基于Hadoop 的计算机专业课程教学平台设计与实现*

2022-11-24高飞

广西广播电视大学学报 2022年4期

高飞

（广西现代职业技术学院，广西河池 547000）

引言

计算机专业是以系统和应用为导向、以软件为基础的专业。计算机专业课程教育旨在培养具有较深厚的基础知识、较强的工程实践能力，并具备开拓创新精神，从事科学研究、教育、开发、应用等方面工作的高层次人才。为了适应时代的发展，为计算机应用市场提供专业型人才，许多高等院校开设了计算机专业，并设置计算机专业课程。现行的计算机专业开设的课程包括计算机硬件组装、软件程序编写与维护两个方面，其中，偏软件部分的课程可以进一步分为编程、应用软件的使用和网络技术三大类[1]。然而，当前计算机专业课程的教学容易受到空间和时间的限制，为此设计并开发了计算机专业课程教学平台。

教学平台是一种综合的、用于教学活动的软硬件结合的系统，现阶段使用较多的计算机专业课程教学平台大多应用了Web、B/S 框架等技术，但在实际的应用过程中，部分课程教学平台存在功能运行成功率不高、平台并行性与兼容性不强等问题，为此引入Hadoop 的概念。

Hadoop 架构是由Apache 基金会开发并发行的分布式数据存储平台，该平台提供了高效、可靠、大规模数据的分布式处理与存储功能。通过对Hadoop 架构的应用，以期能够提高计算机专业课程教学平台的教学功能与运行性能。

一、计算机专业课程教学硬件平台设计

（一） Solr 服务器

Solr 服务器的基础技术是ApacheLucene 全文检索引擎，它具有可伸缩性、分层浏览、管理方便等特征。Solr 的分布式集群搜索服务器SolrCloud是一种以ZooKeeper 和Solr 为基础的分布式搜索系统。由于HBase 自身不支持实时查询，HBase 系统必须对资源进行全面的扫描和模糊匹配，因此很难满足实时查询的要求[2]。所以，HBase 与Solr 技术相结合，通过HBase 对RowKey 的有效检索特点，将RowKey 及其相关信息保存在SolrCloud 中，在用户检索到资源时，首先向SolrCloud 请求RowKey 信息，再根据RowKey 信息向HBase 数据库请求，以获得所需要的数据资源。在HBase 中添加和删除信息时，还要在Solr 集群中对该信息进行实时更新，以确保二者之间的信息一致性。通过Solr 服务器的配置与安装，为Hadoop 架构的运行提供核心硬件设备。

（二）无线通信网络

教学资源、学生提问等信息均需要通过无线通信网络进行传输，为此以RS-232 芯片为串行通信接口，在传统通信线路的基础上，对无线通信网络进行优化。在传统无线通信网络结构的基础上安装RS232 串口通信接口，通信接口采用CH341T USB 总线转接芯片、MAX232 电平变换芯片，还有少量的接口设备即可完成。

（三）嵌入式处理器

选择型号为C*CORE 的处理器作为计算机专业课程教学数据的处理器，该处理器是一种流线型的架构，采用严密的翻转结构，降低了系统的复杂性。采用固定比特指令编码技术可以有效地减少保持指令的高速运行所需要的内存带宽，而使用较短的比特码来实现内存消耗，如图1 所示。

图1 平台处理器内部结构图

此外，为了减少电源消耗，C*CORE 采用了动态时钟管理的方法，在内部不需要对每个时钟的运行进行控制，C*CORE 提供了3 种低功率运行模式，通过执行相应的命令来实现。

（四）计算机专业课程数据存储器

平台上的存储模块分为三大类：程序存储、数据存储、资源存储。程序存储器是用来储存教学驱动和监控程序，使用者可以使用它来进行软件的开发与功能的校验。数据存储器用来保存平台中实时产生教学数据，而资源存储器用来保存计算机专业课程教学资源[5]。为了给计算机专业课程的实时数据以及教学资源提供充足的存储空间，采用双倍速率同步动态随机存储方式，即将同规格的两个DDR 存储器以并联的方式连接在一起，并利用该组合存储器替换传统的存储器设备。

（五）硬件设备连接电路设计

教学平台为了支持不同硬件设备的正常工作，使用两种供电方式，并通过HT7133 电压调整芯片对供电电压进行转换与调整。平台供电电源转换电路的优化设计结果，如图2 所示。

图2 平台供电电压转换电路图

通过HT7133 芯片的应用保证平台运行供电平稳，同时具有低功耗、低封装、低成本等优势，这减少了电路板的占用面积。

二、计算机专业课程教学平台数据库设计

数据库设计的目的是为了满足应用程序的功能要求和提高数据库的性能。要掌握用户目前应用和未来应用所需的数据和它们之间的关系，并能够按照使用者的要求，合理地增加、删除、修改和显示。数据库性能具体包括数据库的存储结果、数据共享、数据的完整性等[3]。建立的数据存储结构包括学生、教师、计算机专业课程资源、考核题库表等，以计算机专业课程资源数据为例，对应的数据库表构建结果如表1 所示。

表1 计算机专业课程资源数据库表

在优化设计的教学平台中，资源数据都会被放到不同的表格结构中，而不会以空字段的形式存在，这降低了资源细节的获取是对数据库的重复请求，加速资源存取的时间，缩短了相同数量的信息储存所需的存储空间。按照上述方式，可以得出优化教学平台中其他数据类型的存储结构设计结果，并通过根据数据之间的逻辑关系，在数据库内部形成链接，方便数据的调用与更新。

三、计算机专业课程教学平台软件功能设计

（一）配置 Hadoop 集群

Hadoop 集群的配置结构如图3 所示。

图3 Hadoop 集群配置结构图

如图3 所示，Hadoop 集群体系结构的基础环境包括 RDBMS、 HDFS、 HBase、ZooKeeper 等，HBase 存储与资源有关的核心业务，SolrCloud 存储HBase 中的RowKey 和索引信息，用于向上提供实时的搜索服务。DAO 数据存取层主要为关联数据库和非关联数据库提供存取接口。业务逻辑层和其他相关的功能层是Hadoop 集群架构的顶层，用来完成客户端的相关功能。

（二）用户分类与授权控制

计算机专业课程教学平台主要面向学生、教师和管理员三种用户，学生用户具有与学生课堂有关的权限。首先用户进入登录界面提交注册申请，完善个人信息。管理员通过对用户身份的核实与分类，将学生用户的个人信息存储到数据库中，并通过邮箱及时反馈确认信息。学生用户注册完成后，可根据设置的账号与密码信息登录教学平台，并获取相应的账户使用权限。使用者登录账号后，即可浏览课程及教师简介，并依照介绍内容完成选课[4]。完成选课后，可以下载课件、参与网上教学、查看作业的进度、询问教师，课后可以参加考试并查看成绩。教师用户的设计与学生用户类似，通过账户注册以及身份审核，获取教师账户及相应授权。教师账户权限包括发布教师与课程简介、申请课程公告、上传课件并授课、布置和批改作业、组织测试和评价等。另外，管理员账户拥有平台的全部授权，不仅要实现对学生账户和教师账户的管理，还要对网络课程资源和系统的功能进行管理和配置。

（三）计算机专业课程教学资源检索与共享

教师端根据计算机专业开设的课程制作包含视频、图片、音频等多媒体元素的课件，并将其上传到教学平台中。经过管理员审核通过后，将教学资源存储到平台数据库中，学生用户可以在课程教学过程中，根据课程要求或个人学习需求在平台中检索相关的教学资源，并对课程教学资源进行下载[5]。利用公式（1）计算教学资源检索关键词与课程资源之间的匹配度。

公式（1）中变量xi和xj分别对应的是输入的检索关键词以及数据库中存储的课程资源特征词，另外变量q为正整数，最终的计算结果ηMatch即为平台数据库中任意课程资源χj与输入检索关键词χi之间的匹配系数。若ηMatch的计算结果高于阈值η，则判定当前资源满足学生用户的检索要求，将其加入到输出队列中，否则不允许该资源显示，直到数据库中所有课程资源匹配完成后，得出相关课程资源的检索结果。在检索结果的输出过程中，需要根据关键词在课程资源中出现的频率进行排序，词频计算公式如下：

上式中变量N和ni分别表示的是关键词在资源中出现的次数以及课程资源中的特征词总量。根据词频TF的计算结果，按照升序顺序输出课程教学资源的检索结果。学生用户根据需求选择合适的资源进行下载，并在远程无线通信网络的支持下，完成目标课程资源的远程传输。

（四）执行计算机专业课程教学任务

学生用户在完成选课和课程资源下载任务的基础上，按照教学设置的教学任务，观看教学视频并提交随堂测试结果。在课程教学任务过程中遇到问题，可通过师生交流互动程序，发送邮件到教学邮箱来解决遇到的问题[6]。根据学生的资源观看进度，控制计算机专业课程教学任务的执行进度，直至完成教师设置的所有教学课程内容。

（五）计算机专业课程教学考核与成绩查询

在完成计算机专业课程教学内容后，按照图4的流程进行教学考核。

图4 计算机专业课程教学考核流程图

按照图4 表示流程，教师用户根据课程教学内容编写试卷，将其传输给学生用户。学生用户在规定时间内完成试卷并提交给教师用户。经过批阅得出各个学生的考核成绩，将成绩结果反馈给学生端。学生可以在任意时间登录平台，通过查询获得对应计算机专业课程的成绩数据信息。

四、平台实现与测试

为了发现平台的缺陷与不足，要在平台开发与应用之前全面测试平台内容，因此设置平台测试实验。此测试实验分别从教学功能和运行性能两个方面进行测试，判断优化设计教学平台是否满足设计与应用要求。

（一）实验准备

按照硬件平台的优化设计结果，分别对各个硬件设备进行调试，并按照工作原理将各个硬件设备按照顺序与供电电路相连。在实验环境中设置一个上位机作为主测计算机，设置一个服务器和500 个教学客户端。在构建课程教学平台的过程中，首先要安装操作系统centos6.5，然后通过RPM 命令来安装Apache、PHP、Mysql 等数据库工具，因为Mysql 安装时，Root 用户的密码是空的，所以为了保证数据的安全性，需要在短时间内更改Root 用户的密码。除计算机专业课程教学平台的实现与测试环境外，还需要准备多个教学平台测试用例，其中部分准备情况如表2 所示。

表2 平台测试用例设置表

此次平台测试实验共设置2000 个测试用例，每个用例的设置内容均不相同。

（二）描述平台实现与测试过程

通过配置平台服务器参数、用户注册、平台启动以及测试用例的导入，完成基于Hadoop 的计算机专业课程教学平台的设计与开发，并得出部分测试用例的实现结果，如图5 所示。

图5 计算机专业课程教学平台实现界面图

此次平台测试实验分别从功能和性能两个方面进行测试，在功能测试过程中，将准备的测试用例导入到平台中，观察平台的最终显示结果，通过与预期结果的比对，判断当前用例功能是否成功完成。为实现平台功能的量化测试，设置功能运行成功率作为实验的测试指标，其数值结果如下：

上式中，变量Numsuc和Numall分别为测试用例成功运行数量以及准备测试用例的总数量，计算得出功能运行成功率ηsuc的值越大，说明平台的教学功能越优。另外基于Hadoop 的计算机专业课程教学平台运行性能的量化测试指标分别为客户端平均响应时间和服务器内存占用量，其中客户端平均响应时间的数值结果为：

其中，Tclient-i表示第i个客户端的响应时间，m表示平台测试设置的客户端数量，取值为500，计算结果即为平台的平均响应时间。另外，服务器内存占用量可以通过教学平台后台数据的调取直接得出。为达到平台的优化目的，要求优化设计课程教学平台的功能运行成功率不得低于98%，平均响应时间不得高于5000ms，服务器内存占用量不得高于0.5GB。