面向高校工科專業(yè)的在線教學(xué)云平臺(tái)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

唐葉劍 謝鵬 陳文強(qiáng) 夏榮坤

【摘? ?要】? ?新冠疫情期間，高等院?；径荚诶酶鞣N在線平臺(tái)和資源開展線上授課，但工科專業(yè)授課效果卻不太理想。針對(duì)工科教育設(shè)計(jì)的平臺(tái)采用“可知、可視、可估、可塑、可智、可拓”的設(shè)計(jì)理念，通過數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)在線教學(xué)與實(shí)驗(yàn)同步，線上線下有機(jī)融合，師生可遠(yuǎn)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和互動(dòng)，有效提升了工科專業(yè)的在線教學(xué)效果，并對(duì)皖江學(xué)院的轉(zhuǎn)設(shè)工作提供了有力支撐。

【關(guān)鍵詞】? ?數(shù)字孿生重構(gòu);云實(shí)驗(yàn)平臺(tái);工科專業(yè)在線教學(xué)

Design and Application of Online Teaching Cloud Platform Architecture

for Engineering Majors in Colleges and Universities

Tang Yejian1， Xie Peng1*， Chen Wenqiang2， Xia Rongkun2

（1. Wanjiang College of Anhui Normal University， Wuhu 241000， China;

2. Anhui Kangair Electric Co. Ltd， Wuhu 241000， China）

【Abstract】? ? During the period of COVID-19， most colleges basically used online platforms and resource development to teach online.but the teaching effect was much less for engineering majors. For this purpose，this platform designed by “Perceptible， visualize， Assessable， Traceability， intelligence， Expandable”，through digital twins， online and Local experiment， Online and offline organic integration， Teachers and students can experiment and interact remotely， effectively improves the quality of engineering specialty， and provide strong support for the transformation of Wanjiang College.

【Key words】? ? ?digital twin reconstructs; cloud platform;online teaching platform for engineering majors

〔中圖分類號(hào)〕? G642.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號(hào)〕 1674 - 3229（2022）01- 0126 - 03

0? ? ?引言

高校在線教學(xué)云平臺(tái)已是大勢(shì)所趨，COVID-19大流行，在線教育快速走進(jìn)公眾視野。在線教育在國外已發(fā)展多年，2015年斯隆聯(lián)盟連續(xù)11年發(fā)布的美國在線教育調(diào)查報(bào)告顯示，在線教育質(zhì)量逐漸被院校主管認(rèn)同，多數(shù)院校將在線教育作為長期發(fā)展戰(zhàn)略，高等教育借助在線教育發(fā)展已成不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)[1]。

國內(nèi)在線教學(xué)平臺(tái)通常采用的方式為攝像頭和多媒體教學(xué)設(shè)備進(jìn)行直播教學(xué)，但學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識(shí)較弱，對(duì)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源利用率較低，同時(shí)也缺乏一定的評(píng)價(jià)與反饋體系，線上教育無法達(dá)到線下教育的標(biāo)準(zhǔn)[2]。

工科專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程、編程訓(xùn)練在線上幾乎無法開展，純粹的視頻教學(xué)無法滿足工科專業(yè)的教學(xué)要求。為解決上述難題，本文通過數(shù)字孿生重構(gòu)在線教育，線上即線下，線下即線上，通過線上提升線下的不足，而非替代或減弱線下教育的效果，對(duì)工科專業(yè)教學(xué)提供有力的支撐。

1? ? ?數(shù)字孿生視角下的在線教育

基于內(nèi)容的文獻(xiàn)綜述方法，收集與在線學(xué)生群體有關(guān)的材料和對(duì)學(xué)生樣本在線教育學(xué)習(xí)情況的差異化模型推演，形成圖1模型[3]。

該模型中標(biāo)紅內(nèi)容為美國大學(xué)生與中國大學(xué)生的差異。其中“教學(xué)方式”差異最為明顯，美國課堂比中國課堂效率更高。因?yàn)槊绹n堂有充足的課前閱讀，且講座一般持續(xù)1-3小時(shí)，而中國課堂全部為講述內(nèi)容，之后布置課后作業(yè)，在線教學(xué)現(xiàn)象更為明顯，其中工科教學(xué)效果最差[4]。因此，針對(duì)工科教學(xué)，開發(fā)有針對(duì)性的在線教學(xué)云平臺(tái)意義重大。

2? ? ?面向高校工科專業(yè)的在線教學(xué)云平臺(tái)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

該平臺(tái)是一個(gè)集物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動(dòng)控制、智能運(yùn)維管理、數(shù)字孿生、在線教學(xué)與實(shí)驗(yàn)同步等關(guān)鍵技術(shù)于一體的云服務(wù)平臺(tái)。平臺(tái)設(shè)計(jì)采用“可知、可視、可估、可塑、可智、可拓”的設(shè)計(jì)理念（圖2），平臺(tái)支持工科實(shí)驗(yàn)設(shè)備云接入、數(shù)字孿生云實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)接入、智能在線教學(xué)與互動(dòng)、在線評(píng)估、遠(yuǎn)程運(yùn)維、無縫拓展，可隨時(shí)更新及添加新的設(shè)備和課程，無需增加繁雜的技術(shù)開發(fā)及培訓(xùn)，真正做到運(yùn)行穩(wěn)定、高度智能、免運(yùn)維的在線教學(xué)平臺(tái)[5]。

平臺(tái)設(shè)計(jì)采用“模型驅(qū)動(dòng)信息融合”的設(shè)計(jì)思路，并結(jié)合了最主流的信息化技術(shù)手段從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外的“一平臺(tái)承載、一平臺(tái)實(shí)驗(yàn)、一體化教學(xué)、一體化評(píng)估、智能化運(yùn)維”。模型驅(qū)動(dòng)信息融合：對(duì)于視頻接入設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備通訊規(guī)約多，數(shù)據(jù)解析復(fù)雜的難題提出一種數(shù)據(jù)詞典機(jī)制的信息融合方案，實(shí)現(xiàn)設(shè)備“生”數(shù)據(jù)到“熟”數(shù)據(jù)的自適應(yīng)適配，師生可以靈活地對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作及信息瀏覽，同時(shí)可以互動(dòng)與交流討論。相關(guān)數(shù)據(jù)后臺(tái)協(xié)同運(yùn)行、有效存儲(chǔ)及展示，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)及智能化運(yùn)維，規(guī)避在線教學(xué)平臺(tái)出現(xiàn)異常無法及時(shí)解決的難題。DFE53511-96B4-4767-8BF3-0D275D15C0EA

云平臺(tái)體系架構(gòu)如圖3所示，其中線上線下融合層、采集與傳輸層、SCADA層均有相關(guān)師生參與開發(fā)，便于后續(xù)教學(xué)的便利及實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)的積累，實(shí)現(xiàn)線上教學(xué)和線下教學(xué)融合，同時(shí)提供給學(xué)生動(dòng)手解決實(shí)際問題的機(jī)會(huì)，達(dá)到“看懂、聽懂、會(huì)用、會(huì)改”，使該云平臺(tái)不僅給師生提供了教學(xué)的平臺(tái)，更提供了實(shí)踐的平臺(tái)[6]。

3? ? ?關(guān)鍵技術(shù)

3.1? ?數(shù)字孿生云實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)只能看到輸出結(jié)果，無法觀察系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的變化情況;目前基于RT-lab的在線實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)非常流行，可以將仿真結(jié)果直接驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行，但對(duì)于與嵌入式編程無實(shí)際意義，結(jié)果再好，不能有效地指導(dǎo)硬件編程;數(shù)字孿生云實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（圖4）將硬件實(shí)時(shí)運(yùn)行的內(nèi)部參數(shù)同步至云平臺(tái)，接受云平臺(tái)控制指令，虛擬仿真可與實(shí)際運(yùn)行變量做對(duì)比，真正做到控制系統(tǒng)的數(shù)字孿生，實(shí)現(xiàn)線上線下的完美融合，師生可以不到實(shí)驗(yàn)室，遠(yuǎn)程即可完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果可實(shí)時(shí)反饋，學(xué)生也可遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，完成自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)想。

3.2? ?云平臺(tái)設(shè)計(jì)

整體業(yè)務(wù)流程（圖5）以設(shè)備數(shù)據(jù)為目標(biāo)，數(shù)據(jù)經(jīng)過GPRS、NB-IOT等多種協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的傳輸后，進(jìn)入移動(dòng)OneNET平臺(tái)緩存隊(duì)列，并推送至AMS-Data-Service服務(wù)，推送的連接請(qǐng)求進(jìn)入NettyConnectPool中接受統(tǒng)一管理，當(dāng)一個(gè)連接進(jìn)入ACK狀態(tài)即表示連接成功，此時(shí)提交任務(wù)至消息隊(duì)列中，提交完畢后該連接進(jìn)入FIN狀態(tài)，連接池注銷該連接。數(shù)據(jù)連接池設(shè)計(jì)流程見圖6。消息隊(duì)列采用先進(jìn)先處理的機(jī)制處理提交的任務(wù)，為保證任務(wù)的及時(shí)處理，消費(fèi)者采用多節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)并支持線性擴(kuò)展。提交的任務(wù)攜帶數(shù)據(jù)包（多種協(xié)議）并進(jìn)入?yún)f(xié)議適配過程，任務(wù)根據(jù)數(shù)據(jù)詞典的屬性將數(shù)據(jù)包中的“生”數(shù)據(jù)解析至“熟”數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)進(jìn)入對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)倉庫中供其他服務(wù)調(diào)用。

物聯(lián)服務(wù)采用被動(dòng)監(jiān)聽的方式，接收前置服務(wù)推送而來的數(shù)據(jù)，通過協(xié)議適配的服務(wù)來將底層字節(jié)報(bào)文轉(zhuǎn)成實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)。但同時(shí)面對(duì)大量的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，采用隊(duì)列讀取的機(jī)制進(jìn)行緩存，并采用可擴(kuò)展的方式進(jìn)行同步消費(fèi)（消息隊(duì)列術(shù)語）。從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速響應(yīng)需求。

視頻業(yè)務(wù)采取多個(gè)賬戶管理模式（圖7），教師、學(xué)生、教工等均可查看視頻信息，隨時(shí)旁聽。

4? ? ?結(jié)語

面向高校工科專業(yè)的在線教學(xué)云平臺(tái)，借助視頻教師可遠(yuǎn)程錄制教學(xué)內(nèi)容，借助物聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生云實(shí)驗(yàn)平臺(tái)接入、線下課堂及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，師生可遠(yuǎn)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和互動(dòng)，線下資源被重新整合，加快教育資源的線上快速整合，有效提升了工科專業(yè)的在線教學(xué)效果，為皖江學(xué)院的轉(zhuǎn)設(shè)工作提供了有力支撐。

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