面向高校工科专业的在线教学云平台体系架构设计与应用

唐叶剑 谢鹏 陈文强 夏荣坤

【摘   要】   新冠疫情期间，高等院校基本都在利用各种在线平台和资源开展线上授课，但工科专业授课效果却不太理想。针对工科教育设计的平台采用“可知、可视、可估、可塑、可智、可拓”的设计理念，通过数字孪生实验平台实现在线教学与实验同步，线上线下有机融合，师生可远程进行实验和互动，有效提升了工科专业的在线教学效果，并对皖江学院的转设工作提供了有力支撑。

【关键词】   数字孪生重构;云实验平台;工科专业在线教学

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

〔中图分类号〕  G642.0                   〔文献标识码〕  A              〔文章编号〕 1674 - 3229（2022）01- 0126 - 03

0     引言

高校在线教学云平台已是大势所趋，COVID-19大流行，在线教育快速走进公众视野。在线教育在国外已发展多年，2015年斯隆联盟连续11年发布的美国在线教育调查报告显示，在线教育质量逐渐被院校主管认同，多数院校将在线教育作为长期发展战略，高等教育借助在线教育发展已成不可逆转的趋势[1]。

国内在线教学平台通常采用的方式为摄像头和多媒体教学设备进行直播教学，但学生的自主学习意识较弱，对网络学习资源利用率较低，同时也缺乏一定的评价与反馈体系，线上教育无法达到线下教育的标准[2]。

工科专业的实验课程、编程训练在线上几乎无法开展，纯粹的视频教学无法满足工科专业的教学要求。为解决上述难题，本文通过数字孪生重构在线教育，线上即线下，线下即线上，通过线上提升线下的不足，而非替代或减弱线下教育的效果，对工科专业教学提供有力的支撑。

1     数字孪生视角下的在线教育

基于内容的文献综述方法，收集与在线学生群体有关的材料和对学生样本在线教育学习情况的差异化模型推演，形成图1模型[3]。

该模型中标红内容为美国大学生与中国大学生的差异。其中“教学方式”差异最为明显，美国课堂比中国课堂效率更高。因为美国课堂有充足的课前阅读，且讲座一般持续1-3小时，而中国课堂全部为讲述内容，之后布置课后作业，在線教学现象更为明显，其中工科教学效果最差[4]。因此，针对工科教学，开发有针对性的在线教学云平台意义重大。

2     面向高校工科专业的在线教学云平台体系架构设计

该平台是一个集物联网技术、自动控制、智能运维管理、数字孪生、在线教学与实验同步等关键技术于一体的云服务平台。平台设计采用“可知、可视、可估、可塑、可智、可拓”的设计理念（图2），平台支持工科实验设备云接入、数字孪生云实验系统接入、智能在线教学与互动、在线评估、远程运维、无缝拓展，可随时更新及添加新的设备和课程，无需增加繁杂的技术开发及培训，真正做到运行稳定、高度智能、免运维的在线教学平台[5]。

平台设计采用“模型驱动信息融合”的设计思路，并结合了最主流的信息化技术手段从而实现对外的“一平台承载、一平台实验、一体化教学、一体化评估、智能化运维”。模型驱动信息融合：对于视频接入设备、实验室设备通讯规约多，数据解析复杂的难题提出一种数据词典机制的信息融合方案，实现设备“生”数据到“熟”数据的自适应适配，师生可以灵活地对实验设备进行远程操作及信息浏览，同时可以互动与交流讨论。相关数据后台协同运行、有效存储及展示，可实现远程维护及智能化运维，规避在线教学平台出现异常无法及时解决的难题。DFE53511-96B4-4767-8BF3-0D275D15C0EA

云平台体系架构如图3所示，其中线上线下融合层、采集与传输层、SCADA层均有相关师生参与开发，便于后续教学的便利及实战经验的积累，实现线上教学和线下教学融合，同时提供给学生动手解决实际问题的机会，达到“看懂、听懂、会用、会改”，使该云平台不仅给师生提供了教学的平台，更提供了实践的平台[6]。

3     关键技术

3.1   数字孪生云实验平台

传统实验平台只能看到输出结果，无法观察系统内部参数的變化情况;目前基于RT-lab的在线实时仿真系统非常流行，可以将仿真结果直接驱动实验设备运行，但对于与嵌入式编程无实际意义，结果再好，不能有效地指导硬件编程;数字孪生云实验系统（图4）将硬件实时运行的内部参数同步至云平台，接受云平台控制指令，虚拟仿真可与实际运行变量做对比，真正做到控制系统的数字孪生，实现线上线下的完美融合，师生可以不到实验室，远程即可完成相关实验教学，且实验结果可实时反馈，学生也可远程操作实验设备，完成自己的实验设想。

3.2   云平台设计

整体业务流程（图5）以设备数据为目标，数据经过GPRS、NB-IOT等多种协议网络的传输后，进入移动OneNET平台缓存队列，并推送至AMS-Data-Service服务，推送的连接请求进入NettyConnectPool中接受统一管理，当一个连接进入ACK状态即表示连接成功，此时提交任务至消息队列中，提交完毕后该连接进入FIN状态，连接池注销该连接。数据连接池设计流程见图6。消息队列采用先进先处理的机制处理提交的任务，为保证任务的及时处理，消费者采用多节点设计并支持线性扩展。提交的任务携带数据包（多种协议）并进入协议适配过程，任务根据数据词典的属性将数据包中的“生”数据解析至“熟”数据。数据分为实时数据及历史数据进入对应的数据仓库中供其他服务调用。

物联服务采用被动监听的方式，接收前置服务推送而来的数据，通过协议适配的服务来将底层字节报文转成实际生产数据。但同时面对大量的数据请求，采用队列读取的机制进行缓存，并采用可扩展的方式进行同步消费（消息队列术语）。从而实现数据快速响应需求。

视频业务采取多个账户管理模式（图7），教师、学生、教工等均可查看视频信息，随时旁听。

4     结语

面向高校工科专业的在线教学云平台，借助视频教师可远程录制教学内容，借助物联网和5G技术、实验室设备联网、数字孪生云实验平台接入、线下课堂及实验数据，师生可远程进行实验和互动，线下资源被重新整合，加快教育资源的线上快速整合，有效提升了工科专业的在线教学效果，为皖江学院的转设工作提供了有力支撑。

[参考文献]

[1] 龙新征，欧阳荣彬，李若淼，等.面向高校的在线教学云直播平台体系架构设计与应用[J]，深圳大学学报理工版，2020，10（37）：194-199.

[2] 李文汉，孙红岩，陈敏江.大学数学网络教学平台的建设与实践[J].廊坊师范学院学报（自然科学版），2018，18（4）：107-109.

[3] 曹鴐，吴其林，刘波.新型冠状病毒肺炎疫情期间MIHA在线学习系统的构建与实践 [J].巢湖学院学报，2020，3（22）：21-27.

[4] 刘鲁宁.“后疫情时代”高职教师信息化教学技术探析[J].电大理工，2020，6（2）：23-26.

[5] 庄银霞.基于网格技术的分布式大数据混合云存储方法[J].廊坊师范学院学报（自然科学版），2021，21（1）：12-16.

[6] 刘晓林，胡永斌，黄荣怀，等.全球视野下美国K-12混合与在线教育的现状与未来[J].现代远程教育研究，2015，1（1）：3-11.DFE53511-96B4-4767-8BF3-0D275D15C0EA