硕士论文-基于流媒体技术的在线辅助教学系统设计与研究.pdf

北京交通大学 硕士学位论文 基于流媒体技术的在线辅助教学系统设计与研究 姓名：高鹏 申请学位级别：硕士 专业：信息管理 指导教师：邵丽萍 20090601 中文摘要 摘要：流媒体技术应用在网络教学上，使得传统意义上的教学方式转变为生动形 象的影音、广播教学、语音教学、教学示范、消息发送、网络影院、远程管理和 教学点播模式。它可以以其灵便连通的特点和友好高效的交互实现双向交流，模 拟一个虚拟的“面授”空间，为师生在空间和时间上都提供极大的便利。 本文内容在逻辑上可以分为以下五个部分：第一部分是引言，包括课题的提 出，研究的意义，在线教学的发展状况，论文的研究内容，U M L 建模的优缺点； 第二部分是在线辅助教学的理论基础，包括建构主义教学理论要素，在线辅助教 学的设计特点，面向对象的相关概念，逻辑建模过程；第三部分是在线教学的技 术支持基础，包括传统流媒体技术，F M S 流媒体服务，应用层的传输控制协议， F M S 的通信组件，F l a s hR e m o t i n gM X ；第四部分是在线辅助教学系统的分析与设 计，包括在线辅助教学系统的需求分析，系统U M L 基本模型，系统类设计，系统 结构模型，系统数据库设计；第五部分是在线辅助教学系统地实现与总结，包括 系统是实现与演示，系统创新与特色，全文总结和进一步研究的问题。 本文以建构主义教学理论和U M L 建模理论为理论基础，围绕在线教学的特点， 结合语音视频技术的发展，探讨了传统主流流媒体技术的相关协议和用途，并对 比传统流媒体技术的特点，介绍了一种新的不仅具有流视频更具有交互应用程序 开发能力的技术F M S ( F l a s hM e d i aS e r v e r ) ，利用F M S 展开如何实现同步传 输音视频流和交互式W e b 教学系统的应用研究：通过U l | I L 建模对系统进行分析和 设计，研究了系统的主要功能和实现方法，具有一定的实用性和创新性。 本文的意义在于将理论知识与新技术融入到实际的项目中去，通过对在线辅 助教学系统地分析设计和研究，为在线辅助教学的模式提供一个新的发展方向。 关键词：F l a s h 媒体服务器( F M S ) ；实时信息协议；流媒体；U M L 建模；交互教学； 实时教学 分类号： 请输入分类号( 1 2 ) ，以分号分隔。】 A BS T R A C T A B S T R A C T ：T h ea p p l i c a t i o no fF l a s hm e d i at e c h n i q u e si nw e bt e a c h i n g e n a b l e sa c o n v e r s i o no ft r a d i t i o n a lt e a c h i n gm o d ei n t o av i v i df i l mm o d e ，a sw e l la sr a d i o t e a c h i I l 吕a u d i o v i d e ot e a c h i n g , t e a c h i n gd e m o n s t r a t i o n s ，m e s s a g i n g , w e bt I l e a 仃骼， r I o m o t em a n a g e m e n t ，t e a c h i n go n - d e m a n de t e T h ec o n v e n i e n tc o n n e c t i o na n dh i g h l y i n t e r a c t i v ee x d l a n g em i m i cav i r t u a ls p a c eo f v i s a - v i s t e a c h i n g , w h i c hf a c i l i t a t e t e a c h e r sa n ds t u d e n t si nt i m ea n ds p a c e I I lt h j sp a p t h ec o n t e n tc a nb el o g i c a l l yd i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n g f i v ep a r t s ：T h e j f i r s tp a r ti st h ei n t r o d u c t i o n ：i n c l u d i n gt h ep r o p o s e di s s u et os t u d yt h es i g n i f i c a n c eO t t h ed e v e l o p m e n to fo n l i n et e a c h i n g , r e s e a r c hp a p e r s ，U M Lm o d e l i n g o ft h ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e s ；T h es e c o n dp a r ti s o n l i n es u p p o r t i n gt h et h e o r e t i c a lb a s i sf o r t e a c h i n g ：t e a c h i n gt h e o r yi n c l u d i n gt h ee l e m e n t st o b u i l d ，o n - l i n ed e s i g nf e a t u r e st o s u p p o nt e a c h i n g , o b j e c t - o r i e n t e dc o n c e p t s ，l o g i cm o d e l i n gp r o c e s s ；T h et h i r dp a r t i st h e t e c t m i c a ls u p p o r to fo n l i n et e a c h i n g , i n c l u d i n gt r a d i t i o n a ls t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g Y , F M Ss t r e 锄i n gm e d i as e r v i c e s ，t h ea p p l i c a t i o nl a y e ro ft h e T r a n s m i s s i o nC o n t r o l P r o t o c 0 1 F M Sc o m m u n i c a t i o nc o m p o n e n t s ，F l a s hR e m o t i n gM X ；f o u r t h p a r tl S ： o n l i n e - a i d e dt e a c h i n gs y s t e m sa n a l y s i sa n dd e s i g n ：i n c l u d i n go n l i n e 。a i d e d t e a c h i n g s v s t 锄n e e d sa n a l y s i s ，s y s t e mU M L b a s i cm o d e l ，t h es y s t e mt y p eo fd e s i g n ，s y s t e m 砌i t e c t u r em o d e l ，d a t a b a s ed e s i g n ；t h ef i f t hp a r ti s ：o n l i n e a s s i s t e dt e a c h i n gs y s t e mt o a c h i e V e 觚ds u m m e du p ：t h es y s t e mi s t oa c h i e v ew i t ht h ep r e s e n t a t i o n ，s y s t c I I l i n n o v a t i o n 锄dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef u l lt e x to f as u m m a r ya n df u r t h e rr e s e a r c h B a s e do n 廿l ec o n s t r u c t i v et e a c h i n gt h e o r y , w ef o c u s e d o nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw e b t e a c ：h i n 氍a n d ，d i s c u s s e dt h e r e l e v a n tp r o t o c o l sa n du t i l i z a t i o n s o ft h et r a d i t i o n a l m a i n s 缸e 锄F l a s hm e d i at e c h n o l o g y i nc o m b i n a t i o nw i t h t h e d e v e l o p m e n t i n a u d i o v i d e ot e c l u l o l o 西e si n t h i sp a p e r I nc o m p a r et ot h ef e a t u r e so ft r a d i t i o n a lF l a s h m e d i at e c h n 0 1 0 9 i e s ，w ei n t r o d u c e da n e wd e v e l o p m e n t a lt e c h n o l o g yt h a ti sF l a s hM e d i a S e r v e r ( F M S ) w h i c hn o to n l y h a sF l a s hv i d e ob u ta l s o i sc a p a b l eo fd e V e l o p i n g i n t e r a c t i v ee x e c l l t i v ep r o g r a m s W eu s e da n ds t u d i e dt h ea p p l i c a t i o n o fF M Sw i t ha u d i o a n dv i d e ot e c h n o l o g i e st r a n s m i t t e ds y n c h r o n o u s l yi nr e a l - t i m ed y n a m i ca u d i ot e a c h i n g s y s t e m B yu s i n gU M Lm o d e l i n gt oa n a l y s i sa n dd e s i g nt h es y s t e m ，m a j o rf u n c t i o n s a n d m e t h o d so fr e a l i z a t i o nh a v eb e e ni n t r o d u c e da sw e l la sc e r t a i na p p l i c a t i o na n dc r e a t i v i t y o ft h i ss y s t e m T h i sa r t i c l ei sa b o u tt h et h e o r yo fk n o w l e d g ea n dn e wt e c h n o l o g i e si n t op r a c t i c a l p r o j e c t s ，a n dt h r o u g h0 1 1 - l i n es y s t e mt os u p p o r tt e a c h i n ga n dr e s e a r c ht oa n a l y z et h e d e s i g nf o r t h eo n l i n em o d eo ft e a c h i n ga i d st op r o v i d ean e wd i r e c t i o no fd e v e l o p m e n t K E Y W O R D S ：F l a s hM e d i aS e r v e r ( F M S ) ：R e a l - t i m eM e s s a g i n gP r o t o c o l ( R T M P ) ；S t r e a m i n gM e d i a ；U M L ；F l o wM e d i aT e a c h i n g ；I n t e r a c t i v eR e a l - T i m e T e a c h i n g C L A S S N O ：【请输入分类号，以分号分隔。】 V 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：高鹇 签字日期：刀叶年0 6 J 习2 2 H 7 0 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：高同鹏 签字日期：丑扩P 年D 加2 2 日= 嘉麓 签字日期：矽年月五日 致谢 本论文的工作是在我的导师邵丽萍副教授悉心指导下完成的，邵老师严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。 邵丽萍老师在科研项目过程中都给了我悉心的指导，让我学到了许多宝贵的 项目研究思想和经验，在此向邵丽萍老师表示由衷的感谢。 在项目进行及撰写论文期间，周吴尧等同学对我的项目和论文中的研究都给 予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1 课题的提出 1 引言 我们生活在一个信息时代，语音视频技术在互联网媒体传播和应用方面已渗 透到社会的各个角落，其中视频会议、视频点播、远程教育、电视转播等方面的 应用空前广泛，极大的方便了人们的信息获取和情感交流。在教学领域，实现异 地化、网络化的教学模式受到越来越多人的关注和重视。 网络技术的特点决定了网络教学不仅可以实现传统的广播、电视传播的基本 模式单向传播教学内容，更以其灵便连通的特点和灵活高效的互动实现师生 之间的双向交流。它是对传统教学模式的一次革命，能够集教学与管理于一体， 突破传统网络教学只能是异步交流的局限，为师生在空间和时间上都提供了极大 的便利。 自2 0 世纪8 0 年代以来，面向对象的方法已广泛应用于计算机及其相关领域， 它不仅应用于编程阶段，而且应用在系统设计和系统分析上。面向对利用设计在 控制系统中的应用减少了控制系统的费用、提高了系统的易用性、加强了系统的 可维护性，因此成为控制系统的发展方向。控制系统中的面向对象设计主要分为 两部分： 1 面向对象编程 面向对象编程实现了编程的简单化和可视化，从而大大减少编程人员的工作 量。同时对象中的成员及函数均由专业人员反复测试和检验过，出错的可能性也 因此显著降低。相对于传统的编程语言，缺乏编程背景的建筑设备工程师可以熟 练运用“对象”来完成他所需的控制任务，而不需要软件人员的帮助。 2 面向对象的协议 协议是控制系统相互之间通讯的基础，面向对象设计必须由面向对象的协议 来完善。传统的集散式控制系统( D C S ) 主要由模拟量输入( A I ) 、模拟量输出( A o ) 、 数字量输入( D I ) 和数字量输出( D O ) 构成控制系统的各个通道，它们之间彼此 相互独立。面向对象的底层协议将数据的解释、分类和判断由前期设计人员完成， 使无用的数据变成有用的信息，大大方便了工程人员的应用。 本文基于U M L 进行面向对象的系统分析及设计方法，包括静态建模和动态建 模；提出了一种实用的基于U M L 的需求分析及建模方法，以活动图建模型来表达 j 匕立交道厶堂亟 堂僮途塞曼l宣 业务模型，以概念层的对象图、状态图及交互图模型表达系统的结构逻辑及行为 逻辑，以应用例图表达系统需求。 全球信息化是多媒体网络教学发展的必然趋势，如何构建网络环境下的教学 模式，对于我们来说是一个新的课题。知识经济的到来，对于2 1 世纪的人才培养 模式、教育模式提出新的挑战，发展创新教育，培养创新性人才是我们面临的又 一个新的课题。 1 2 研究的意义 引人入胜的学习体验是优质教育的基础，学生想快速有效地学习任何东西， 提高学习效率，你就必须看它、听它和感觉它，形象生动的音视频信息能为人类 的学习提供最生动、真实的场景，促进学习者有效学习。它具有提供多种感官刺 激、具有丰富的表现力、教学过程的可分离性等多方面优点，因此，利用语音、 视频技术来实现实时动态的网上教学系统成为当前的热门话题。在网络环境下， 由于虚拟的教学环境，师生处于准分离的状态，而教学过程只有通过交互，师生 才可以做到互相激发，互相促进，加深了解，从而建立一种融洽、和谐的网络教 学环境，增进师生之间的感情，增强学生参加网络学习的信心，激发学习的积极 性。具有同步的，交互性的类似虚拟教室的在线教学系统作为网络教学的一个重 要组成部分，可以填补目前的教学系统大多采用基于传统文字、图形和非交互式 的多媒体形式。此类教学系统具有如下的一些特点： ( 1 ) 实时交互性：符合人们在接受教育时的传统习惯，使网络教育以更低的 成本和更高的效率，达到与现实教育完全相同的效果。 ( 2 ) 易操作性：完全基于普通浏览器操作，不需要安装特别的支持软件，不 增加教师和学生的使用负担。 ( 3 ) 多媒体性：除文字、文件的交互外，还支持音频和视频交互，可增加师 生问的感性交流，使课掌气氛更为真实、热烈，增强虚拟课堂的凝聚力。 ( 4 ) 可控制性：与目前流行的聊天室和B B S 不同，系统本身通过权限管理， 能有效保持课堂秩序，提高上课的效率。 ( 5 ) 实用性：有效整合利用原有教务系统中的数据，提高系统的规范性和实 用性。 1 3在线教学的发展状况 2 现代教育技术依托互联网技术大力发展和推广网络教学，开展一系列的网络 教学活动，如在线授课、在线提交作业和批改作业、在线答疑、在线讨论、在线 考试等等，使网络活动能够实现离线异步师生交流活动，对于在教学过程中的一 个重要环节教学，目前的大多数在线教学系统还局限在网上异步教学的方式， 主要由三部分组成：在线多媒体课件系统、在线多媒体教室系统和在线远程教育 系统。 1 在线多媒体课件系统 课件本身是具备一定教学功能的教学软件。多媒体课件实现文字、图形、视 频图像、动画及声音等多种信息的交互传递，从而有利于实现和发展以学习者为 中心的开放型教学模式，提高C A I 系统的教学效果。将大量的多媒体课件分类整 理，放置在多媒体课件服务器上，构成了多媒体课件库。作为开发在线多媒体教 室系统和网络远程教育系统的基础，多媒体课件服务器可以提供任何时间、地点 的访问，实现按需学习和补充课堂教学以及进行远程教育。 2 在线多媒体教室系统 在线多媒体教室系统是在一个教室中建立的局域网络系统，系统中设有服务 器( 教师机) 、若干数量的工作站( 学生用机) ，教师将C A I 软件或者电子教案放 入网络服务器，通过操作把来源于多种教学设备的信息通过投影仪或学生屏幕展 现在学生面前，以达到传递图像、文字、声音等多媒体相关教学内容。在教学过 程中，将授课内容从教师机实时地传输到学员的计算机屏幕上，进行实时讲授、 讨论、辅导、讲评等多种形式的课堂教学。此类系统多用于中小学的信息实验课。 3 在线远程教育系统 该系统主要通过三种服务器来实现上述目标： ( 1 ) 多媒体课件服务器用于提供多媒体课件资源库和教学管理资源库。多媒 体课件资源库是基于W W W 技术实现的，采用H T M L 超文本标记语言，具有与传 统文件不同的多媒体特性和超文本链接形式，使网络中的文档格式统一，易于浏 览、修改，并适应于网络环境。资源库还存放教师的电子讲稿、应用软件、习题 答案等。教学管理资源库完成远程站进行管理的功能，包括：远程教学课程介绍、 学生注册、选课、学分登记、学籍管理及远程站的信息交流等。 ( 2 ) E m a i l 服务器提供电子邮件服务。利用电子邮件、电子公告板形式进行 远程答疑。在E m a i l 服务器中为每位任课教师开设电子信箱，按课程分类在电子公 告板中开设讨论区、公告栏及教师工作室。教师可以通过邮件、公告栏发布信息， 开展教学辅导，批改作业，公布试题答案并回答学生问题。 3 ( 3 ) F T P 服务器用于文件传输，同时提供远程登录服务。 上述三种类型的教学模式尽管解决了学习的时间地点和大量教学资源展示等 方面的一些问题，但还是存在一些弱点，每种模式只能体现一种特点：比如对于 多媒体课件系统和网络远程教育系统，如果学生在学习过程中有什么问题，教师 不会在第一时间内发现，师生问往往不能进行多方面交流，这样最大的弊端就是 沟通不及时，学生很难真正具有深层次的主动选择权。而在线多媒体教室系统在 空间上使师生受到局限，师生必须到指定的同一个教室中，在线优势的作用发挥 不大。因此，目前的在线教学系统大多不能在教学的时实性，交互性，表现方式 的生动性、丰富性等方面有效结合，完美统一。 由此可见，交互性的在线实时教学系统在网络教学活动中的应用不多，而实 时性和交互性在在线教学过程中对教学效果的影响却非常重要，它是解决学习过 程中存在问题的主要方式，是在线教学系统开发中的研究方向和重点之一。 1 4 论文的研究内容 目前，流媒体技术应用于网络教育上，表现为视频点播和视频直播两种主要 方式。视频直播和点播的传播方式，使得传统意义上课本式的教学方式转变为生 动形象的影音、广播教学、语音教学、教学示范、消息发送、网络影院、远程管 理、教学点播等模式通过互联网传播丌来。本文基于流媒体技术的实时性特点， 探讨了当前主流的流媒体主要相关协议和用途，同时探讨如何基于网络流媒体技 术来实现实时网络教学活动。并以F M S 为技术实现手段，来探讨如何实现具有音 视频等实时传输功能的交互式教育辅助系统：“基于流媒体技术的在线辅助教学系 统。研究的具体内容如下： ( 1 ) 研究了现代在线教学的理论基础建构主义教学理论及其三大要素， 分析了在线教学的特点，以此指导系统的开发。 ( 2 ) 对比当前主流的流媒体技术的相关传输方式、用途和使用的协议，提出 了利用F M S 流媒体技术来开发在线教学应用系统程序的优越性。 ( 3 ) 研究F M S 流媒体服务器的模型架构，如何使用的R T M P 通讯协议、如 何使用连接对象进行网络通信，如何使用F l a s hR e m o t i n gM X 链接W 曲服务器、 关系数据库等其它应用服务器的方法。 ( 4 ) 根据F M S 流媒体技术的特点，研究了客户端与服务器交互的通信方式： 数据流和共享对象，利用它们实现了在线教学中的语音视频教学，电子白板教学， 4 文字聊天互动教学，课件播放等功能，给学生和教师提供了实时交流的通道。 ( 5 ) 设计了一个完整的在线教学系统的结构，包括客户端，服务器和后台数 据库的管理。为完善整个在线教学系统，方便进行教学管理，还设计了安全登录 登出、教师特权功能、课时统计、在线人员统计等功能。 1 5U M L 建模的优缺点 随着面向对象技术成为研究的热点，相继出现了几十种支持软件开发的面向 对象方法。其中B o o c h ，C o a d Y o u r d o n ，O M T 和J a c o b S o n 的方法在面向对象软件 开发界得到了广泛的认可。B o o c h 方法的优点在于其丰富的符号体系；R u m b a u g h 的O M T 方法从3 个视角描述系统，相应地提供了3 种模型对象模型、动态模型和 功能模型；C o a d Y o u r d o n 方法严格区分了面向对象分析( O O A ) 和面向对象设计 ( O O D ) 。 该方法利用5 个层次的活动来定义和记录系统行为、输入和输出；J a c o b s o n 基于流媒体技术的在线辅助教学系统的设计与研究方法与上述3 种方法有所不同， 他涉及到整个软件生命周期，包括需求分析、设计、实现和测试等4 个阶段：而 统一建模语言U M L ( U n i f i e dM o d e l i n gL a n g u a g e ) ，结合了B o o c h ，O M T 和J a c o b s o n 方法的优点，统一了符号体系，并从其他的方法和工程实践中吸收了许多经过实 际检验的概念和技术，U M L 作为一种标准的建模工具已经得到世界的认可，成为 国际标准。 U M L 是独立于那些传统设计语言之外的一种语言。因为U M L 并不依附于某 种语言，而且它被用作是联系沟通J a v a 、C + + 、S m a l l t a l k 等语言的基础工具。通过 使用U M L ，可以在开始编码之前规划好整个系统，并且开发人员清楚自己所负责 的模块在整个系统中所起的作用。 更为重要的是，U M L 可以帮你记录下从设计就开始出现的错误，要知道糟糕 的设计会带来一系列的麻烦。设想一下，在源代码编制到一半的时候，你突然发 现你所需要的信息己经枯竭了，但你却没有办法重新取得信息，因为你没有引用 O b j e c t ，甚至于你引用了o b j c c t ，然而信息确是非p u b l i c 的。显然的，你将花费数 天时间来找出代码的变化。 U M L 可以帮您摆脱如下一些困境：代码随着细节的增多而累积，因此，查找 哪些是系统的基本要素，了解o b j e c t s 之间的关系如何以及它们之间怎么联系都会 变得困难起来。因此决定一个对象的功能被分配到协作中的设置是一项主要的工 作。甚至有时只是改变一个方法的名称那样简单事情，也很可能导致一个很长的 丝立交适态鲎亟堂位j 金塞里I直 编辑编译错误循环。 作为一种标准的图形化建模语言，U M L 有如下几个方面的特点： ( 1 ) U M L 结合了B o o c h 方法、O M T 方法和O o S E 方法的概念，统一了面 向对象方法的基本概念，是一个单一的通用建模语言； ( 2 ) U M L 的建模能力比其他面向对象方法更强，不仅适合于一般系统的开 发，更擅长于并行、分布式系统的建模； ( 3 ) U M L 是一种标准的建模语言，而不是一个标准的开发过程，他完全独 立于开发过程； ( 4 ) U M L 提出了许多新的概念，如构造型、职责、扩展机制、模式等等。 所以，U M L 的出现意味着开发方法统一化、标准化的新发展，标志着软件自 动化进程又迈进了一步。 6 2 在线辅助教学的理论基础 2 1建构主义教学理论要素 所谓建构主义( C o n s t m c t i v i s m ) 的网络教学是以皮亚杰提出的一种教学指导思 想即“以学生为中心，教师为指导”，借助于网络平台传授给学生知识的新型教学 方式建构主义教学理论为网络教学提供的理论依据，它主要强调以下几方面的因 素： 1 学生的主体作用和教师的主导作用并重 建构主义学习理论强调学习者是认知主体，是知识意义的主动建构者；同时 又没有忽视教师的主导作用，整个教学过程中由教师起组织、指导和促进作用。 网络教学进程中，学生处于传递接受学习状态，要提高学生的主体参与 程度，加强对学生的引导和帮助，促进学生自己寻找解决问题的途径，在问题解 决过程中已进行意义的建构。这其中包括搜集辨别信息、提出假设进行验证以及 与同伴合作流等环节。 教师在教学过程中的主要任务是激发学习者的学习兴趣，帮助学习者形成学 习机制，创设符合教学内容需要的多种情境和提示新旧知识之问的联系，帮助学 生进行识的迁移，组织“协作学习，把学习者的学习引向深入，监控学习者的学 习活动，适时给予引导和帮助。 2 创建真实的、多样化情境 建构主义学习理论认为，学习活动是在一定的情境即社会文化背景下进行的， 且学习环境中的情境必须有利于学习者对所学内容的建构。创建和设立符合学生 认知发展平的情境，找到学习内容与学生认知结构的结合点，在创设自然科学领 域中的学习境时，用最符合学生认知心理的外部刺激去促进他们对新知识的消化 和吸收，完成义的建构。利用多媒体技术与网络通信技术搭建逼真的情境，有助 于调动学生的所有感官和过去的经验去探索与解决问题。而只有在真实情境中的 问题才具有挑战性和实际意义。创设从各个侧面、各个角度表征知识的多样化情 境，为学生的探索提供多路径，促进知识的融会贯通。真实的、多样化的情境， 是进行支架式教学、抛锚式教学和随机进入教学的前提条件。 3 开展“交互式学习” 7 建构主义学习理论主张“协作学习贯穿在整个学习过程的始终。由于知识 的复杂性，学生不可能对知识有全面的理解，由于情境中问题的艰巨性，学习者 不可能完全独立解决，从而使教学过程中进行“交互式的学习”成为必然。那么 在网络教学过程也必须遵循这种主张来提高教学效果，学生与计算机、学生与教 师、学生与学生之必须进行动态的信息交互。 ( 1 ) 学生计算机 学生可以通过点播音、视频课件，访问网络站点进行学习。学生不受时问和 地点的限制，根据自己的需要选择教学软件资源、信息类资源，学习内容或查询 网上信息在认知工具计算机的协助下，学生的认知能力和解决问题的能力得 到发展。 ( 2 ) 学生教师 在学生与教师的交互过程中，教师对学生进行学习启发与指导，同时学生及 时将自己的学习结果反馈给教师。学生在情境学习过程中，遇到了问题可以与教 师一起同探讨问题，相互交流，可以通过电子会议系统、电子白板等实现同步协 作，也可通过E m a i l 、B B S 等实现异步协作。 ( 3 ) 学生学生 “协作学习可以在两个学生之间进行，也可以在多个学生之间进行；可以 在教师引导组织下进行，也可以直接在网上直接进行形式灵活多样的各种讨论。 在对同一题用不同观点进行分析比较的过程中，学生将超越自己的认识，丰富对 知识的理解，而且在对各种观点进行组织和改造的过程中，提高意义建构的能力。 2 2在线辅助教学的设计特点 计算机网络为建构主义教学模式下的主动探索、协作交流提供了无与伦比的 教学平台。网络教学打破了地域和时问的局限，实现了双向交互、实时多点交流、 广泛的传播、快捷的数据信息收集等多种功能，以网络通信技术、多媒体技术为 依托，为建构主义教学理论支起了新的学习模式下的技术框架。以建构主义为理 论指导的计算机网络教学系统在设计上应体现如下的教学策略：通过演示模式， 体现知识的意义建构过程，提高学生的主体参与程度，加强对学生的引导和帮助； 通过点播模式，提供丰富的资源；通过交互协作模式，实现技术的互动，创设有 意义的学习情境，促进学生对知识的意义建构。遵循以上教学策略，基于流媒体 的交互式W e b 教学除了拥有原有网络教学的特点外，还应该具备以下的一些特点： 1 实时性 网络教学的设计必须遵循科学的教学规律。应充分体现其教学性，包括教学 过程中的各个环节设计，都必须符合学生的认知规律。提高教学中的实时性，让 教师面对面对学生进行指导和交流，及时解决学习中遇到的问题，比学生自学要 起到事半功倍的效果。 2 多媒体性 由于网络在带宽方面的高速发展，使网络教学的流信息传输不再是瓶颈，为 了提高学生的学习兴趣，网络教学应是多种教学资源的优化组合，能提供图文并 茂的教学内容。创造真实的情境，用不同的表现方式传达教学信息，通过视、听 觉的形象系统通道和视、听觉符号通道刺激调动学生的所有感官强化知识的记忆 与理解，达到预定的教学要求。 3 交互性 师生交互既是学生主体地位的客观需要，也是适应个别化学习方式需求和解 决多样化教学问题的最好手段，只有拥有好的交互手段才会收到好的教学效果， 在提问与讨论中创造性的学习，让教师与学生，学生与学生之间通过网络进行双 向交流，不仅是人机交互、更要做到人与人的交互。 4 可管理性 构建主义教学理论提出的以学生为主体，教师为主导的教学理论，提倡学生 的自主学习，反对填鸭式的教育，但并不能因此忽略对学生的管理，学生个体性 的差异要求教师对学生的管理有侧重，在实时性的教学过程中，可以通过技术手 段统计学生的授课学时，提供统计报表和清单，可以很好的发现各学生的问题， 为教学管理提供依据。 2 3面向对象的相关概念 2 3 1传统开发方法存在的问题 1 软件重用性差 重用性是指同一事物不经修改或稍加修改就可多次重复使用的性质。软件重 用性是软件工程追求的目标之一。 2 软件可维护性差 9 软件工程强调软件的可维护性，强调文档资料的重要性，规定最终的软件产 品应该由完整、一致的配置成分组成。在软件开发过程中，始终强调软件的可重 用性、可修改性和可测试性是软件的重要的质量指标。实践证明，用传统方法开 出来的软件，维护时其费用和成本仍然很高，其原因是可修改性差，维护困难， 导致可维护性差。 3 开发出的软件不能满足用户需要 用传统的结构化方法开发大型软件系统涉及各种不同领域的知识，在开发需 求模糊或需求动态变化的系统时，所开发出的软件系统往往不能真正满足用户需 要。 用结构化方法开发的软件，其稳定性、可修改性和可重用性都比较差，这因 为结构化方法的本质是功能分解，从代表目标系统整体功能的单个处理着手，自 顶向下不断把复杂的处理分解为子处理，这样一层一层的分解下去，直到仅剩下 若干个容易实现的子处理功能为止，然后用相应的工具来描述各个最低层的处理。 因此，结构化方法是围绕实现处理功能的“过程”来构造系统的。然而，用户需 求的变化大部分是针对功能的，因此，这种变化对于基于过程的设计来说灾难性 的。用这种方法设计出来的系统结构常常是不稳定的，用户需求的变化往往造成 系统结构的较大变化从而需要花费很大代价才能实现这种变化。 2 3 2面向对象的基本概念 1 对象 对象是人们要进行研究的任何事物，从最简单的整数到复杂的飞机等均可看 作对象，它不仅能表示具体的事物，还能表示抽象的规则、计划或事件。 2 对象的状态和行为 对象具有状态，一个对象用数据值来描述它的状态。 对象还有操作，用于改变对象的状态，对象及其操作就是对象的行为。 对象实现了数据和操作的结合，使数据和操作封装于对象的统一体中。 3 类 具有相同或相似性质的对象的抽象就是类。因此，对象的抽象是类，类的具 体化就是对象，也可以说类的实例是对象。 1 0 类具有属性，它是对象的状态的抽象，用数据结构来描述类的属性。 类具有操作，它是对象的行为的抽象，用操作名和实现该操作的方法来描述。 4 类的结构 在客观世界中有若干类，这些类之问有一定的结构关系。通常有两种主要的 结构关系，即一般具体结构关系，整体部分结构关系。 ( 1 ) 一般具体结构称为分类结构，也可以说是“或”关系，或者是“i sa 关 系。 ( 2 ) 整体部分结构称为组装结构，它们之间的关系是一种“与关系，或 者是“h a s a 关系。 5 消息和方法 对象之间进行通信的结构叫做消息。在对象的操作中，当一个消息发送给某 个对象时，消息包含接收对象去执行某种操作的信息。发送一条消息至少要包括 说明接受消息的对象名、发送给该对象的消息名( 即对象名、方法名) 。一般还要对 参数加以说明，参数可以是认识该消息的对象所知道的变量名，或者是所有对象 都知道的全局变量名。 6 继承性 继承性是子类自动共享父类数据结构和方法的机制，这是类之间的一种关系。 在定义和实现一个类的时候，可以在一个己经存在的类的基础之上来进行，把这 个已经存在的类所定义的内容作为自己的内容，并加入若干新的内容。 继承性是面向对象程序设计语言不同于其它语言的最重要的特点，是其他语 言所没有的。 在类层次中，子类只继承一个父类的数据结构和方法，则称为单重继承。 在类层次中，子类继承了多个父类的数据结构和方法，则称为多重继承。 在软件开发中，类的继承性使所建立的软件具有开放性、可扩充性，这是信 息组织与分类的行之有效的方法，它简化了对象、类的创建工作量，增加了代码 的可重性。 采用继承性，提供了类的规范的等级结构。通过类的继承关系，使公共的特 性能够共享，提高了软件的重用性。 7 多态性( 多形性) 多态性是相同的操作或函数、过程可作用于多种类型的对象上并获得不同的 结果。不同的对象，收到同一消息可以产生不同的结果，这种现象称为多态性。 ( 1 ) 多态性分为如下两种： 编译时的多态性。编译时的多念性是通过重载来实现的。系统在编译时， 根据传递的参数、返回的类型等信息决定实现何种操作。 运行时的多态性。运行时的多态性就是指直到系统运行时，才根据实际情 况决定实现何种操作。 ( 2 ) 多态性大致有以下三种实现方式： 通过接口实现多态性。接口描述类需要实现的操作、属性和事件，以及每 个操作需要接收和返回的参数类型，但将操作的特定实现留给实现接口的类去完 成。多个类可实现相同的“接口”，而单个类可以实现一个或多个接口。这样实现 某接口的类都有此接口定义操作的不同实现方式。 通过继承实现多态性。多个类可以从单个基类“继承，子类不仅接受基 类的所有方法、属性和事件，还可以重写基类的操作以提供不同的实现。 通过抽象类实现的多态性。抽象类为多态的实现提供了极大的灵活性，因 为它同时提供继承和接口的元素。抽象类本身不能实例化，必须被继承。抽象类 的部分或全部成员可能未实现，该实现由继承类提供。己实现的成员仍可被重写， 并且继承类仍可以实现附加接口或其他功能。 2 4逻辑建模过程 面向对象软件开发方法已经成为现代软件工程的重要手段。这种机制将传统 的以数据为中心的软件开发方法，改变为同时关注数据的信息与功能，从而可以 开发出适应信息与功能变化的系统。统一建模语言( U n i f i e dM o d e l i n gL a n g u a g e ， U M L ) 是当今世界上面向对象开发领域中最激动人心的工具之一，也是目前应用最 为广泛的面向对象软件建模语言，其完整丰富的图形和符号为表达面向对象系统 模型提供了有力的支持。但是U M L 作为一种描述工具，而不是作为一种开发方法， 应用U M L 快速设计和表达系统模型，必须有有效的设计方法支持。 U M L 面向对象的开发理念用U M L 来表示，其逻辑建模过程大致可分为三个 阶段：用来描述需求用例建模、描述需求所建立的系统的静态建模、描述系统行 为的动态建模。它从不同的视角为系统的架构建模，形成不同的系统视图，另一 类为静态图，包括用例图、类图、对象图、组件图、配置图。另一类为动态图， 1 2 包括状态图、顺序图、活动图、协作图。 按照传统的逻辑建模过程分为三步：第一步描述需求，用U M L 就是使用用例 图来描述人们所要就系统的如何使用，第二步描述需求所建立的系统的静态建模 第三步是描述系统行为的动态建模下面针对这三步作具体介绍。 2 4 1需求建模 作为逻辑建模的第一步，需求建模是建立好系统的基础，他将决定系统设计 和实现。所以对需求的描述一定要清楚、细致、准确。他是对系统进行需求调研， 分析系统的业务流程图和数据流程图，以及系统中涉及的各级操作人员，识别出 系统中的所有用例和角色；接着分析系统中各角色和用例间的联系。 需求建模是指人们对于系统功能的要求的初步描述，而非具体的细节的详细 描述，是从整体的功能方面考虑。主要把系统所涉及的用户、系统实现的功能等 方面的表述，属于统一建模语言U M L 的结构建模机制。 在这个阶段需要用U M L 建模工具画出系统的用例图。 用例图是描述人们描述他们期望一个系统将被怎样使用。用例图显示的是有 关系的用户，用户期望系统提供的功能，以及用户自己需要为系统做出的贡献， 以便使系统的用户更容易地理解这些元素的用处，也便于软件开发人员最终实现 这些元素。 用例图表示如图2 1 所示： 参与者 2 4 2 系统静态建模 图2 - 1 用例图 用例 根据需求分析结果，识别用例，标识完成事件流的类，标识类的责任、属性 和关联，发现类的实例对象，建立对象图。为了利于理解和增加模型的可重用性， 大型复杂系统则需要构建管理较小组织单元的包图，如子系统模型的设计。建立 系统的初始静态结构模型，在系统迭代开发中再对初始静态模型进行细化，构造 完整的系统静态结构模型描述了系统中类的静态结构、定义系统中的类、表示类 之间的联系，同时也可以包括类的内部结构。 在此步骤当中需要用到类图和对象图。 类图( c l a s sd i a g r a m ) 用来表示系统中的类和类与类之间的关系，它是对系统静 态结构的描述。类用来表示系统中需要处理的事物。类与类之间有多种连接方式( 关 系) 。比如： 关联( 彼此间的连接) 、依赖( 一个类使用另一个类) 、特殊化( 一个类是另一个类 的特殊化) 或打包( p a c k a g e d ) ( 多个类聚合成一个基本元素) ，类与类之间的这些关系 都体现在类图的内部结构之中，通过类的属性( a t t r i b u t e ) 和操作( 0 p e r a t i o n ) 这些术语 反映出来。在系统的生命周期中，类图所描述的静态结构在任何情况下都是有效 的。 对象图是类图的变体。两者之间的差别在于对象图表示的是类的对象实例， 而不是真实的类。对象图是类图的一个范例( e x a m p l e ) ，它及时具体地反映了系统 执行到某处时系统的工作状况。 对象图没有类图重要，对象图通常用来示例一个复杂的类图，通过对象图反 映真J 下的实例是什么，它们之间可能具有什么样的关系，帮助对类图的理解。对 象图也可以用在协作图中，作为其一个组成部分，用来反映一