（1）～（8）表示用戶的交互消息，①～?表示不同進程之間的通信消息。

圖4 課堂測試的多終端協(xié)同過程

首先，教師發(fā)出交互消息（1）啟動測試、發(fā)出交互消息（2）選擇試卷、發(fā)出交互消息（3）發(fā)放試卷，從而觸發(fā)通信消息①命令服務(wù)器發(fā)放試卷，引發(fā)服務(wù)器工作。隨后，服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)消息①而產(chǎn)生廣播消息②，向全班學(xué)生Pad發(fā)送電子試卷，同時記錄與學(xué)生端的通信是否成功，以保證班級所有人都收到試卷。當所有學(xué)生Pad接收到消息②之后，服務(wù)器通知開始學(xué)生測試，當學(xué)生發(fā)出開始測試的消息（6）時，此學(xué)生端的Pad系統(tǒng)便進入學(xué)生答題狀態(tài)。學(xué)生通過選擇試題、給出答案、查看考試信息等答題交互動作，不斷向服務(wù)器發(fā)送答題信息③，答題完成后可以隨時發(fā)出交卷消息?以完成交卷。因此，消息①和消息②、消息（7）和消息③都是生成性順序關(guān)系，而消息②和消息（6）、消息（6）和消息（7）都是阻塞順序關(guān)系。

教師Pad通過交互消息（3）發(fā)送消息①，等待試卷全部發(fā)送給服務(wù)器后再發(fā)送交互消息（4），因此消息（3）與消息（4）構(gòu)成阻塞順序關(guān)系，即教師Pad委托服務(wù)器發(fā)放試卷后，才允許交互消息（4）通知實時監(jiān)控與分析模塊發(fā)出請求消息④，引發(fā)服務(wù)器端對消息③和消息?攜帶的數(shù)據(jù)進行分析，這時消息④和消息③、消息④和消息?之間是并發(fā)同步的，數(shù)據(jù)分析后會產(chǎn)生消息④的應(yīng)答消息⑤或⑩，并將分析結(jié)果呈現(xiàn)給師生。當服務(wù)器上的接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存滿時，就向測試行為庫寫入數(shù)據(jù)，需要數(shù)據(jù)時則從測試行為庫中讀出，因此消息⑥和消息⑦是并發(fā)互斥關(guān)系。

當考試結(jié)束時，教師Pad通過交互消息（5）向服務(wù)器發(fā)出強制收卷命令⑧，服務(wù)器向?qū)W生端廣播收卷命令?，進入收卷狀態(tài)。當學(xué)生Pad收到服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)來的強制交卷命令后，已交卷的學(xué)生Pad忽略此消息，而未交卷的學(xué)生Pad進入收卷狀態(tài)，禁止學(xué)生繼續(xù)答題并把未發(fā)送完的答題信息③和交卷消息?逐一發(fā)送到服務(wù)器上。當服務(wù)器處理完所有的交卷信息后，應(yīng)答收卷命令⑧而產(chǎn)生消息⑨，向各終端發(fā)送測試統(tǒng)計分析結(jié)果。因此，消息⑧和消息?、消息⑧和消息⑨之間都是生成性順序關(guān)系。

2 系統(tǒng)原型的實現(xiàn)

系統(tǒng)原型采用Android系統(tǒng)作為Pad的操作系統(tǒng)、普通臺式計算機作為服務(wù)器、MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)服務(wù)器，并利用Java語言進行了實現(xiàn)。圖5、圖6和圖7是系統(tǒng)原型實現(xiàn)后的三個界面——圖5所示界面來自教師Pad端，用于查看和管理在線學(xué)生；圖6所示界面來自學(xué)生Pad端，是學(xué)生正在答題的界面，每題一屏，便于系統(tǒng)記錄學(xué)生的答題起止時間；圖7是某次課堂測試的試題正確率整體分析界面，既可在教師Pad端呈現(xiàn)，也可通過白板端投射到電子白板上，便于教師和學(xué)生了解測試的整體情況。

圖5 查看和管理在線學(xué)生界面

圖6 學(xué)生答題界面

圖7 試題正確率整體分析界面

通過框架在系統(tǒng)原型中的應(yīng)用，本研究發(fā)現(xiàn)：框架作為一種分布式的協(xié)同教學(xué)環(huán)境平臺，既便于教師通過鎖屏操作有效控制學(xué)生對Pad的使用，避免學(xué)生分散注意力；也便于教師通過切屏操作將學(xué)生屏幕內(nèi)容切換到電子白板上，實現(xiàn)內(nèi)容展示或開展合作學(xué)習(xí)。此外，通過系統(tǒng)對測試的實時分析，教師能夠及時掌握學(xué)生的答題進度、答題用時、答案正誤，由此發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在的問題——當然，如果是主觀題，學(xué)生僅利用拍照功能將答案傳遞給教師或在白板上展示，還是存在一定的局限性。總的來說，框架能提高師生在Pad課堂的協(xié)同工作效率，能保障Pad課堂在教師的控制下有條不紊地運作，提高了多終端協(xié)同智慧教學(xué)支持系統(tǒng)的開發(fā)效率。

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The Framework of Pad-dominate Wisdom Teaching Platform with Multi-terminal Collaboration

WANG Xiao-chun

In order to ensure that Pad terminal can ordely and efficiently support classroom teaching, this paper proposed the framework of Pad-dominated wisdom teaching platform with multi-terminal collaboration, and described its hardware structure, software system architecture and runtime structure in detail. Based on this framework, the support system prototype of the Pad-dominated wisdom teaching with multi-terminal collaboration was developed, further the four function modules of the system prototype and its realization were introduced.The application of the framework in system prototype demonstrated that the framework could improve the collaborative work efficiency of teachers and students in Pad classroom, ensure the ordered operation of Pad classroom under teachers’ control, and improve the development efficiency of the support system of wisdom teaching with multi-terminal collaboration.

Pad; multi-terminal collaboration; smart teaching; platform framework; support system prototype

G40-057

A

1009—8097（2018）11—0121—06

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.11.018

本文受國家社科基金一般課題“‘一帶一路’開放教育資源共建共享機制及推進策略研究”（項目編號：BCA70073）、北京市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃重點課題“基礎(chǔ)教育學(xué)校課堂教學(xué)實驗研究（項目編號：ABA150008）”資助。

王曉春，副教授，博士，研究方向為智慧教育、普適計算，郵箱為IRHCI@qq.com。

編輯：小米