基于大數(shù)據(jù)的在線教育平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

達(dá)泓宇, 田少卿, 杜美玲, 王聰

(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 計算機(jī)與信息工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150028)

0 引言

基于大數(shù)據(jù)時代互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)快速發(fā)展，用戶的學(xué)習(xí)方式發(fā)生了極大的改變，通過黑板及書籍的學(xué)習(xí)形式逐步發(fā)展成為網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)，通過便捷、貼心的在線學(xué)習(xí)，使學(xué)習(xí)能力顯著提高。同時在線教育發(fā)展前景廣闊， 已成功躍進(jìn)大數(shù)據(jù)應(yīng)用的最前端。然而，隨著科技的不斷進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不斷更新?lián)Q代，用戶需求不斷增多，光靠提高學(xué)習(xí)服務(wù)質(zhì)量很難得到大眾認(rèn)可，用戶很難持續(xù)響應(yīng)系統(tǒng)規(guī)定的教學(xué)任務(wù)。因此，網(wǎng)絡(luò)在線教育應(yīng)通過對大數(shù)據(jù)的分析來積極響應(yīng)不同用戶在不同時間段的學(xué)習(xí)訴求，開發(fā)人員通過每日獲取的數(shù)據(jù)對用戶的學(xué)習(xí)行為進(jìn)行分析，對不同的用戶提供個性化定制服務(wù)。本系統(tǒng)部分模塊采用高性能的非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫 MongoDB對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，使其在安全性、可靠性、擴(kuò)展性和資源重復(fù)利用率上更勝一籌，為往后大數(shù)據(jù)研究與應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

據(jù)iiMedia Research公布的《2018中國在線教育行業(yè)白皮書》數(shù)據(jù)預(yù)測,中國在線教育用戶將在2020年達(dá)到2.96億。到時中國有望成為世界上參與在線教育行業(yè)人數(shù)最多的國家之一。據(jù)調(diào)查顯示,有84.9%的被調(diào)查者認(rèn)可O2O教育模式。近些年，移動互聯(lián)網(wǎng)、VR、人工智能和大數(shù)據(jù)等技術(shù)得到了迅猛發(fā)展,線上教育具有資源習(xí)得性、豐富性、靈活性等優(yōu)勢，這些優(yōu)勢已逐漸補(bǔ)充了線下傳統(tǒng)教育模式的缺陷。據(jù)有關(guān)人士預(yù)測,在2020年中國在線教育市場將達(dá)到4 330億規(guī)模?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”教育市場正迎來新一輪的風(fēng)口。

1.2 國外研究現(xiàn)狀

在美國，在線教育所開設(shè)的學(xué)歷、學(xué)位課程數(shù)已達(dá)到4.8萬個，基本上涵蓋了美國高等學(xué)校的所有學(xué)科和專業(yè)。近百萬的學(xué)生通過在線教育學(xué)習(xí)來獲取學(xué)歷。美國的在線教育以技術(shù)創(chuàng)新為基礎(chǔ)，正以較快的速度在規(guī)模、層次和水平上不斷向前發(fā)展。通過對國外在線教育現(xiàn)狀的研究,美國民眾已經(jīng)逐步認(rèn)可在線教育的戰(zhàn)略地位，并將此融入到美國高等教育中。無論是教學(xué)質(zhì)量、發(fā)展速度、規(guī)模還是普及率方面，在線教育已經(jīng)成為高等教育系統(tǒng)重要的一部分。

1.3 存在的不足

在國內(nèi)，由于了解在線教育行業(yè)的人不多且信息采集渠道不夠規(guī)范，大量的優(yōu)質(zhì)教育資源沒有信息產(chǎn)業(yè)化，因此數(shù)據(jù)量并不大，還不能形成大數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。并且，國內(nèi)在線教育的內(nèi)容以及形式不夠標(biāo)準(zhǔn)且普遍缺乏對教育資源的統(tǒng)一管理。人們受傳統(tǒng)觀念的影響，導(dǎo)致該類平臺的推廣并不順暢。除此之外，已有的信息化教育資源無法相對集中，用戶常常不能獲取切實所需的資源，不利于自身的學(xué)習(xí)和分享。

2 系統(tǒng)功能需求分析

本系統(tǒng)角色主要分為兩類：用戶和管理人員。不同角色具有不同的職責(zé)，相互依存，協(xié)調(diào)配合，共同維持在線教育平臺的信息化管理。

2.1 用戶功能的用例分析

用戶在初次注冊該系統(tǒng)學(xué)習(xí)時，系統(tǒng)會對用戶進(jìn)行職業(yè)興趣測試，分析出最適合用戶從事的職業(yè)，并以此進(jìn)行課程推薦。用戶在購買學(xué)習(xí)資料后，可以隨時查看訂單號、訂單名稱和訂單類別。在學(xué)習(xí)過程當(dāng)中，用戶可以隨時查看學(xué)習(xí)進(jìn)度，并對學(xué)習(xí)中碰到的疑難問題進(jìn)行討論。其功能用例圖，如圖1所示。

圖1 用戶用例

2.2 管理員功能的用例分析

系統(tǒng)管理員擁有較多的管理權(quán)限，其功能需求包括賬號審核、用戶信息查看、用戶信息修改、篩選用戶上傳資料、管理第三方支付、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和信息公告等。其功能用例圖,如圖2所示。

圖2 管理員用例

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計原則

該系統(tǒng)的設(shè)計圍繞以下幾項基本原則。

(1) 經(jīng)濟(jì)性和實用性原則

開發(fā)人員應(yīng)盡最大可能節(jié)省投資成本，設(shè)計出高性能、價格合理且具有較好性能價格比的在線教育平臺。同時，設(shè)計時應(yīng)該充分結(jié)合實際，注重實效，并堅持實用、經(jīng)濟(jì)的原則，通過對現(xiàn)有設(shè)備和信息渠道的充分利用，幫助用戶節(jié)省資源。

(2) 先進(jìn)性和資源共享性原則

我們必須利用先進(jìn)的技術(shù)水平設(shè)計出合理的、符合國際發(fā)展趨勢的在線教育平臺。該系統(tǒng)的設(shè)計方案主要是通過網(wǎng)絡(luò)教育信息資源的整合、傳輸和共享來實現(xiàn)。

(3) 安全性和可靠性原則

技術(shù)人員應(yīng)提供多種檢查和處理手段來保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性及準(zhǔn)確性。針對主機(jī)、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用等各層次制定相應(yīng)的安全策略，保障系統(tǒng)的安全性和可靠性。

(4) 用戶操作方便的原則

系統(tǒng)功能全面，為每個用戶群，包括客戶提供一個高效、統(tǒng)一且易于交互的操作界面。

(5) 可擴(kuò)展性和易維護(hù)性的原則

在設(shè)計系統(tǒng)時應(yīng)具有一定的前沿性，在充分考慮系統(tǒng)更新?lián)Q代、擴(kuò)容維護(hù)的基礎(chǔ)上，針對不同的操作系統(tǒng)提供多語言的代碼設(shè)計。

3.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

本平臺將采用B/S結(jié)構(gòu)(瀏覽器/服務(wù)器模式，Browser/Server)為用戶進(jìn)行服務(wù)，用戶通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入系統(tǒng)，享受相應(yīng)的功能服務(wù)。并采用C/S結(jié)構(gòu)來對Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行維護(hù)修改。形成“內(nèi)外有別”“查改有別”模式，提高服務(wù)器的安全性，防止數(shù)據(jù)被破壞，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

在技術(shù)架構(gòu)方面，它采用了在功能上可擴(kuò)展且接口相對來說更加安全開放的松耦合架構(gòu)，以此來確保系統(tǒng)可以適用于各種不同的應(yīng)用環(huán)境，且能在不同的應(yīng)用環(huán)境中穩(wěn)步運行。本系統(tǒng)運用基于三層架構(gòu)以及MVC(模型、視圖、控制)的一種模式，這種模式將數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)和展現(xiàn)三者進(jìn)行了非常有效的分離。它們分工明確，JSP用于實現(xiàn)用戶界面層(View)；Servlet用于實現(xiàn)控制層(Control)；JavaBean實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯層(Model)。各層之間實現(xiàn)解耦的過程體現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計的開閉原則，即通過依賴注入達(dá)到目標(biāo)。該系統(tǒng)架構(gòu)，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

3.4 網(wǎng)頁前端設(shè)計

平臺網(wǎng)頁前端應(yīng)用HTML、CSS、JavaScript、PHP等網(wǎng)頁開發(fā)技術(shù)。

后端應(yīng)用服務(wù)器端HTML嵌入式腳本語言PHP開發(fā)技術(shù)，用以處理用戶與服務(wù)器之間的操作命令。數(shù)據(jù)庫以MySQL為主，部分模塊采用MongoDB。用以存儲、處理相應(yīng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器只能由數(shù)據(jù)庫管理員進(jìn)行操作，庫內(nèi)數(shù)據(jù)需滿足以下規(guī)則。

(1) 實體完整性規(guī)則；

(2) 參照完整性規(guī)則。

3.5 系統(tǒng)主要功能設(shè)計與介紹

系統(tǒng)是在目前主流在線教育平臺的基礎(chǔ)上，開發(fā)的一套功能齊全的軟件。通過每日獲取的數(shù)據(jù)(用戶連續(xù)學(xué)習(xí)時長、單次學(xué)習(xí)時間、每日學(xué)習(xí)次數(shù)等)對用戶的學(xué)習(xí)行為進(jìn)行分析，通過算法分析測試結(jié)果，向用戶推薦更加合理的課程，并以此進(jìn)行針對性的規(guī)劃。該系統(tǒng)學(xué)習(xí)資源采用高性能的非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MongoDB存儲，高效率執(zhí)行多用戶并發(fā)訪問，結(jié)合專業(yè)知識創(chuàng)建索引，提高查詢準(zhǔn)確度。信息管理模塊包括系統(tǒng)信息和異常信息，系統(tǒng)每天都會產(chǎn)生大量的日志信息，為了對海量日志數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行高效分析和存儲，利用Mapreduce來發(fā)掘隱藏在日志數(shù)據(jù)中的用戶訪問規(guī)律和模式,如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)獲取

(1) 學(xué)習(xí)資源在線查詢模塊設(shè)計

用戶可以通過知識庫學(xué)習(xí)進(jìn)行知識積累與管理，但面對大量的知識數(shù)據(jù)，如何對信息進(jìn)行準(zhǔn)確定位與檢索變得尤為重要。本系統(tǒng)采用Lucene.Net全文檢索開發(fā)包，它提供了完整的查詢引擎和索引引擎，可以快速查詢用戶所需內(nèi)容。底層采用MongoDB數(shù)據(jù)庫，用來存儲圖片、音頻、視頻等大文件數(shù)據(jù)。在多用戶并發(fā)查詢時，能夠高效、快速地返回結(jié)果，部分代碼如下。

$conn = mysqli_connect('localhost','root','123456','root') or die("數(shù)據(jù)庫連接失敗！".mysqli_error());//用戶連接相應(yīng)數(shù)據(jù)庫

mysqli_query($conn,"set names utf8");

?>

$insearch = $_POST["insearch"];//接受查詢請求

$sqlstr = "select * from teach where username like '".$insearch."' or teachid like '".$insearch."' Or teachname like '".$insearch."' or kind like '".$insearch."'";//對所需信息進(jìn)行模糊查詢

$result = mysqli_query($conn,$sqlstr); //并返回相應(yīng)結(jié)果

(2) 用戶資源共享模塊

用戶可隨時上傳各領(lǐng)域?qū)W習(xí)資料并能對該部分資料設(shè)置相應(yīng)的權(quán)限，如可閱覽用戶、可讀、可下載和查閱期限等權(quán)限，用以保護(hù)該類資料的知識產(chǎn)權(quán)。同時，上傳資料的用戶會得到一定量的學(xué)習(xí)積分，用來瀏覽其他學(xué)習(xí)資料。使各類學(xué)習(xí)資料在共享中將其優(yōu)勢最大化。

(3) 個人職業(yè)測試模塊

本項目借鑒霍蘭德職業(yè)測試原理，在用戶注冊完成之后，首先使用霍蘭德職業(yè)測試對用戶性格等方面進(jìn)行測試，分析出用戶未來更適合從事的職業(yè)，從而推建更適合用戶學(xué)習(xí)的課程。職業(yè)測試模塊圖，如圖6所示。

圖6 測試模塊

(4) 用戶管理中心

用戶可以在個人主頁查看和修改個人基本資料，個人主頁記錄了用戶的全部學(xué)習(xí)記錄以及網(wǎng)頁通知等消息，部分代碼如下。

if (!($id and $name and $age and $sex)){

echo "";

}else {

$sqlstr = "update users set name = '".$name."', age= '".$age."', sex = '".$sex."', where id = '".$id."'";

$result = mysqli_query($conn,$sqlstr);

if ($result){

echo "";

}else {

echo $sqlstr;

}

}

4 平臺實踐

本平臺在灰度測試期間，在本院隨機(jī)選取計算機(jī)院150人進(jìn)行試用，為時半年(2019.03-2019.09)。在試用的過程中，通過分析3月和9月的相關(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)平臺曝光量和點擊率顯著提高，用戶上傳數(shù)據(jù)量不斷提升，使用戶的學(xué)習(xí)資源得到相應(yīng)的補(bǔ)充，極大的豐富了用戶的學(xué)習(xí)生活。同時，通過一些用戶訪談和調(diào)查問卷，約有78%的用戶對該平臺比較滿意，除此之外，我們還另外抽取120位受眾，其中約有96%用戶平時有自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，這與平臺設(shè)計初衷相符。平臺相關(guān)指標(biāo)，如圖7所示。

圖7 平臺相關(guān)指標(biāo)

5 總結(jié)

通過大數(shù)據(jù)，可以更深入地了解大量數(shù)據(jù)的本質(zhì)，可以對傳統(tǒng)的教學(xué)方式加以改善，也可以實現(xiàn)個性化學(xué)習(xí)。但與此同時，在線教育也面臨著挑戰(zhàn)—如何保證學(xué)習(xí)的質(zhì)量及效果成了首要問題。首先，大數(shù)據(jù)具有海量性的特點，處理數(shù)據(jù)的方式會與傳統(tǒng)方式不同，怎樣改善處理數(shù)據(jù)的方式是一個問題。其次，雖然大數(shù)據(jù)技術(shù)在教育領(lǐng)域有著良好的發(fā)展前景，但是如何與各個跨學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)成果相結(jié)合仍然是大數(shù)據(jù)在線教育領(lǐng)域研究的重中之重。此外，我們還應(yīng)該將數(shù)據(jù)安全以及所有權(quán)的問題作為我們關(guān)注的重點，嚴(yán)防數(shù)據(jù)安全隱患的同時保護(hù)用戶的隱私。