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面向服务架构的网络学习系统的研究与设计 面向服务架构的学习系统的研究与设计 摘要 进入2 1 世纪以来，我国的教育信息化建设蓬勃发展，越来越多 的大学提出要建设数字化校园。随着全国中小学“校校通工程”和“农 村中小学现代远程教育工程”的开展，许多中小学都可以方便的接入 因特网。为了更好的管理教学的数据和各种信息，提高教学效果，网 络学习平台成为各个学校教育信息化建设中的重要的环节。这种背景 下，涌现出了许许多多的基于网络的教学系统，它们促进了学习资源 的开放和教学改革。但是也存在一些问题，不同的系统之间不能互操 作和不能进化限制了教育资源的共享，造成了人力物力的浪费。 为了促进不同的教育系统之间的互操作，本文采用了软件工程领 域新的软件开发方法一面向服务的设计方法借鉴国外相关组织提出的 开发规范，来对传统的网络学习系统设计。由于基于面向服务的架构 的系统具有松耦合和模块化等特征，因此可以在一定程度上解决目前 网络学习系统之间不能互通的问题。本文将利用面向服务的建模方 法，抽取出不同类型的服务，然后对服务进行描述，然后通过w e b s e r v i c e 进行发布。这些服务通过组合和相互调用，就可以完成不同 的系统功能。因此可以实现软件复用和不同系统的互操作。本研究提 出的服务描述规范将会对以后开发者提供指导，同时也对我国教育技 术系统互操作标准的制定提供一些参考。 本文的研究方法主要有调查法和面向服务的建模方法。通过对不 同网络教育机构网络学习流程的调查，得出比较通用的网络学习的核 心的业务流程。然后利用面向服务的建模方法，将不同的业务逻辑封 装成服务，完成系统的架构设计。 本文的研究成果主要是网络学习的核心业务流程以及关于网络 学习系统的服务架构设计。通过对网络学习的核心业务流程进行抽象 和分解，可以得出不同类型的服务，这些服务可以为以后的网络系统 的互操作提供指导。这个服务设计规范符合我国国内的实际情况，同 时综合了国外不同规范的长处，具有一定的可操作性。 关键词：面向服务架构服务系统互操作w e b 服务 i l 北京邮电大学硕士论文面向服务架构的网络学习系统的研究与设计 t h er e s e a r c ha n dd e s i g no ne l e a r n g s y s t e mb a s e do ns e r v i c eo r 狲t e d a r c h i t e c m 瓜e a b s t r a c t i h ei n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e si nt h ef i e l do fe d u c a t i o na r e c o n s t r u c t e d a c t i v e l y s i n c et h e2 0 t hc e n t u r y a n dm o r ea n dm o r e u n i v e r s i t i e sa r ep l a n n i n gt od e v e l o pd i g i t a lc a m p u s m e a n w h i l e ，a st h e d e v e l o p m e n to f c o m m u n i c a t i o na m o n gs c h o o l sp r o g r a m a n d m o d e m d i s t a n c ee d u c a t i o np r o g r a mo fs c h o o l si nc o u n t r y ，m i l l i o n so fs c h o o l s c a na c c e s st oi n t e m e t i no r d e rt om a n a g et h ed a t aa n di n f o r m a t i o na b o u t t h ei n s t r u c t i o na n di m p r o v et h el e a r n i n gp e r f o r m a n c e ，w e bl e a r n i n g s y s t e m sb e c o m ep o p u l a ri nt h es c h o o l sa n dc a m p u s t h u s ，m a n yw e b l e a r n i n gs y s t e m sa p p e a ri np a s tt e ny e a r s t h e ye n h a n c et h es h a r i n go f l e a r n i n gr e s o u r c ea n de d u c a t i o nr e f o r m h o w e v e r , t h e r ei ss o m e t h i n g w r o n gw i t ht h e s es y s t e m s f o re x a m p l e ，i n t e r o p e r a b i l i t yc a nn o tb e g u a r a n t e e da m o n gd i f f e r e n tl e a r n i n gs y s t e m ，w h i c hl i m i tt h ei t su s ea n d c a u s et h ew a s t eo fr e s o u r c e i no r d e rt or e a l i z et h e i n t e r o p e r a b i l i t ya m o n gd i f f e r e n tl e a r n i n g s y s t e m ，t h ea u t h o ru s e st h em e t h o d so fs e r v i c eo r i e n t e da r c h i t e c t u r ei n t h es o f t w a r ee n g i n e e ra n dc o n s i d e r st h er e l e v a n ts p e c i f i c a t i o na b o u tt h e e - l e a r n i n gs y s t e mt od e s i g nt h et r a d i t i o n a ll e a m i n gs y s t e m d u et om a n y a d v a n t a g e sa b o u tt h es o f t 。c o u p l ea n dm o d u l e ，t h es o ac a ns o l v et h e p r o b l e mm e n t i o na b o v e 晰t ht h eh e l po fs e r v i c eo r i e n t e dm o d e l i n g m e t h o d s ，t h ea u t h o rd i s c o v e r ya n dd e f i n em a n ys e r v i c e sa n dp u b l i s ht h e s e s e r v i c e sw i t ht h et e c h n o l o g yo fw r e bs e r v i c e t h r o u g hc o m b i n a t i o na n d u s em u t u a l l y , m a n yd i f f e r e n tf u n c t i o nw o u l db er e a l i z e d ，w h i c hc a n a c h i e v et h er e u s eo ft h es o f t w a r ec o d ea n di n t e r o p e r a b i l i t y i nt h i sw a y , t h es p e c i f i c a t i o n so ft h i sr e s e a r c hw o u l dp r o v i d et h eg u i d e sw i t ht h e d e v e l o p e r ；a l s ot h e yc a nh e l pt h ec o m p o s i t i o no ft h es t a n d a r da b o u tt h e i i i 北京邮电大学硕士论文 面向服务架构的网络学习系统的研究与设计 i n t e r o p e r a b i l i t y t h em a i nr e s e a r c hm e t h o d so ft h i sr e s e a r c ha r es u r v e ya n ds e r v i c e o r i e n t e dm o d e l i n gm e t h o d s t h r o u g ht h es u r v e yo fp r o c e s sa b o u to n l i n e l e a r n i n g ，ac o n l l t l o np r o c e s sw o u l db eg e n e r a l i z e d t h e nt h ea u t h o r e m p l o yt h es e r v i c eo r i e n t e dm e t h o d st od i s c o v e r yt h ed i f f e r e n ts e r v i c e s a n dc o m p l e t et h ed e s i g no fm a i nf r a m e w o r k t h ea c h i e v e m e n t so fr e s e a r c h f o c u so nc o r ep r o c e s s e so fo n l i n e l e a m i n ga n dt h es e r v i c e o r i e n t e df r a m e w o r k t h r o u g ha b s t r a c ta n d r e s o l v et h ec o r ep r o c e s s e s ，m a n yd i f f e r e n ts e r v i c e sw o u l db eo b t a i n e d ， w h i c hc a nb eu s e da sg u i d e so fi n t e r o p e r a b i l i t y t h i sf r a m e w o r ka b s o r b s t h ea d v a n t a g e sa b o u tf o r e i g ns p e c i f i c a t i o na n dc o n f o r m st ot h er e a l c o n d i t i o no fc h i n a ，s oi th a so p e r a b i l i t ya n de a s yt or e a l i z e d k e yw o r d s ：s e r v i c eo r i e n t e d a r c h i t e c t u r e ，s e r v i c e ，s y s t e m o p e r a b i l i t y , w e bs e r v i c e i v 北京邮电大学硕上论文面向服务架构的网络学习系统的研究与设计 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，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邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：丛边立 本人承担一切相关责任。 e t 期：塑墨：丕：呈 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被 查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、 缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守 此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 烈、均飞 e t 期： 超鐾：墨：皇 日期：2 竺坠至 北京邮电大学硕士论文 面向服务架构的网络学习系统的研究与设计 1 1 问题的提出 第一章前言 近年来，世界各国的教育信息化发展迅速，促进了基础教育和高等教育的发 展。在这场轰轰烈烈的数字化浪潮中，大学逐渐为信息技术所渗透和包围，大学 的教学、科研和管理越来越倚重于计算机和网络技术。以美国为例，几乎所有的 大学和科研机构纷纷开发或者购买商用的教学管理系统来实现教学和教务管理， 根据e d u c a u s ec o r ed a t as e r v i c e2 0 0 6 年调查报告，已经有超过9 0 的美国大学开 始部署或者已经完成了w e b n 务。而且美国的中小学也开始利用网上课堂的形式 来开展教学。据北美网络学习理事会的统计结果，目前全美有1 0 0 万名从幼儿园 到高中的学生在虚拟课堂注册上课，入学人数在过去7 年里增加了2 0 多倍。该事一 理会预计，这一人数将继续以每年3 0 的比率增加。 与此同时，中国的教育信息化也发展迅速，从教育环境、教育模式到教育理 念、教育目标，都在这场冲击中发生着变革。随着全国中小学“校校通工程和 “农村中小学现代远程教育工程”的开展，许多中小学都可以方便的接入因特网。 各级教育部门为了实现优质的教育资源共享和管理也纷纷引进各种城域网或校， 园网的教学管理系统、教学资源库系统等等，这些系统也在一定程度上帮助了当 地的教育信息化建设，取得了明显的社会和经济效应。【l 】而且许多大学纷纷制定 数字化校园的发展规划，已经取得了很大进展，它不仅实现教学、科研、管理及 服务手段的现代化，更重要的是带来了人才培养的观念和教育理念的异常深刻变 革。 由于网络教学平台在教育信息化中发挥着基础性的支撑作用，近几年获得了 广泛的应用。多媒体网络教学已成为已具备现代化教学条件的中小学、高校信息 技术与教学课程整合最普遍的应用环境。计世资讯( c c wr e s e a r c h ) 分析数据显 示，利用多媒体网络教室进行教学的学校占3 6 7 。自从国内第一个网络教学平 台4 a 出现之后，涌现了十几个类似的软件产品；国外的网络教学支持系统也大举 进入中国市场，比如b l a c k b o a r d 和w e b c t 等。这些网络教学平台的使用促进了 优质教育资源的共享，为学生的学习提供了一个良好的支持环境，促进了教育的 整体发展。 然而，根据美国近十年的实践证明，美国高校依靠商业软件产品的做法带来 北京邮电大学硕士论文面向服务架构的网络学习系统的研究与设计 了许多难以解决的问题。最近的研究显示，在美国大学中“绝大多数院校的校长 和教务长都对他们当前正在使用的教育管理软件表示强烈不满意。对于那些最近 刚经历过某种校园管理系统建设的大学来说则更是如此。他们的不满主要集中 在三个方面：日益增长的软件成本无法令人满意的软件性能和日益受制于人的 压力 2 1 。 同时，大多数平台的功能设计上没有真正研究网络教学的发展规律， 都是盲目的相互参考和模仿现有的网络教学平台，各种网络教学平台的功能和形 式越来越同质化，功能在低层次上徘徊，没有跟上技术的发展和新的教学发展趋 势。【3 】 由此可见，网络教学平台发展中的诸多问题已经严重制约了它在教育中的应 用和巨大潜力。在这些问题中，尤以教育资源不能“进化”和“互联”问题最为 严重，不同机构的网络教学平台不能方便的扩展和增添新的功能。而且不同学校 的信息系统不能互联，造成了不同学校都需要重新投资建设系统，造成了人力和财 力的浪费，各个系统的优势也不能充分发挥出来，阻碍了教育资源整体优势的发挥。 1 2 研究思路和研究内容 针对以上问题，国内外的许多学术团体和研究者进行了卓有成效的探索取得 了一系列的研究成果。 针对数据和资源共享，国外的i m s 组织提出了s c o r m ( s h a r a b l ec o u r s eo b j e c t r e f e r e n c e m o d e l ) 和q t i ( 测试互操作) 标准，给出了学习资源和测试系统的数 据交互模型，为数据交换和资源的共享提供了一种解决方式，但是并未完全解决 系统互操作的问题。 近年来兴起的面向服务架构( s o a ) 的软件开发方法可以实现系统之间的互 操作，给我们解决测试系统的互操作问题提供了一种解决思路。根据s o a 方法和 思想，e d u c o m ( 美国大学校际交流委员会) 设立的i m s 项目发布了关于学习系统 的框架中包含了众多的服务和组件，j i s c ( u k sj o i n ti n f o r m a t i o ns e r v i c e s c o m m i t t e e ) 组织了许多大学进行测试互操作的相关服务的研究，已经提出了许 多与相关的规范。 本文采用s o a 的软件开发方法，参考i m s 和j i s c 的规范，总结国外有关组织 关于学习管理系统的研究成果，分析各自的优势与不足。并且根据国内的教育的 业务流程，提出一个基于s o a 的学习管理系统的架构，将数据和业务逻辑抽象和 封装为相应的服务，通过调用这些服务，就可以在一定程度上实现学习系统之间 的互操作和资源共享，同时也可以解决系统进化的要求。希望为以后的学习管理 系统的开发提出一个指导和思路。 2 北京邮电大学硕士论文面向服务架构的网络学习系统的研究与设计 1 3 研究方法 本文拟通过对现有主流网络教学平台软件的调查分析和文献研究，并结合作 者自身的研究与实践，对网络教学平台的发展结构与功能、平台设计，以及其它需 要进一步研究的问题进行系统分析。主要采用的研究方法如下： 文献调研，分析本领域的参考文献和国外的各种规范。 调查法。通过国家“十五”重大科技攻关项目“基于国产基础软件的b s 架构多 媒体系统研发及应用示范”课题的相关调查，获取中小学教师和学生对于网络 教学平台的期望和要求。 系统分析和比较研究，分析国内外已经开发的系统的优缺点。 面向服务的建模方法，从教育领域的实际业务流程出发，抽象出服务，然后 定义出组件。 解释结构模型法，根据各种实际需求，规定各种服务和组件之间的关系。 北京邮电大学硕士论文面向服务架构的网络学习系统的研究与设计 第二章研究概述 2 1 网络教学平台的发展现状 2 1 1 网络教学平台的起源和发展 2 0 世纪中期，随着计算机的发明和普及，计算机就开始用于教育领域。1 9 6 0 年，伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校开发了最早的计算机辅助教学系统p l a t o ( 自动教学用程控逻辑操作) 系统。该系统一直运作的9 0 年代中期此后出现了一 系列的程序教学机器。以后的发展方向朝着计算机辅助教学发展，促进了教育的 改革和发展。 1 9 6 9 年，现代互联网的雏形a r p a n e t 在美国投入使用。两年之后，i v a ni l l i c h 在他的书中描述了一个以计算机为基础的教育网络。这应该是最早描述网络用于 教学的思想。1 9 9 4 年，i b m 的l o t u sl e a r n i n gm a n a g e m e n ts y s t e ma n dl o t u sv i r t u a l c l a s s r o o m 的前身投入使用。同年，英国开放大学的“v i r t u a ls u m m e rs c h o o l ”应 用于认知哲学课程。它使学生可以在自己的家里运用电脑通过调制解调器链接入 网络，允许学生参与小组讨论，操作实验，交学费，听报告，提问问题以及进行 文献搜索和浏览原始的杂志出版物，而且还可以通过网络使得学生在一个项目小 组中协同工作，处理统计数据，准备和提交一定格式的个人或者小组的文件，展 示作品以及进行聊天等交互活动。这一切都是通过学生在家无需集中在一起。这 一实践是网络应用与教学的最早活动。 2 0 世纪9 0 年代中期，为了满足网络教学的发展需要，一些教育和商业机构开 始开发专门的教学系统。1 9 9 5 年，美国伊利诺依大学开发出基于网络的课程管理 系统，这一系统可以用来发布课程作业和信息，公布教学大概以及链接如一些其 他的相关网站。同时这个系统可以进行考试，记录学生的结果，从而跟踪学生的 成绩进步。在这之后，许多的大学开发了出了一大批的网络教学的系统，比如 m a n h a t t a n 虚拟教室，p i o n e e r 和n a t h a nb o d i n g t o nv l e 等。 1 9 9 7 年，商用的网络教学系统开始出现。许多的公司开始关注这一新兴的领 域，投入精力开发基于网络的教学系统。这一年w e b c t l o 的发布和b l a c k b o a r d 公司的成立，是商用网络教学系统开端的标志。一年后，m a r t i nd o u g i a m a s 开始 4 北京邮电大学硕士论文面向服务架构的网络学习系统的研究与设计 了对于m o o d l e 的研究，b l a c k b o a r d 发布了他的第一个在线教学系统c o u r s e l n f o 。 从那时起商用的网络教学系统开始大行其道，陆续出现了n i c e n e ti c a 2 ，思科的 网络学术管理系统( c n a m s ) 。这些系统的功能越来越强大，从最初的课程管理， 到网络通信，群组管理和考试引擎等。 2 1 世纪初，在网络的迅速发展的推动下，网络教学系统进入了百花齐放的时 代。商用的系统继续发展，i b m 、c i s c o 、o r a c l e 等大型的i t 公司都发布了自己的 网络教学系统。各个大学也在着手开发和改进自己系统。同时许多开源的网络教 学系统也开始出现，其中比较有代表性的是m o o d l e 和s a k a i 。各种网络教学系统 推动了教育领域的信息化，极大的方便了学校的教学和管理。 我国的网络教学系统的发展虽然起步较晚，但是也发展迅速。2 0 0 0 年6 月， 北京师范大学何克抗教授承担教育部委托研制项目“现代远程教学支撑平 台l 一为6 8 所高校的网络学院和教育部资助的2 0 0 多门“新世纪网络课程提供 有自主知识产权的统一教学支撑平台，该平台经权威专家鉴定，认为是我国第一 个功能最完备且实用的网络教学平台。之后国内陆续出现了北京师范大学的新叶 网络教学平台和校际通网络教学平台，上海交大的网络教学平台以及电大在线教 学平台系统和网梯教学平台等产品。这些教学平台和系统促进了我国的教育信息 化的发展，加快了学校等教育机构的教学和管理的信息化。 从网络教学系统的发展过程来看，这些系统从最初帮助教育机构开发教学资 源库，到后来支持和管理网络教学，都是围绕教学资源的管理和网络教学活动的 管理两方面的功能发展起来的网络教学平台。归纳起来，网络教学平台大体经历 了四个发展阶段： 第一阶段：普通的学习资源库，也称为内容管理系统( c o n t e n tm a n a g e m e n t s y s t e m s ，c m s ) 。在网络技术发展的初期，一些大学、公司和培训机构开始有意 识地开发专门的网络资源库，用来存储和管理教学资源，从而减少开支，使学习 者可以自主地学习，也丰富了知识的传播途径。但其功能仅限于资源管理，资源格 式与管理技术不统一，难以广泛共享。 第二阶段：学习管理系统( l e a r n i n gm a n a g e m e n ts y s t e m s ，l m s ) 。l m s 源于 培训自动化系统，具有用户注册管理、课件目录管理、学习者的信息数据记录等 功能，但一般不具备教学内容制作的功能。 第三阶段：学习内容管理系统( l e a r n i n gc o n t e n tm a n a g e m e n ts y s t e m s ， l c m s ) 。l c m s 是最初为高等教育开发的传统课件管理系统的发展版，旨在帮助没 有技术经验的教师或资源专家设计、创建、发布和管理网络课件。同时，l c m s 能 够对用户进行管理，可以跟踪学生的学习进度并及时调整以适合学习者的学习 需要。l c m s 使学习内容的共享和教学系统的交互成为可能。 北京邮电大学硕士论文面向服务架构的网络学习系统的研究与设计 第四阶段：通用网络教学平台( w e b - b a s e di n s t r u c t i o np l a t f o r m s ) 。通用网络教 学平台在既有教学系统的基础上，从对教学过程( 课件的制作与发布、教学组织、 教学交互、学习支持和教学评价) 的全面支持，到教学的管理( 用户与课程的管理) ， 再到与网络教学资源库及其管理系统的整合，集成了网络教学需要的主要子系 统，形成了一个相对完整的网络教学支撑环境。【4 】 2 1 2 各国网络教学平台的发展现状 目前世界各国的网络教育发展迅速，每个国家都通过各种技术手段来提升和 发展自己的网络教育，在网络平台的技术方面各有特色。 美国的远程教育发展历程主要有两个特点：一是实现了以视频会议系统为主 的实时远程教育，二是实现了以互联网为主的自主式远程教育。9 0 年代中期至现 在，宽带传播技术的应用进一步加快了信息高速公路的速度，不断使远程教育向 个性化和自主化发展。据美国全国教育统计中心统计：1 9 9 4 1 9 9 5 年度采用电视 双向沟通技术的占5 7 ，采用网络双向沟通技术的占2 2 ；1 9 9 7 1 9 9 8 年度这些数 字分别为5 6 和6 0 。总之，由于有了技术创新这个坚实的基础，美国的远程教 育正以惊人的速度在规模、层次和水平上不断向前发展。 在日本，网络教育多用在校内研究生和高校之间的课程交流上，主要利用 i s d n 和a t m 网络进行远程的双向电视教学，同时注重多媒体教材的建设并积极 开展网上教学实验。日本放送大学是文部省所属通过广播、电视、因特网等手段 进行远程教育的国立大学。 英国开放大学的教学以网络为基础，采用多媒体教学环境，应用c a i 课件。 为了保证质量，开放大学还提供了一系列辅助体系，比如学科和课程结构体系、 多媒体教材体系、质量保证体系和学生自主体系等。2 0 0 1 年2 月，英国高等教育 基金理事会拟定了一个雄心勃勃的“e u n i v e r s i t y 计划，计划通过英国已有j a n e t 当作超级j a n e t 网络系统，向全球提供远程教育。 目前国内网络教学平台的发展都进入了一个全新的阶段，新的产品层出不 穷，越来越多的教育机构，大型企业和事业单位都在开发和部署自己的网络教学 平台来实施远程培训和教学。其中国内的远程教学机构和试点高校在部署和实施 网络教学的实践中走在了全国的前面。其中，4 7 的试点高校利用卫星传输技术， 7 0 的试点高校采用视频会议传输技术，9 0 以上的试点高校采用基于w e b 的多 媒体网络技术。在实时同步教学方面清华大学主要采用了卫星、计算机网络等多 项先进技术，通过亚卫二号传输实时的视、音频远程教学课程；在交互式教学方 面北京邮电大学利用会议电视系统开展了远程教学，远程节点已达2 0 余个；在基 于w e b 的异步教学方面上海交通大学等单位在网站上推出了网络课程，并初步建 6 北京邮电大学硕士论文面向服务架构的网络学习系统的研究与设计 立起远程考试系统、网上交流系统、资源库系统、教学管理系统，形成了一个较 为完善的网上学习环境。【5 】 2 1 3 存在的问题 网络教学平台的发展给教育机构带来了很大的方便，提高了管理效率，节省 了运营成本，而且促进了教育资源的共享，传递了优秀的教育课程和教学经验， 提高了学习的效果，促进了远程教育的发展。但是根据美国近十年的实践证明， 美国高校依靠商业软件产品的做法带来了许多难以解决的问题。最近的研究显示， 在美国大学中，“绝大多数院校的校长和教务长都对他们当前正在使用的教育管 理软件表示强烈不满意。对于那些最近刚经历过某种校园管理系统建设的大学来 说，则更是如此。他们的不满主要集中在三个方面：日益增长的软件成本，无法 令人满意的软件性能和日益受制于人的压力【2 】。这一问题在我国的教育信息化 建设中也同样存在。目前国内外的教育信息系统尤其是网络教学平台存在以下几 个方面的主要问题： l 系统无法适应教学活动的不断扩展与变更的需求。 “软件进化”即软件系统的升级也可以模仿自然界的进化原理，在保留大 量符合要求的功能或组件的基础上，增加、减少或替换少量需要改变的功能或组 件，从而在较小的成本下实现软件的升级。【l 】目前的各级教育机构和企业组织各 自都有自己的管理系统，其中大部分的教育信息系统都是自成体系，无法适应具 体教育业务不断扩展与变更的进化的需求。 众所周知，目前我国正在进行教育改革，新的教育方法和教育模式正在不断 应用于教育管理和教学，因此随着教学和管理业务模式处在不断改变之中。对于 目前的教育管理系统来说，无法适应变化，永远处于一种新的系统替代旧的系统 的状态，而不能在已有的系统上进化发展。没有实现积累，应用永远处在单个部 门浅层次的水平，不能实现进化式发展，不能实现多个系统的聚合效应。【l 】 2 教育信息系统无法互联互通，信息孤岛制约教育信息化深层次应用发展。 随着互联网络的迅速普及，基于网络的信息系统的部署和实施日益成为主 要趋势，学习资源共享和教育信息系统互操作已经成为基本要求。学习资源共享 是指一个学习对象可被多个学习系统利用：系统互操作是指多个系统及组件之 间能够交换与使用彼此的信息。但目前教育信息系统建设却是条块分割，各部门 自行开发自己的系统，缺乏标准化、规范化和兼容性，信息资源难以共享，出现 了一个个“信息孤岛”，与网络共享的基本要求背道而驰。【l 】 3 缺乏针对性的网络服务。 由于网络教育系统具有实时交互性、大规模交互性和安全保证性，其底层网 7 北京邮电大学硕士论文面向服务架构的网络学习系统的研究与设计 络服务需要特别提供q o s 、m u l t i c a s t 、密钥管理、v p n 等相关技术。这些技术 本身是当前网络领域研究开发热点，同时更需要研制出支持网络教育系统的相应 网络支撑和服务系统。【5 】 同时基于虚拟现实技术和人工智能技术的发展，促进了学习者对于交互的需 求，智能答疑、虚拟实验室、电子白板和视频会议系统开始出现，可以改善目前 网络教学平台交互不足的状况。【6 】但是他们还处在研究阶段，实际部署和实验的 系统比较少。 4 教学平台的功能和形式同质化。 目前国内的大多数平台的功能设计上都是盲目的相互参考和模仿现有的网 络教学平台，各种网络教学平台的功能和形式越来越同质化，包罗了各种主要的 系统模块，但是并没有很好的将这些功能模块进行组合，所以它的功能在低层次 上徘徊，没有跟上技术的发展和新的教学发展趋势。【3 】 5 模块单一，学科难分 目前通用的网络教学平台是为所有学科教学而设计的平台，它的模块设计显 示出它的公用性，例如b b s ，聊天室、智能答疑、留言板等。但在实际教学中， 每门学科都有其特点，不能用统一的模式来实施它们的个性教学。由此看来现在 多数网络教学平台的比较单调，无法突现学科的特点，例如语文和英语等语言类 学科要注重感性情境的创设，网络教学平台对于文本、图画能很好处理，但对于 视频、音频资源，受硬件环境的制约，就无法进行将其整合到语言类学科的教学 中去；数学、物理需要较多的图形与公式，很多平台不能提供相应的编辑工具； 地理和生物等学科有自己的经常使用的图例和标记，但是网络教学平台也很少能 提供这些特殊的功能，同时生物课程中有很多分类，目前的许多平台并不能支持 方便的对分类目录进行管理的功能，这些分类内容及其相应目录的制作编辑和更 新经常需要花费教师大量的时间和精力。同时网络多媒体教学平台适用于文科教 学的较多，理科的较少，很多学科相关联的知识模块不能共享，就难以避免重复 建设，造成了资源的浪费。 6 接口独立，功能减弱 由于目前我国的网络教学平台设计没有一个统一的运行环境规范，所以很多 网络教学平台各有体系，或与操作系统不兼容，或与其他运用软件不兼容，例如 理科学习网站所需要的数学公式、物理化学的仪器图象等等，因为与w o r d 等文 字处理软件、仪器图像处理软件没有很好的接口，所以很难进行资源共享，甚至 是同一平台不同学科的资源也不能互相调用，这样就大大减弱了平台的作用。 7 不能跨平台和软硬件使用 现行的网络多媒体教学平台，他们的设计是特殊硬软环境下的产物，很多功 北京邮电大学硕士论文面向服务架构的网络学习系统的研究与设计 能没有普遍性，很多不适合低端设备用户，使得课堂教学中常有很多技术上的问 题出现，难以保证教学正常进行，教学质量也得不到保障。例如有些多媒体教学 平台不能在l i n u x 操作系统和f i r e f o x 浏览器下运行，而且不支持n c 等低端设备， 这样就不利于它在没有很高的软硬件配置的广大的农村地区的普及和推广。 8 个性化教学支持功能不强 目前的系统网页的制作者一般是专业的网络技术人员，教学思想比较落后， 没有调查不同学校的使用需求，他们的设计脱离了学生的实际，不符合不同年龄 阶段的学生的使用习惯和心理特征，所以难以产生好的效果。例如，对于小学生 来说，符合他们学习方式的平台应该有一些动画，来吸引小学生的兴趣，同时应 该给他们提供足够而清晰的教学支持和帮助信息。但是对于成人远程教育者来 说，应该重点建设的是时间管理的功能来促进他们自我管理时间，以及提供比较 简洁的界面和导航帮助他们快速进入学习页面。但是目前的不同的网络平台在这 一点上做的还是不够。 在实践中网络教学平台的以上问题已经越来越突出，严重制约了它的优势的 发挥。有些学校因为这些问题已经推迟了部署计划。即使已经使用的许多学校和 教育机构也发现目前的网络教育平台并没有显著提高学习成效，影响了教师和学 生使用网络教学平台的积极性。 2 1 4 学习管理系统发展的趋势 国内外的很多学者和组织一直致力于研究改进上述问题的方法，网络教学平 台的性能、可用性和效果也在逐步改善。由于受到建构主义学习理论和活动理论 的影响，加上计算机网络技术的迅速发展，w e b 2 0 技术的流行，以及相关标准 和技术的迅速推广，人们对数字化学习有了进一步了解和逐渐认同，网络教学平 台下一发展阶段将具有以下几个方面的明显趋势和特点： 标准化为了实现不同系统之问的资源和数据共享，e l e a r n i n g 标准的制 订和普及日益受到重视，国内外许多组织发布了资源和系统开发的标准。因此系 统设计必须考虑到对国际主流标准的兼容，否则其数据无法被其他平台识别和处 理，也无法兼容主流厂商的课程、资源等内容，不能大规模的部署和使用。因此， 标准化是网络教学平台未来发展的必然趋势。 开放性e l e a r n i n g 的普及和深入应用必然要求平台具有较强的开放性， 一方面能够和其他相关系统交换数据、互联互通，另一方面要能较好地适应需求 的快速变化，通过小代价的服务替代升级或者流程重组就能实现“按需定制”的 要求。具备强开放性的网络教学平台才能在未来要求复杂系统协作和动态演化的 环境下保持强大的竞争力。【3 】 9 北京邮电大学硕士论文面向服务架构的网络学习系统的研究与设计 个性化e l e a r n i n g 环境下学习者、课程、学习方式等方面的差异比面授 环境更显著，因此，优秀的网络教学平台必须满足这些个性化的需求，为风格各 异、起点不同的学习者提供合适的学习内容、学习活动和其他学习支持服务，同 时也需要为不同学科和学校的教师提供适合本学科和本阶段教学的支持工具，这 样才有利于促进教师实施更加灵活的教学策略，达到更好的教学效果。 虚拟化目前虚拟现实技术的发展为网络教学平台实现强交互性提供了 技术条件。电子白板、虚拟实验室和虚拟教室等网络工具和社区集成于网络教学 系统中，可以解决目前远程教学交互不足的问题，让学生和教师能够方便的交流 知识和情感，从而达到面授环境中的知识和情感等全面的教育。 智能化本体技术和人工智能技术的发展为网络教学平台向智能性的方 向发展奠定了技术基础。智能化的网络教学平台将能为学生的学习和教师的教学 提供更为强有力的支持，减少简单和重复性的操作，为学生提供更加实时的反馈， 还能为教师的教学提供准确的建议。 高级智慧共享传统网络教学平台强调学习对象的共享，下一代网络教学 平台将在此基础上，强调对设计层面的高级智慧进行共享和重用，不仅让优质的 教学内容借助信息技术得以分享，更让优秀的教学设计能为更多的教师和学习者 享用。同时不仅能够实现显性知识的储存和共享，而且还能够保存和发现和共享 隐形知识，从而促进高级智慧的共享，促进学生的学习效果。 分布式知识建构传统的网络教学平台强调通过网络来传递学习内容，下 一代网络平台将以促进学生分布式知识建构为重点，强调学生在与他人的讨论与 交流中完成知识建构。学生甚至可以参与到课程内容的建设中来，并且在这一参 与过程中加深对知识的建构。【3 】 数据集成数据保护对于各级各类学校教学的正常开展起着非常重要的 作用。由于目前各级各类学校特别是高校的很多部门都有着各自的信息系统，运 行各自己的服务器，很多数据也都保存在本部门，数据备份的方式也各不相同， 一旦发生系统故障所造成的教学数据丢失对教学应用将产生重大影响。而这种教 学数据分散管理需要大量的人力、物力、财力作为支撑，从总体拥有成本( t c o ) 角度考虑分散管理的后期维护成本非常高。相对来说，教学数据集中后，数据不 但能受到良好的管理和维护，所需要的成本也下降了很多。因此，教学数据中心 集中必将成为教育信息化发展的趋势。( 来自2 0 0 6 年中国教育行业信息化建设与 r r 应用趋势研究报告) 2 2 国外研究现状 由于网络教学系统不能“进化 和“互操作”的问题日益显出它的弊端，制 1 0 北京邮电大学硕士论文面向服务架构的网络学习系统的研究与设计 约了它的潜力和作用的发挥。众多的研究机构进行了卓有成效的研究，提出了许 多网络教学系统开发的标准和规范。通过这些标准和规范，不同的系统之间可以 交换数据和资源，为资源共享和系统的互操作提供了一个解决方法。而且有些研 究成果已经在实际的系统开发中应用，加强了不同系统之间数据和资源共享的能 力，取得了良好的效果。 2 2 1 国外相关的系统设计的规范 在促进资源标准方面，国外的有关组织已经提出了一系列的标准和规范，有 的已经在实践中大量使用，促进了网络资源的共享。例如高级分布式学习组织 ( a d l ) 发布的s c o r m ( s h a r a b l ec o n t e n to b j e c tr e f e r e n c em o d e l ) 标准，i m s 也 发布了元数据规范( m e t a d a t a ) ，目的是促进不同的数字化教材在不同的系统之 间重用和共享。i m s 也发布了q t i ( q u e s t i o na n dt e s ti n t e r o p e r a b i l i t y ) ，提出了一 个问题、考试和结果的数据模型。促进了题目、考试和结果在不同的著作工具、 题库、考试工具、学习系统以及评估系统之间的传递。 以上的各种努力已经取得了很大的成功，不同的组织和开发者开始使用上述 的标准和规范来开发自己的业务系统，促进了教育资源在不同系统之间的传递和 共享。但是仅凭数据可以传递和共享还不能完全实现系统互操作的目的，因为不 同的系统之间设计思路和架构不同，采用的技术标准也不同，他们之间要想交流 数据，需要将资源数据导出，然后导入到另一个系统中去，这样的话也不利于更 大程度上的资源共享的实现。在这种情况下，许多研究机构和组织开始把研究聚 焦于系统设计和开发框架的规范和标准的制定上来。其中影响较大的研究机构主 要有： l i m s e d u c o m ( 美国大学校际交流委员会) 设立了一个称为i m s ( 教学管理系统) 的 研究项目，后来发展成为非赢利性的i b i s 全球学习联合公司，专门从事教学系统 技术标准的制订和推广工作。其中，i b i se n t e r p r i s es p e c i f i c a i t o n ( i m s 企业接口规 范) 是研究企业开发的教学管理系统之间互操作规范。该规范包括三个组成部分： ( 1 ) i m s 企业信息模型：定义了软件的标准化结构；( 2 ) i m s 企业x m l 绑定规范； ( 3 ) i m s 企业实践指南。但是i m s 企业接口规范只是针对同一个公司或组织开发 的不同系统之间的接口，对不同企业开发的管理系统的互操作无能为力。而且该 规范在信息模型方面并不适合我国国情。【_ 7 j i m s 在2 0 0 3 年发布了a b s t r a c tf r a m e w o r k 规范，随后又发布了g e n e r a lw e b s e r v i c e 规范，为设计和开发e 1 e a r n i n g 系统提出了可行性的指导框架。2 0 0 6 年 i m s 发布了t o o l si n t e r o p e r a b i l i t yg u i d e l i n e s ，为不同工具集成到一个完整的系统 北京邮电大学硕士论文面