微服務(wù)架構(gòu)的在線課程學(xué)習(xí)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

薛云蘭　黃嘉浩　 邵桐杰

摘? 要： 隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)字化教育的發(fā)展，在線課程學(xué)習(xí)與線下課堂逐步融合互補(bǔ)。針對(duì)線下課堂時(shí)間和空間的限制，以及無(wú)法定制個(gè)性化學(xué)習(xí)的缺陷，設(shè)計(jì)一套SpringCloud微服務(wù)架構(gòu)在線課程學(xué)習(xí)系統(tǒng)。系統(tǒng)包含賬號(hào)登錄、視頻觀看、課程學(xué)習(xí)、評(píng)論收藏、個(gè)性化分析、學(xué)習(xí)路線推薦等功能。該在線課程學(xué)習(xí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了資源共享，其靈活性、便捷性突破了時(shí)空的制約，同時(shí)其個(gè)性化分析可以對(duì)學(xué)員的學(xué)習(xí)情況和興趣進(jìn)行分析并針對(duì)性的進(jìn)行推薦。

關(guān)鍵詞： 在線學(xué)習(xí); SpringCloud; 數(shù)字化教育; 微服務(wù)架構(gòu)

中圖分類號(hào)：TP319? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2022）05-130-04

Research and design of online course learning system with microservice architecture

Xue Yunlan Huang Jiahao ?Shao Tongjie

Abstract： With the development of Internet technology and digital education， online course learning and offline classrooms gradually merge and complement each other. Aiming at the time and space limitations and the inability to customize personalized learning of offline classroom， a set of online course learning system based on SpringCloud microservice architecture was designed. The system includes operations such as account login， video viewing， course learning， comment collection， personalized analysis， and learning route recommendation. This system realizes resource sharing， and its flexibility and convenience break through the constraints of time and space， while its personalized analysis can analyze the learning situation and interests of students and make targeted recommendations.

Key words： online learning; Spring Cloud; digital education; microservice architecture

引言

我國(guó)《教育信息化“十四五”規(guī)劃》、《教育信息化中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》、《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》[1]中提出，將教育事業(yè)與智能科技技術(shù)互相融合。

要實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+教育”、“智能+教育”、“數(shù)字化教育”，在線課程是基礎(chǔ)。本文采用SpringCloud微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)思想，結(jié)合SpringBoot后端框架和前端Vue.js框架，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)在線課程學(xué)習(xí)系統(tǒng)。根據(jù)學(xué)校的教學(xué)需求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能模塊：課程管理、學(xué)情分析、課程學(xué)習(xí)、后臺(tái)管理等。

1 系統(tǒng)需求分析

1.1 系統(tǒng)用戶分析

在線課程學(xué)習(xí)系統(tǒng)主要面向?qū)W校的教師用于線上線下混合式教學(xué)和機(jī)構(gòu)的課外培訓(xùn)課程購(gòu)買學(xué)習(xí)，主要用戶有學(xué)生、教師、系統(tǒng)管理員，在對(duì)這三種用戶角色的職責(zé)需求調(diào)研分析后，歸納出用戶的功能需求、不同的功能權(quán)限、不同角色的平臺(tái)展示頁(yè)面需求。

⑴ 學(xué)生用戶

學(xué)生用戶是在線課程學(xué)習(xí)網(wǎng)站的主要使用者，可以對(duì)在線課程視頻進(jìn)行瀏覽查看、查詢、觀看、收藏與下載;在個(gè)人中心信息模塊中可以編輯修改個(gè)人基本資料，包括頭像、昵稱等;在課程學(xué)習(xí)頁(yè)面可以對(duì)課程進(jìn)行評(píng)論發(fā)布功能。

⑵ 教師用戶

教師需要在本系統(tǒng)中發(fā)布課程并上傳課程視頻資源，對(duì)課程進(jìn)行管理;能夠查看學(xué)生學(xué)習(xí)情況;對(duì)學(xué)生進(jìn)行管理等功能。

⑶ 系統(tǒng)管理員

系統(tǒng)管理員主要管理課程云視頻資源的監(jiān)管與審核、教師信息、用戶權(quán)限與系統(tǒng)菜單管理。

1.2 系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)流程分析

本小節(jié)重點(diǎn)分析在本課程學(xué)習(xí)系統(tǒng)中學(xué)生學(xué)習(xí)課程、教師管理課程、系統(tǒng)管理員維護(hù)本系統(tǒng)與管理云課程資源的流程，流程圖如圖1所示。

核心業(yè)務(wù)流程描述如下。

學(xué)生登錄或注冊(cè)后登錄本系統(tǒng)，進(jìn)行個(gè)人信息修改，進(jìn)入課程系統(tǒng)首頁(yè)，一是選擇首頁(yè)熱門課程進(jìn)行學(xué)習(xí)或選擇熱門教師學(xué)習(xí)旗下開放的課程;二是選擇課程分類頁(yè)面，進(jìn)行個(gè)人興趣課程的篩選進(jìn)而學(xué)習(xí);三是選擇課程教師的頁(yè)面，選擇青睞的教師名下課程。學(xué)生在本系統(tǒng)中學(xué)習(xí)課程的情況數(shù)據(jù)返回到后臺(tái)管理系統(tǒng)中，以備統(tǒng)計(jì)分析。

教師登錄課程學(xué)習(xí)后臺(tái)管理系統(tǒng)進(jìn)行課程管理，可以創(chuàng)建課程、上傳課程視頻資源、查看和分析學(xué)生學(xué)習(xí)課程情況等。該系統(tǒng)用于教學(xué)管理，可以對(duì)教學(xué)做出調(diào)整。

系統(tǒng)管理員根據(jù)教師反映的情況對(duì)熱門課程進(jìn)行封面宣傳，通過(guò)輪播圖形式，增加學(xué)生對(duì)該門課程的吸引力。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了應(yīng)對(duì)現(xiàn)如今大流量、大數(shù)據(jù)的互聯(lián)網(wǎng)日漸訪問(wèn)增量中，采用SpringCloud微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)思想，通過(guò)Vue.js作為前端框架和SpringBoot作為后端框架進(jìn)行結(jié)合設(shè)計(jì)開發(fā)[2]。

2.1 系統(tǒng)前端設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的前端設(shè)計(jì)部分為了服務(wù)用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)交互與數(shù)據(jù)展示所設(shè)計(jì)。主要分為兩部分（即Web客戶端與后臺(tái)管理服務(wù)端），一是為學(xué)生用戶（或非系統(tǒng)管理員用戶）用于課程學(xué)習(xí)的前臺(tái)網(wǎng)站;另外則是為了系統(tǒng)管理員與教師用戶服務(wù)的后臺(tái)管理系統(tǒng)。

前端設(shè)計(jì)部分分為視圖層與Node.js服務(wù)層。

前臺(tái)Web客戶端需要呈現(xiàn)給用戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐晥D表示并進(jìn)行交互，即要求頁(yè)面美觀、大方、簡(jiǎn)潔的觀感。在視圖層中采用HTML5、CSS3、JavaScript等設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)頁(yè)面的技術(shù)，通過(guò)Ajax能夠?qū)崿F(xiàn)跟后端服務(wù)端接口API的異步請(qǐng)求功能進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并實(shí)現(xiàn)異步更新數(shù)據(jù)[3]。因?yàn)樯婕暗綄W(xué)生學(xué)習(xí)課程情況可視化分析需求，故采用了基于JavaScript實(shí)現(xiàn)的開源可視化圖表庫(kù)ECharts[4]，用于學(xué)生學(xué)情分析可視化圖表繪制。

在服務(wù)層中，考慮到應(yīng)對(duì)網(wǎng)站流量爆發(fā)、減輕服務(wù)器壓力與渲染緩存壓力，采用了一款基于Vue.js的Nuxt.js服務(wù)端渲染前端框架對(duì)前臺(tái)Web客戶端進(jìn)行開發(fā)[5]。此框架具有模塊化結(jié)構(gòu)模式，默認(rèn)優(yōu)化應(yīng)用程序，服務(wù)端渲染即將基于Vue的組件在服務(wù)端渲染成HTML并傳輸?shù)絎eb客戶端，能夠得到更高的性能釋放和開發(fā)友好的效果，對(duì)于內(nèi)容性網(wǎng)站來(lái)說(shuō)，更加容易被搜索引擎抓取內(nèi)容，提升SEO排名。

2.2 系統(tǒng)后端設(shè)計(jì)

后端設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)層次分為網(wǎng)關(guān)層、業(yè)務(wù)服務(wù)層、基礎(chǔ)服務(wù)層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層。

網(wǎng)關(guān)層主要由SpringCloud中的Gateway網(wǎng)關(guān)服務(wù)、基于OAuth2.0令牌授權(quán)機(jī)制的第三方登錄方法、基于Token認(rèn)證的JWT（JsonWebToken）用戶認(rèn)證方法三種技術(shù)結(jié)合而成，為用戶的登錄驗(yàn)證、外部請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)后端服務(wù)、權(quán)限校驗(yàn)、監(jiān)控限流等功能提供技術(shù)支持。

業(yè)務(wù)服務(wù)層主要是針對(duì)在線課程學(xué)習(xí)系統(tǒng)的各種業(yè)務(wù)邏輯處理，即對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行編寫業(yè)務(wù)代碼。通過(guò)采用SpringBoot開發(fā)框架結(jié)合SpringCloud微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)的思想，將單體應(yīng)用服務(wù)改進(jìn)為各個(gè)主要功能模塊單獨(dú)成立服務(wù)模塊，例如：課程中心服務(wù)，內(nèi)含教師管理、課程管理兩大核心業(yè)務(wù);推薦服務(wù)，對(duì)熱門課程和熱門講師進(jìn)行首頁(yè)封推;對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)，使用云服務(wù)資源對(duì)該系統(tǒng)用戶頭像、課程封面等圖片的存儲(chǔ)與下載提供支持;驗(yàn)證碼服務(wù)，使用SpringBoot開發(fā)框架內(nèi)置的郵箱發(fā)送的子模塊對(duì)注冊(cè)用戶發(fā)送自主設(shè)計(jì)隨機(jī)驗(yàn)證碼進(jìn)行用戶注冊(cè)驗(yàn)證或通過(guò)購(gòu)買云服務(wù)資源中的短信驗(yàn)證碼發(fā)送方案結(jié)合開發(fā)使用等各種主要業(yè)務(wù)服務(wù)模塊。

在該系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程的后端服務(wù)端對(duì)各種數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)的操作使用中，采用了基于MyBatis數(shù)據(jù)庫(kù)操作框架的一個(gè)增強(qiáng)型工具——MyBatis-Plus。對(duì)于任何使用MyBatis能夠?qū)?shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)表進(jìn)行增刪改查等一系列操作的數(shù)據(jù)庫(kù)都能夠支持，并且對(duì)于MyBatis原生操作框架做了增強(qiáng)操作，引入此工具對(duì)于項(xiàng)目的MyBatis框架來(lái)說(shuō)無(wú)任何侵入式損害，并且能自動(dòng)注入基本的增刪改查操作，直接面向?qū)ο蟛僮?，能有效提高開發(fā)的效率。

基礎(chǔ)服務(wù)層由采用SpringCloud微服務(wù)架構(gòu)所創(chuàng)建的Nacos注冊(cè)與配置中心、SpringCloud提供的偽HTTP客戶端OpenFeign組件、阿里巴巴團(tuán)隊(duì)開源的服務(wù)容錯(cuò)綜合性解決方案Sentinel（分布式系統(tǒng)流量防衛(wèi)兵）、用于表格數(shù)據(jù)處理的EasyExcel插件等組成。通過(guò)整合這些組件來(lái)為在線課程學(xué)習(xí)系統(tǒng)提供服務(wù)注冊(cè)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、服務(wù)配置、服務(wù)容錯(cuò)、服務(wù)調(diào)用等功能應(yīng)用，為該系統(tǒng)打下雄厚的架構(gòu)基礎(chǔ)，也為了日后能夠高效升級(jí)迭代內(nèi)容。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層，數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)與管理的工具，采用了MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合Redis緩存數(shù)據(jù)庫(kù)使用，通過(guò)Redis非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)緩存機(jī)制對(duì)MySQL結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與訪問(wèn)管理提供補(bǔ)充增強(qiáng)作用，提高了系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行速度和提升用戶在該系統(tǒng)中的學(xué)習(xí)服務(wù)體驗(yàn)。對(duì)于音視頻和圖片等文件的存儲(chǔ)使用云服務(wù)資源進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理。

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述的系統(tǒng)功能模塊的需求分析和用戶需求分析，構(gòu)建關(guān)于在線課程學(xué)習(xí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)以及相關(guān)數(shù)據(jù)表，例如課程學(xué)習(xí)服務(wù)就涉及到教師信息表、課程信息表、課程分類表、課程章節(jié)表、課程視頻信息表等;用戶個(gè)人中心服務(wù)主要有學(xué)生用戶信息表;首頁(yè)推薦服務(wù)主要有課程推薦類型表和課程推薦信息表。數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)思想為分庫(kù)分表，不用的服務(wù)采用不同的數(shù)據(jù)庫(kù)，如：以edu為前綴的是課程中心服務(wù)，以u(píng)center為前綴的是學(xué)生用戶服務(wù)，以cms為前綴的是首頁(yè)推薦服務(wù)，以statistics為前綴的是系統(tǒng)日常數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)服務(wù)。

3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)分為Web客戶端與后臺(tái)管理系統(tǒng)兩部分，系統(tǒng)的功能模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1 Web客戶端功能模塊

通過(guò)對(duì)學(xué)生用戶的功能需求分析，歸納整理出登錄注冊(cè)模塊、在線課程學(xué)習(xí)模塊、用戶中心模塊三大核心業(yè)務(wù)模塊。

⑴ 登錄注冊(cè)模塊

登錄注冊(cè)模塊是學(xué)生用戶在該學(xué)習(xí)系統(tǒng)中進(jìn)行在線觀看課程學(xué)習(xí)的第一步，登錄后自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至系統(tǒng)首頁(yè)。系統(tǒng)的首頁(yè)可以不用進(jìn)行登錄就進(jìn)行瀏覽，面向的是游客角色。若在系統(tǒng)首頁(yè)點(diǎn)擊其他服務(wù)模塊，如點(diǎn)擊熱門課程觀看，查看課程分類等操作，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至登錄注冊(cè)頁(yè)面，登錄后才能進(jìn)行其他相關(guān)操作。注冊(cè)頁(yè)面填寫相關(guān)用戶信息，如昵稱、手機(jī)號(hào)、郵箱、密碼、確認(rèn)密碼等信息，填寫完畢后點(diǎn)擊發(fā)送驗(yàn)證碼按鈕，在5分鐘內(nèi)填寫系統(tǒng)發(fā)送到填寫的郵箱中的隨機(jī)驗(yàn)證碼，后點(diǎn)擊注冊(cè)，完成系統(tǒng)驗(yàn)證并注冊(cè)成功。注冊(cè)成功后跳轉(zhuǎn)登錄頁(yè)面進(jìn)行登錄即可進(jìn)入系統(tǒng)的首頁(yè)。

⑵ 在線課程學(xué)習(xí)模塊

在線課程學(xué)習(xí)模塊分為課程詳情模塊、課程觀看模塊、課程收藏模塊、課程分類模塊。

學(xué)生用戶在登錄在線課程學(xué)習(xí)系統(tǒng)后，可以點(diǎn)擊上方導(dǎo)航欄中的課程模塊，在該模塊下存在著系統(tǒng)所收錄的全部課程學(xué)習(xí)資源。并按照課程學(xué)科已經(jīng)分門別類好了，學(xué)生可以通過(guò)點(diǎn)擊分類進(jìn)行篩選課程來(lái)學(xué)習(xí)。點(diǎn)擊課程封面中的立即學(xué)習(xí)按鈕后轉(zhuǎn)至課程詳情頁(yè)面，在課程詳情頁(yè)面可以清晰知道該門的主要教授內(nèi)容，頁(yè)面右側(cè)欄下顯示該門課程的授課教師和個(gè)人簡(jiǎn)介。點(diǎn)擊授課教師頭像自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至授課教師個(gè)人詳情介紹頁(yè)面，頁(yè)面下方還展示其下授課的課程，學(xué)生可點(diǎn)擊進(jìn)行學(xué)習(xí)。課程詳情頁(yè)面中的下方展示課程的大綱與小節(jié)，點(diǎn)擊小節(jié)即可跳轉(zhuǎn)至課程視頻觀看頁(yè)面進(jìn)行課程學(xué)習(xí)。

⑶ 個(gè)人中心模塊

個(gè)人中心模塊分為：我的基本資料、我的學(xué)習(xí)、消息中心三個(gè)模塊。其中我的基本資料為學(xué)生用戶登錄注冊(cè)后，可以修改和完善個(gè)人信息;我的學(xué)習(xí)中，可以查看已收藏的課程列表;消息中心顯示系統(tǒng)的公告信息。

3.2 后臺(tái)管理系統(tǒng)功能模塊

后臺(tái)管理系統(tǒng)更多的是面向管理者用戶使用和作用于Web客戶端交互，主要有教師管理模塊、課程管理模塊、封面推送管理模塊、菜單管理、權(quán)限管理、課程學(xué)情分析可視化模塊等。

后臺(tái)管理模塊著重在于教師管理模塊與課程管理模塊，前者系統(tǒng)管理員用于對(duì)授課教師個(gè)人信息的增刪改查操作，后者則是教師用戶在此模塊中進(jìn)行創(chuàng)建課程、為課程添加分類、編寫課程大綱與小節(jié)、上傳課程視頻資源、發(fā)布課程的操作。后臺(tái)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖如圖3所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

微服務(wù)架構(gòu)的在線課程學(xué)習(xí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了課程資源管理，在線學(xué)習(xí)，個(gè)性化評(píng)價(jià)并推薦，由傳統(tǒng)的線下課堂教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心的開放式“互聯(lián)網(wǎng)+”課堂，對(duì)于高校和社會(huì)的人才質(zhì)量培養(yǎng)路徑中，起到強(qiáng)化補(bǔ)充作用，有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力和教師授課的效率。接下來(lái)的研究，本系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)，增添課程論壇、課程問(wèn)答等學(xué)習(xí)模塊，讓學(xué)生與教師之間的溝通交流更加高效、更加人性化。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 祝智庭，許秋璇，吳永和.教育信息化新基建標(biāo)準(zhǔn)需求與行動(dòng)

建議[J].中國(guó)遠(yuǎn)程教育，2021（10）：1-11，76

[2] 薛云蘭，鄭海鋒，黃嘉浩.基于Spring Boot框架的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)

管理系統(tǒng)[J].軟件導(dǎo)刊，2020，19（9）：146-151

[3] 綦慧，徐曉慧.基于Web系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)搜索技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和

優(yōu)化[J].計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化，2021，40（1）：155-163

[4] 鄭嘉怡，陳濤，齊世玲，等.基于Echarts的智能車間數(shù)據(jù)可視

化系統(tǒng)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2021，17（25）：68-69

[5] 徐小輝，劉江濤，高涵，等.基于SpringBoot+Vue框架的采氣方

案系統(tǒng)開發(fā)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2021，38（6）：248-250，382

收稿日期：2021-10-20

*基金項(xiàng)目：2020年廣東省教育廳重點(diǎn)平臺(tái)及科研項(xiàng)目（特色創(chuàng)新類項(xiàng)目）“知識(shí)圖譜和深度學(xué)習(xí)混合驅(qū)動(dòng)的推薦學(xué)習(xí)算法及在終身教育中的應(yīng)用”（2020KTSCX401）; 2021年廣東省“攀登計(jì)劃”一般項(xiàng)目“基于大數(shù)據(jù)分析的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)管理個(gè)性化推薦系統(tǒng)”（pdjh2021b0766）; 2020年廣東開放大學(xué)（廣東理工職業(yè)學(xué)院）校級(jí)科研項(xiàng)目“基于時(shí)序事件和語(yǔ)義背景的深度學(xué)習(xí)模型在事件抽取和預(yù)測(cè)任務(wù)中的研究”（ZD2001）

作者簡(jiǎn)介：薛云蘭（1981-），女，安徽合肥人，工學(xué)博士，講師，主要研究方向：大數(shù)據(jù)分析、個(gè)性化推薦、自然語(yǔ)言處理等。