全棧式智慧教育系統設計與實現

李仁港，李志豪，王 凱，吳春紅，蔣小菲

（1.貴州大學 大數據與信息工程學院；2.貴州大學 人民武裝學院，貴州 貴陽 550000）

0 引言

在疫情防控常態化條件下，智慧教育的發展得到了大力推動。如今，學習者可以在互聯網和大數據等技術賦能情況下完成學習計劃，教師也可以使用智慧教育系統更好地分析學生的學習情況，從而制定教學計劃。越來越多的研究者利用互聯網、大數據等技術改進、完善已有的教學模式，以提高學習者的學習效率［1］。智慧教育平臺收集學習者的相關信息，并根據用戶興趣點［2］以及關聯主義學習理論［3］將這些信息向智慧層面轉化，使得學習者能夠快速、直接、準確匹配自己所需的教育資源。

David 等［4］為解決公司研究中心的信息過載問題、提高研究效率，開發了基于協同過濾的推薦系統；Santos［5］側重于從硬件設施方面為智慧教育賦能，解決了交互建模問題，能讓學習者在習得一項技能的過程中獲得更好的學習體驗；Shoikova 等［6］提出將教育與互聯網技術相結合，構造一個智能化的學習平臺，將所有學習資源數字化，學習者可利用智能設備連接無線網絡，訪問平臺上的數字教學資源。美國也推出了Udacity、Coursera、edX 三大MOOC平臺［7］。

國內針對智慧教育的研究雖然起步較晚，但在社會各界對智慧教育的重視、大眾創新的不斷推動下取得了許多成果。金江軍［8］認為教育信息化發展到一定程度，就會形成多模塊混合、自由組合、可操作的智慧教育系統；陳明陽等［9］對混合式學習平臺進行研究，探索如何以學習者為主體、教師為主導，從而滿足不同學習者的個性化發展需求；張紅軍等［10］在研究智慧課堂的基礎上，對智慧學習環境進行設計，用于指導具體教學；郭雪梅［11］、林燕霞等［12］從社會認同理論角度出發，利用主題文本挖掘技術提取出用戶感興趣的主題，對用戶進行分類，依據群體特征分析用戶行為，從而挖掘用戶興趣并提供相應的個性化服務［11-12］；馬超［13］提出一種基于主題模型的社交網絡用戶畫像模型，將用戶全部社交信息和相對稀疏的用戶基礎屬性整合到用戶畫像模型中，提高了用戶畫像模型的準確性與多樣性；祝智庭等［14］、甘小莉［15］提出一種基于流程再造視角的“一站式”高校教育平臺，從不同視角研究平臺建設的有效路徑與核心內容；張曉慶等［16］利用學生信息中心收集學生的圖書借閱等信息，根據學生的興趣愛好對其進行先導課程推薦，構建第一版的“教學一站式平臺”，但該教學平臺的功能還有許多需要完善的地方。

智慧教育信息平臺的實現是一項整體性工程，具有一定的系統性。從不同視角出發對平臺進行設計優化，使之能夠達到最優效果，對于解決傳統教育平臺中的難點、痛點問題有著重要的理論意義。目前針對“一站式”教學平臺的研究大多處于理論研究階段，因此本文從系統應用設計和系統開發兩個方向進行研究與討論，基于KANO 理論、關聯主義學習理論和精準教學理論等提出全棧式智慧教育平臺的功能設計，并基于微服務分布式架構設計思想進行全棧式智慧教育平臺的軟件開發。

1 系統設計及系統應用

1.1 全棧式系統介紹

“全棧式”一般多用于軟件領域，原意為運用多種開發技能，具有全局思維的軟件系統。相當于構建了“全棧式”系統，無需再使用其他軟件。

系統功能上具有“全棧式應用場景”，其中包含：①覆蓋課程學習過程課前、課中、課后的完整應用場景；②學習者與教師或管理者使用不同的前端系統進行交互，管理者系統具有高度的可拓展性、可操作性，可隨時根據教學需求調整課程定位；③基于學生學習興趣構造學習畫像子系統，可隨時掌握學生對課程的學習興趣，并可基于學習畫像進行千人千面課程推薦系統的拓展。

系統在設計上具有“全棧分布式架構”：①系統整體采用微服務分布式思想進行架構設計，將整個系統分為多個子系統，具有良好的可拓展性、迭代性和穩定性；②基于微服務分布式架構設計思想進行全棧式解決方案相關技術研究，包括前端技術、后端技術、前后端交互技術、數據處理技術、數據庫技術、環境配置及系統部署技術等，通過Ajax、Nacos 進行技術解耦，從而實現系統解耦，讓每個子系統都可以獨自迭代、部署而不影響其他子系統。

1.2 系統架構設計

（1）本文采用Ajax 作為前后端數據交互技術，在設計過程中對前后端進行解耦設計。Ajax（Asynchronous Javascript and XML）在前后端分離的開發模式下起到了關鍵作用。在分別針對不同使用者進行開發時，需要考慮不同使用者的前端界面以及后端服務接口設計。使用Ajax 技術可很好地令前后端數據進行交互，從而設計一個前端層次分明、后端功能完善的智慧教育平臺。

（2）系統的每一個前后端模塊都可獨立部署，前端應用可獨立運行在自己的服務器上，從而降低前后端之間的耦合性，使得前后端的技術棧獨立。分離之前，技術選型受到一定限制，如模板引擎開發效率低、兼容性差等。分離之后，只要保證API 是一致的，前后端之間就會互不影響。對于復雜項目而言，拆分不僅可降低維護成本，而且大大提高了開發效率。在前后端分離的基礎上，采用SpringCloud 微服務分布式設計思想進一步對后端應用進行解耦設計，同時后端將視圖層（View）從系統架構中拆分出去，在使系統變得更簡潔的同時，也實現了對后端系統的解耦。系統架構如圖1所示。

1.3 系統需求分析及功能設計

（1）在進行功能設計之前需要對真實的應用場景進行分析，遵循科學、合理、規范的需求分析步驟不僅可以使需求分析工作更高效，而且提高了系統的穩定性。本文采用KANO 模型法對系統進行需求分析，如圖2所示。

根據不同的質量特性與顧客滿意度之間的關系，狩野教授將產品服務的質量特性分為5 類，分別為：A：必備型質量（Must-be Quality）；B：意愿型質量（Performance Quality）；C：魅力型質量（Attractive Quality）；D：無差異型質量（Indifferent Quality）；E：逆向型質量（Reverse Quality）［17］。

（2）智慧教育平臺的應用場景設計是極其重要的一步，系統功能設計如圖3所示。

根據掌握學習理論、KANO 理論和精準教學理論，該平臺應用設計方案應包含以下內容：①教師通用權限分配方案；②課程分類管理方案；③課程資源管理方案；④課程資源訪問權限方案；⑤講師管理方案；⑥學生畫像設計方案；⑦可視化分析方案。

Fig.1 System architecture圖1 系統架構

Fig.2 KANO model圖2 KANO模型

2 系統開發

2.1 系統開發平臺搭建

（1）該系統是基于前后端分離、分布式架構開發的，在進行具體的系統開發前需要對開發環境進行配置。具體配置如下：①安裝IDEA；②安裝Java1.8 JDK 或以上版本；③安裝node.js；④搭建SpringCloud 架構；⑤使用腳手架Vue Cli搭建前端框架Vue。

（2）配置云服務器及數據庫相關信息如下：①騰訊云服務器（2核 4GB 3Mbps）；②MySQL 8.0；③Redis 5.0。

（3）安裝并使用Nignx 完成前端項目的部署。

（4）安裝并使用Nacos 完成對Springboot 項目的管理及配置。

2.2 系統功能開發與優化

（1）系統上傳功能開發與優化。由于云服務器資源有限，而上傳功能是屬于高頻率使用的功能，針對高校專業種類多樣、文件數量繁多、系統使用人數上限高的特點設計一套穩定的上傳邏輯尤為重要。特別是上傳大文件時容易因為各種網絡原因導致上傳失敗，頻繁的上傳失敗操作不僅會占用云服務器資源，而且會大大降低使用效率。該系統對上傳功能進行了優化設計，系統會自動識別上傳文件的特征，并且根據Md5 碼為文件增加唯一標識符之后，將大文件進行分片打包上傳至云服務器。上傳過程中若因網絡或其他原因導致上傳失敗，已上傳至云服務器的文件會自動保留。當使用者重新上傳相同文件時，系統會從數據庫中查找File 表并查詢該文件的唯一標識符，并且繼續上次的上傳操作。對上傳功能進行優化后，可大幅提高系統的使用效率和上傳功能的穩定性。上傳功能的設計邏輯如圖4所示。

（2）系統用戶創建及權限分配功能開發。為實現“高自由度”的用戶創建與權限分配功能，以滿足不同課程對于角色與權限的不同需求，本文首先設計3 個步驟來實現此功能，分別可以通過用戶創建、權限分配和角色創建完成用戶與角色的關聯、角色與權限的關聯，通過角色（role）id 作為索引值遍歷查詢對應用戶與權限。通用用戶創建與權限分配設計如圖5所示。

2.3 數據庫設計

本文中的系統功能較多，用戶數據及課程信息量較大，本小節主要介紹系統中部分功能所設計的主表結構及相關作用。

（1）課程相關數據庫設計。本文系統中對課程進行了兩級分類設計，如表1 所示，管理員可以登錄管理員系統新建或修改已有分類，并對課程進行分類管理。同時為保證分類id 不重復，本文采用UUID（Universally Unique Identifier）通用唯一識別碼作為id，其他主表若無提及，均默認采用UUID 作為其主表id，同時將id設置為主表主鍵。

為設計合理的課程結構，本文中課程結構設計由3 張主表構成，其中包括課程章節主表、課程小節主表和課程信息主表，如表2-表4 所示，3 張主表構成了課程基本主體結構。同時為進一步完善課程相關功能，例如課程級別設置、課程觀看權限設置、課程分類設置、課程相關資料下載、課程視頻播放和學生管理等功能，使得課程更加精細化、合理化和人性化，本文還設計了課程分類主表、課程內容簡介主表、已報名學生主表和課程文件主表，如表5-表7所示。

Fig.3 System functional design圖3 系統功能設計

（2）用戶相關數據庫設計：本文對用戶角色從4 個不同角度進行設計開發，其中包括a（學生）、b（教師）、c（課程管理者）、d（系統維護者）。在a角色中涉及用戶注冊、密碼安全和短信管理等問題，在c、d 角色中涉及高權限用戶創建新角色，并為新角色分配相關系統權限輔助管理系統和課程，從而實現“高自由度”的用戶角色分配功能，滿足每個課程或班級的不同需求，自由地創建相關角色并為其分配權限，以此提高班級管理效率。其中a、b 的角色主表如表8、表9所示。

為了完成c、d 中“高自由度”的角色創建及權限分配，本文以user 表、permissions 表和role 表為基礎主表，如表10-表12 所示。同時通過role_user 表和role_ permissions表整合3 張基礎主表的相關信息用于完成該功能，以實現“高自由度”的角色創建及權限分配，如表13、表14所示。

2.4 系統微服務架構設計

本文中智慧教育系統完成對上傳功能的開發和優化，以及管理者通用權限功能、課程管理功能、分類功能和課程報名等相關功能的開發。每個功能的技術實現部署在不同的Springboot 應用中，每一個Springboot 應用都可作為一個微服務器進行獨立迭代、部署，很大程度上降低了整個系統模塊之間的耦合性。由于微服務分布式架構的設計模式，系統中所有微服務均需要重新設計系統異常處理和數據庫的讀寫操作，使得代碼量成倍增長，因此本文設計了Server 模塊作為公共服務模塊，將Server 模塊設計為jar 包在每個微服務器中的pom.xml 進行配置，從而大大減少了代碼量，提高了代碼的復用性。系統采用Nacos 作為注冊中心和配置中心，對所有Springboot 應用進行統一管理。系統微服務設計如圖6所示。

3 學生畫像系統設計

3.1 畫像系統架構

畫像模塊架構如圖7 所示，教師通過Teacher 端登入智慧教育系統后可進入學生畫像模塊分析學生學習情況。畫像模塊基于Spark［18-19］進行開發，該模塊會結合學生成績進行數據分析。第一次分析采用ALS 算法，第二次分析采用LR 算法。該系統對算法中的權重、隱式特征進行了優化，使得分析預測結果更加準確。

3.2 算法設計流程及數據測試

在本系統中集成java Spark 框架ALS 算法作為矩陣分解算法對系統進行設計開發，并且ALS 在處理隱式特征問題時可簡化計算過程。

ALS 算法是一個使用交替最小二乘法求解的系統過濾算法［20］，由于Spark millib 中的ALS 算法具有天然分布式的屬性，因此可很好地擴展到各類分布式計算場景。ALS 的核心假設思想為矩陣是近似低秩的，一個mn 階的矩陣R 可用兩個小矩陣X 和Y 的乘積來近似，如式（1）所示。為了找到低維矩陣X 和Y，可采用式（2）對其作交替最小二乘法優化，最大程度地逼近矩分矩陣R。

Fig.4 Optimization of upload functions圖4 上傳功能優化

式中，aij表示第i個用戶對第j個物品的期望值，ui表示用戶i 的隱式特征向量，cj表示物品j 的隱式特征向量，表示用戶i 對物品j 的預測值。至此，為防止出現過擬合情況，使得L（U，C）具有更好的普適性，加入正則化參數，最終L（U，C）的表達式如式（3）所示。由于ui和cj耦合度高，不容易求解，故分別固定U 和C 對目標函數求極值，如此交替逼近直到到達預先設置的迭代次數上限。測試流程如圖8所示。

Fig.5 Generic user creation and permission assignment design圖5 通用用戶創建與權限分配設計

Table 1 Course classification master table表1 課程分類（category）主表

Table 2 Course chapter master table表2 課程章節（chapter）主表

Table 3 Course subsection master table表3 課程小節（section）主表

Table 4 Course master table表4 課程（course）主表

Table 5 Large categories of courses master table表5 課程大分類（course_category）主表

步驟1：獲取原始數據集“dataExcel.xlsx”，同時在maven 中引入com.alibaba.easyexcel 準備讀取原始數據，并將數據處理為符合Als算法的標準矩陣。

步驟2：獲取處理后的標準矩陣“handleData.xlsx”，并將其轉換為csv文件“handleData.csv”。

Table 6 Enrolled students master table表6 已報名學生（student_course）主表

Table 7 Course files master table表7 課程文件（file）主表

Table 8 Student master table表8 學生（student）主表

Table 9 Teacher master table表9 教師（teacher）主表

Table 10 User master table表10 用戶（user）主表

Table 11 Permissions master table表11 權限（permissions）主表

Table 12 Role master table表12 角色（role）主表

Table 13 Role users association master table表13 角色用戶關聯（role_user）主表

Table 14 Role permissions are association master table表14 角色權限關聯（role_ permissions）主表

Fig.6 System microservices design圖6 系統微服務設計

Fig.7 Portrait module architecture圖7 畫像模塊架構

步驟3：在maven 中引入org.apache.spark，初始化spark運行環境，準備導入“handleData.csv”，對數據進行Als 召回訓練。

步驟4：在AlsRecallTrain 模塊中建立Als 模型，配置Als 中的相關參數：迭代次數setMaxIter 為20，相關矩陣數setRank 為5，正則化系數setRegParam 為0.01。創建Rating類，將其定義為訓練后的數據類型，其中包括id、courseId、piont。

步驟5：將“handleData.csv”導入模型中進行訓練，將數據集分別劃分為90%的訓練集與10%的預測集，同時得到該模型rmse均方根誤差。

步驟6：從預測集中隨機抽取15 個學生作離線的召回結果預測，利用訓練好的模型對每個學生進行3 門課程推薦，并按照預測值大小對課程進行排序，預測結果如表15所示。

Fig.8 Test flow discipline圖8 測試流程

Table 15 Prediction results表15 預測結果

其中，id 表示隨機抽取的學生id，Recommend 表示推薦的課程id，point 表示預測值，point 越大代表該學生對該課程感興趣的可能性越高。課程id（201-207）的含義分別對應為：計算機網絡、數據結構、數據挖掘與分析、高等數學、數字信號處理、無線網絡傳感器、英語。

3.3 章節小結

畫像系統的設計與實現是整個“全棧式”系統的重要組成部分，使用畫像系統可更好地幫助管理者或教學工作者掌握學生的學習情況及學習興趣，從而提高教學效率，因材施教。從技術架構角度而言，畫像系統的設計、開發符合“全棧分布式架構”的整體技術架構理念。畫像系統作為一個獨立的Springboot 應用，在保證獨立部署、運行的同時，可很好地融入智慧教育系統中，從而大大提高了整個系統的安全性、穩定性與可迭代性。

4 系統實現

該系統分別針對學生、教師及管理人員設計了不同的前端界面及操作邏輯。學生、教師和管理人員可通過相應系統完成日常的教學交互。

4.1 智慧教育系統：學生端

學生通過對應端口可完成日常操作，以下展示部分功能及界面。

（1）教育平臺（學生端）主界面如圖9所示。

Fig.9 Student-side main interface圖9 學生端主界面

（2）登錄、注冊及忘記密碼（學生端）界面如圖10所示。

Fig.10 Login，registration and forgot password interface圖10 登錄、注冊及忘記密碼界面

（3）查詢全部課程界面如圖11所示。

Fig.11 Course query interface圖11 查詢課程界面

（4）課程詳情界面如圖12 所示。教師可在教師端口設置課程播放權限，當學生登錄后點擊“立即報名”才可獲得課程播放權限，并自動加入到課程所對應的班級中。

Fig.12 Course registration and video viewing interface圖12 報名課程及觀看視頻界面

4.2 智慧教育系統：教師及管理員端

教師及管理員可登錄相應的管理系統進行日常的課程安排及班級管理，以下展示部分功能及界面。

（1）用戶角色管理界面：可通過該界面完成注冊，并將用戶與對應角色進行綁定，使用戶獲得相應權限。

（2）課程管理界面：教師與管理人員可通過該界面進行課程創建以及視頻、文件上傳等操作，如圖13所示。

Fig.13 Course management interface圖13 課程管理界面

5 結語

本文基于云服務器、SpringCloud、Springboot、Java、Vue、Nginx、Nacos、Spark、MySQL 等相關技術設計了一個“全棧式智慧教育系統”，并基本實現了該系統的功能。在疫情防控常態化背景下，學生和教師可通過該系統完成日常的教學活動，有效提高了學生的學習效率。其中，學生畫像系統實現了小規模數據分析并達到了預期效果。最后，由于該系統基于微服務分布式架構設計思想進行開發的特點，使得該系統不僅具有較高的穩定性，而且有很好的擴展性與可迭代性。在今后實際使用過程中，該系統可通過不斷迭代、部署和整合Springboot 應用來實現更多的“全棧式應用場景”，在分布式架構設計下提供更多的“全棧式技術解決方案”。