基于INM的在线教学系统的设计与实现

李 杰 刘梦赤

(武汉大学计算机学院 湖北 武汉 430000)

基于INM的在线教学系统的设计与实现

李 杰 刘梦赤

(武汉大学计算机学院 湖北 武汉 430000)

为向各大高校提供一个功能完善且通用的在线教学平台、充分结合在线学习和线下课堂教学的方式为教师和学生提供丰富的 “教”、“学”功能模块，设计和开发在线教学系统Weblearn。系统使用Nginx、Memcached构建了多服务器的分布式集群，实现高并发下的负载均衡，提高系统可用性；以信息网模型INM(Information Networking Model)作为底层存储数据库，利用其关联存储、无模式存储等特点，采用级联查询和动态建模的方式提高系统的查询效率和可扩展性。提出INM在实际应用中的数据库建模方法及数据库访问方法，简化数据库建模过程。目前系统已经在武汉大学、湖北大学、加拿大卡尔顿大学投入使用，使用情况良好。

在线教学平台 数据库 INM 建模 分布式

0 引 言

E-learning自1999年在美国加州的online Learning大会上第一次提出到如今发展迅速，据估计全球有超过20%的企业运用了在线学习模式[1]，约46%的大学生至少在线学习了一门课程[2]，基于Web的在线教育也越来越受到重视[3-4]。目前网络中有许多在线学习平台，从使用者角度可以分为三类：大规模网络开放式课程平台Massive Open Online Courses (MOOC)[5-6]、商用课程管理平台Commercial Course Management System (CCMS)和开源学习管理系统Open Source Course Management System(OSCMS)。

大规模网络开放课程又称慕课，它是由很多愿意分享和协作以便增强知识的学习者组成，是一种针对大众人群的在线课堂，常见的MOOC系统有Coursera、可汗学院、edX、Global Education、Course Hero等。它有两个显著的提点，一是MOOC的参与者不必是在校注册学生，它是一个大众共享平台；二是MOOC中的课堂是针对于不确定的参与者而设计的。Blackboard[7-8]是最具有代表性的商用课程管理学习平台，由美国Bakckboard公司开发。该网络教学平台以课程为中心集成网络“教”和“学”的环境。教师可以在平台上开设网络课程，学习者可以自主选择要学习的课程并自主进行课程内容学习。不同学习者之间以及教师和学习者之间可以根据教、学的需要进行讨论、交流。Blackboard功能相对完善但是使用时需要付费和定制，操作相对比较复杂。常见的开源学习管理系统有Moodle、Sakai、ILIAS、Claroline等[9,16]。这些平台最大的优势在于开源和免费，由于其开放性、共享性、可根据用户需求修改组合等优点，为E-learning项目的实施提供了低成本的平台解决方案。

以上的几类在线教学平台为用户提供了丰富的在线学习途径和资源。但这些平台更多都是强调个人自主学习以及开放性，没有充分结合线下课堂的教学方式，并且对于高校和企业单位不具备通用的管理功能和内部在线学习机制。目前国内大部分的高校虽然都有自己的课程和人员管理系统，但都没有为教师、学生提供较好的在线教学环境，主要采用的还是传统的线下课堂教学方式，并且不同高校间也没有一个较好的交流平台。所以为各高校提供一个通用且功能完善的在线课程管理平台是有意义的，为此基于INM[10]设计和实现了在线教学系统Weblearn。该平台的目的是为了替代各校自己独立开发的课程管理系统或者相关软件系统，为教师和学生提供更加丰富和完善的在线“教”、“学”功能模块，结合线下课堂学习为教师和学生构建一个良好的交流学习环境，加强各大高校间跨学校的协作与交流，支持课程对外开放，提供跨校学习平台，在各大高校间建立起一个多元化的学习环境。

1 基于INM的数据库建模

INM又称信息网模型[10]，是一个面向语义的数据库模型。它能自然直接地表示对象间复杂的语义关系和动态的上下文相关信息。主要特点有：面向对象存储，读取速度快且支持跨对象级联查询[12]；自动维护关系的一致性[13]，能直观地对概念模型进行建模；支持无模式数据添加，实体信息完善可以不受模式定义的制约；特有的信息网络结构特别适合于社会网络等领域的数据建模以及不同实体间关系的快速定位，对关联数据有较强的处理能力；这些特点使得INM在数据库建模过程中对实体间的关系处理以及实体复杂信息存储方面与关系型数据库有着很大的不同，它更加直观和简洁。

1.1 实体间关系的建模

实体间的关系是相互的，例如图1中实体University与实体Faculty间是包含关系，相应的也可以所说Faculty属于University，将一个关系的另一角度的表述称之为“逆关系”。在关系模型中为了表示实体对象间的相互依赖关系，是通过定义键(Key)和外键(Foreign Key)的方式建立不同对象之间的相互联系，不支持直接的定义逆关系并且数据库的建模受到建表次序的限制，不能自动维护相互关系的一致性。例如在表University未创建之前是无法为Faculty创建对University的引用。而INM支持逆关系定义，并且逆关系仅需要单向定义，相关的对象和逆向关系会自动的生成和维护。这也使得INM建模可以从任意实体的角度出发描述相关关系。例如University和Faculty的关系有两种描述方式：

(1) Create class University[

contain have(inverse belongTo)(1∶N):Faculty];

(2) Create class Faculty[

normal belongTo(inverse have)(N∶1):University];

图1 Weblearn中部分实体关系图

上述两句建模语言执行后有相同的效果，执行其中一句会自动的创建University对象和Faculty对象并建立起相互间的关系，图2是语句执行后两者的结构。INM中定义了多种类型的关系，常见的有：一般关系(normal)、包含关系(contain)、角色关系(role)和多元关系(nary)等。其中contain关系用于描述两个实体间的从属关系，role关系用于描述实体的上下文语义信息，多元关系用于描述多个实体间关联关系。利用这些关系定义可以直观地对实体间的关系进行建模。例如图1中Weblearn系统用户与课程班级之间复杂语义关系的概念模型，一个班级中用户分为三种角色：教师、学生和助教。Weblearn系统中并不严格的区分每一个用户账号是教师账号、学生账号或者助教账号，一个用户可以有多种角色，角色的确定依赖于所在的班级。在关系模型中为了表示User与Section(班级)间的这种关系需要建立三个额外的二维表用于表示两者间的联系：

TeachSection ( sectionId,userId,…);

SelectSection ( sectionId,userId,…);

AssistSection ( sectionId,userId,…);

图2 大学与学院关系结构

额外的记录表不仅使得建模复杂度增加并且弱化了班级与用户间直观的联系，这种情况下通过表Section是无法直观地看出用户所担任的角色。相对而言INM中可以使用role关系较好解决这类关系的建模。表1是对图1实体关系图的建模语言及结果，其中Section建模完成后，会自动创建User及其子类Teacher、Student和Assistant，并构建相互间的关联关系。

表1 对图1的建模及结果

通过这个例子可以看到，基于INM的数据库建模只需要依次对概念模型中所有实体进行创建，并利用INM定义的各种类型的关系(normal / contain / role / nary)声明当前实体与其他实体间的关系即可完成建模，两个实体间关系的声明可以不同角度单方面定义也可重复定义。相对于关系模型的建模过程，基于INM的建模无需将复杂关系提取出来进行额外的声明，能直观地对概念模型进行映射，保留了实体间语义信息，从而简化整个数据库建模过程。

1.2 实体复杂信息建模

在1.1节中描述了基于INM对概念模型中实体间关系的建模，可以发现关系及逆关系的定义使得一个实体类内聚了所有与其他实体间的关系定义。对于实体属性的定义和构建并没有提及，在INM中基本属性的定义和关系模型类似，支持String、url、int、text、date等类型的数据。不同点在于INM定义了复杂属性和组合关系来描述一些相对复杂的实体信息。

考虑如下情况，系统每个用户都有着自己的网盘空间上传自己的资源，数据库在记录用户资源(personalResource)不能只记录文件名称，还需要记录上传时间、存储路径、下载状态等信息。同样一个人在担任不同角色时有自己独特的信息。如表2所示，这些信息都可以拆解为多个属性值，在关系模型中要表示这些复杂属性，每个复杂属性就需要建立一个二维表进行存储。而在INM中，可以直接使用复杂属性的定义将数据内聚，以personalResource为例声明如下：

Create class User[

@name:string,

@personalResource*:[

@fileType:{“txt”,”word”,”pdf”,”xsl”},

@state:{“public”,”private”},

@fileName:string,

@path:string,

@uploadTime:date],

……];

表2 可拆解属性信息

其中personalResource就是复杂属性的定义，该属性由多条简单属性组成。一个人personalResource元组就是一个记录，每个用户对象可持有多个这样的元组记录。除此之外INM还定义了组合关系、关系属性[11]等用于描述实体对象的信息。

1.3 动态建模

通常在数据库应用开发过程中，向数据库插入数据时，插入对象的属性和内容都受到对应数据库模式定义的制约。INM支持无模式数据添加，允许向实例对象中插入模式未定义的属性和关系信息并自动完善模式定义。例如对于2.2节中User的模式定义，假设User只定义了name以及personalResource属性，执行以下实例插入语句：

insert User “Peter”[@newAttr:”for Test”];

当允许无模式插入时，该语句能正常执行，在插入实例Peter的同时INM会自动在模式User中添加@newAttr：string属性声明，实现数据和模式的动态变化。这一特点使得数据库有着更强的可扩展性。

2 系统设计

2.1 用户角色设计及特点

和常见的在线教学系统类似，Weblearn系统中除了基本的系统管理员、教师、学生几种角色之外，也额外添加了助教角色，但不同点在于Weblearn用户角色环境依赖。所谓用户角色环境依赖是指用户在注册时不进行角色区分(管理员除外)，用户的角色根据用户所进入的班级类型而定。在系统中一个用户有三个可能的班级列表：创建的班级(Created Section)、加入的班级(Selected Section)、助教班级(Assistant Section)。当用户进入不同类型的班级所担任的角色随之而变化，所对应的功能权限也会发生相应的改变，如表3所示用户进入到不同班级后所担任的角色。这一特性意味一个用户账号可以担任多重角色，聚合更多更丰富的信息，功能不再单一。

表3 角色定位

表4列出了Weblearn中不同角色的功能权限，其中系统管理员分为三个级别：顶级管理员、校级管理员、院级管理员；权限由高到低分级管理。值得一提的是Weblearn系统为各级管理员都提供了强大的信息批量导入功能以方便信息的转移和添加，并且管理员模块支持功能的定制，管理员可以根据所在学校和学院的标准修改和添加相应功能模块。

表4 角色权限列表

2.2 主要功能模块设计

图3是Weblearn在线学习平台的主要功能结构图，按功能性质可以将所有功能模块划分为三个部分：管理模块、以“课程”为中心的教学功能模块以及搜索系统。另外，在详细介绍前还要区分Weblearn系统中“课程”和“班级”两个概念。如图4所示，一门相同的课程可以有多个不同的班级，我们将对应着相同课程的班级称为“同源班级”。接下来是各模块功能详解。

图3 系统功能结构图

图4 课程-班级关系图

1) 管理模块

Weblearn管理功能主要体现在个人的自主化管理以及面向学校的系统管理两个部分，如图3所示，“管理系统”模块和“个人中心”模块分别对应于面向学校的系统管理和个人自主管理。个人中心汇聚和统计用户所有相关数据方便用户进行统一管理，用户可以在个人中心查看课程和班级列表；查看最动态；查看个人信息；管理个人资源；在线选课；查看留言；修改个人信息等。特别需要说明的是在个人信息管理部分基于INM无模式数据插入的特点，实现了用户个性化信息设置功能。系统管理模块实行分级管理方式，不仅提供了基本的课程、班级、人员管理功能，还添加了信息批量导入、功能定制等功能。

2) 教学功能模块

教学功能模块是整个系统的核心，它负责为教师和学生提供丰富方便的教学工具。如图3所示，Weblearn核心教学功能模块由围绕“课程”开发的课程中心、任务系统、在线测试、课程论坛和预约系统五大模块组成。

(1) 课程中心是课程信息管理和资源管理的中心，教师负责整个课程班级的信息资源管理供学生查看和使用，主要功能如图5所示。同其他平台相比，课程中心有两个突出的特点，一是支持不同班级和不同教师之间资源的共享和交换。二是为教师提供完善的信息导入模板，简化教师工作。

图5 课程中心主要功能

(2) 任务系统为教师提供完善的作业布置、在线批改和学生成绩管理功能，学生在此完成作业和查看相应的成绩。图6表示的是教师功能权限图，考虑到任务布置的复杂习性以及“同源班级”之间任务可能会有较大的相似性，Weblearn创新点在于支持任务的分享和复制。“同源班级”之间可以主动分享和选择性复制已经布置好的任务，也可以从往年开设的班级中复制任务，这很大程度上节省了教师布置任务的时间，同时也使得“同源班级”之间可以有更好的交流。

图6 任务系统教师功能权限

(3) 课程论坛参考Piazza的问答平台，最大的特点是支持各种类型的帖子，如问答贴、投票贴、笔记等。并且重点突出教师在论坛中的发帖及恢复，论坛是学生和教师讨论和交流的平台，可以很好地帮助发现和解决问题。

(4) 在线测试部分和任务系统类似，教师负责组织个管理在线测试资源，学生进行在线测试。如图7所示，除了基本的在线测试和判卷功能，Weblearn在线测试有以下几个特点：① 题库构建支持文件批量导入，提供了详细的导入模板，简化题库构建难度。并且为每个试题添加多个标签，如章节、难易度、知识点等。② 试卷构建添加自动化选题功能，只需指定题库范围以及难易程度(easy、normal、difficult)题目所占百分比，系统会自动的完成试卷制作。③ 系统会分析所有同学的答题情况以及题目标签生成分析报表，包括成绩分布、错误率、难易度定位等信息。

图7 在线测试功能模块

(5) 预约系统是为了更好的统一用户的时间，增加解决问题的效率。该模块进一步加强系统用户之间的交流，例如学生可以通过预约系统预约教师的空闲时间进行交流和解惑，当小组人员出现时间冲突时，也可以利用预约系统找出最佳的时间段，更快速有效的解决问题。这是其他在线学习平台所不具备的。

通过仔细调研Blackboard、Piazza、Moodle、MOOC等平台，Weblearn在功能上有进一步的改进和完善，表5中是系统部分创新功能模块与其他平台的对比结果。

表5 部分新增优化功能对比

2.3 系统协作性设计

Weblearn设计的目标之一就是加强各大高校间跨学校的协作与交流，支持课程对外开放，提供跨校学习平台。这主要体现在两个方面，一是通过系统公共论坛以及公共预约系统来加强各大高校间用户的沟通和交流，让用户从中发现自己感兴趣的话题或资源。二是源于课程资源的公开，在课程班级创建过程中可以进行公开性设置，如图8所示如果创建者将创建的班级设为公共课，外校用户就能有机会加入该班级同步学习和交流，在班级内部共享和使用相关资源。

图8 班级创建流程

目前Weblearn系统共有中国和加拿大1 511所大学的院系信息，暂时共有约5 000名用户，期望不同地区不同学校的用户通过Weblearn能有更好的协作和交流。

3 关键技术及实现

Weblearn有较多的功能管理模块，我们采用最新的Spring、HTML5、CSS3等多种技术进行实现。整个系统通过构建多服务器的分布式集群，实现高并发下的负载均衡。改进基于INM的数据库访问及映射、信息检索以及半结构化数据添加方式。

3.1 系统负载均衡

系统是以tomcat作为代理服务器发布的，如果使用单服务器来承载整个系统，在大量用户并发请求的情况下，若要保证及时的响应，这对服务器的配置有着极高的要求。对此为了保证系统的及时响应，系统采用nignx+memcached构建分布式集群，实现服务器的负载均衡[14-15]。如图9所示，这是服务器集群的基本构架图，其中包含Server1和Server2两个服务器，每个服务器中安装了两个tomcat构成一个小的集群。

图9 分布式集群构架

其中Nginx是一个高性能的HTTP和反向代理服务器，可以通过配置指定反向代理的服务器地址，当用户在浏览器端提交请求后，请求首先提交给Nginx，由Nginx将请求进行分发。Nginx会通过轮转的方式不断检测各个代理服务器的运行情况，然后将请求分发给负载量较低的服务器，这样便实现了在高并发情况下各个服务器的负载均衡，避免单节点故障。另外，一个用户在一段时间内会有多个请求，这些请求极有可能被分发到不同的服务器，为了保证会话(Session)的一致性，在每个服务器中使用memcached代理tomcat的Session控制并通过广播的形式实现不同服务器中memcached的数据共享。每个memecached都持有整个系统的会话记录，这样即使其中某个memcached出现故障，系统也能正常的运行。

3.2 数据库访问层的实现

基于INM面向对象特点，系统开发了数据库驱动INM-JDBC。INM-JDBC进一步封装数据库中存储的数据，以实例对象形式返回记录，并且额外添加数据库连接池、日志等内置模块。通过INM-JDBC访问数据库主要分为以下几个步骤：

(1) 构建模板工厂InmTemplateFactory，初始化数据库连接。

简单的初始化方式代码如下：

InmTemplateFactory.buildTemplate(″server″,port);

只需用户指定连接的服务器及端口即可，在初始化过程中会默认的创建数据库连接池及相关配置。

(2) 通过模板工厂获取nmTemplate操作模板，InmTemplateFactory.getInitializedTemplate();该过程从连接池中选取已初始化的连接构建相应的模板，通过该模板即可进行数据库操作。

(3) 执行相关的数据库操作，获取结果集ResultSet。

(4) 解析结果集ResultSet，获取语句执行结果。

INM-JDBC的优势在于它封装了数据持久化为对象的过程，无需额外创建配置文件及相应的javabean。开发人员可以从ResultSet中获取完整的数据对象。

3.3 级联查询

INM中关系-逆关系定义使得不同实例对象间的关联是相互的，并且数据呈现极高的内聚性。这使得不同的实例对象之间可以直观地进行相互间的关联检索。基于INM的声明性查询语言IQL[12]可以方便地实现跨对象的信息级联查询。例如以下几个简单的实例数据：

Section DB[Teacher:Tim, Student:{Bob,Ann},Assistant:Joy];

User Tim[@email:timMail@163.com, teach:DB];

User Bob[@email:bobMail@163.com,select:DB];

User Joy[@email:joyMail@gmail.com,assist:DB];

我们要查询“班级DB的详细信息及教师Tim的email“，IQL可以直观将该查询需求转变为查询语句：

query ＄x=DB[Teacher:Tim/@email:＄y] construct ＄x/＄y;

其中参数＄x,＄y分别代表班级DB实例对象和教师Tim的email信息。基于IQL这一能直观表达查询需求的特点，在搜索系统实现过程中可以对搜索关键字进行语义解析，更加直观方便将其转换成相应的查询语句，增加搜索广度和精确度。其实现主要分为两个步骤：

(1) Weblearn搜索的主要对象是学校、学院、课程班级、用户等，根据该限定对搜索条件进行语义解析。

(2) 将语义解析后的搜索条件转换为相应的查询语句，对单个关键字进行模糊匹配，多关键字根据连接词转换为相应的关联查询。

3.4 无模式数据添加

所谓无模式数据添加是指基于INM动态建模的特点实现的用户个性化信息完善功能。如2.3节所述，INM支持向数据库中插入模式未定义的属性和关系信息，并会自动完善建模。例如下列用户插入语句:Insert User “Peter”[@获奖荣誉:[@年份:2013,@专利:”十大杰出青年”],@研究方向：“数据库”];

假设在用户模式定义中不包含这些属性定义，语句执行后数据库会自动为实例对象Peter添加复杂属性”获奖荣誉”和简单属性”研究方向”并存储相应的值。基于这个特点系统实现的用户个性化信息完善功能主要分为三个部分：

(1) 显示已添加的所有属性信息，提供删除修改接口。

(2) 提供自定义属性接口，允许用户以[attrName:Value]的形式自定义简单或复杂属性。

(3) 提供文件导入接口，支持word、txt格式文档，通过POI解析转换为插入语句，文档内容格式需要满足INM中属性关系声明语法，例如下列格式：

获奖荣誉[年份：2013,

专利：十大杰出青年];

研究方向：数据库

这一功能让用户可以根据实际情况动态地完善和修改个人信息，建立完整的个人信息文档。并且键-值对的数据存储方式使得数据更加结构化，方便获取和解析。

4 结 语

通过充分调研在线学习平台的优点与不足，结合新的需求，基于INM设计实现功能完善且更具有针对性的Weblearn在线教学系统(www.weblearn.cn)。系统结合线下课堂教学为用户提供了更多更完善的在线学习工具以及通用的课程管理功能。分布式集群的构架极大地提高了系统的可用性及扩展性。基于INM语义直观、无模式存储等特点提出的建模方法简化了数据库建模过程，有较强的实用意义。采用INM向对象语义数据库是一次新的尝试，在数据库建模、关联查询以及数据结构化方面都有待进一步的探究。目前系统运行稳定，评价良好，具有很高的实用和推广价值。

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DESIGN AND IMPLEMENTATION OF ONLINE TEACHING SYSTEM BASED ON INM

Li Jie Liu Mengchi

(CollegeofComputerScience,WuhanUniversity,Wuhan430000,Hubei,China)

In order to provide a comprehensive and versatile online teaching platform to universities and colleges, fully integrate online learning and offline classroom teaching methods to provide teachers and students with rich "teaching" and "learning" function modules, design and development of online teaching system Weblearn. The system uses Nginx and Memcached to build a multi-server distributed cluster to achieve high concurrent load balancing and improve system availability. The INM (Information Networking Model) is used as the underlying storage database. The system uses the cascade query and dynamic modeling to improve the efficiency and extensibility of the system by using its associated storage and model-free storage. The database modeling method and database access method of INM in practical application are proposed, and the process of database modeling is simplified. At present the system has been in Wuhan University, Hubei University, Carleton University in Canada put into use, in good condition.

Online teaching platform Database INM Modeling Distributed

2016-01-21。李杰，硕士，主研领域：数据库技术，Web技术。刘梦赤，教授。

TP3

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.04.006