基于云平臺的計算機專業在線互動式教學系統設計

摘要：傳統的在線教學系統由于延遲高、穩定性差等問題影響了教學效果和學習體驗。因此，文章設計了基于云平臺的計算機專業在線互動式教學系統。硬件方面，采用集群式服務器實現高可用性和負載均衡，使用分布式存儲器提高數據可靠性和訪問速度，配備高性能網絡通信設備以確保高效數據傳輸。軟件方面，采用RBAC模型對不同用戶角色進行權限管理；實現教學資源共享與個性化推薦功能；最后，利用云平臺技術實現教學中的實時互動協作。測試結果表明，該系統能夠為用戶提供穩定、流暢、高效的在線學習環境，有效提升教學效果和學習體驗。

關鍵詞：云平臺；計算機專業；在線互動式；教學系統；用戶權限

中圖分類號：TP311

文獻標志碼：A

0 引言

在計算機專業教育中，在線互動式教學系統能夠打破時間和空間的限制，為師生提供更加靈活、便捷的教學和學習環境^［1］。因此，研究基于云平臺的計算機專業在線互動式教學系統，對于推動教育信息化進程、提高教育質量具有重要意義。當前，國內外在線教學系統大多具備教學資源管理、用戶權限劃分等基本功能^［2］，但在個性化推薦、實時互動協作等方面仍存在諸多不足。同時，部分系統在實時互動協作方面也存在延遲高、穩定性差等問題，嚴重影響了教學效果和學習體驗^［3］。

針對上述問題，本文研究了基于云平臺的計算機專業在線互動式教學系統設計。在硬件方面，采用集群式服務器、分布式存儲器和高性能網絡通信設備，確保系統的高可用性、負載均衡、數據可靠性和高效數據傳輸。在軟件方面，實現不同用戶的權限劃分管理，提供教學資源共享與個性化推薦以及基于云平臺的教學實時互動協作等功能，全面提升系統的實用性和用戶體驗。本文將為計算機專業教育提供更加高效、便捷、可靠的在線教學解決方案，推動教育信息化進程的不斷深入。

1 基于云平臺的計算機專業在線互動式教學系統硬件設計

1.1 集群式服務器

集群式服務器是基于云平臺的計算機專業在線互動式教學系統硬件設計的核心組成部分。通過采用多臺高性能服務器組成集群，能夠在高并發訪問情況下保持穩定運行。每臺服務器都配備有足夠的中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、內存和存儲資源，以滿足大量用戶同時在線學習、互動和資源訪問的需求^［4］。使用負載均衡器F5將用戶請求分配到不同的服務器上，確保每臺服務器的負載均衡，具體請求分配公式如下。

H_p=（F_i/∑n/i=1F_i）

F_i=（P_μ-D_i/P_μ）（1）

式（1）中，H_p為用戶請求分發概率；F_i為服務器在第i個節點上的網絡負載；D_i為第i個節點的訪問數量；P_μ為動態可分配資源。此外，集群式服務器還具備故障自動切換和數據備份功能，確保在系統出現故障時能夠迅速恢復服務，保障教學的連續性和穩定性。

1.2 分布式存儲器

為了存儲大量的教學資源和學習數據，采用分布式存儲器架構，將數據分散存儲在多個節點上，提高數據的可靠性和訪問速度^［5］。首先選擇高性能、高可靠性的存儲設備作為存儲節點。將數據分片后存儲在不同的節點上并為每個數據片創建多個副本，以提高數據的可靠性和容錯性。數據可靠性計算公式如下。

γ=1-m/i=1（1-p_i）（2）

式（2）中，m為數據副本的數量；p_i為第i個副本不可用的概率。通過式（2）計算在所有副本中至少有一個可用的概率，從而評估數據的可靠性。使用分布式文件系統來管理存儲的數據，同時提供高效的數據訪問接口。

1.3 高性能網絡通信設備

高性能網絡通信設備是連接集群式服務器和分布式存儲器的關鍵。這些設備采用高速網絡接口和傳輸協議，確保服務器之間、服務器與存儲器之間以及服務器與用戶之間的高速數據傳輸。設備還支持多種網絡拓撲結構和路由協議，以實現網絡的可靠性和可擴展性^［6］。通過高性能網絡通信設備，系統能夠確保用戶在學習過程中獲得流暢的網絡體驗，避免因網絡延遲或中斷而影響學習效果。

2 基于云平臺的計算機專業在線互動式教學系統軟件設計

2.1 劃分管理不同用戶的權限

為了實現不同用戶角色的權限管理，采用基于角色的訪問控制（Role-Based Access Control，RBAC）模型。該模型將用戶、角色和權限三者關聯起來，通過為用戶分配不同的角色，賦予其相應的權限^［7］。根據系統需求定義不同的角色，每個角色對應不同的權限集。具體權限分配如表1所示。

在添加新用戶時，系統根據用戶的身份和需求，將其分配到相應的角色中。用戶登錄后，系統根據其角色自動加載相應的權限集合，用戶只能訪問和操作權限范圍內的內容^［8］。在用戶執行任何操作之前，系統都會驗證用戶當前的角色是否具有執行該操作所需的權限。如果沒有權限，系統將拒絕執行該操作。

2.2 教學資源共享與個性化推薦

系統提供了豐富的教學資源共享功能，允許教師上傳分享各種教學資源。這些教學資源將被安全地存儲在云端平臺上，確保學生能夠隨時隨地訪問與學習。系統通過先進的日志收集與分析技術，全面記錄學生的學習行為數據，涵蓋訪問的課程、頁面停留時長、點擊及瀏覽過的資源等關鍵信息。根據用戶的歷史學習行為數據，構建一個的m×n用戶-資源評分矩陣，其中m為系統用戶數，n為教學資源數，矩陣中的元素R_ij為系統用戶i對教學資源j的評分。計算用戶之間的相似度公式如下。

sim（u，v）=（∑_j∈IuvR_uj·R_vj/∑_j∈IuR²_uj·∑_j∈IvR²_vj）（3）

式（3）中，I_uv為用戶u和用戶v共同評分的計算機教學資源集合；I_u和I_v分別為用戶u和用戶v評分的教學資源集合。對于目標用戶μ，根據其相似用戶集合N（μ）的偏好，計算每個未評分資源j的預測評分，具體公式如下。

R_μj=（∑_{v∈N（μ）}sim（u，v）·R_vj/∑_{v∈N（μ）}sim（u，v））（4）

根據上述公式（4）計算出的預測評分，選取評分較高的資源作為推薦結果，便于學生快速鎖定并訪問自己感興趣的教學資源。

2.3 基于云平臺實現教學實時互動協作

為了實現教學實時互動協作功能，充分利用云平臺的強大技術優勢，構建一個高效、便捷、可靠的在線教學環境^［9］。基于云平臺實現教學實時互動協作的具體流程如圖1所示。在云平臺上部署高性能的WebSocket服務器集群，利用負載均衡技術確保服務器的高可用性和可擴展性。通過WebSocket實現消息的實時傳輸，允許教師與學生在課堂上進行實時交流。為了進一步增強互動性，引入白板工具^［10］，使得教師和學生可以在共享的白板上進行交流和討論。

集成支持多種編程語言的在線代碼編輯器Monaco Editor，通過WebSocket協議，實現代碼的實時協作編輯功能。當多位學生在同一個項目中工作時，他們的編輯操作會實時同步到云端，確保所有人都能看到最新的代碼狀態。云端部署了虛擬實驗環境，學生可以通過遠程訪問進行實驗。設計了自動批改功能，它支持編程作業的代碼評測與結果對比，系統會根據預設的評測標準對學生的代碼進行評分并給出詳細的評測報告。同時設計了互動數據可視化面板，它展示了課堂活躍度、學生參與度等指標。便于教師了解教學效果和學生的學習狀態。通過上述一系列步驟，完成了基于云平臺的計算機專業在線互動式教學系統的軟件設計。

3 系統測試

3.1 系統搭建

在系統測試階段，首先進行系統搭建。硬件方面，按照設計方案，將集群式服務器、分布式存儲器以及高性能網絡通信設備安裝并連接。確保所有硬件設備正常運行后，進行軟件環境的搭建。這包括安裝操作系統、數據庫、中間件以及在線互動式教學系統軟件。所有軟件組件均按照預定的架構進行部署，確保系統各模塊之間的通信和數據交互順暢無阻。

3.2 系統測試參數設置

為了確保系統測試的全面性和準確性，設置多項測試參數。這些參數涵蓋了系統的性能、穩定性以及安全性等多個方面。具體系統測試參數設置如表2所示。

在性能測試中，模擬不同用戶規模下的并發訪問場景，以評估系統的負載能力和響應時間。穩定性測試中，長時間運行系統并監控其運行狀態，以檢查是否存在內存泄漏、服務崩潰等問題。安全性測試則重點關注系統的數據保護機制，包括數據加密和訪問控制等。

3.3 系統測試結果

使用上述設置的測試參數對系統進行全面的測試。性能測試結果如表3所示。

由表3數據可以看出，在不同用戶規模的測試場景下，所有響應時間均遠低于設定的閾值，系統均表現出良好的負載能力和響應時間。系統穩定性測試結果如表4所示。

由表4數據可以看出，在7×24 h連續運行測試中，系統始終保持穩定運行狀態。內存使用率和CPU使用率均未超過設定的監控閾值。這證明了系統具備長時間穩定運行的能力，能夠滿足實際教學場景中的需求。在安全性測試中，系統數據加密算法（AES-256）經過嚴格測試，未發現任何數據泄露或加密失敗的情況。同時，基于RBAC模型的訪問控制策略也表現良好，用戶只能訪問其授權范圍內的資源，有效防止了非法訪問和數據泄露的風險。綜上所述，本文設計的基于云平臺的計算機專業在線互動式教學系統，能夠滿足計算機專業在線教育的實際需求，為師生提供高效、便捷、安全的在線教學平臺。

4 結語

本文詳細闡述了基于云平臺的計算機專業在線互動式教學系統的設計與實現。通過集群式服務器、分布式存儲器和高性能網絡通信設備的有機結合，系統實現了負載均衡、數據可靠性和高效數據傳輸，為在線教學提供了穩定、流暢的學習環境。在軟件設計方面，系統采用基于角色的訪問控制模型，實現了不同用戶角色的權限管理，提供了豐富的教學資源共享與個性化推薦功能。同時，系統充分利用云平臺的優勢，實現了教學實時互動協作，極大地提升了在線教學的互動性和實效性。

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（編輯 沈 強）

Design of online interactive teaching system for computer majors based on cloud platform

ZHANG Xiaomei， YU Zijia

（Suzhou University， Suzhou 234000， China）

Abstract：Traditional online teaching systems suffer from issues such as high latency and poor stability， which affect teaching effectiveness and learning experience. Therefore， the article designed an online interactive teaching system for computer majors based on cloud platforms. In terms of hardware， cluster servers are used to achieve high availability and load balancing， distributed storage is used to improve data reliability and access speed， and high-performance network communication equipment is equipped to ensure efficient data transmission. In terms of software， the RBAC model is used to implement permission management for different user roles; Teaching resource sharing and personalized recommendation function; Finally， utilizing cloud platform technology to achieve real-time interactive collaboration in teaching. The test results show that the system can provide users with a stable， smooth， and efficient online learning environment， effectively improving teaching effectiveness and learning experience.

Key words：cloud platform; computer major; online interactive; teaching system; user rights