（信号与信息处理专业论文）基于数字校园环境的教学应用平台的规划与设计.pdf

摘要 在“知识爆炸”的信息化社会中，传统的教育内容、教育于段和教育方法正受到 极大的挑战。随着网络及虚拟现实等技术的迅猛发展，网络化教学已成为现代教育 的发展趋势。各校开始重视校园网的建设，并利用网络开展教学活动。但在校园网 的建设中还存在很多问题，诸如重硬件、轻软件，重建设、轻应用等，使很多已建 成的校园网在教学应用过程中无法达到预期的效果。 本文分析了教育信息化的现状与发展趋势，指出：数字校园是教育信息化的基 础平台，教学应用平台是数字校园建设的核心。通过对目前数字校园和教学应用平 台建设现状的分析，针对作者所在的上海电了工业学校的校园网教学应用系统存在 的问题，从实际的教学需求出发，对其中的教学应用平台进行规划和设计。 本文对基于数字校园的教学应用平台的系统架构、系统功能及系统组成进行了 规划；设计并实现了教学应用平台中的“在线考试系统”，提供了一种在线评估学习 效果的于段；设计并实现了教学应用平台中的“在线论坛”功能，为师生之间的相 互交流和协作学习创造了条件；本文重点研究了教学应用平台中虚拟实验环境的建 立问题，利用开发工具l a b v i e w 设计了虚拟示波器、虚拟信号发牛器等虚拟仪器， 提出了虚拟实验室的概念以及虚拟仪器的网络应用解决方案。 【关键词】数字校园教学应用平台在线考试在线论坛虚拟仪器虚拟实验室 a b s t r a c t i nt h e - k n o w l e d g ee x p l o s i o n i n f o r m a t i o ns o c i e t y , t h et r a d i t i o n a le d u c a t i o nc o n t e n t ， m e a n sa r l dm e t h o dh a v eb e e nf a c i n gg r e a t e rc h a l l e n g e s o n a c c o u n to ft h er a p i d d e v e l o p m e n to fn e t w o r ka n du n r e a lr e a l i t yt e c h n o l o g y ，n e t w o r kt e a c h i n gh a s b e e nat r e n d f o rm o d e me d u c a t i o n t h u sa l lt h es c h o o l ss t a r tt op u tm o r ee m p h a s i s o ns c h o o ln e t w o r k c o n s t r u c t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o ne d u c a t i o n y e tp r o b l e m sa l s oo c c u ri n s c h 0 0 1n e t w o r kc o n s t r u c t i o n ，s u c ha sv a l u i n gm o r eo nh a r d w a r et h a no ns o f t w a r e ，m o r e c o n s t r u c t i o nl e s sa p p l i c a t i o n ，e t c c o n s e q u e n t l y ，m a n ys c h o o ln e t w o r k sc a l ln o tr e a c hi t s e x p e c t a t i o n t h i st h e s i se l a b o r a t e st h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dp r o s p e c to f i n f o r m a t i o ne d u c a t i o n ，t h e n p r o p o s e ss o m es u g g e s t i o n s a n dr e c o m m e n d a t i o n s ：d i g i t a ls c h o o l sa r et h eb a s i cp l a t f o r m s o fi n f o 册a t i o ne d u c a t i o n ，w h e r e a st h et e a c h i n ga p p l i c a t i o np l a t f o r mw i l l b et h em o s t i m p o r t a n tp a r ti nd i g i t a ls c h o o lc o n s t r u c t i o n b ya n a l y z i n gt h ec u r r e n ts i t u a t i o no f d i g i t a l s c h 0 0 1 sa n dt e a c h i n ga p p l i c a t i o np l a t f o r mc o n s t r u c t i o n ，i na c c o r d a n c ew i t ht h ep r a c t i c a l t e a c h i n gr e q u i r e m e n t ，i tp l a n s a n dd e s i g n st h et e a c h i n ga p p l i c a t i o np l a t f o r mo fs h a n g h a i e 1 e c t r o n i c sl n d u s t r ys c h o o lo nt h ep u r p o s eo fs o l v i n ge x i s t i n gp r o b l e m si nt h es c h o o l s n e t w o r kt e a c h i n ga p p l i c a t i o ns y s t e m b ys t u d y i n gt h es y s t e m a t i cf r a m e w o r k ，c o m p o s i t i o n a n df u n c t i o no ft e a c h i n g a p p l i c a t i o np l a t f o n no fd i g i t a ls c h o o l s ，t h i st h e s i sm a i n l yd e s i g n sa n dp u t s “t h e o n l i n e t e s t i n gs y s t 锄”o ft e a c h i n ga p p l i c a t i o np l a t f o r mi n t o r e a l i t y ，t h u sp r o v i d e saw a yf o r o n l i n ee v a l u a t i o ns t u d y a n di ta l s od e s i g n sa n db r i n g sa b o u t “t h eo n l i n e - f o r u m f u n c t i o n t oc r e a t eb e t t e re n v i r o m e n tf o rt e a c h e r sa n d s t u d e n t st oc o m m u n i c a t ea n dl e a r nt o g e t h e r f i n a l l y b yu s i n gl a b v i e w ，i td e s i g n ss o m e v i r t u a li n s t r u m e n t ss u c ha sv i r t u a lo s c i l l o g 。a p h a n dv i r t u a ls i g n a lg e n e r a t o r , a n dp u t sf o r w a r dt h ec o n c e p to fv i r t u a ll a b o r a t o r y a n dt h e s o l u t i o nt on e t w o r ka p p l i c a t i o no f v i r t u a li n s t r u m e n t s 【k e y w o r d sid i g i t a l s c h o o lt e a c h i n ga p p l i c a t i o np l a t f o r m o n l i n e - t e s t i n g 。n n n e f 。嗍 v i r t u a li n s t r u m e n t v i r t u a ll a b o r i i 声明尸明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作取得的 成果，撰写成硕士学位论文“基王麴主撞国巫撞工塾堂廑腰! e 台敛趣 趔皇逡让”。除论文中已经注明引用的内容外，对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成 田 7 ko 本声明的法律责任由本人承担。 粼一妣魄 2 0 0 4 年8 月2 曰 网济火学硕士论文第l 章引论 第1 章引论 1 1 论文背景 1 1 1 教育信息化促进了现代教育的发展 在信息技术迅速发展的今天，教育信息化将会带来一场教育史上前所未有的革 命，对教育的思想、观念、模式、内容和方法产生深刻影响，从而彻底改变我们的 学习和工作方式。 面对信息技术迅猛发展的形势，世界各国高度重视信息技术对教育的影响和作 用，紧紧抓住发展的大好时机，重新调整教育的培养目标，制订教育改革方案，采 取相应措施，加快推进教育信息化的进程，以培养适应信息化社会的人才，增强本 国的综合国力和国际竞争力。可以说，教育信息化程度的高低已成为当今世界衡量 一个国家综合国力的重要标志。 我国政府高瞻远嘱，及时研究应对全球信息化的对策，提出了全国实施“校校 通”工程的战略。江泽民同志在北师大1 0 0 周年校庆的讲话中指出：“进行教育创新， 必须充分利用现代科学技术手段，大力提高教育的现代化水平。要通过积极利用现 代信息和传播技术，大力推进教育信息化，促进教育现代化。”教育部1 9 9 8 年1 2 月2 4 日制定了“面向2 l 世纪教育振兴行动计划”，计划要求：实施“现代远程教育 工程”，形成开放式教育网络，构建终身学习体系。1 9 9 8 年，时任教育部长陈至立 撰文指出：“现代教育技术是教育改革和发展的制高点与突破口。要实现教育的现代 化，要实现教育的跨越式发展，教育信息化是个关键因素。占据了这个制高点， 就可以打开通向教育改革发展的现代化之门。 前不久，教育部又出台( 2 0 0 3 2 0 0 7 年教育振兴行动计划，明确了今后5 年将进行6 大重点工程建设，其中之一就是实 施“教育信息化建设工程”，加快教育信息化基础设施、教育信息资源建设和人才培 养【4 】o “教育信息化是国家信息化的重要组成部分，是实现国民经济和社会信息化的 重要基础和条件。教育信息化，有利于提高全民族的信息化素质；有利于现代远程教 育的发展，实现优质教育资源的共享和东西部教育的合作，从而构筑起面向未来的 列济人学硕士论文第l 章引论 终身教育体系；有利于教育的改革和发展，并逐步建立起适应未来经济和社会发展需 要的现代教育新体系。”( 陈至立：教育信息化发展与展望) 以校园网络的建设为核心，积极探索现代信息环境下的教育新模式，基本实现 校园数字化信息的交流和数字化资源的共享，必将极大地促进教育的发展。它带来 的将是整个教育过程的一场深刻革命。 1 1 2 数字校园是教育信息化的基础平台 1 9 9 0 年由美国克莱蒙特大学教授凯尼斯格林( k e n n e t hg r e e n ) 发起并主持 的一项大型科研项目“信息化校园计划”( t h ec a m p u sc o m p u t i n gp r o j e c t ) ，首 次提出了数字化校园的概念。近年来，数字校园的概念已被人们广泛认知，对数字 校园的研究和探索也日趋完善。另外，随着信息技术推动的互联网的迅速发展，也 确实提供了“数字化”技术支持与远程交互的条件，促进了人们去应用与发展这一 概念。 数字校园是以网络为基础，利用先进的信息化于段和工具，实现从环境( 包括设 备、教室等) 、资源( 如图书、讲义、课件等) 到活动( 包括教学、管理、服务、办公 等) 的全部数字化。简单地说，数字校园就是运用现代信息技术在校园里实现信息传 输网络化、信息资源数字化、用户终端智能化。数字校园在传统校园的基础上，构 建一个数字空间，拓展了现实校园的时间和空间维度，提高了工作效率，扩展了校 园的功能，实现了教育过程的全面信息化，最终达到提高教学质量、科研和管理水 平的目的【3 1 。 以“数字化校园”概念为基础的教育信息化工程，通过校园网的设施建设和教育 应用功能开发，构建了一个集教学、科研、管理、生活为一体的数字化教育环境， 最终实现教育过程的全面信息化【2 1 。数字校园的设计思想是：把信息技术作为生产 工具的要素来看待。作为生产工具的要素，信息技术可以使学校实现协同工作，解 决学校网上无纸化办公，同时把各种信息有效地加以储存、共享和管理。数字校园 为学校提供了一个信息共享、信息交流、信息存取的平台，展示了一种新型的教育 管理模式，一个全新的教育教学园地。 2 同济人学硕士论文第l 章引论 图1 1 学校数字化建设的内涵 由此可见，数字校园即教育信息化建设，建设数字校园就是要建设一个支撑平 台支持教育信息化。从本质上说，数字校园是一个基于计算机网络的开放的、复杂 的信息系统。数字校园的建设，为改善学生培养环境提供了一个完整的信息化解决 方案，同时对学校的科研、人事进行有效管理，提高了学校内部行政管理效率。 数字校园为学校教育信息化提供了基础保证，必将大大推进教育信息化的进程。 1 1 3 教学应用平台是数字校园建设的核心 数字校园是学校教育信息化建设的基础设施，数字校园建设的根本目标是为学 校的教学、科研和管理提供一个先进实用的信息网络环境。基于数字校园的教学应 用平台以网络为基础开展教学活动，是一个面向各类教学，以整合教学资源、深入 教学过程、构建新型模式为核心的新型教学应用平台，是数字校园建设的核心。 教学应用平台高度集成了计算机技术、网络技术、虚拟技术、多媒体技术和数 据库技术，将网络教学与管理有机地集成在一起，提供了一个实现师牛互动的网络 教学环境。在这种网络学习环境中，汇集了大量数据、资料、程序、教学软件等学 习资源，形成了一个高度综合集成的资源库。利用教学应用平台，教师将教学要求、 教学内容、以及教学评测等教学材料，编制成h t m l 文件，存放在w e b f t 艮务器上， 学生通过浏览这些页面来达到学习的目的。在此过程中，学生还可阅读一些教师提 供的参考资料，就像我们在学校图书馆中查找资料一样。学生不仅可以通过b b s 或 电了邮件向教师请教，也可以通过b b s 或电予邮件与其他学习者讨论交流。 同时，教学应用平台通过将多媒体技术与虚拟现实技术相结合，实现虚拟图书 馆、虚拟实验室、虚拟教室等，为学生提供多层次、全方位的学习资源，引导学生 同济人学硕+ 论文第1 章引论 由被动式学习向丰动式学习转变。利用教学应用平台，学生可根据自己的实际情况 来确定学习时间、内容和进度，随时进行自我学习，进行在线测试等。 据统计，在美国，通过网络进行学习的人数正以每年3 0 0 以上的速度增长。1 9 9 9 年，已经有超过7 0 0 0 万的美国人通过网络方式获得了知识和工作技能、技巧，超过 6 0 的企业通过网络学习方式进行员工的培训和继续教育。网络化的学习方式正 引发教育领域的革命，是现代教育发展的必然。 从目前多媒体网络教学系统技术实现的形式和方法来看，大致可分为两种教学 模式：一种是以视频会议系统为主的实时在线式网络教学，它是通过多媒体网络传 输，将处于不同位置的教师和学生联接在一起，进行实时的、可视的交互式教学； 另一种是基于w e b 技术的非实时自丰式网络教学，它是将教学内容、教学资料、课 后练习等制作成一组相关的w e b 页面，存放在w e b 服务器上支持开展充满交流和 交互的多利t 教学形式，如自- 串式学习、探索式学习、协作式学习等【熨。 1 2 问题的提出 数字校园为教育信息化提供了基础保证。如何利用已经建设的网络环境真正实 现网络多媒体教学，是当前迫切需要解决的问题。 目前，我国校园网的硬件建设发展迅速，全国在校园网建设上的投入达到了上 千亿元。但教育信息化的发展不容乐观，基本上还是延续前几年的从无到有的狂i 放 型发展模式。目前的统计数据令人十分担忧，教育部统计数据表明9 0 的校园网处 在闲置或没有充分利用的状态，真正用得好的，能运用信息技术开展教学活动的， 估计不超过1 0 ，大多数停留在初步探索的层面上，信息技术对教育的影响仍远未 达到预期h 标。可以说硬件环境大投入与应用效果的低产出是当代教育信息化的突 出矛盾【2 1 。 在教育信息化建设过程中，普遍存在“重硬件、轻软件；重建设、轻应用”的 现象，往往只考虑硬件环境建设，追求硬件设备上的档次和规模，而忽视应用软件 和教学资源的开发；重基础设施的投入，而很少考虑如何使投入大量资金的信息化 基础设施真正在教育中发挥作用，盲目认为学校设备高档就是教育的现代化。在实 4 同济火学硕士论文第1 章引论 际投入中，大部分学校软件与应用的预算少得可怜。按照国际上通行的投资比例， 硬件：软件：服务至少应该是4 ：3 ：3 ，而我们在校园网的建设中，硬件与软件的投资 比例一般只有1 0 ：1 左右，有的甚至更少，造成了校园网在应用建设上水平不高。不 合理的投资结构往往造成”烂尾”工程，投了大量资金的项目，在实际教学中没有起 什么作用，这样必然会导致投入的严重浪费阳】。 另外，从教学应用平台应用情况看，还存在计算机辅助教育功能有待完善；扩 展性、通用性、交互性不够；还未真正创设虚拟教学环境等问题阳1 。 上述问题的出现，除了思想观念方面的因素外，很重要的一个原因是很多人对 校园网的建设内涵缺乏真正的了解。校园网的建设不只是涉及技术方面的问题，而 是包括网络设施、应用平台、信息资源、专业应用、人员素质等众多成份的综合化、 信息化的教学环境系统。因此，在总体上如何筹划、组织网络建设和开发应用的设 计思想是校园网建设中的最重要的问题。从某种意义上说，硬件水平只是一个资金 投入的问题，而应用水平的提高远比硬件投入要复杂得多。对一部分学校来说，其 丰要任务已经不再是建网，而是应该充分利用网上资源，开发教学应用平台，加快 教育思想、教育内容、教学方法的改革，为学校教育教学服务，发挥学校校园网的 巨大作用，推进学校教育信息化的进程。 从本人所在的上海电子工业学校教育信息化建设过程看，也存在类似问题。当 初在建校园网的时候，学校领导从教育信息化的发展要求考虑，决定花巨资建设校 园网，为学校的教育教学服务。应该讲学校领导的决定还是非常正确的，只是由于 当时对校园网的建设内涵缺乏真正的了解，硬件方面的的投资花费较大，而在应用 软件上的投入少得可怜，造成了校园网在应用建设上总体水平不高。 上海电子工业学校校园网由办公毹；理系统、教学管理系统、教学应用系统、信 息发布系统等组成。图1 2 所示为校园网中教学应用系统结构图，从教学应用系统 中可以看出，由于建网初期学校对信息化教育缺乏全面的认识，将校园网在教学上 的应用仅仅局限在了多媒体网络教室、视频点播等功能上。其中： ( 1 ) 多媒体网络教室：为教学提供电化辅助的教学环境，利用网络丰富的信息 资源进行课堂教学。教师可以方便地浏览和查询网上资源，进行教学设计和科研工 同济大学硕士论文第1 章引论 作；调用网上资源，进行课堂教学。 ( 2 ) 视频点播：为学校教师和学生提供数字视频节目、多媒体光盘节目( 课件) 、 电子图书等各种多媒体节目点播服务。 ii 课件制作 p c 机 计算机网络 l 广播服务器 ip c 机h i 乜视机 - 点播服务器l “。”7 。”i l ”广1 相“ i投影但 视频磁 囊库 多媒体教学中心 图1 2 教学应用系统结构图 上述校园网的构建形式可以说是目前很多学校校园网建设中普遍采用的一种方 式。在实际教学中，这样的教学应用系统实现的功能其实就是电子板书或电予教案， 已经很难满足教育信息化的发展需求，特别是在网络的交互性、个性化教学、多媒 体课件制作、考试与评价系统、虚拟教学环境等方面更是无法满足现代教育的要求。 对于这样的校园网，如果推倒重来，必将会给学校带来巨大的经济负担，这也 不是每一个学校所能够承受的。比较经济的做法是在现有校园网的基础上，根据教 育信息化的要求和学校的财力状况，对基于校园网的教学应用平台进行重新规划设 计，以满足学校教育教学的需求。 1 3 目前研究与应用现状 随着教育信息化的不断深入，我国很多网络公司都看到了这一发展的大好时机， 正在积极地进行数字校园及教学应用平台的开发应用，比较知名的有易读数字校园、 洪恩数字校园、方正数字校园、华文数字校园等。下面就这些公司的数字校园中教 6 同济大学硕士论文 第1 章引论 学应用平台的开发现状作一简单分析： 1 易读数字校园 易读数字校园教学应用系统主要包括：网上测试，包括试题管理、试卷管理、 教师评分、成绩查询和用户管理等；在线练习：远程教育系统，包括学生通过网络 进行注册、登记、学习。 2 洪恩数字校园 洪恩数字校园教学应用系统主要包括：在线交流系统，包括消息系统，通知系 统，论坛系统等；在线电子备课授课和辅助教学系统，借助于校园网内丰富的共享 素材资源和在线远程备课系统，可以实现数字教案的在线编排，素材在线共享和组 合。 3 方正数字校园 方正数字校园教学应用系统中的多媒体网络教室，采用视窗广播方式，学生可 以在接受教师屏幕广播的同时，边看边操作。广播时，支持对讲。还可随时进行转 播，转播的同时监看转播源。 4 华文数字校园 华文数字校园教学应用系统主要包括：电子考场系统，v o d 点播功能，多功能 综合电教室控制系统等。 目前国外网络教学应用平台还有以下特点f 7 l ： 良好的交互反馈 交互在网络化教学中有着重要的作用，也是影响远程教育效果的主要因素之一。 国外的网络化教学都尽一切可能来实现交互，包括全天候的网络服务，采用e m a i l 、 在线论坛、双路视频等交互技术。互动式的网络化教学可以使学生按照自己的进度 学习，并随时了解自己的学习情况。 虚拟实验系统的应用 目前国外在网络化教育中，已经开始将虚拟现实技术运用到教学中，用虚拟现 实技术设计生动灵活的实验环境，让学生有身临其境的感受来完成实验。例如，天 文学专业的学生可以在虚拟星系中遨游，英语专业的学生可以在虚拟剧院观看莎士 7 同济大学硕士论文 第i 章引论 比亚戏剧。 丰富的网络教学资源 网络教育最大的优势就在于丰富的网络教学资源。在国外，很多网络公司和学 校建立了专门的网络资源库站点，为教学提供各种信息和丰富的资源。网络资源库 站点除提供自己的学习资源外，还与专门的资源库及其他学校建立了广泛的联接， 使学生能方便的找到自己所需的各种信息和材料。 学校间的联合机制 教育是全民的事业，是开放的、发展的事业，单一学校受各种因素的制约，必 然没有能力提供全面的优质的服务，无法提供学生所需的各种网络教学服务，多校 的联合运行能很好地解决这一问题。目前，国外许多教育站点都是建立在多校间联 合的机制上，使网络化教学有了广泛的基础，并得以迅速发展。 1 4 论文研究的目的、主要内容及论文结构 1 论文研究的目的 从目前国内数字校园及教学应用系统开发的情况看，这方面的开发技术应该说 已经比较成熟，市场上也有了一些功能相对比较完善的教学应用系统开发产品。但 是，作为像我们这样的中等职业学校来讲，如果直接购买市场上的这些产品可能会 碰到以下一些问题： ( 1 ) 前期投入较大。市场上成熟的教学应用系统开发产品动辄几万、十几万， 对于资金相对匮乏的我校来说不是一下予能够办得到的。 ( 2 ) 用户的需求存在着个性化、差异化。每个学校的教学特点、教学需求各不 相同，特别是对于中等职业学校来说，教学内容、专业特色、技能要求更是千差万 别。市场上一些成熟的产品很难完全满足学校的个性化需求。 ( 3 ) 运行维护及后续开发较为困难。如果直接购买市场上的产品，则在今后的 运行维护及后续功能开发方面会对产品提供商产生依赖，增加了运行成本。 ( 4 ) 缺乏虚拟实验环境。对于以培养中等职业人才为主的学校来说，尤其希望 通过数字校园创设的虚拟实验教学环境来培养学生的实验操作技能。在虚拟实验教 同济人学硕：卜论文第l 章引论 学环境中，学生可以通过计算机操作，观察实验现象，获得实验过程的真实感受， 了解和掌握仪器仪表的使用，获得“身临其境”的感受。但在目前市场上已开发的 教学应用平台中，普遍缺乏对虚拟教学环境的创设，这就限n t 网络教学功能的充 分发挥，也影响了学生的学习效果和技能培养。 基于以上考虑，本文选择了在学校现有校园网的基础上，根据教育信息化的要 求和学校的财力状况，对基于数字校园的教学应用平台进行自主的重新规划和设计 开发，以满足学校教育教学的需求。 2 论文研究的主要内容及论文结构 论文研究的主要内容是对目前数字校园和教学应用平台建设现状进行分析，针 对作者所在的上海电子工业学校的校园网教学应用系统存在的问题，从实际的教学 需求出发，对其中的教学应用平台进行规划设计。其中主要对基于数字校园的教学 应用平台的系统架构、系统功能及系统组成进行规划：设计并实现教学应用平台中 的“在线考试系统”，提供一种在线评估学习效果的于段；设计并实现教学应用平台 中的“在线论坛”，为师牛之间的相互交流和协作学习创造条件；本文重点研究了教 学应用平台中虚拟实验环境的建立问题，利用开发工具l a b v l e w 设计虚拟示波器、 虚拟信号发生器等虚拟仪器，并提出虚拟仪器的网络应用解决方案。 论文结构安排如下： 第1 章：引论 第2 章：基于数字校园的教学应用平台规划 第3 章：“在线考试系统”与“在线论坛”的设计 第4 章：虚拟实验仪器的设计及其在教学平台中的应用 第5 章：总结与展望 9 同济人学硕士论文 第2 章基于数字校园的教学应用平台规划 第2 章基于数字校园的教学应用平台规划 2 1 数字校园的体系结构及系统组成 2 1 1 数字校园的体系结构 数字校园是一个与现实校园紧密相关的数字空间，它是现实校园空间的延伸和 扩展。数字校园的层次结构可以用同心圆形象地描述，如图2 1 所示。图中将数字 校园从内到外分为五个层次3 】： 图2 1 数字校园的体系结构 最内圆是“网络基础层” l o 同济人学硕士论文 第2 章基于数字校网的教学应用平台规划 网络是数字校园的基础设施，如果没有相应的网络基础设施，数字不能流动， 也就不可能形成数字空间。 次内圆是“网络基本服务层” 网络基本服务是数字流动的软件基础，包括域名服务、身份认证、目录服务、 网络安全、以及公共服务( 如电子邮件、文件传输、w e b 发布) 等。 第三个圆是“应用支撑层” 它主要处理业务逻辑，将各类数据按照业务的逻辑规范管理、组织起来，包括 办公自动化系统、数字图书馆、管理信息系统和网络教学系统等，它们是数字校园 的核心支持系统。 第四个圆是“信息服务层? 它主要处理用户逻辑，将规范化的数据按照用户的需要提取出来提供给用户， 为用户提供服务，如后勤服务、信息查询、决策支持、电予商务等。 最外圆是“个性化门户 它是数字校园的总入口，各类用户通过门户进入数字校园，可以获得与其身份 相对应的信息与服务。在校园充分数字化后，学校的功能就将突破围墙限制，成为 一个可以覆盖网络可达范围的无疆域的学校。 数字校园构建了一个数字化的教育环境。在校园的数字化过程中，最核心的部 分包括数字校园的应用支撑层、信息服务层和个性化门户。可以简单概括为“一个 基础平台、一个门户和n 个应用”。“一个基础平台”是用于解决信息服务多元化 问题，解决应用系统之间的集成、数据共享和一致性问题的公共平台与工具，并且 提供相应的应用访问接口，其中应用系统之间的数据共享，由基础平台的数据中心 来完成。“一个门户”在整个“数字校园”里为用户提供单一访问点的个性化服务， 用户进入门户后，可以获得与他身份相称的各类服务。“n 个应用”是指学校中教 学、管理的业务系统。各个应用系统的设计与开发可相对独立进行，并根据需要分 阶段建设。 各应用系统之间的数据交换由基础平台承担，并提供相应的应用访问接口，各 个应用系统之间的数据共享由基础平台的数据中心完成。 同济人学硕十论文第2 章基于数字校园的教学应用平台规划 2 1 2 数字校园的系统组成 数字校园的系统组成如图2 2 所示。数字校园的系统“以管理为基础，以教育 教学为核心，以信息交流为关键”进行设计，由“校园管理”、“信息平台”、“教学应 用平台”三大功能模块，构成一个完整的、有机的、高效的整体。 图2 2 数字校园的系统纰成 1 校园管理 校园管理实现了校园管理的信息化。校园管理主要包括学生管理、教师管理、 班级管理、教学管理、校产管理等功能( 如图2 3 所示) 。 图2 3 校园管理的组成 1 2 同济人学硕士论文第2 章基丁数字校冈的教学应用平台规划 2 信息平台 信息平台主要包括校园社区、教育资源、交流中心、信息发布和系统管理等( 如 图2 4 所示) 。 图2 4 信息平台的组成 在“校园社区”中，各班都可以方便地建立班级主页，并对班级丰页的栏目进行 定制、对栏目内容进行符理，充分体现班级的个性。 “交流中心”主要实现了通过互联网或局域网进行校内交流和沟通，主要包括 论坛中心、聊天室等功能。 “信息发布丰要用于信息发布和内容管理，主要包括学校介绍、校园动态、 教育资讯等主题栏目。各部门发布、更新信息，使信息更准确、更及时。 在“系统管理 中，系统管理员可以通过系统管理对栏目题目、内容进行编辑 管理，同时还可以实现用户管理、密码修改等。 3 教学应用平台 教学应用平台是传统课堂教学的延伸和补充。主要包括：在线学习、在线考试、 在线论坛、课件制作、v o d 点播、教学资源库和用户管理等( 如图2 5 所示) 。 i 叫济犬学硕士论文 第2 章基丁数字校嗣的教学应用平台规划 图2 5 教学应用平台的纰成 2 2 教学应用平台设计需求分析 随着社会的发展，人类已经进入了信息时代，信息爆炸给教育带来了巨大的冲 击，信息正以每3 - 5 年增加一倍的速度增长，传统的课堂教学已无法满足培养高素 质人才的需要。在现代教育中，教育结构是多元的立体化教育内容，学生变成了丰 体，教师处于导向的客体地位，学习过程的个性化取代了传统教育过程的师徒化。 现代教育对学习效率的提高，以及更有效的培养学生实践能力和创新精神等提出了 较高的要求。作为教师，希望通过教学应用平台可以方便地制作教学资源、发布教 学内容、与学生进行实时或非实时的交流，获得较为准确的教学信息反馈；学生则 可以方便地查看自己的档案、浏览学习资源、进行在线考试等r 8 】。 从教育信息化的发展趋势看，基于数字校园的教学应用平台最能适应现代教育 的需求。通过教学应用平台，学生可以博采众多的教学资源，既提高了学习者获取 信息的能力，又提高了学习者分析信息、处理信息的能力。教学应用平台使学牛的 学习不要受时间、空间的限制，改变了以学校教育为中心的传统教育体系。教学应 j t s l 乏台可以将老师的教案以多媒体的形式表现出来，增加学生对学习的兴趣。 基于数字校园的教学应用平台解决方案以网络及计算机技术为于段，把满足学 校教学需求作为目标，对传统的教育方式进行改造，使之成为教学和信息交流的平 台，为学牛的个性化学习、测试、交流创造条件，成为真正意义上的教学应用网络， 为学校的教学服务。 1 4 同济人学硕+ 论文第2 章基于数字校园的教学应用平台规划 2 3 教学应用平台的系统规划 2 3 1 教学应用平台的系统架构 基于数字校园的教学应用平台是一个由硬件、软件、教学内容、教学管理机构 组成的一体化有机的系统。支撑教学系统的物质基础就是一个实际的计算机网络， 包括接入模块、交换模块、服务器模块、网络管理与计费模块等。 1 接入模块 接入模块主要功能是让教师和学生能够以多种方式访问网络资源，从而达到教 学或学习的目的。其主要设备包括路由器和宽带接入设备等。路由器的主要作用是 通过网线将整个网络接入i n t e m e t ，从而使本网的用户能够访问i n t e m e t 资源，而其它 网络用户也能够访问本网，从而达到学习的目的。宽带接入设备用于本地网与互联 网的联接。 2 交换模块 交换模块是整个网络连接与传输的核心，主要的设备有丰干交换机、分支集线 器和连接各模块的网络电缆，由它们组成整个骨干网络。 3 服务器模块 服务器模块主要负责信息的收集、储存、发布，它们是对外提供教学与信息服 务的主要实体，由w e b j j 艮务器、f t p 服务器、e m a i l j 曼务器、d n s j 艮务器、数据库 服务器等组成，它们可以由一台或多台高性能的计算机承担。 4 网络管理与计费模块 网络管理主要对整个网络进行监控、运行性能的监测、故障的预警和诊断等等； 计费模块丰要是记录网络使用者的资费信息，以控制网络资源的有偿使用。 图2 6 所示为教学应用平台网络拓扑图。 跻大学磺论文第2 $ 基f 救 技同的教学应用十台规划 2 一 目26 教学应用平台网络抒i 扑圈 2 3 2 教学应用平台的系统配置 1 硬件配置 服务器： i n t e lp i i - sl1 3 g 5 1 2 m 内存s c s i 硬盘l 块 工作站： 2 5 6 m 山存，4 0 g 硬盘3 2 m 显乍1 0 0 m 网 卢 网络配置： 主干网1 0 0 0 m b 交换 桌面1 0 0 1 0 0 0 m b 交换 2 软1 i _ | ：配置 服务嚣端： w i l l d o w s2 0 0 0s e r v e r + s p 2 m i e r o s o f ti i s40 a c c e s s 数据库 客户端： w i n d o w s2 0 0 0p r o f e s s i o n a l 引 耋i 三 8 同济人学硕士论文第2 章基于数字校网的教学应用平台规划 2 3 3 教学应用平台的系统功能 根据对学校校园网建设现状及教学的需求分析，基于数字校园的教学应用平台 建设必须确保以下功能： i 教师可以方便地浏览和查洵网上资源，进行教学设计：调用网上资源，进行 课堂教学；通过网络对学生的学习进行指导和检查；教师通过测试系统，对学生的 学习情况作出较为客观、准确的评估。 2 学生可以方便地浏览和查洵网上资源，实现网上“个别化学习”等；通过网 上学习，学会获取知识和处理信息能力；通过测试系统，学生可以及时了解对所学 知识的掌握情况。 3 资源建设与应用。学校通过组织人员对应用软件进行二次开发，逐步建立和 完善具有本校特色的教学资源库。 4 共享网上教学资源，进行远程教育，弥补校园教学资源及师资力量的不足。 5 创设出虚拟教学环境，使学生获得与真实教学现场一样的感觉。 图2 7 所示为根据上述需求分析所规划的教学应用平台的系统功能框图。 图2 7 教学应用平台系统功能框图 1 7 附济人学硕士论文 第2 章基于数字校同的教学应用平台规划 2 3 4 教学应用平台的系统组成 根据对教学应用的需求分析，所规划的基于数字校园的教学应用平台包括以下 几个应用系统： 1 课件制作系统 课件制作系统主要实现以下功能： ( 1 ) 课件总体设计：提供总体上完成教学内容设计、稿本设计，包括课件结构、 各章节间的层次、框架结构，相应各章、节、页面间的导航结构、课件页面风格和 交互界面的定制等。 ( 2 ) 媒体素材组合：提供素材组合和建立多媒体音频、视频资料库的技术环境。 ( 3 ) 基本页面制作：提供基本页面制作环境和相应的超媒体编辑系统。 ( 4 ) 课件数据库开发：采用组件对象的可视编程工具，提供可视化的多媒体课 件数据库开发平台。 ( 5 ) 课件合成发布：为分布开发的课件提供动态合成、发布更新的管理功能。 2 在线学习系统 在线学习系统为学生提供了一个进行网上多媒体自主学习的环境，包括： ( 1 ) 注册登录：对入网学习的学生进行身份验证，提供注册授权登录功能。 ( 2 ) 在线学习：注册学生可自主选学相关课程，并通过检索链接数据库服务器 上相关的多媒体c a i 软件建构自身知识结构，以实现自主式个别化学习。 ( 3 ) 课件教学：为教师提供一个利用网上多媒体教学资源、在多媒体教室或网 络教室开展多媒体课件教学的服务。 ( 4 ) 作业处理：提供教师网上布置作业、批改作业以及学生获取作业题目、提 交作业、取回批改后作业的界面。 3 v o d 课件点播系统 系统可以同时支持几百到上千个用户的并发的点播要求，用户可以根据自己的 需要点播不同的视频资源，而且可以自由的控制节目的播放进度。 4 “在线论坛 系统 ( 1 ) 网上讨论：通过在线论坛，建立教师和学生间的多向在线交流，教师和 列济人学硕十论文第2 章基于数字校冈的教学应用平台规划 学生都可发表各自的意见和看法，学生可以向老师提问题，也可互相交流经验。 ( 2 ) 信息发布：提供b b s 讨论区、e m a i l 自动回复等功能。 ( 3 ) 辅导答疑：学生可向教师提出问题，教师定期在网页上公布典型解答。 5 “在线考试”系统 ( 1 ) 网上考试：提供学生利用服务器中的题库资源，自主选题或自动组题，进 行模拟考试、解答试题的相应功能。 ( 2 ) 考试管理：具有审核入考资格、提供电予注册功能：授权题库系统随机牛 成试卷；为学生提供网上答题等。 6 虚拟教学环境 虚拟教学环境提供了虚拟教学和虚拟实验室的功能，它在网络的基础上，采用 虚拟设计的方法形成了开放式、虚拟化的学习环境，包括虚拟教室、虚拟实验室、 虚拟图书馆、虚拟考场等。 ( 1 ) 虚拟教室：在虚拟教室中，师生之间、学生之间可以相互学习和交流，就 如教师和学生都处于一个真实教室里上课般。 ( 2 ) 虚拟实验室：在虚拟实验室中，学生可以学习实验仪器的使用，完成相关 实验的实验步骤，学生可以一边操作计算机、一边观察实验现象，使实验者在完成 实验的过程中获得真实的感受。 ( 3 ) 虚拟图寸馆：虚拟图1 专馆是一个高智能、集成化、数字化、集多种文献载 体于一身的信息资源保障系统。它将丰富的馆藏资源以数字化的电了信息形式在网 上高速传递，为读者提供多种内容、多种形式和方便快捷的服务。 7 教学资源库 在教学应用平台建设中，教学资源库是重点建设的内容，是学校教育教学资源 的总汇。教学资源库的建设包括以下几方面的内容： ( 1 ) 提供科学而全面的资源组织管理方式 ( 2 ) 提供最广泛形式的多媒体资源支持 ( 3 ) 支持视频点播v o d 系统 ( 4 ) 提供丰富的资源访问方式 同济人学硕士论文第2 章基于数字校同的教学应用平台规划 2 4 教学应用平台的主要特点 根据上述规划的教学应用平台具有如下丰要特点： 1 自主性 为学生提供丰富多彩、图文并茂、形声兼备的学习信息资源，与传统教学相比， 学生有了很大的自由选择空间，这是自主学习的前提和关键。在教学应用平台中， 学生可选择他们所需的学习材料，按照他们各自的实际情况来设计和安排学习，使 学生成为学习的主体，激发了学生的学习兴趣。 2 交互性 传统教学中的教学内容、教学方法、教学步骤等都是教师事先安排好的，进行 的是一种从教师向学生的单向广播式教学。教学应用平台使教师与学生之间在教学 中以一种交互的方式呈现信息，教师可以根据学生的反馈的情况来调整教学。学生 除与任课老师进行相互交流外，还可以向有关的专家提出问题，或发表自己的看法； 学生通过“在线论坛”实现相互间的交流。通过网上交流，学生不仅从自己的思考 过程中获取知识，还从别的学生的观点中获取知识；学生还可根据反馈信息，不断 调整学习内容和进度，提高了学习效果。 3 个性化 传统教学中各种教学活动都是把学生置于共同的影响之下，让他们读相同的教 材，听相同的课程。教学的各种措施都是在同化人性，学生的个性得不到充分发挥， 学生的学习需要不可能完全获得满足，教师只能根据大多数学生的需要进行教学。 教学应用平台可以进行异步的交流与学习，学生可以根据教师的安排和自己的实际 情况进行学习，克服了传统教学中的“- - ) j 切的人为现象，从而实现真正的个性 化教学。 4 虚拟化 教学环境虚拟化意味着教学活动可以在很大程度上脱离物理空间时间的限制， 给身处异地的学习者有一种“身临其境”的感觉，这是网络化教育的重要特征。 虚拟化的教育环境，包括虚拟教室、 图节馆等，由此带来的必然是虚拟教育。 虚拟实验室、虚拟校园、虚拟学社、虚拟 虚拟教育可分为校内模式和校外模式。校 同济大学硕士论文 第2 章基于数字校周的教学应用平台规划 内模式是利用局域网开展网上教育，校外模式是指利用广域网进行远程教育。在许 多建设了校园网的学校，如果能够充分开发网络的虚拟教育功能，就可以做到虚拟 教育与实在教育结合，校内教育与校外教育贯通，这是未来信息化学校的发展方向。 网济人学硕士论文 第3 章 “在线考试系统”与“在线论坛”的设计 第3 章“在线考试系统”与“在线论坛 的设计 3 1 “在线考试系统 的设计 3 1 。1 功能需求 在网络化教学中，学生运用网络环境和网络信息资源，在相应信息及教师的引 导下，采用自主学习或协作学习形式进行学习。“在线考试系统”依据学习目标，对 学生的整个学习过程、学习效果做出价值判断，其目的不仅仅是评判，也包括