基于多媒體技術(shù)的信息化教學(xué)資源共享系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石 巖，張景生

（聊城大學(xué)，山東 聊城 252000）

0 引 言

多媒體技術(shù)是指在電腦程序中處理圖形、圖像、影音、聲信以及動(dòng)畫的一項(xiàng)電腦應(yīng)用技術(shù)，在該種技術(shù)的控制下，能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行綜合處理，將固有的信息形式轉(zhuǎn)化為多種表現(xiàn)形式。信息化的教學(xué)資源是以現(xiàn)代通信、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)為基礎(chǔ)，匯集研究學(xué)習(xí)資源的各個(gè)要素匯總至數(shù)據(jù)庫中，用來輔助教學(xué)教師教學(xué)以及學(xué)生學(xué)習(xí)[1]。將教學(xué)資源進(jìn)行信息化，可以提高教學(xué)學(xué)習(xí)的效率，促進(jìn)教學(xué)工作進(jìn)入到新的形態(tài)。教學(xué)資源是為教學(xué)工作有效地開展而提供的各項(xiàng)可利用的條件，包括物質(zhì)條件、自然條件、社會(huì)條件以及媒體條件[2]。在教育形式不斷變化的現(xiàn)代，教學(xué)資源類型逐漸趨于多樣化，現(xiàn)有的信息化教學(xué)資源共享系統(tǒng)無法更好地適應(yīng)校園網(wǎng)的特性，一旦教學(xué)資源用戶數(shù)量增多或是資源數(shù)量增多時(shí)，系統(tǒng)的負(fù)載高峰無法容納過多人數(shù)的用戶訪問，將導(dǎo)致共享系統(tǒng)出現(xiàn)卡頓的現(xiàn)象。為此在多媒體技術(shù)的控制下，設(shè)計(jì)一種信息化教學(xué)資源共享系統(tǒng)。國外針對(duì)教學(xué)資源共享系統(tǒng)研究起步較早，如今在數(shù)字化圖書館資源的支持下，已形成了理論與教學(xué)相結(jié)合的形式[3]。國內(nèi)針對(duì)教學(xué)資源研究起步較晚，在我國共享建設(shè)綱要的引領(lǐng)下，資源共享系統(tǒng)的研究水平還處于發(fā)展中的狀態(tài)。

1 教學(xué)資源共享系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 多媒體嵌入式處理器

在多媒體技術(shù)的支持下，共享系統(tǒng)會(huì)整合信息化的教學(xué)資源為圖像或是音頻數(shù)據(jù)，該整合過程是一個(gè)直接讀取的過程。所以設(shè)計(jì)一個(gè)嵌入式處理器，核心處理器選用型號(hào)為S3C6410 處理器，在ARM 架構(gòu)結(jié)構(gòu)下，形成如圖1 所示的嵌入式處理器硬件結(jié)構(gòu)。

圖1 嵌入式硬件結(jié)構(gòu)

在圖1 所示的硬件結(jié)構(gòu)下，儲(chǔ)存器選用128 MB 的Mobile DDR 內(nèi) 存 以 及256 MB 的NAND FLASH 閃 存。設(shè)定Mobile DDR 內(nèi)部芯片的工作頻率120 MHz，芯片外部并聯(lián)一個(gè)DRAM 控制器，通過64 位的AMBA AXI總線連接至儲(chǔ)存器上[4]。使用處理器內(nèi)部的NAND 處理器控制NAND FLASH 閃存內(nèi)的RAS 信號(hào)，芯片引腳2連接控制器引腳I/O0，進(jìn)而控制整個(gè)信號(hào)的傳輸過程。控制芯片引腳3 接上拉電阻到高電平，對(duì)整體的控制器起到一個(gè)保護(hù)作用。

利用多媒體技術(shù)分享教學(xué)共享資源時(shí)，嵌入式處理器應(yīng)連接多個(gè)外放設(shè)備或是顯示設(shè)備。為了平衡硬件設(shè)施的負(fù)載平衡，設(shè)計(jì)一個(gè)矩形的USB 接口及SD 卡接口板，接口板集成高速USB OTG 接口、主機(jī)接口以及高速SD 卡接口，將各個(gè)接口安置在接口板不同的方向，在接口板剩余的邊處，放置一個(gè)支持8 位模式的MMC 控制器。網(wǎng)絡(luò)模塊選用10/100M 自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)芯片，利用其自身集成的以太網(wǎng)MAC 控制器，集成網(wǎng)絡(luò)中含有的各項(xiàng)教學(xué)資源儲(chǔ)存，將16 位數(shù)據(jù)總線連接網(wǎng)絡(luò)變壓器的RJ 45 接口。FPGA 模塊內(nèi)置一個(gè)EP3C10E144 芯片，利用其內(nèi)部的10K 的邏輯單元，實(shí)現(xiàn)模塊與控制器的數(shù)據(jù)傳輸[5]。設(shè)定FPGA 的配置方式為主動(dòng)配置方式，模塊內(nèi)部配置電路如圖2 所示。

圖2 FPGA 模塊的配置電路

在如圖2 所示的配置電路下，控制JTAG 接口，通過TCK、TDO、TMS 以及TDI 接口連接到核心芯片上，AS 接口串聯(lián)一個(gè)EPCS4 配置芯片。嵌入式處理器設(shè)計(jì)完畢后，設(shè)計(jì)接口電路。

1.2 接口電路設(shè)計(jì)

在嵌入式處理器的控制下，為了滿足接口電路的數(shù)據(jù)輸入輸出功能、顯示外圍接口，設(shè)計(jì)一個(gè)接口電路板，以前述設(shè)計(jì)得到的矩形USB 接口板為基礎(chǔ)[6]。根據(jù)處理器內(nèi)部硬件元件的功能性質(zhì)，以最近鄰返回路徑為設(shè)計(jì)要求，使用P/S2 接口兩端同步Clock 引腳，形成一個(gè)接口電路板，如圖3 所示。

圖3 接口電路

在圖3 所示的接口電路下，控制FPGA 內(nèi)部GPIO 接口為3.3 V 輸出，在P/S2 接口的時(shí)序與邏輯控制器之間放置一個(gè)NMOS，實(shí)現(xiàn)接口電路邏輯電平的轉(zhuǎn)換。為了滿足多媒體技術(shù)硬件接口的需求，在接口電路板Clock引腳處，放置3 個(gè)雙字共陰極8 段數(shù)碼管SN420362，控制所有數(shù)碼管并聯(lián)，將并聯(lián)后的線路直接連接在電源左上方的接口2 上，在線路等長(zhǎng)的規(guī)則下[7]，采用蛇形走線的形式，整合硬件接口連接線路。綜合上述處理，最終完成對(duì)共享系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)。

2 教學(xué)資源共享系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 劃定信息化教學(xué)資源屬性

根據(jù)不同用戶的需求，劃定信息化教學(xué)資源屬性，使用E?R 圖聯(lián)系教學(xué)資源的實(shí)體后，轉(zhuǎn)換為選定的DBMS 的記錄類型，構(gòu)建成為一個(gè)子模式[8]。將該子模式作為應(yīng)用程序與資源數(shù)據(jù)庫的接口，匯總接口處的數(shù)據(jù)并整合為一個(gè)數(shù)據(jù)集合A，構(gòu)建一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)，傳輸函數(shù)可表示為：

式中：s表示數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間；Q表示傳輸數(shù)據(jù)量；ω表示緩沖參數(shù)。根據(jù)上述傳輸過程，假定硬件結(jié)構(gòu)對(duì)每個(gè)傳入的數(shù)據(jù)敏感程度相同[9]，故設(shè)定一個(gè)屬性參數(shù)r，參數(shù)的數(shù)量關(guān)系可表示為：

式中：e11，e21分別表示不同時(shí)刻下的數(shù)據(jù)傳輸量；a11表示敏感度參數(shù)。在該屬性參數(shù)的控制下，設(shè)定一個(gè)共享信號(hào)延遲參數(shù)，進(jìn)而形成一個(gè)屬性模式，該教學(xué)資源的屬性模式可表示為：

式中：uk表示數(shù)據(jù)穩(wěn)定參數(shù)；vk表示數(shù)據(jù)傳輸速度；j表示延遲參數(shù)；κ表示硬件結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)的敏銳度；E表示信號(hào)傳輸時(shí)刻；P表示教學(xué)資源屬性參數(shù)。在不同信號(hào)傳輸時(shí)間的控制下，為了統(tǒng)一教學(xué)資源數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式，歸一化處理上述處理敏銳度參數(shù)以及延遲參數(shù)[10]，處理過程可表示為：

式中：f表示硬件元件的工作頻率；T表示工作周期。根據(jù)上述計(jì)算公式的變化，屬性參數(shù)歸一化頻率呈現(xiàn)如圖4 所示的變化。

圖4 屬性參數(shù)歸一化變化

在如圖4 所示的屬性參數(shù)歸一化變化下，控制不同時(shí)間點(diǎn)的最小振幅頻率作為屬性劃分點(diǎn)[11]，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)信息化教學(xué)資源的屬性劃分。

2.2 實(shí)現(xiàn)資源共享

結(jié)合上述劃定的教學(xué)資源屬性，將教學(xué)資源劃分為如圖5 所示的功能結(jié)構(gòu)。

圖5 劃分得到的教學(xué)資源功能結(jié)構(gòu)

在如圖5 所示的教學(xué)資源結(jié)構(gòu)下，針對(duì)備課模塊、授課模塊以及互動(dòng)復(fù)習(xí)模塊構(gòu)建不同功能的數(shù)據(jù)庫。對(duì)于備課模塊[12]，教師需要在實(shí)際的教學(xué)計(jì)劃中，瀏覽下載與教學(xué)內(nèi)容相符合的教學(xué)資料，利用教學(xué)資料植入代碼：

實(shí)現(xiàn)教師備課資料的植入。對(duì)于授課模塊來講，教師利用多媒體技術(shù)從設(shè)定的組播地址下接收教學(xué)資源服務(wù)器中的共享數(shù)據(jù)，不同的共享文件中配置著不同的組播地址，根據(jù)地址數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)組成并創(chuàng)建一個(gè)udp socket組，不斷拼接不同的udp socket 組，組合形成授課數(shù)據(jù)庫[13]。為了防止授課數(shù)據(jù)庫拼接不完整，從而產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟包的現(xiàn)象，在授課數(shù)據(jù)庫中設(shè)計(jì)一個(gè)服務(wù)器補(bǔ)包程序，程序補(bǔ)包的流程如圖6 所示。

圖6 補(bǔ)包處理流程

在圖6 所示的補(bǔ)包處理流程下，完成對(duì)授課數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)。針對(duì)互動(dòng)復(fù)習(xí)模塊來講，該模塊是教師與學(xué)生共同參與的模塊[14]，采用前述代碼設(shè)定學(xué)生訪問的權(quán)限。在構(gòu)建該部分的數(shù)據(jù)庫時(shí)，以作業(yè)問答、資源、作業(yè)、評(píng)論、課程安排、多媒體、角色以及提問設(shè)置為數(shù)據(jù)項(xiàng)目，根據(jù)不同的教學(xué)屬性，劃分不同教學(xué)資源屬性的功能，劃分過程可表示為：

式中：I表示教學(xué)資源功能參數(shù)；其余參數(shù)含義不變。根據(jù)劃分得到的功能參數(shù)，以及不同功能屬性設(shè)定為不同長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)類型[15]，整合所有的數(shù)據(jù)類型并成為互動(dòng)復(fù)習(xí)數(shù)據(jù)庫。綜合上述處理，最終完成對(duì)基于多媒體技術(shù)的信息化教學(xué)資源共享系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 搭建測(cè)試環(huán)境

準(zhǔn)備30 臺(tái)iPad 作為資源共享用戶訪問裝置，在局域網(wǎng)的控制下連接3 臺(tái)工作PC，選用3 臺(tái)筆記本電腦作為資源共享系統(tǒng)的測(cè)試機(jī)。上述各項(xiàng)測(cè)試裝置的參數(shù)如表1 所示。

表1 測(cè)試裝置參數(shù)

在表1 所示的參數(shù)控制下，將2 臺(tái)工作筆記本連接到局域網(wǎng)中，測(cè)試筆記本檢測(cè)工作筆記本的運(yùn)行狀態(tài)，搭建如圖7 所示的測(cè)試環(huán)境。

在圖7 所示系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境下，連接資源共享系統(tǒng)硬件，調(diào)試軟件并安裝MySQL。調(diào)試成功后，分別使用文獻(xiàn)[1]中的資源共享系統(tǒng)、傳統(tǒng)資源共享系統(tǒng)以及文中設(shè)計(jì)的資源共享系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比三項(xiàng)共享系統(tǒng)的性能。

圖7 搭建的系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境

3.2 測(cè)試結(jié)果及分析

基于上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，以30 臺(tái)iPad 上的測(cè)試用戶作為資源共享系統(tǒng)的負(fù)載用戶，以每5 位用戶為一個(gè)測(cè)試組，測(cè)量在不同數(shù)量的用戶負(fù)載下，三種資源共享系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間結(jié)果，如圖8 所示。

圖8 三種共享系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間

由圖8 所示的響應(yīng)時(shí)間結(jié)果可知，在不斷增加資源共享系統(tǒng)的訪問用戶數(shù)量時(shí)，三種共享系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間均逐漸增長(zhǎng)。當(dāng)在線用戶數(shù)量為30 時(shí)，根據(jù)圖8 所示的結(jié)果，文獻(xiàn)[1]中的共享系統(tǒng)表現(xiàn)出的響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)，最終的響應(yīng)時(shí)間在5.5 s 左右；傳統(tǒng)共享系統(tǒng)表現(xiàn)出的響應(yīng)時(shí)間較短，在相同的在線人數(shù)控制下，最終的響應(yīng)時(shí)間在3.3 s 左右；而文中設(shè)計(jì)的共享系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間最小，響應(yīng)時(shí)間數(shù)值在1.9 s 左右。與前述兩種共享系統(tǒng)相比，文中設(shè)計(jì)共享系統(tǒng)最終的響應(yīng)時(shí)間最短。

保持上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境不變，選用測(cè)試使用的30 臺(tái)iPad 中的10 臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，控制iPad 接收50 項(xiàng)共享資源數(shù)據(jù)，當(dāng)iPad 中的視覺畫面正常時(shí)，測(cè)試其丟包的數(shù)量，計(jì)算并匯總丟包率結(jié)果。三種共享系統(tǒng)丟包率結(jié)果如表2 所示。

控制三種教學(xué)資源共享系統(tǒng)共享相同的教學(xué)資源，統(tǒng)計(jì)并計(jì)算丟包率。由表2 中的數(shù)值可知，文獻(xiàn)[1]中使用的教學(xué)資源共享系統(tǒng)丟包率數(shù)值最高，每臺(tái)iPad 產(chǎn)生的丟包率數(shù)值在0.76%左右；傳統(tǒng)共享系統(tǒng)產(chǎn)生的丟包數(shù)量較少，平均的丟包率在0.47%左右；本文設(shè)計(jì)的共享系統(tǒng)產(chǎn)生的丟包率在0.20%左右。與前述兩種資源共享系統(tǒng)相比，文中設(shè)計(jì)的資源共享系統(tǒng)丟包率數(shù)值最小，在實(shí)際教學(xué)資源共享過程中，接收到的教學(xué)資源更加完整。

表2 三種共享系統(tǒng)丟包率結(jié)果 %

4 結(jié) 語

隨著智慧校園與信息技術(shù)不斷融合，在教學(xué)資源的分享方式上出現(xiàn)了共享系統(tǒng)的模式。在多媒體技術(shù)的支持下，本文設(shè)計(jì)一種信息化教學(xué)資源共享系統(tǒng)，能夠改善現(xiàn)有教學(xué)資源共享系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間短、丟包率數(shù)值過大的不足。但該資源共享系統(tǒng)對(duì)硬件配置的要求較高，在實(shí)用性上還存在一定的不足，還需不斷地研究改進(jìn)。