無線互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

梁遠(yuǎn)成，關(guān)繼超，楊宇杰，姜文超，林穗

（廣東工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣州510006）

無線互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

梁遠(yuǎn)成，關(guān)繼超，楊宇杰，姜文超，林穗

（廣東工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣州510006）

無線網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用已遍及生活的各個(gè)角落，對(duì)人們的工作乃至生活方式帶來巨大變革。利用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠有效結(jié)合手機(jī)設(shè)備構(gòu)建出一個(gè)輕松高效的教學(xué)互動(dòng)環(huán)境,在傳統(tǒng)教學(xué)基礎(chǔ)上增加終端設(shè)備（計(jì)算機(jī)、移動(dòng)手機(jī)、平板等），教學(xué)投影儀圖像投放到幕墻的同時(shí)，可以同步投影到各個(gè)移動(dòng)終端，大大方便教學(xué)過程；學(xué)生有疑問可以在線提問，教師也可以遠(yuǎn)程操作終端演示，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程進(jìn)行監(jiān)督有效促進(jìn)教學(xué)互動(dòng)；主要功能包括：考勤簽到、屏幕共享、聲音共享、文件共享、板書共享、無線麥克風(fēng)、遠(yuǎn)程控制、問題討論、投票統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)抽取等。該系統(tǒng)結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)和電腦手機(jī)的線上互動(dòng)，降低教育成本，優(yōu)化教學(xué)環(huán)境，提高辦學(xué)效益，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高。

無線局域網(wǎng)；JGroups；群組通訊；可靠組播

0 引言

傳統(tǒng)的教學(xué)，是以書本為載體，以教師為中心，以教師講解和學(xué)生聽講與練習(xí)為主要活動(dòng)方式的一種教學(xué)模式。教師憑借一本教材、一本教學(xué)參考書、一個(gè)投影儀，即可以班級(jí)組織形式有目標(biāo)、有計(jì)劃、有重點(diǎn)地開展教育、教學(xué)活動(dòng)，完成教學(xué)任務(wù)，學(xué)生對(duì)知識(shí)的獲取依賴于教師的傳授和點(diǎn)撥。傳統(tǒng)課堂強(qiáng)調(diào)教師“灌輸式”教學(xué)模式，我們只掌握了知識(shí)的本身，并沒有掌握獲取知識(shí)的方法，思維和創(chuàng)新能力較差，更不懂得超越教師和教材，只是每節(jié)課規(guī)規(guī)矩矩地聽，認(rèn)認(rèn)真真地背，下來按時(shí)完成老師布置的課外作業(yè)。對(duì)掌握的知識(shí)缺乏更深的思考。傳統(tǒng)課堂不足包括：講授內(nèi)容受到時(shí)空限制、不能展示三維空間圖像、不能模擬實(shí)驗(yàn)操作過程、不能重復(fù)回放教學(xué)內(nèi)容、單位時(shí)間信息容量偏少[1]。

1 多媒體教學(xué)的引入

與傳統(tǒng)教學(xué)相比，多媒體教學(xué)具有以下優(yōu)勢：①直觀性。多媒體課件能化抽象為具體，化呆板為生動(dòng)，突破視覺限制，突出教學(xué)要點(diǎn)，使學(xué)生能多角度地觀察對(duì)象，建立空間概念,在直觀形象基礎(chǔ)上培養(yǎng)思維能力，有助于學(xué)生對(duì)概念的理解和方法的掌握；②形象性。多媒體課件能提供圖、文、聲、像，形象生動(dòng)，可以對(duì)人的視覺、聽覺甚至心理觸覺產(chǎn)生全方位的刺激，可以給學(xué)生留下深刻印象，有助于多角度激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，調(diào)節(jié)學(xué)生學(xué)習(xí)情緒，集中學(xué)生學(xué)習(xí)注意力，幫助學(xué)生掌握所學(xué)知識(shí)；③動(dòng)態(tài)性。多媒體課件可以化靜為動(dòng)，能按超文本、超鏈接方式組織管理學(xué)科知識(shí)和各種教學(xué)信息，有利于反映概念及過程，能有效地突破教學(xué)難點(diǎn)；有利于突破傳統(tǒng)教學(xué)中單調(diào)、枯燥的教學(xué)過程，有效的組織課堂教學(xué)；④高效性。多媒體課件特有的大信息量、大容量的特點(diǎn)，能增加課堂教學(xué)容量，優(yōu)化教學(xué)結(jié)構(gòu)，突破空間限制，節(jié)約教學(xué)時(shí)間，擴(kuò)大學(xué)生知識(shí)視野，提高課堂教學(xué)效率。

雖然多媒體設(shè)備的普及使用已經(jīng)大大提高了課堂的教學(xué)效率和質(zhì)量，但是所有的多媒體設(shè)備都是提供給教師教授使用的，但學(xué)生還是坐在下面的座位被動(dòng)地接收學(xué)習(xí)，缺少互動(dòng)。隨著生活水平的提高和科技的進(jìn)步，筆記本電腦成為了生活不可或缺的一部分。這些設(shè)備輕便小巧，便于攜帶，能夠連接Wi-Fi進(jìn)行互動(dòng)與共享。然而這些設(shè)備融入了課堂卻并沒有融入到教學(xué)當(dāng)中。

另外，無線互動(dòng)式教學(xué)的需求也帶來了許多新的問題，具體包括：①教學(xué)資源的有限，導(dǎo)致許多學(xué)校不斷的擴(kuò)招，特別是高校，大課室和大課堂已經(jīng)是很普遍。另外近視群體漸漸龐大起來，坐在后排的學(xué)生常?？床坏胶诎搴屯队皟x；②課堂只給教師配備了麥克風(fēng)，學(xué)生回答問題要么從教師處長距離傳遞麥克風(fēng)，要么回答聲音很小，其他同學(xué)聽不清；③課堂考勤時(shí)間長寬大的教室很難互動(dòng)和答疑。學(xué)生舉手提問，教師往往看不到，互動(dòng)比例很低。

2 無線互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

無線教學(xué)互動(dòng)系統(tǒng)基于無線局域網(wǎng)絡(luò)，利用JGroups開源項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)多播的可靠傳輸，系統(tǒng)主要功能模塊如圖1所示。

圖1 無線互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)功能模塊

2.1 創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)基于無線局域網(wǎng)通信為基礎(chǔ)。在不處于局域網(wǎng)的環(huán)境下，教師可以利用攜帶無線網(wǎng)卡的PC設(shè)備，創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)。流程活動(dòng)如表1所示。

表1 創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)

教師打開服務(wù)端，選中創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，輸入要?jiǎng)?chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)名稱和密碼，若密碼長度小于8，則提示密碼錯(cuò)誤。否則提示創(chuàng)建成功，圖標(biāo)相應(yīng)改變顏色，創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)流程如圖2所示。

圖2 創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)圖

2.2 考勤簽到

教師在上課之前必須綁定課堂名單，打開考勤功能。學(xué)生通過PC客戶端或者Android、iOS移動(dòng)端，進(jìn)行考勤簽到。流程活動(dòng)如表2所示。

表2 考勤簽到

教師打開服務(wù)端的同時(shí)，建立JGroups集群，學(xué)生客戶端點(diǎn)擊簽到，將個(gè)人學(xué)號(hào)等信息共享到集群中，每個(gè)學(xué)生唯一映射一個(gè)id,重復(fù)簽到，則最近的一次簽到信息會(huì)覆蓋之前的簽到信息，以避免替簽的情況。服務(wù)端根據(jù)學(xué)生學(xué)號(hào)查詢學(xué)生是否在課堂名單中，若存在則返回簽到成功和相應(yīng)的課程信息，若不在名單中則提示學(xué)生不是該課程的學(xué)生。通信過程如圖3所示。

圖3 考勤簽到通信時(shí)序圖

2.3 電子白板

教師和學(xué)生可以打開電子板書，所有的操作都會(huì)實(shí)時(shí)同步到各個(gè)終端，達(dá)到板書實(shí)時(shí)展示的效果。流程活動(dòng)如表3所示。

表3 電子白板

教師服務(wù)端開啟電子白板后，收集白板涂畫的坐標(biāo)和相應(yīng)的顏色，通過集群通信，實(shí)時(shí)傳輸?shù)礁鱾€(gè)學(xué)生終端中，學(xué)生終端白板根據(jù)坐標(biāo)顏色還原成相應(yīng)的涂畫展現(xiàn)出來，通信過程如圖4所示。

圖4 電子白板通信時(shí)序圖

2.4 遠(yuǎn)程控制

學(xué)生遇到問題可以申請(qǐng)讓教師操作本地設(shè)備，進(jìn)行實(shí)時(shí)的操作演示，更好的進(jìn)行教學(xué)。如表4所示。

表4 遠(yuǎn)程控制

學(xué)生終端發(fā)出申請(qǐng)遠(yuǎn)程控制指令，教師接收到指令后提示學(xué)生信息，并詢問是否接受申請(qǐng)控制學(xué)生電腦。將接受指令發(fā)回給學(xué)生端，學(xué)生端接收指令開啟屏幕圖像采集，并以300毫秒的頻率傳輸?shù)浇處煼?wù)端，教師接收到屏幕圖像后進(jìn)行展示和操作，相應(yīng)的鍵盤事件和鼠標(biāo)事件傳回給學(xué)生端，學(xué)生端還原事件作用到本機(jī)設(shè)備。通信過程如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)程控制通信時(shí)序圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測試

實(shí)驗(yàn)測試在帶有無線網(wǎng)卡的的筆記本電腦以及Android和蘋果手機(jī)上進(jìn)行，Windows系統(tǒng)下可以通過cmd命令創(chuàng)建虛擬無線網(wǎng)絡(luò)。Java語言提供了調(diào)用本地接口的各種類和方法。Runtime封裝著Java程序的運(yùn)行時(shí)環(huán)境。通過Runtime實(shí)例，Java應(yīng)用能夠與其運(yùn)行的環(huán)境連接。Runtime在JVM中保持一個(gè)單例，所以不能通過Runtime類的構(gòu)造函數(shù)。只能通過Run?time.getRuntime()來獲的當(dāng)前Runtime的一個(gè)實(shí)例。獲得Runtime實(shí)例后，就可以通過Runtime的exec()方法在當(dāng)前JVM進(jìn)程外啟動(dòng)其他進(jìn)程，創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)截圖如圖6所示。

圖6 創(chuàng)建無線教學(xué)互動(dòng)網(wǎng)絡(luò)

3.1 考勤簽到

考勤簽到模塊除了PC的服務(wù)端可客戶端，還包括Android與iOS在內(nèi)的移動(dòng)終端，如圖9。通過本模塊能方便地實(shí)現(xiàn)點(diǎn)名簽到過程的完全自動(dòng)化、無紙化、實(shí)時(shí)化以及上課中簽到數(shù)據(jù)的全程覆蓋。

（1）PC服務(wù)端端簽到模塊的數(shù)據(jù)來源與教務(wù)系統(tǒng)導(dǎo)出的名單文件，在開啟簽到功能之前必須綁定名單文件。綁定簽到名單成功后，系統(tǒng)會(huì)讀取名單中的課程信息并顯示在軟件上方。

（2）教師點(diǎn)擊開始簽到，接收學(xué)生信息并展示。

（3）教師在簽到結(jié)束后，將簽到結(jié)果寫入名單文件中，對(duì)缺席的學(xué)生標(biāo)記為‘X’,并在底下統(tǒng)計(jì)缺席人數(shù)。

（4）學(xué)生PC客戶端上課前需要輸入個(gè)人學(xué)號(hào)再進(jìn)行簽到，若學(xué)號(hào)不在名單中會(huì)提示，否則簽到成功。

Android和iOS客戶端啟動(dòng)后自行進(jìn)行簽到，如圖7所示。

簽到成功后會(huì)保存到手機(jī)本地?cái)?shù)據(jù)庫，可以對(duì)簽到記錄進(jìn)行刪除操作

3.2 遠(yuǎn)程控制

學(xué)生在座位上遇到問題可以申請(qǐng)遠(yuǎn)程控制，讓教師能夠通過網(wǎng)絡(luò)傳輸進(jìn)行演示和指導(dǎo)，如圖8所示。遠(yuǎn)程控制與多屏共享不同的是，多屏共享是單向傳輸屏幕圖像，而遠(yuǎn)程控制是在屏幕傳輸基礎(chǔ)上傳輸鍵盤和鼠標(biāo)事件。

圖7 簽到過程

圖8 遠(yuǎn)程協(xié)助

4 結(jié)語

無線技術(shù)及其應(yīng)用已遍及生活的各個(gè)角落，對(duì)人們的工作乃至生活方式帶來巨大變革。利用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠有效結(jié)合手機(jī)設(shè)備構(gòu)建出一個(gè)輕松高效的教學(xué)互動(dòng)環(huán)境,在傳統(tǒng)教學(xué)基礎(chǔ)上增加了終端設(shè)備（計(jì)算機(jī)、移動(dòng)手機(jī)、平板等），教學(xué)投影儀圖像投放到幕墻的同時(shí)，可以同步投影到各個(gè)移動(dòng)終端，大大方便了教學(xué)過程；學(xué)生有疑問可以在線提問，教師也可以遠(yuǎn)程操作終端演示，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程進(jìn)行監(jiān)督有效促進(jìn)教學(xué)互動(dòng)；主要功能包括：考勤簽到、屏幕共享、聲音共享、文件共享、板書共享。無線麥克風(fēng)、遠(yuǎn)程控制、問題討論、投票統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)抽取等。該系統(tǒng)結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)和電腦手機(jī)的線上互動(dòng)，降低教育成本，優(yōu)化教學(xué)環(huán)境，提高辦學(xué)效益，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高。

[1]郭診水，高小玲.遠(yuǎn)程數(shù)育系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京：中國宇航出版社，2004.

[2]李俊杰.Maven在企業(yè)Java軟件產(chǎn)品中的應(yīng)用[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2011，7（7）：1562-1565.

[3]劉娟，楊麗君.基于 Java的 Excel文件操作[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2007，2（12）.

[4]馮先成，李德駿主編.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用.武漢市：華中科技大學(xué)出版社,2011，07.

[5]W.Richard Stevens.TCP/IP詳解卷1:協(xié)議:機(jī)械工業(yè)出版，2000.

[6]劉瑞挺.全國計(jì)算機(jī)等級(jí)考試三級(jí)教程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：高等教育出版社，2010：45．

[7]JGroups-The JGroups Project 2002-2015,Red Hat http://jgroups.org/

[8]葛曉虎.基于CSCW的遠(yuǎn)程教育中電子白板的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程，2002，28(3)：58-591．

[9]朗波,王曉青.基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的圖像傳輸實(shí)現(xiàn)策略[J].青海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008

[10]丁東東，曾凡明，孔慶福，陳國鈞.編程實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)可靠傳輸文件的方法研究[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，（04）

[11]BanB．Design and Implementation of a Reliable Group Communication Toolkit for Java[M]．Cornell University，2008．

[12]Cezar，Romulus，Philippe．A Flexible Communication Toolkit for Synchronous Groupware[J]．In：proceedings of the 2005 systems

Abstract：

The wireless network technology and its application have brought great changes to our social life.After joining terminal equipment,projec?tor image can into each terminal,and teaching courseware can share to each terminal and greatly facilitate the teaching and reduce the dis?tance of the projected image.Students have questions can ask questions,and teachers can make remote terminal operation demonstration.The main functions of Inter-Teaching System include attendance sign-in,screen sharing,file sharing,shared blackboard writing,wireless microphone,remote control,problem discussion,voting statistics and random selection.In combination with the wireless network and mo?bile computer interactive,reduces the cost of education,optimizes the environment of teaching,improves the teaching efficiency and pro?motes the improvement of teaching quality.

Keywords：

Wireless Local Area Network;JGroups;Group Communication;Reliable Multicast

Design and Development of Wireless Inter-Teaching System

LIANG Yuan-cheng，GUAN Ji-chang，YANG Yu-jie，JIANG Wen-chao，LIN Sui
（School of Computers,Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006）

2017-03-28

2017-06-10

1007-1423（2017）18-0080-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.18.019

廣東工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(201511845023)、廣東工業(yè)大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目（廣工大教字[2015]133號(hào)）、廣東省質(zhì)量工程項(xiàng)目(粵教高函2015[133]號(hào))、廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（No.2017010160012）

梁遠(yuǎn)成（1995-），男，廣東人，本科，研究方向?yàn)橐苿?dòng)應(yīng)用系統(tǒng)

關(guān)繼超（1994-），男，廣東人，本科，研究方向?yàn)橐苿?dòng)應(yīng)用系統(tǒng)

楊宇杰（1996-），男，廣東人，本科，研究方向?yàn)橐苿?dòng)應(yīng)用系統(tǒng)

姜文超（1977-），男，山東人，講師，研究方向?yàn)樵朴?jì)算、大數(shù)據(jù)分析

林穗（1972-），女，廣東人，副教授，研究方向?yàn)樵朴?jì)算、云存儲(chǔ)、操作系統(tǒng)