面向高校工科專業的在線教學云平臺體系架構設計與應用

唐葉劍 謝鵬 陳文強 夏榮坤

【摘? ?要】? ?新冠疫情期間，高等院?；径荚诶酶鞣N在線平臺和資源開展線上授課，但工科專業授課效果卻不太理想。針對工科教育設計的平臺采用“可知、可視、可估、可塑、可智、可拓”的設計理念，通過數字孿生實驗平臺實現在線教學與實驗同步，線上線下有機融合，師生可遠程進行實驗和互動，有效提升了工科專業的在線教學效果，并對皖江學院的轉設工作提供了有力支撐。

【關鍵詞】? ?數字孿生重構;云實驗平臺;工科專業在線教學

Design and Application of Online Teaching Cloud Platform Architecture

for Engineering Majors in Colleges and Universities

Tang Yejian1， Xie Peng1*， Chen Wenqiang2， Xia Rongkun2

（1. Wanjiang College of Anhui Normal University， Wuhu 241000， China;

2. Anhui Kangair Electric Co. Ltd， Wuhu 241000， China）

【Abstract】? ? During the period of COVID-19， most colleges basically used online platforms and resource development to teach online.but the teaching effect was much less for engineering majors. For this purpose，this platform designed by “Perceptible， visualize， Assessable， Traceability， intelligence， Expandable”，through digital twins， online and Local experiment， Online and offline organic integration， Teachers and students can experiment and interact remotely， effectively improves the quality of engineering specialty， and provide strong support for the transformation of Wanjiang College.

【Key words】? ? ?digital twin reconstructs; cloud platform;online teaching platform for engineering majors

〔中圖分類號〕? G642.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻標識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2022）01- 0126 - 03

0? ? ?引言

高校在線教學云平臺已是大勢所趨，COVID-19大流行，在線教育快速走進公眾視野。在線教育在國外已發展多年，2015年斯隆聯盟連續11年發布的美國在線教育調查報告顯示，在線教育質量逐漸被院校主管認同，多數院校將在線教育作為長期發展戰略，高等教育借助在線教育發展已成不可逆轉的趨勢[1]。

國內在線教學平臺通常采用的方式為攝像頭和多媒體教學設備進行直播教學，但學生的自主學習意識較弱，對網絡學習資源利用率較低，同時也缺乏一定的評價與反饋體系，線上教育無法達到線下教育的標準[2]。

工科專業的實驗課程、編程訓練在線上幾乎無法開展，純粹的視頻教學無法滿足工科專業的教學要求。為解決上述難題，本文通過數字孿生重構在線教育，線上即線下，線下即線上，通過線上提升線下的不足，而非替代或減弱線下教育的效果，對工科專業教學提供有力的支撐。

1? ? ?數字孿生視角下的在線教育

基于內容的文獻綜述方法，收集與在線學生群體有關的材料和對學生樣本在線教育學習情況的差異化模型推演，形成圖1模型[3]。

該模型中標紅內容為美國大學生與中國大學生的差異。其中“教學方式”差異最為明顯，美國課堂比中國課堂效率更高。因為美國課堂有充足的課前閱讀，且講座一般持續1-3小時，而中國課堂全部為講述內容，之后布置課后作業，在線教學現象更為明顯，其中工科教學效果最差[4]。因此，針對工科教學，開發有針對性的在線教學云平臺意義重大。

2? ? ?面向高校工科專業的在線教學云平臺體系架構設計

該平臺是一個集物聯網技術、自動控制、智能運維管理、數字孿生、在線教學與實驗同步等關鍵技術于一體的云服務平臺。平臺設計采用“可知、可視、可估、可塑、可智、可拓”的設計理念（圖2），平臺支持工科實驗設備云接入、數字孿生云實驗系統接入、智能在線教學與互動、在線評估、遠程運維、無縫拓展，可隨時更新及添加新的設備和課程，無需增加繁雜的技術開發及培訓，真正做到運行穩定、高度智能、免運維的在線教學平臺[5]。

平臺設計采用“模型驅動信息融合”的設計思路，并結合了最主流的信息化技術手段從而實現對外的“一平臺承載、一平臺實驗、一體化教學、一體化評估、智能化運維”。模型驅動信息融合：對于視頻接入設備、實驗室設備通訊規約多，數據解析復雜的難題提出一種數據詞典機制的信息融合方案，實現設備“生”數據到“熟”數據的自適應適配，師生可以靈活地對實驗設備進行遠程操作及信息瀏覽，同時可以互動與交流討論。相關數據后臺協同運行、有效存儲及展示，可實現遠程維護及智能化運維，規避在線教學平臺出現異常無法及時解決的難題。DFE53511-96B4-4767-8BF3-0D275D15C0EA

云平臺體系架構如圖3所示，其中線上線下融合層、采集與傳輸層、SCADA層均有相關師生參與開發，便于后續教學的便利及實戰經驗的積累，實現線上教學和線下教學融合，同時提供給學生動手解決實際問題的機會，達到“看懂、聽懂、會用、會改”，使該云平臺不僅給師生提供了教學的平臺，更提供了實踐的平臺[6]。

3? ? ?關鍵技術

3.1? ?數字孿生云實驗平臺

傳統實驗平臺只能看到輸出結果，無法觀察系統內部參數的變化情況;目前基于RT-lab的在線實時仿真系統非常流行，可以將仿真結果直接驅動實驗設備運行，但對于與嵌入式編程無實際意義，結果再好，不能有效地指導硬件編程;數字孿生云實驗系統（圖4）將硬件實時運行的內部參數同步至云平臺，接受云平臺控制指令，虛擬仿真可與實際運行變量做對比，真正做到控制系統的數字孿生，實現線上線下的完美融合，師生可以不到實驗室，遠程即可完成相關實驗教學，且實驗結果可實時反饋，學生也可遠程操作實驗設備，完成自己的實驗設想。

3.2? ?云平臺設計

整體業務流程（圖5）以設備數據為目標，數據經過GPRS、NB-IOT等多種協議網絡的傳輸后，進入移動OneNET平臺緩存隊列，并推送至AMS-Data-Service服務，推送的連接請求進入NettyConnectPool中接受統一管理，當一個連接進入ACK狀態即表示連接成功，此時提交任務至消息隊列中，提交完畢后該連接進入FIN狀態，連接池注銷該連接。數據連接池設計流程見圖6。消息隊列采用先進先處理的機制處理提交的任務，為保證任務的及時處理，消費者采用多節點設計并支持線性擴展。提交的任務攜帶數據包（多種協議）并進入協議適配過程，任務根據數據詞典的屬性將數據包中的“生”數據解析至“熟”數據。數據分為實時數據及歷史數據進入對應的數據倉庫中供其他服務調用。

物聯服務采用被動監聽的方式，接收前置服務推送而來的數據，通過協議適配的服務來將底層字節報文轉成實際生產數據。但同時面對大量的數據請求，采用隊列讀取的機制進行緩存，并采用可擴展的方式進行同步消費（消息隊列術語）。從而實現數據快速響應需求。

視頻業務采取多個賬戶管理模式（圖7），教師、學生、教工等均可查看視頻信息，隨時旁聽。

4? ? ?結語

面向高校工科專業的在線教學云平臺，借助視頻教師可遠程錄制教學內容，借助物聯網和5G技術、實驗室設備聯網、數字孿生云實驗平臺接入、線下課堂及實驗數據，師生可遠程進行實驗和互動，線下資源被重新整合，加快教育資源的線上快速整合，有效提升了工科專業的在線教學效果，為皖江學院的轉設工作提供了有力支撐。

[參考文獻]

[1] 龍新征，歐陽榮彬，李若淼，等.面向高校的在線教學云直播平臺體系架構設計與應用[J]，深圳大學學報理工版，2020，10（37）：194-199.

[2] 李文漢，孫紅巖，陳敏江.大學數學網絡教學平臺的建設與實踐[J].廊坊師范學院學報（自然科學版），2018，18（4）：107-109.

[3] 曹鴐，吳其林，劉波.新型冠狀病毒肺炎疫情期間MIHA在線學習系統的構建與實踐 [J].巢湖學院學報，2020，3（22）：21-27.

[4] 劉魯寧.“后疫情時代”高職教師信息化教學技術探析[J].電大理工，2020，6（2）：23-26.

[5] 莊銀霞.基于網格技術的分布式大數據混合云存儲方法[J].廊坊師范學院學報（自然科學版），2021，21（1）：12-16.

[6] 劉曉林，胡永斌，黃榮懷，等.全球視野下美國K-12混合與在線教育的現狀與未來[J].現代遠程教育研究，2015，1（1）：3-11.DFE53511-96B4-4767-8BF3-0D275D15C0EA