面向智慧課堂的視頻服務系統設計與實現

陳凱旋 陳暉 黃照翠

摘要：隨著智慧課堂的日益普及，急需構建安全、穩定、高效的視頻服務系統，提供豐富海量的視頻信息資源、個性化的視頻服務、教與學數據分析與決策支持等。通過實踐調查和文獻分析，基于智慧課堂教學設計與實施對視頻服務的需求，設計實現了面向智慧課堂教與學服務的視頻服務系統。該系統采用MVC模式，基于ThinkPHP高性能框架開發，基于角色實現了海量視頻信息資源的智能檢索，用戶個性化視頻推薦和圖形化數據統計分析等功能，為智慧課堂提供全方位、個性化、智能化的教與學環境和信息資源服務，解決了傳統課堂教學平臺缺失和信息資源受限問題。實踐應用與課堂調查表明，教師更關注視頻信息資源的便捷獲取與靈活發布、學情智能分析，學生更偏愛視頻學習與立體化交互，基于平臺的分組討論與匯報，匯聚了師生智慧，實現了學生知識、技能、情感等多維學習目標的達成。

關鍵詞：智慧課堂;視頻服務;系統設計與實現;視頻檢索;個性化推薦

DOI： 10. 11907/rjdk.191 829

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7800（2020）004-0147-05

The Design and Implementation of Video Service System for Intelligent Classroom

CHEN Kai-xuan'. CHEN Hui. HUANG 2hao-cuj2

（I . Comm unication.s Engirzeering College，Army Engineering University of PLA ;

2. Teaching and Re.search .Support Center ， Army Engineering Univer.sity of P/A，lVanjing 210007，China ）Abstract： With the increasing popularitv of intelligent classroom. it is urgent to build a secure . stahle and efficient video service sys-tem to provide abundant video information resources， personalized video services. teaching and learning data analysis and decisionsupport， etc. Through practical investigation and literature analysis， this paper designs a video service system for intelligent classroomteaching and learning services based on the demand of intelligent classroom teaching design. The system uses MVC mode and developsbased on ThinkPHP high performance framework to realise intelligent retrieval of massive video information resources， personalizedvideo recommendation and graphical data statistical analy sis functions based on roles. The sy stem provides a comprehensive， personal-ized and intelligent teaching and learning environment and information resources services for intelligent classroom. which relieves thelimitation of traditional classroom teaching platform and inf'ormation resources. Practical application and classroom investigation showthat teachers pay more attention to the convenient acquisition and flexible release of video information resources and intelligent analysisof learning conditions， while students prefer video learning and three-dimensional interaction， group discussion and reporting， ，，-hichgathers the wisdom of teachers and students. and achieves students' multi-dimensional learning goals.Key Words ： intelligent classroom ; video services ; design and implementa tion of system ; video retrieval; personalized recommendation

O 引言

近年來，高校在教、學、研、管、用等各方面越來越多地使用視頻、依賴視頻，視頻在高校信息化服務中扮演著越來越重要的角色…。除校園監控系統外，智慧課堂是一項發生于技術豐富存在的教學環境中的教學實踐活動，其設計與實施必然也高度依賴于適切的教育信息技術[2]，特別是離不開視頻資源。當前，高校視頻資源越來越豐富，資源呈現規模大、增速快、內容雜的態勢[3]，高校在視頻服務方面存在一定局限性，表現在視頻采集受限、視頻存儲無序、管理}昆亂、傳輸不夠順暢、壓縮編碼標準不統一、視頻分析處于原始狀態、檢索與推送大多基于文本、監控主要靠人工、個性化視頻中心缺失等，無法發揮視頻信息資源在課程教學中的優勢，更是給智慧課堂教學設計與實施帶來了限制。因此，構建滿足智慧課堂教學需求，服務于課程教學設計與課堂實施的視頻服務系統具有重要意義。

1 智慧課堂與視頻服務系統

2018年4月，教育部印發《教育信息化2.0行動計劃》[4]，提出實施智慧教育創新研究計劃，智慧課堂成為該計劃實施的核心載體[5]。智慧課堂是指在建構主義學習理論指導下，以物聯網、大數據、學習分析、人工智能等新一代信息技術為支撐，將技術融人課堂教學中，通過構建多元交互的課堂環境，從而有效提升學習者高階能力的新型課堂[6]，智慧課堂具有教學決策數據化、評價反饋即時化、交流互動立體化、資源推送智能化等特點，是翻轉課堂在智慧教育中的升級[5]，廣義上翻轉課堂包含“課前一課中一課后”3階段，其實就是自主學習與翻轉課堂融合的混合學習，即課外知識獲取、課堂知識內化與再創造、課后知識鞏固與發散[7]。可以看出，翻轉課堂實施的必要條件和有效條件是能夠提供豐富優質視頻信息資源與學習支持服務的技術與平臺支撐，智慧課堂更是如此。因此，智慧課堂需要一個能夠提供信息資源便捷發布（特別是視頻資源）、信息資源智能分析、學生學習行為記錄與數據分析、資源獲取簡易精準，以及師生、生生面向課堂學習友好交互的視頻服務系統平臺，為智慧課堂提供全方位、個性化、智能化的教與學環境。

目前，關于視頻技術和視頻服務的解決方案較多[l]，一般單純產于技術公司，課程教學設計需求因素考慮較少。已有研究中，舒暉等[8]闡述了構建視頻服務系統的必要性，針對視頻服務系統的設計要求，對如何利用校園網構建視頻服務系統及其應用進行了分析和探討;沙玉萍等[9]僅探討了面向圖書館的微視頻服務;張政歡[lo]就云視頻服務系統的資源配置和調度優化進行了研究;馮瑞[11]設計了基于OoE的視頻服務平臺系統，主要提供視頻推薦、視頻搜索、視頻評論、視頻上傳下載等功能;黃照翠等…設計了一種異地多校區分布式智慧校園視頻服務系統，針對智慧校園設計了適合多校區的綜合性視頻服務系統平臺;文獻[12-15]主要研究單項視頻技術和功能有限的流媒體系統，主要用于公共服務方面，能夠滿足智慧課堂教學實踐需求，即使部分院校開發引進了相關視頻服務系統，但在視頻發布靈活度、視頻檢索和統計分析等方面并不能滿足教師智慧課堂教學設計需求。

面向智慧課堂的視頻服務系統具有視頻靈活發布、視頻智能分析、智能檢索、用戶行為智能分析、資源個性化推送功能，資源分級分類合理。同時，視頻服務系統應具有完善的交互功能，一是視頻交互區，師生可以在線對課程視頻資源進行互動;二是附加有專門的功能強大的BBS，此BBS與系統視頻資源庫分級分類對接，課程教師可以白由創建課程視頻區，BBS聯動創建課程討論區，鑒于系統靈活白由的視頻發布功能、以用戶為中心的設計理念以及合理的用戶權限管理，能夠帶來用戶人氣聚集，資源量大而優，可為智慧課堂的實施提供安全、穩定、高效的智能平臺和優質資源保障。

2 系統設計

2.1總體架構

視頻服務系統是一個基于Web的為高校智慧課堂實施提供全面支持與服務的平臺，為學生白主學習提供課程視頻資源，學生可以檢索視頻，在線觀看課程視頻，也可以上傳白己發掘和創作的信息資源，并參與課程討論，分享學習成果等;為教師智慧課堂設計提供平臺支持、資源支持和決策支持，教師課前上傳課程分類學習視頻，可依據學生課前課程視頻學習情況和BBS學情，便捷利用系統優質信息視頻資源進行教學設計，課后在線獲取信息反饋，了解學生學習情況和學習行為，為后續課程設計作鋪墊。

系統總體架構基于B/S結構，采用MVC模式，構建Web服務器、Serv-U視頻等文件服務器以及數據庫服務器。FTP服務器用于教師和學生上傳存儲視頻等信息資源。Web服務器為用戶提供HTTP服務，教師可以上傳并管理學習資料、視頻，檢索所需視頻資源，面向學生推送課程信息資源，查看學生學情、參與互動等。學生可以遠程下載學習資料，在線瀏覽教師推送的學習資料、學習視頻，參與課前討論，提交個人或小組主題材料以及學習成果等。課程管理者對所有課程進行分級分類管理，資源管理者對各種媒體類型（文檔、圖片、視頻、音頻等）進行分級分類管理，所有資源都可由管理者進行增、刪、查、改操作。

2.2功能模塊設計

系統功能模塊按用戶智慧課堂教學需求設計，本著以用戶服務為中心，分為前臺公共平臺和個性化門戶、后臺個性化用戶中心。前臺公共平臺顯示用戶登入前公共信息資源，個性化門戶是用戶登入后根據用戶基本信息、擴展信息和用戶行為數據分析，提供與用戶相關度高或用戶可能感興趣的信息資源。后臺個性化用戶中心根據用戶角色權限提供可操作的功能菜單、顯示推薦的信息資源和用戶行為分析數據等。

2.2.1前臺主要功能模塊

（1）個性化視頻推薦。前臺提供個性化視頻推薦，包括今日推薦、熱門視頻、為你推薦三大方面。

今日推薦：系統首頁每日會推薦給用戶20部優質資源，優質資源推薦來源于3個方面。一是師生白創或發掘的視頻發布與推薦，根據類型不同分別由教務、政工、宣傳等管理人員審核通過后顯示在今日推薦欄目;二是由教務、政工、宣傳等管理人員直接發布推薦;三是由圖書館信息資源采編部門人員發布推薦。更多推薦視頻圖文分頁列于二級頁面。

熱門視頻：系統對最近30天內視頻點擊次數，以及用戶對視頻的評分進行綜合評價，按評分從高到底的順序取出其中20部視頻，顯示在熱門視頻欄目中。

為你推薦：系統根據用戶檢索歷史、視頻瀏覽軌跡等分析用戶行為，以及用戶的專業、喜好等擴展信息，推薦給用戶可能感興趣或需要的視頻資源。隨著用戶行為數據的積累，“為你推薦”欄目推薦視頻準確率會越來越高。

（2）智能檢索。隨著系統運行時間的延續，系統資源越來越趨于海量。為使用戶高效而準確地從海量視頻信息資源中快速檢索所需資源，系統采用基于文本與基于內容相結合的檢索方式[3.16]，提供對視頻信息資源的深度分類智能檢索。用戶可選擇主題、簡介、發布時間、發布人、制作人、來源、分類、學科、專業、專題、主演、參演、組織結構等13個類別之一，輸入檢索文本關鍵詞或圖片、聲音和視頻片段。一方面基于文本檢索，簡易快速，另一方面深度分類檢索可縮小檢索范圍，提高檢索速度，基于內容的檢索降低了用戶對視頻描述的主觀性，也有助于跨越人與計算機之間的“語義鴻溝”，提高搜索的匹配度和準確率。

2.2.2后臺主要功能模塊

后臺也稱個性化用戶中心，即不同角色用戶進入后臺，顯示的內容是不一樣的，主要根據用戶屬性和用戶行為分析，匹配與用戶相關的信息資源，展現用戶關心的信息和數據，提供用戶角色權限范圍內的功能菜單，系統用戶權限管理由超級管理員控制，超級管理員具有所有功能操作權限，超級管理員可以設置其它角色用戶權限，也可授權其它用戶對相應功能的操作權限。

（1）用戶權限管理。隨著用戶數量的增加，海量信息存儲對數據庫系統的訪問安全和管理效率提出了嚴峻挑戰，要保證系統安全、有序、高效運行，用戶權限管理是一個不可或缺的環節。

系統采用基于角色的訪問控制方法（ Role Based Ac-cess Control），提供系統用戶權限分級管理[17]。系統將用戶分為3類角色：管理員（包括超級管理員、系統管理員、用戶管理員、學科專業管理員、班級管理員、新聞管理員、視頻管理員等）、教師（包括課程教師、教學管理者）與學生。

系統用戶角色分級分類，角色權限極其復雜，比如超級管理員具有管理信息資源分類、用戶權限系統、新聞、單位、班級、學科、專業、專題等權限.能夠查閱系統統計分析數據、報表和圖表，在線備份和還原系統數據庫，保障系統安全穩健運行。普通用戶可以發布視頻信息資源，查看、編輯、刪除白己發布的信息資源，查看收藏的信息資源，瀏覽歷史以及系統和課程教師推送的信息資源等。

（2）視頻管理。視頻管理是系統用戶個性化中心的一項核心功能，管理員可以發布、編輯和刪除視頻，分頁瀏覽圖文視頻信息，視頻發布需提交視頻相關詳細信息，包括視頻名稱、簡介、所屬分類、來源、主演、參演、發布人、制作人、審核人、所屬學科、專業、專題并上傳視頻資源及其縮略圖（默認從視頻畫面中截圖）。

（3）統計分析。統計分析是管理者和教師管理、分析、評價視頻資源、監控學生學習狀態、分析學生學習情況的重要工具，主要提供兩方面的分析：用戶分析和視頻分析。

用戶分析包括各單位用戶分析、各學科用戶分析、師生比例分析、用戶瀏覽歷史、用戶發布信息資源趨勢等，分別統計到當前時間為止的各單位用戶數、各學科用戶數以及師生用戶數。

視頻分析包括視頻點擊排行，各專業視頻分析、視頻分類分析等，視頻點擊排行按視頻點擊數分頁顯示所有視頻，管理員、教學管理者等用戶可以清楚地查看視頻受歡迎程度，各專業視頻分析和視頻分類分析直觀地展示各專業、各分類的視頻數量。

2.3數據庫設計

數據庫結構設計對數據庫模型使用有很大影響，在設計數據庫表時要充分考慮不同表的每個字段，使其功能齊全，關聯性更加緊密。系統主要采用MySql作為數據庫管理T具對系統中的相關數據表結構進行設計，主要數據庫表有：

Category視頻分類表存儲了id、分類名稱、上級分類id、分類簡介。

Code學號表存儲了id，學號。

Dept單位表用來存儲單位名稱。

Identitv身份表存儲用戶身份，分為教師、學生和其他。

News新聞表存儲了id、標題、內容、創建時間、修改時間、發布者、審核者、點擊數、是否刪除、是否置頂、來源、縮略圖路徑等。

Role角色表存儲用戶角色權限。

Specialty專業表存儲了專業id、專業名稱、專業介紹、專業所屬教師。

Stu—class班級表存儲了班級id、班級名稱、班主任、班級代號、創建時間、修改時間。

Stu_ info學生庫存儲了id、用戶id、學號、所屬班級id、專業id、單位id、班主任id、導師id。

Suhject學科表存儲了學科id、學科名稱、學科介紹、學科所屬教師。

Teacher_ info是教師庫存儲了id、用戶id、教師類別、教師專業、職稱、職務、單位。

Topic專題表存儲了id、專題名稱、倡導者、組織者、專題時間、簡介。

Users用戶表存儲了id、用戶名、密碼。

User_ info用戶信息表存儲了id、用戶id、角色id、性別、真實姓名、email、電話、手機、注冊時間、身份id。

Video視頻表存儲了視頻id、視頻名稱、簡介、縮略圖、視頻地址、創建時間、修改時間、點擊數、發布者、制作者、來源、審核者、分類id、專題id、主演、參演、組織機構。

3 系統實現

3.1系統環境

系統采用PHP技術和MvSQL數據庫實現客戶端和服務器端的動態交互與功能模塊，開發環境為WAMP（ Win-dows+Aapche+MySql+PHP），采用MVC模式，基于Thinkphp

5.O高性能框架進行開發。

MVC是模型（Model）、視圖（View）、控制器（Controller）的縮寫，它是一種軟件設計典范，用業務邏輯、數據與界面顯示分離的方法組織代碼，將眾多業務邏輯聚集到一個部件里，在需要改進和個性化定制界面以及用戶交互時，不需要重新編寫業務邏輯，以減少編碼時間。

Thinkphp是一個開源、免費的輕量級國產高性能開發框架，使用面向對象的開發結構和MVC模式，遵循Apache2開源協議發布。Thinkphp框架具備良好的可移植性和多數據庫支持[1]，除了保證框架正常運行的核心庫，Thinkphp框架還具備豐富的擴展組件，能夠解決應用開發中的大多數需求，其自身包含了底層架構、兼容處理、基類庫、數據庫訪問層、模板引擎、緩存機制、插件機制、角色認證、表單處理等常用組件，保證了框架的易用性和豐富性。

系統開發過程中多次利用開源代碼和插件，如系統統計分析圖表基于FusionCharts的圖形插件，將枯燥的數據轉化為直觀形象的圖表。新聞編輯使用百度Ueditor在線編輯器，界面友好、簡單易用，前端開發使用了Bootstrap，使得頁面更加簡潔、直觀，Web開發更迅速、簡單。

3.2關鍵技術實現

3.2.1檢索系統

系統為用戶提供了按照主題、簡介、發布時間、發布人、制作人、來源、分類、學科、專業、專題、主演、參演、組織結構等13個分類檢索功能，其中按學科檢索代碼如下：

3.2.2視頻管理

視頻管理主要包括視頻發布、編輯、刪除和查看。以視頻發布為例，視頻表單涉及多個表數據綁定、視頻和縮略圖上傳。以下是視頻上傳和數據提交代碼：

3.2.3統計與分析

統計分析模塊基于Fu sionChartsh圖表插件，Fu sion-Charts能夠提供互動性強大、種類繁多的圖表，極大簡化了統計分析中的代碼編寫。

以各專業視頻數統計分析為例，將數據庫中專業名稱和各專業視頻數量使用循環函數統計，并賦值給變量，再將它使用Fu sionC harts渲染成圖表。以下是各專業視頻統計的Controller層代碼： 在VIEW層需要調用fusioncharts的資源文件fu sion-charts.js、fu sioncharts.charts.js、fu sioncharts.theme.fu sion.js，再創建一個容器，渲染結果如圖1所示。

4 結語

隨著智慧課堂的日益普及，視頻服務系統在教學過程中的支撐作用越來越大，主要表現在系統安全、穩定、高效運行，個性化用戶服務提升，信息資源豐富，教與學數據分析與決策支持等方面。實踐應用與課堂調查表明，教師更關注視頻信息資源的便捷獲取與靈活發布、學情智能分析，學生更偏愛視頻學習與立體化交互。基于平臺的分組討論與匯報，匯聚了師生智慧，智慧課堂淺表學習和深度學習相結合，實現了學生知識、技能、情感等多維學習目標的達成。

根據課程差異和教學對象不同，智慧課堂教學設計在教學組織、教學媒體設計、內容資源設計等方面有很大差別。為了更好服務于智慧課堂，視頻服務系統需要根據師生教與學活動需求作進一步優化，特別是智慧課堂教學動態生成性數據的可視分析方法與交互呈現方式[18]研究與技術實現，最大程度地挖掘師生在視頻服務系統中豐富的行為數據和學習數據的教育價值。后期需要設計一套保障視頻服務系統可持續運維的智慧校園視頻服務體系，包括制度標準、文化標準、組織標準、安全標準、技術標準、評價標準制定，如此配套，才能保證視頻服務系統為智慧課堂提供高質量的平臺與資源服務。

為了系統能進一步推廣應用，后續將在基于視頻服務系統的智慧課堂應用方面作深入調查研究。一方面根據調查結果優化系統功能，另一方面研究智慧課堂教學設計方法和視頻服務系統應用模型，旨在充分發揮視頻服務系統在智慧課堂教學實踐中的應用效能。

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（責任編輯：孫娟）

收稿日期：2019-06-28

基金項目：2018年度陸軍工程大學教育教學研究專項項目（GJ1815099）

作者簡介：陳凱旋（1997-），男，陸軍工程大學通信工程學院學生，研究方向為系統研發設計;陳暉（1974-），男，碩士，陸軍工程大學通

信工程學院教授，研究方向為軍事網絡與信息管理;黃照翠（1977-），女，碩士，陸軍工程大學教研保障中心副教授，研究方

向為信息資源建設與學習支持服務、智慧校園。本文通訊作者：陳暉。