鄭遠(yuǎn)攀 牛依青 陳廣玉 黨顯宇 王澤宇

摘 ?要：為活躍課堂氣氛，增強(qiáng)師生互動，設(shè)計了一種新型的實時彈幕課堂系統(tǒng)。采用C/S與B/S混合模式架構(gòu)，結(jié)合MVC體系結(jié)構(gòu)完成系統(tǒng)整體設(shè)計。系統(tǒng)分PC端功能模塊和移動端功能模塊，通過TCP協(xié)議，數(shù)據(jù)以JSON串形式與服務(wù)器端通信。除基本功能外，在移動端使用Highcharts技術(shù)，實現(xiàn)了彈幕數(shù)據(jù)可視化顯示與分析。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)和確定有限自動機(jī)（DFA）算法，開發(fā)了敏感詞匯過濾功能。實踐證明，該系統(tǒng)提高了學(xué)生對教學(xué)過程的參與性和專注度，具有可行性和推廣價值。

關(guān)鍵詞：高校課堂;彈幕系統(tǒng);混合模式;數(shù)據(jù)可視化;DFA敏感詞過濾

中圖分類號：TP311 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）21-0006-05

Abstract： In order to activate the classroom atmosphere， enhance the interaction between teachers and students， a new real-time bullet screen classroom system is designed. In the overall system design， the combination of the C/S and B/S hybrid mode architecture and the MVC architecture is adopted. The system is divided into a PC terminal function module and a mobile terminal function module. Through the TCP protocol， data is communicated with the server terminal in the form of a JSON string. In addition to the basic functions of each module， Highcharts technology is used in the mobile terminal to realize the visual display and analysis function of the barrage data. Combined with the web crawler technology and the DFA algorithm， the sensitive vocabulary filtering function is developed. Practice has proved that the system improves students participation and concentration in the teaching process， and has feasibility and popularization value.

Keywords： college classroom; bullet screen system; hybrid mode; data visualization; DFA sensitive vocabulary filtering

0 ?引 ?言

在大學(xué)課堂，師生之間的互動性直接影響著教師的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。但師生之間的高頻互動在大學(xué)課堂是不常見的，上課時教師主要依據(jù)PPT課件講授課程，學(xué)生較少發(fā)言，師生之間交流很少。這種教學(xué)模式很可能導(dǎo)致學(xué)生喪失學(xué)習(xí)積極性，學(xué)習(xí)效率低下，甚至影響課程的考核。學(xué)生在課堂上呈現(xiàn)出來的問題逐漸引起教育工作者的重視，于是，新型的教學(xué)模式被提出用以改善此類問題。例如，葉冬連等人[1]提出基于翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式以增強(qiáng)師生之間的互動，但是此方法對教師和學(xué)生的各方面要求較高，加之課時有限，不能較好地達(dá)到預(yù)期的效果。石映輝等人[2]對智慧教室環(huán)境下高校師生互動行為進(jìn)行分析，通過與傳統(tǒng)多媒體教學(xué)模式對比發(fā)現(xiàn)：智慧課堂教學(xué)模式下的師生互動明顯改善，其課堂教學(xué)在降低教師講授頻率的同時提高了師生的互動頻率，學(xué)生則表現(xiàn)出參與教學(xué)實踐的更高主動性。但此模式一定程度上忽視了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與自主探究，導(dǎo)致部分學(xué)生缺乏獨立思考分析問題、解決問題的能力，無法培育創(chuàng)新型人才[3]。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，彈幕視頻的興起，吸引了更多年輕人對這一領(lǐng)域的探索，而在校大學(xué)生是這一群年輕人中的主要代表[4]。于是，一些教師嘗試在大學(xué)課堂上引入彈幕技術(shù)，并且取得了不錯的效果。代方梅等人[5]將彈幕技術(shù)應(yīng)用到高校體育理論課教學(xué)，張暢等人[6]將彈幕技術(shù)應(yīng)用在對外漢語教學(xué)，以及劉爽等人[7]設(shè)計的基于視頻彈幕技術(shù)的微課程等，實驗證明，學(xué)生對此方法的教學(xué)模式認(rèn)可度較高，師生之間的互動性和學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性明顯提高，效果反饋良好。因而，彈幕技術(shù)逐漸成為教學(xué)改革模式的重要途徑之一。但是，使用單純的彈幕技術(shù)，存在一定的改進(jìn)空間。例如，教師在課堂上無法控制彈幕內(nèi)容和設(shè)置彈幕規(guī)則，彈幕反饋率較低，課堂教學(xué)過于娛樂化等問題。這些問題在一定程度上會對教學(xué)內(nèi)容及課堂紀(jì)律產(chǎn)生不利影響，如何解決教師使用彈幕技術(shù)在教學(xué)過程中遇到的上述問題已成為未來彈幕教學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

本文以此為背景，經(jīng)過調(diào)研分析決定開發(fā)一款面向大學(xué)課堂的實時彈幕教學(xué)系統(tǒng)。論文首先設(shè)計系統(tǒng)的整體功能架構(gòu)，建立起完整的系統(tǒng)開發(fā)流程，考慮到靈活性與拓展性，系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面堅持獨立原則，其中瀏覽器端功能實現(xiàn)不依賴于任何APP，由手機(jī)端瀏覽器獨自實現(xiàn);然后詳細(xì)介紹了開發(fā)過程中的技術(shù)難點以及典型算法;最后，結(jié)合測試實驗，具體描述系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。

1 ?系統(tǒng)設(shè)計

1.1 ?系統(tǒng)框架和功能設(shè)計

彈幕課堂系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：PC端、移動端及服務(wù)器端。系統(tǒng)采用C/S+B/S的架構(gòu)，其中C/S結(jié)構(gòu)中的Server端為后臺Web服務(wù)器，C/S結(jié)構(gòu)中Client端是指PC端，使用Qt5框架，采用C++編程語言，實現(xiàn)系統(tǒng)的可視化界面。B/S架構(gòu)中的Server同C/S結(jié)構(gòu)中的Server，使用Nginx和uWSGI技術(shù)，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和計算，并提供相應(yīng)的接口服務(wù);B/S結(jié)構(gòu)中的Client端主要指移動端瀏覽器，移動端采用Django框架，使用Python編程語言，用于學(xué)生登入系統(tǒng)、發(fā)射彈幕等功能操作。除此之外，系統(tǒng)的Client端設(shè)置了兩大功能模塊，分別為：面向教師的功能管理模塊和面向?qū)W生的功能管理模塊，前者除了為教師提供基礎(chǔ)的功能模塊外，還包括彈幕數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能，方便教師課下分析學(xué)生的上課狀態(tài)，解答學(xué)生在課堂上遺留的問題等。后者主要為學(xué)生提供基礎(chǔ)的信息管理功能，包括注冊/登錄、個人信息修改以及數(shù)據(jù)顯示與分析等，方便學(xué)生在課下對課程進(jìn)行回顧。

彈幕課堂系統(tǒng)采用MVC體系結(jié)構(gòu)，通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)各個端口間的數(shù)據(jù)傳輸[8]，主要分為：應(yīng)用表示層、業(yè)務(wù)邏輯層及資源訪問層。首先學(xué)生、教師通過應(yīng)用表示層來訪問系統(tǒng)，用戶在進(jìn)行身份確認(rèn)之后，取得相應(yīng)的權(quán)限，輸入信息進(jìn)入系統(tǒng)，信息的提交及處理是由業(yè)務(wù)邏輯層實現(xiàn)，業(yè)務(wù)邏輯層將輸入的信息提交到資源訪問層，通過資源訪問層將信息與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，并將結(jié)果反饋到表示層。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

彈幕課堂的功能設(shè)計同樣分為三部分：PC端（教師端）、移動端（學(xué)生端）及服務(wù)器端。PC端是由教師在教師機(jī)上操作，其功能為基礎(chǔ)的系統(tǒng)管理，如：設(shè)置彈幕字體、設(shè)置彈幕速度及透明度、是否允許學(xué)生發(fā)射彈幕等，方便教師對學(xué)生在使用系統(tǒng)過程中產(chǎn)生的突發(fā)情況進(jìn)行處理。除此之外，彈幕數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能可以幫助教師查詢本節(jié)課程學(xué)生的發(fā)言及提問情況，方便教師對課程做出針對性分析，及時改變教學(xué)方式等。移動端是由學(xué)生通過手機(jī)瀏覽器進(jìn)行操作，不需要依賴于特定APP，這也是和其他彈幕課堂系統(tǒng)的不同之處[9]。在移動端，系統(tǒng)除了基礎(chǔ)的功能操作外，如：登錄/注冊、發(fā)射普通/提問彈幕及設(shè)置彈幕顏色等，還添加了數(shù)據(jù)分析及敏感詞匯過濾功能。一方面方便學(xué)生查詢已發(fā)射的彈幕信息，另一方面對凈化課堂氣氛具有至關(guān)重要的作用。服務(wù)器端主要為PC端和移動端提供數(shù)據(jù)存儲、交換及信息處理功能，保障系統(tǒng)的正常運行。其具體功能設(shè)計如圖2所示。

1.2 ?系統(tǒng)流程設(shè)計

系統(tǒng)的流程設(shè)計由兩部分組成，這兩部分緊密相連但又相互獨立，緊密相連表現(xiàn)為：首先由教師在教師機(jī)上創(chuàng)建邏輯房間，生成房間二維碼，然后再由學(xué)生通過手機(jī)上的瀏覽器掃描房間二維碼，進(jìn)行注冊/登錄，最后在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)操作。兩者相互獨立表現(xiàn)為：當(dāng)學(xué)生再次登錄系統(tǒng)時，只需要輸入相應(yīng)的房間號即可進(jìn)入系統(tǒng)，無須輸入賬戶名和密碼。系統(tǒng)詳細(xì)的流程設(shè)計如圖3所示。

由圖3可知，PC端與移動端之間通過二維碼連接，首先，教師將服務(wù)器地址、房間號及內(nèi)置的系統(tǒng)登錄界面地址等信息通過TCP協(xié)議傳輸給系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯層，然后結(jié)合二維碼規(guī)范生成技術(shù)，將信息封裝成二維碼，最后通過Qt的繪圖功能，使圖像顯示在教師機(jī)上，通過投影儀等教學(xué)輔助工具將二維碼圖像映射到幕布。在移動端，學(xué)生使用手機(jī)瀏覽器自帶的“掃一掃”功能，掃描并解析二維碼，獲取封裝的信息，顯示系統(tǒng)登錄/注冊界面。其PC端與移動端通訊流程如圖4所示。

2 ?敏感詞匯過濾算法分析

為防止敏感詞匯被使用并投影到幕布，系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置了敏感詞匯過濾功能。利用爬蟲技術(shù)收集網(wǎng)絡(luò)上使用頻率較高的敏感詞（Sensitive_word）[10]，并將敏感詞構(gòu)建成敏感詞庫，再使用合適的過濾算法將敏感詞進(jìn)行過濾。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，常用的敏感詞過濾方法有四種：（1）將敏感詞直接組織成String后，使用indexOf方法來查詢和過濾。（2）傳統(tǒng)的敏感詞存儲在數(shù)據(jù)庫中，使用SQL語句查詢和過濾。（3）利用Lucene建立分詞索引來查詢。（4）利用確定有限自動機(jī)（Deterministic Finite Automaton， DFA）算法實現(xiàn)敏感詞過濾。

首先，項目收集到的敏感詞有幾千條，方案（1）使String長度過長，查詢速度過慢，與系統(tǒng)實時性要求相違背，因此舍棄方案（1）。其次，為了便于將來的可擴(kuò)展性，最小化對數(shù)據(jù)庫的依賴，決定放棄方案（2）。然后Lucene本身被用作本地索引，當(dāng)敏感詞更新后Lucene需要重新觸發(fā)并更新索引，系統(tǒng)本著輕量原則不擬引入更多的庫，方案（3）也不適合本系統(tǒng)。綜合考慮系統(tǒng)的各項特點，選定方案（4）即DFA算法為系統(tǒng)的敏感詞過濾算法。

在實現(xiàn)敏感詞過濾算法中，DFA是比較好的實現(xiàn)算法[11]。它是通過事件和當(dāng)前的狀態(tài)得到下一個狀態(tài)，即事件+狀態(tài)=下一個狀態(tài)。在文本過濾中，最重要的目標(biāo)是減少計算量，而在DFA中，基本沒有計算，只是狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。當(dāng)要把敏感詞匯列表構(gòu)造成一個狀態(tài)機(jī)，用矩陣來實現(xiàn)是比較麻煩的，而樹結(jié)構(gòu)為DFA算法提供了一種比較簡單的實現(xiàn)方式[12]。

在本文中，DFA算法的核心是建立了以敏感詞為基礎(chǔ)的敏感詞樹。由于系統(tǒng)主要采用Python編程語言，使用dict函數(shù)來存儲已構(gòu)建完成的敏感詞樹。首先，將收集的Sensitive_word字符串轉(zhuǎn)化為字符，以此遍歷所有的Sensitive_word字符，如果dict中不存在該字符為首的敏感詞樹，則構(gòu)建此樹。具體構(gòu)建過程如下：首先創(chuàng)建敏感詞樹的root節(jié)點，將Sensitive_word的第一個字符作為鍵Key，值Value作為另一個dict，該值Value對應(yīng)的dict的Key儲存第二個字符，如果存在第三個字符，則對應(yīng)到第二個字符為Key的Value中，這個Value仍然是一個dict，以此類推下去，直到最后一個字符。最后一個字符對應(yīng)的Value依然是一個dict，只不過這個dict只需要儲存一個結(jié)束標(biāo)志即可，例如，在本系統(tǒng)中儲存一個{'＼x00'： 0}，作為敏感詞樹構(gòu)造結(jié)束的標(biāo)志，這個標(biāo)志也是一個dict，表示這個Value對應(yīng)的Key是敏感詞的尾字符。具體流程如圖5所示。

系統(tǒng)在敏感詞檢索時，首先將輸入的文本字符串轉(zhuǎn)換為字符，使每個字符與構(gòu)建的敏感詞樹相匹配，如果匹配不了相應(yīng)的子樹，則直接跳過，當(dāng)檢測到某一個字符時，發(fā)現(xiàn)敏感詞庫中有相應(yīng)的子樹，將此子樹記為tree_1，然后再依次遍歷下一個字符是不是子樹tree_1的子節(jié)點，如果是，再確定該字符是否是tree_1的葉節(jié)點，倘若是，則說明成功匹配到了一個敏感詞。依據(jù)敏感詞，系統(tǒng)將對輸入的文本進(jìn)行屏蔽，并提示學(xué)生禁止使用敏感詞匯。

3 ?系統(tǒng)實現(xiàn)

為了保證系統(tǒng)的正常運行，對部署的硬件設(shè)備具有一定的要求。PC端：教師機(jī)CPU主頻3.4 GHz+，內(nèi)存4 GB+，硬盤100 GB+。移動端：手機(jī)CPU主頻1.5 GHz+，內(nèi)存2 GB+，儲存容量32 GB+。服務(wù)器端：主機(jī)CPU主頻3.9 GHz+，內(nèi)存8 GB+，硬盤1 TB+。

按照部署要求，在鄭州輕工業(yè)大學(xué)的一間多媒體教室進(jìn)行測試，將系統(tǒng)安裝在教師機(jī)上，依據(jù)使用說明，實現(xiàn)系統(tǒng)各項功能，完成測試實驗。

3.1 ?PC端功能實現(xiàn)

PC端（教師端）的實現(xiàn)使用了Qt5框架和C++編程語言。教師輸入服務(wù)器地址和房間號之后，PC端與服務(wù)器端建立TCP鏈接，PC端向服務(wù)端發(fā)送房間號，服務(wù)端收到信息后檢查房間號是否存在，或過長（應(yīng)小于等于20個字符），并將信息以JSON串的格式反饋給PC端。圖6是PC端實現(xiàn)界面，除此之外，另外包括顯示二維碼、設(shè)置彈幕字體、速度和透明度，是否允許彈幕、提問等功能。

3.2 ?移動端功能實現(xiàn)

移動端（學(xué)生端）的實現(xiàn)使用了Django框架和Python、JavaScript等編程語言。學(xué)生使用Android、IOS等系統(tǒng)手機(jī)上的瀏覽器掃描PC端生成的二維碼，便可進(jìn)行注冊、登錄系統(tǒng)、修改個人密碼等，除此之外，系統(tǒng)已實現(xiàn)了3.2.1～3.2.3節(jié)涉及的功能。

3.2.1 ?發(fā)射普通/提問彈幕

學(xué)生只需要在系統(tǒng)輸入需要發(fā)送的彈幕內(nèi)容，選擇相應(yīng)的彈幕顏色，在彈幕類型中選擇普通或提問，點擊發(fā)射按鈕，便可實現(xiàn)此功能。如圖7所示，其中圖7（a）為移動端彈幕發(fā)射界面，圖7（b）為彈幕的PC端實現(xiàn)界面。

3.2.2 ?彈幕數(shù)據(jù)分析

為了方便學(xué)生查看已發(fā)射的彈幕信息，系統(tǒng)提供了彈幕數(shù)據(jù)可視化查詢功能，利用Highcharts技術(shù)，結(jié)合彈幕信息，將數(shù)據(jù)以圖表的形式顯示。Highcharts是一個用純JavaScript編寫的一個圖表庫，可以簡單便捷的將交互性的圖表添加到Web網(wǎng)站或Web應(yīng)用程序中，支持的圖表類型有折線圖、面積圖、直方圖、餅圖、散點圖和綜合圖表。本系統(tǒng)使用Highcharts的柱狀直方圖形式對數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，其效果如圖8所示。

系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置近七日的數(shù)據(jù)信息顯示，圖8（a）中“總量”表示為在同一個房間，所有學(xué)生發(fā)射的彈幕總數(shù)量，其中灰色部分表示提問總量，藍(lán)色部分表示普通彈幕總量?！拔业摹北硎緦W(xué)生個人發(fā)射彈幕的總數(shù)量，其中棕黃色部分表示個人提問總數(shù)量，綠色部分表示個人普通彈幕總數(shù)量。圖8（b）中藍(lán)色部分表示個人提問占總提問的百分比，灰色部分表示個人發(fā)射普通彈幕占總普通彈幕的百分比。最后顯示近七日個人提問問題信息。

3.2.3 ?敏感詞匯過濾

在限制輸入文本字?jǐn)?shù)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)自動檢測輸入的文本是否含有敏感詞，如果含有敏感詞，系統(tǒng)禁止發(fā)射彈幕，并提示學(xué)生禁止使用敏感文字，如圖9所示。

3.3 ?服務(wù)器端功能實現(xiàn)

服務(wù)器在Window平臺上搭建，采用的是Apache HTTP Server和MySQL數(shù)據(jù)庫。后臺服務(wù)器為系統(tǒng)提供基本的信息服務(wù)接口，包括基本信息獲取、統(tǒng)一身份認(rèn)證、集中權(quán)限管理、統(tǒng)一事件記錄等基本服務(wù)。為了保證系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)的安全性和便利性，系統(tǒng)接口設(shè)計采用了一定的規(guī)范。首先，參數(shù)中包含敏感信息的接口使用POST方法代替GET方法，用來防止敏感信息泄露。其次，接口返回給PC端或者移動端的數(shù)據(jù)格式采用常用的JSON格式，該格式比較輕巧、簡潔，每個平臺都有成熟的解析方案。同時，所有返回的JSON信息都符合統(tǒng)一的格式規(guī)范，方便PC端或移動端做進(jìn)一步處理。

4 ?結(jié) ?論

本文設(shè)計與開發(fā)的面向高校課堂的實時彈幕系統(tǒng)具有操作簡單，便于使用以及對軟硬件環(huán)境要求不高等特點，對課堂互動教學(xué)活動具有顯著的正向支持作用。彈幕課堂系統(tǒng)的測試情況表明，系統(tǒng)對活躍課堂氣氛，增強(qiáng)師生之間的互動性具有明顯效果。系統(tǒng)的下一步改進(jìn)之處在于，由于網(wǎng)絡(luò)敏感詞匯更新速度較快，基于網(wǎng)絡(luò)爬蟲的手動敏感詞匯收集、使用具有一定的局限性，仍有許多敏感詞匯未及時收集，使得系統(tǒng)的敏感詞匯過濾功能存在一定的不足。后期的研究開發(fā)工作將結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)敏感詞匯在線收集、檢測功能，進(jìn)一步對系統(tǒng)進(jìn)行完善。

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作者簡介：鄭遠(yuǎn)攀（1983—），男，漢族，河南鄭州人，副教授，博士， 研究方向：應(yīng)急平臺信息技術(shù)，人工智能，大數(shù)據(jù);圖像處理與模式識別;通訊作者：牛依青（1998—），女，漢族，河南鄭州人，碩士在讀，研究方向：圖像處理，計算機(jī)視覺;陳廣玉（1996—），女，漢族，河南信陽人，碩士在讀，研究方向：圖像處理，計算機(jī)視覺;黨顯宇（1999—），男，漢族，河南駐馬店人，學(xué)士在讀，研究方向：人工智能，大數(shù)據(jù);王澤宇（1989—），男，漢族，河南鄭州，講師，博士，研究方向：計算機(jī)視覺，深度學(xué)習(xí)。