（机械设计及理论专业论文）网络协作式超媒体cai软件的研究与开发.pdf

、 y 摘要 。 本文对网络协作式超媒体c a i 软件的设计和开发做了系统而详尽的 研究，并应用所研究的方法开发了具有网络协作功能的超媒体机械原理 c a i 软件。 借先，叙述和分析了c a i 的组成和作用、c a i 的发展历史和趋势、c a i 软件开发的现状及其存在的问题，明确了研究网络协作式超媒体c a i 设计 和开发方法的重要意义与必要性。 其次，确定了要开发的软件应具有的功能，设计了课件的目录链接式 结构和系统程序模块化的结构，并为软件设计了合适的支持平台和开发工 具。在本课题中提出并实现的软件式笔记本是c a i 软件开发中一个全新的 概念。 第三，选择了h t m l 作为课件的媒体语言，设计了方便的课件制作方 法，课件的版面控制、课件内容的交互和控制以及在课件中计算和参数设 计功能的实现方法。 第四，引入i e 控件作为呈现超媒体的内核，并利用i e 控件接口提供 的方法、属性和事件，设计了呈现超媒体课件和目录导航课件内容的实现 方法。 第五，设计了在系统程序中集成n e t m e e t i n gs d k 控件的实现方法， 从而使系统程序具有了网络交谈、信息共享、文件发送和程序远程控制的 功能，并且进一步设计了网络登记并相互连接的过程，最终对网络协作功 能进行了完善。 第六，运用d o m 技术结合s c r i p t 程序巧妙地设计了一个具有笔记生 成、笔记存储、笔记再现、笔记本删除和携带等完整功能的软件式笔记本。 第七，把本课题中研究的设计方法充分运用到机械原理c a i 软件的开 发中，不仅实现了机械原理c a i 的超媒体能力和网络协作功能，而且对本 文所设计的网络协作式超媒体c a i 软件的开发方法进行了验证。 最后，对全文的研究内容进行了总结，并指出本课题研究的网络协作 式超媒体的设计方法具有的局限性，以及今后的发展方向。p 一一 关键词：c a i ，网络协作，超媒体，机械原理 q 乙 7 a b s t r a c t i nt h ed i s s e r t a t i o n ，d e s i g nm e t h o do fc a i ( c o m p u t e ra s s i s t e d i n s t r u c t i o n ) b a s e do nc s c w ( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ) a n dh y p e r m e d i ai sr e s e a r c h e dd e e p l ya n du s e dt oi m p l e m e n tc a if o r c o u r s eo ft h et h e o r yo fm a c h i n ea n dm e c h a n i c s f i r s t ，t h r o u g ha n a l y s e st h ee x i s t i n gp r o b l e m s ，p o i n to u tt h a t d e s i g nm e t h o do fc a ib a s e do nc s c wa n dh y p e r m e d i ai si m p o r t a n ta n d i n d i s p e n s a b l e ，b r i e f l y s t a t e dt h e m a k e u p f u n c t i o na n dc u r r e n t s it u a t i o no fc a i ， s e c o n d ，b a s e do n d e f i n e df u n c ti o no f s o f t w a r e ，d e s i g n t h e s t r u c t u r eo fc o u r s e w a r et h a td i r e c t e db ym e n uw i t hal i n ka n dt h e m o d u l a r i z a t i o ns t r u c t u r eo f s y s t e mp r o g r a m ，t h e n s e l e c t a p p r o p r l a t ep l a t f o r m a n dt o o l s h e r e ，an e wi d e at h a t d e s i g n s o f t w a r en o t ef o rc a ii sp r e s e n t e d t h i r d ，b a s e do ns e l e c t i n gh t m la st h ef o r mo fc o u r s e w a r e ，d e s i g n t h e i m p l e m e n t a t i o n m e t h o do fm u t u a lc o n t r o lf o r c o u r s e w a r e ， c a l c u l a t i o na n dp a r a m e t e rd e s i g ni nc o u r s e w a r e ，a n dac o n v e n i e n c e m e t h o do fc o u r s e w a r em a k i n g f o u r t h ，d e s i g n t h e i m p l e m e n t a t i o n m e t h o do f h y p e r m e d i a c o u r s e w a r ep l a y i n ga n dm e n un a v i g a t i n gc o u r s e w a r ec o n t e n t ，b a s e d o nu t i l i z i n gi n t e r f a c eo fi ec o n t r 0 1 f i f t h ，g i f t s o f t w a r em a n y s t r o n gf u n c t i o n s ，l i k ea sc h a t ， i n f o r m a t i o ns h a r e ，f i1 et r a n s f e ra n dr e m o t ec o n t r o l ，b a s e d o n d e s i g n o f u t i l i z i n g i n t e r f a c eo f n e t m e e t i n g s d k c o n t r o l ， r e g i s t r a t i o n i ns e r v e ra n dt e r m i n a lc o n n e c t i n g 一 s i x t h ，u t i l i z ed o m ( d o c u m e n to b j e c tm o d e l ) a n ds c r i p t p r o g r a m m i n gt od e s i g na - s o f t w a r en o t et h a tc a nb em a n u f a c t u r e d ，k e p t r e p e a t e d ，r e m o v e da n dc a r r i e d s e v e n t h ，t h r o u g ha p p l y i n gt h ed e s i g nm e t h o do fc a ib a s e d o nc s c w a n dh y p e r m e d i at od e s i g no fc a if o rc o u r s eo ft h et h e o r yo fm a c h i n e a n dm e c h a n i c s ，i m p l e m e n tf u n c t i o no fc s c wa n dh y p e r m e d i af o rc a i f o rm e c h a n i c a lt n e o r yc o u r s e ，t h a tv a l i d a t et h ed e s i g nm e t h o do f c a ib a s e do nc s c wa n dh y p e r m e d i a e v e n t u a l l y ，g a v ea c o n c l u s i o nt or e s e a r c hc o n t e n to fe n t i r e d i s s e r t a t i o n ，p o i n to u tt h e1 i m i t a t i o no fd e s i g nm e t h o db a s e do n c o m( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l )c o n t r o l ， a n d t h e d e v e l o p m e n t o r ie n t a t i o n k e y w o r d s ：c a i ，c s c w ，h y p e r m e d i a ，t h e o r y o f m a c h i n ea n dm e c h a n i c s i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 【本章提要】 本章简述了计算机辅助教学( c a i ) 的组成、意义、现状与发展，现有的c a i 软件方式以及存在的问题。简要介绍了本文主要研究方向和工作意义。 1 1c a i 的组成与意义 计算机辅助教学( c o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o n ，即c a i ) 是一门新兴的 交叉学科，它研究计算机在教学领域的应用，其目的是用计算机帮助或代替教师 执行部分教学任务，向学生传授知识和提供技能训练，直接为学生服务【- 1 】。c a i 有两大支柱：一是教育学理论；二是计算机技术。教学理论是c a i 的基础，是 c a i 发展的指导思想。计算机技术是c a i 的技术手段，很大程度上决定了c a i 系 统的功能和效果。 c a i 的具体形式多种多样，所有运用计算机软、硬件来辅助教学工作的都是 c a i 。最为简单最常见的形式就是教师把教学内容制作成w o r d 或p o w e r p o i n t 的 形式在课堂上使用，比较复杂的是大型的专用的c a i 教学系统，可以由复杂的大 型计算机系统和c a i 软件组成。从本质上来看，一个完整的c a i 系统应该有支持 平台和c a i 软件两大部分组成【4 】。支持平台包括支持c a i 软件运行的硬件和系 统软件平台，硬件包括计算机、计算机附件、计算机网络环境单个部分，系统软 件包括操作系统软件和c a i 软件所需的环境支持软件，比如说二十世纪8 0 年代 到9 0 年代初所有的中文软件都需要运行在外挂汉字系统上( 如u c d o s ) 。随着计 算机硬件的发展，已无需关心c a i 的硬件部分，软件开发成了整个c a i 系统开发 的全部工作，现在所说的c a i 系统实际上就指c a i 的软件系统。c a i 软件系统也 因为功能和结构变得复杂而趋向分为系统软件和课件两大部分。c a i 软件中集中 体现教学内容的部分称为课件( c o u r s e w a r e ) ，而执行课件，呈现课件内容的部分 就是c a i 系统软件【1 】。但是有很多类型的c a i 是把课件与系统软件集成一体的， 或者完全依赖别的现成的工具软件作为系统软件( 如网页式的c a i 和用 a u t h o r w a r e 开发的c a i ) 。c a i 系统的组成如图1 1 所示。 c a i 软件系统根据课件和系统软件的结构特点或者功能特点，可以分成许多 种类型，例如智能型、远程教学型、虚拟现实型等等。这些c a i 系统都有不同的 功能特点，可以在不同的教学环境中适合不同的教学方式。智能型可以有一定的 智能协助教师教学，远程教学型可以让身处异地的师生在网络中进行课堂教学， 一l 一 浙江大学硕士学位论文 虚拟现实型可以产生模拟真实场景的教学效果。 图1 1c a i 系统组成图 c a i 系统作为一种教学媒体，与教科书、投影仪、电视机和录像机等一样， 具有帮助教师提高教学效果、扩大教学范围和延伸教师功能的作用。c a i 和传统 教学相比有下面一些优点： 1 内容丰富，易于教学 c a i 由于利用了计算机手段t 因此便拥有了极其丰富的表现手法。现在占多 数的课件是多媒体、超媒体型课件，其拥有大量的多媒体文件，这种c a i 课件在 课堂上可以方便展示声音、图像、动画、影视等传统课堂难以表现的教学媒体。 2 内容具有很强的个性化能力 c a i 的个性化可以分两个方面： 教学的个性化：c a i 课件是计算机软件，所以可以被无数次的拷贝、修改和 累积。可以对它作不同的修改，以适合各种教学风格。 学习的个性化：较好的c a i 软件可以做到根据不同的学习进度和能力调整学 习内容，让学生可以根据自身特点而适度学习。 3 强大的多向交互性 传统教学的交互只能是师生间一对一问答的方式，而现在较为全面的c a i 系统 基本可以实现多种交互方式，除师生之间的交互之外还有c a i 系统与教师、c a i 系 统与学生之间的交互，而具有网络功能的c a i 更可以实现学生与学生之间的远程交 互、一个教师同时与多个学生交互、多人会议式交互、以及这些交互方式同时并存 的混合方式等，这已经大大超出了传统教学的能力范围。 一2 浙江大学硕士学位论文 c a i 有着强大的教学功能，可以预见随着c a i 的逐步发展和完善，c a i 将逐 渐替代传统教学，将成为今后主要的教学手段。 1 2c a i 的发展与现状 c a i 和计算机技术有着紧密的关系，它的发展也和计算技术有很大的联系。 c a i 开发技术的发展代表了c a i 的发展历程。研究c a i 的发展历程，可以使认清 c a i 的发展趋势，找出一条正确的开发方向。 一、c a i 的发展历史 c a i ( 计算机辅助教学) 始于美国二十世纪5 0 年代，其发展速度相当地快，已 从当时的教学机器发展到如今的智能型c a i 和网络型c a i 。经过半个世纪的发展， c a i 已形成了它专门的理论、方法和技术。初期的c a i 仅可以做一些计算和模拟， 到8 0 年代c a i 已具有了综合处理文字、图形、声音和图象的能力，9 0 年代后c a i 与网络技术相结合甚至有了远程交互能力，如远程教学c a i 。 c a i 的发展历程基本上可分为四个阶段。 1 、以计算机硬件开发为主的阶段 在c a i 发展初期，由于计算机软、硬件的能力很有限，人们所需要解决的主 要问题是硬件。那个时候的计算机被用来模仿教学机器。人们把打字机、终端机、 投影机等输入输出设备和计算机相组合，或给计算机加装特定的硬件，成为一个 特定的教学辅助机器，从而实现辅助教学的目的。例如1 9 5 8 年，美国i b m 公司 用一台i b m 6 5 0 计算机连接一台电传打字机，设计了一个教二进制算术的计算机 教学系统【4 】。 2 、以计算机语言开发为主的阶段 随着计算机技术的发展，c a i 的开发重点逐渐转向语言开发。这个时代开始 的标志是美国伊里诺依大学在6 0 年代初开发的柏拉图( p l a t o ，p r o g r a m m e dl o g i c f o ra u t o m a t i ct e a c h i n go p e r a t i o n ) 系统【4 】。该系统的设计思想已经比较明 显地脱离教学机器时代的限制。此后，c a i 系统开发便逐渐走上了以开发编程语 言实现模拟复杂教学过程的路子。6 0 年代中期，已有数种写作语言问世，其中 比较著名的有：系统发展公司的p l a n i t 、i b m 公司的c o u r s e w r i t e r 以及伊里诺 依大学的c a t o 【4 】。 现在仍然有很多以计算机语言开发为主体的c a i 软件，例如许多高校运用 浙江大学硕士学位论文 v b 、c c + + 等高级语言开发的实验数据处理和模拟过程的c a i 软件。 3 、以媒体对象为主的开发阶段 c a i 开发在二十世纪8 0 年代开始趋向多媒体的运用和处理。由于计算机软、 硬件的发展，使在c a i 中大量运用多媒体已较为容易，从而在c a i 中的使用多媒 体成为c a i 开发的主流。其中最常见的是许多教师运用w o r d 、p o w e r p o i n z 等多 媒体编辑工具辅助课堂教学。使用a u t h o r w a r e 、d i r e c t o r 等著作软件可以使这 一过程更为简单和有效。由于w o r d 、p o w e r p o i n t 、a u t h o r w a r e 、d i r e c t o r 等工 具软件的使用极为简便，也有较强的多媒体处理能力、交互功能和编辑能力，所 以制作c a i 软件的过程已经极大地简单化了，而对多媒体的运用能力又增强很 多。实际上此时的多媒体己不再是单一的多媒体了，而是文本、图片、影视等媒 体结合在一起，并具有超链接能力的超媒体了。课件的形式和效果已有了很大的 变化。 在这以前c a i 软件的开发离不开专业程序员，而这以后c a i 的开发模式发生 了变化，没有专业软件知识的教师也可以独立开发c a i 软件。此时的c a i 软件或 者说课件已变得更好、更强，制作更简单了，c a i 软件的开发和应用迅速地得到 了普及。 一 一 4 、以网络应用为主的开发阶段 c a i 开发在二十世纪9 0 年代中后期开始向网络化发展。随着网络应用的飞 快普及，c a i 也开始同网络相结合。具有网络功能的c a i 和原先的单机型c a i 相 比在性能上有了巨大的飞越。以往单机型c a i 存在许多问题，除了不利于教学管 理和资源共享等因素外，还不利于学生的人格发展，因为单机型c a i 的学习方式 以纯粹人一机通讯为主，缺乏传统教学的人际情感交流。而网络型c a i 就可以克 服这个缺点。计算机网络的重要作用之一是可以进行人际之间的通讯，多个连接 网络的c a i 使用者可以通过网络来实现使用者之间的信息交流，于是就把人一机 交流与人际交流二者有机地结合起来，在很大程度上克服了传统c a i 的不足。而 网络c a i 还具有信息资源丰富和教学方式时空不限的优点。 从c a i 的发展可以看出，计算机技术和c a i 开发技术决定了c a i 的发展。 二、c a i 发展的现状、趋势与存在的问题 c a i 还是一个正在研究和发展的领域，c a 的开发有着多种方式，归纳起来 看主要有以下三种： 4 浙江大学硕士学位论文 l 、使用程序语言；使用b a s i c 、c 等语言开发实验数据处理、曲线模拟等一 些偏重于计算的c a i 。这种方式主要是一些计算机力量薄弱特别是硬件条件较落 后的小院校在使用。 2 、用编辑工具开发；编辑工具包括专用于c a 的著作软件，例如a u t h o r w a r e 、 d i r e c t o r 等，也包括一些w i n d o w s 的超文本编辑工具，如w o r d 、p o w e r p o i n t 等。 这种方式开发难度较低，效果较好，在国内占大多数，例如科利华、洪恩、红太 阳等c a i 软件开发公司均在使用著作工具开发商用的c a i 软件。在课堂教学和做 公司或产品介绍时，w o r d 、p o w e r p o i n t 等软件的使用很普遍。 3 、用网页制作技术开发：把制作网页的方式运用于c a i 软件制作，在制作 上很简单，效果也很好，而且可以把c a i 软件放在网络服务器中成为网络c a i 。 许多高校( 如清华、北大、浙大、交大等) 用这种方式开发的教学软件已应用于远 程教学。这种c a i 开发模式的最大好处就是充分利用了i n t e r n e t 的优势，学生 可以随时随地上网学习。 可以肯定，基于互联网的c a i 软件开发将是今后c a i 发展的方向【7 】。但 是今后的网络型c a i 不仅仅是可以在网上浏览c a i 课件，而是要求可以通过互联 网实现更多更为强大的网络教学功能，例如网络式讲课、网络答疑功能等。开发 c a i 软件的网络功能将是今后的c a i 软件开发的热点，目前看来分为这么两个方 向： 一 i 、网络协作式 计算机支持的c s c w ( c o m p u t e r s u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ：网络协作) 方 式是顺应i n t e r n e t 技术的发展而产生的。计算机网络技术的发展使计算机应用 从单用户工作模式向多用户工作模式的方向发展。c s c w 是指这样一个计算机系 统，它为完成某一项任务为一组用户提供一个分布式工作环境。c s c w 体现并符 合当今信息时代人们工作的群体性、交互性、分布性和协作性等特点，因而目益 受到人们的重视并广泛地应用到实际当中。目前在i n t e r n e t 上开展的协作工作 方式主要有：远程通讯、日常工作日志的安排、远程视频会议、远程医疗、远程 教学、远程购物、远程工作等等，如图1 2 所示【3 4 。 c s c w 应用于c a i 就可以让教师了解学生知识掌握的情况，及时调整自己的 教学方法和教学内容；可以让学生配合与老师，更好完成教学计划，达到教学目 的【3 4 1 。计算机支持的协作教学有这么一些特点 3 4 ，6 1 】： 分布性：协作教学支持地理位置分布和功能分布。地理位置分布是指教师 一5 一 浙江大学硕士学位论文 ， 图卜2c s c w 功能示意图 和学生可以使用地理位置分散的计算丰几_ ：功能分布是指教师站点和学生站点各 自具备自己的功能，完成相应的操作。 信息共享和通讯：信息共享是协作教学的核心，而通讯是实现信息共享的 基础。要实现c a i 课件的共享，系统需提供各种通讯方式f 针对教学活动的特点， 可以有点对点方式( 教师与某个学生间的交互，学生与学生间的交互) 和广播方 式( 教师与全体学生间的交互) 。同时系统还支持多种媒体的传送，包括文本、图 形、声音、图像等，这也是现代化教学必不可少的一些方面。 人一人交互：传统的单用户分布式系统是用户通过一个接口与系统进行交 互活动，它提供多种透明支持，使用户感觉到似乎只有他一人在使用系统，即单 一的人一机交互。而协作式教学恰恰相反，它实现的是教师与学生问的交互，即 人一人交互。在这种交互方式下，教师与学生能互相感知对方的存在、行为及状 态，这是与传统的非协作式系统的主要区别。人一人交互方式通过人一机、机一 机、人一机三个步骤实现的。 协作与自治协作教学环境下，教师与学生相互依赖、相互协作以共同完 成教学任务，同时教师和学生又扮演不同的角色，担负不同的职能。 由此可以看出，让教师和学生在互联网上实现异地通讯和相互协作的网络协 作式c a i ，是一种很有生命力的教学方式。 2 、虚拟现实式 虚拟现实是一种由数据产生的模拟情景，在这个模拟现实的情景里，学生可 以直接操作虚拟的物体，有接近真实的效果 3 1 。虚拟现实能创造出良好的学习 环境，可以制造现实中无法实现的教学现场和教学过程。虚拟现实型c a i 有着很 一6 一 浙江大学硕士学位论文 好的教学效果。但是虚拟现实技术需要较高的软件技术和硬件条件。 随着计算机技术和c a i 开发技术的发展，这两种发展方向最终将合二为一， c a i 最终将是基于网络的、相互协作的、虚拟现实的。这就成了真正网络的虚拟 教学世界。今后的c a i 也将在这个虚拟世界中发展，网络将成就虚拟的大学。这 种网络的虚拟教学方式将完全取代现在的固定时间地点的传统教学方式【7 】。 就目前看来，对大多数c a i 软件开发者来说，开发网络协作式c a i 较为现实。 因为网络协作式c a i 对技术和硬件的要求要比虚拟现实型低得多，可以在现有的 网络条件和普通的硬件条件下实现网络协作式c a i 。c a i 中实现多媒体功能已经 是现在c a i 软件开发的基本要求，而在此基础上实现网络协作功能将肯定是今后 c a i 开发的热点。 开发有网络协作功能的c a i 软件，就现在看来还没有一种很好的开发方式。 因为就前面提到的这三种c a i 开发方式都有着各自的缺陷。其中， 使用程序语言：这种开发方式需要专业的计算机知识，需要化大量的工作 在语言编程上：而且开发能力有限，很难开发多媒体和网络功能。 用编辑工具开发：这种开发方式只能开发一些相对简单的、模式比较固定、 功能有限的c a i 软件。虽然处理多媒体的能力不错，可是无法开发出具有网络功 能的c a i 。 用网页制作技术开发：用网页制作技术开发的c a i 有较强的多媒体能力， 但是运用单一的网页制作技术制作c a i 是很难实现其它一些很重要的功能，例如 网络通讯、学习记录等。 显然这三种开发方式由于自身的局限性是无法开发具有网络协作功能的 c a i 软件的。虽然，开发具有网络协作功能的多媒体c a i 软件已经逐渐成为一个 热点，但是到目前为止，开发具有网络协作功能的多媒体c a i 软件还是基本处于 设想阶段。 1 3 本文的工作及内容 如上所述开发具有网络协作功能的多媒体c a i 软件将是一件很有意义很有 前景的工作，但是由于目前还没有一种比较合适的c a i 开发方式可以胜任开发这 样的c a i 软件，因此有必要从c a i 软件开发的技术角度入手进行网络协作式多媒 体c a i 软件的研究与开发。具体工作内容如下： 1 、设计组合式结构体系 一7 一 浙江大学硕士学位论文 网络协作式c a i 软件有多个功能部件组成，它的设计和制作将是比较庞大而 复杂的，软件开发的效率、软件的修改和软件的可变性将成为一个突出的问题。 解决这个问题的方法就是软件的模块化，把一个复杂的大软件分为许多个小的功 能模块，然后把这些功能模块组合成一个系统软件。以实现高效开发、方便修改 同时让软件具有灵活的可变性。 2 、设计课件中多媒体的组织方式 多媒体是课件中必不可少的元素，而多媒体的组织方式是教学思想的一个体 现，直接影响到c a i 的教学方式和教学效果，是课件设计中很重要的一个问题。 3 、设计课件的制作方法 课件制作是一个很费时的工作，设计一种可以让大多数课件制作人制作方便 而且有效的方法将是很有实际意义的。 4 、设计课件内容的呈现功能 由于课件的内容已不仅只有文本，而且还有多媒体和其它元素，课件内容的 复杂性决定了课件内容的呈现也是个较为复杂的问题。如何呈现课件内容是一 个直接影响c a i 软件教学效果的问题。 5 、设计网络协作功能 设计一个具有网络协作功能的多媒体c a i 软件，需要解决如何实现网络共享 与协作功能，网络共享与协作功能包括文本、图像、影视声音等各种信息的传输 和共享以及用户之间信息的相互交流。 6 、设计软件式笔记本功能 o a f 软件在许多方面超过了传统的教材，但是，到现在为止还没有在c a i 软 件中实现传统教材可作笔记的功能。在设计中就要解决这个问题，在c a i 软件中 实现软件式笔记本功能突破了c a i 软件只能学习不能笔记的历史，是以往c a i 软件从没有过的。 一 7 、设计软件的修改和升级的能力 软件方便的修改可以让c a i 软件有很强的可变性、适应性；方便的升级性能 可以让c a i 软件具有更长的生命力，这是个软件开发中一个很重要的问题，以往 的c a i 软件一般都没注意这个问题。 8 、运用本课题的设计思想和方法实现机械原理c a i 软件的开发： 机械原理是机械类- - i 重要的主干技术基础课，运用本课题思想和方法开 发机械原理c a i 软件，不仅可以提高教学效果，加强学生创新能力的培养，而 且也是对上述设计思想和设计方法的一个检验。 一8 一 浙江大学硕士学位论文 第二章网络协作式超媒体c a i 整体的设计思想与方法 【本章提要】 本章首先确定了软件应实现的功能，其次根据预期功能设计了目录链接式的 的课件结构和模块化的系统程序结构，最后选择了合适的支持平台和开发工具， 以便为本项目的进一步开发奠定基础。 2 1 引言 网络协作式超媒体c ai 软件的开发是一个较为复杂、规模较大的软件工程， 其整体的设计思想和设计方法显得极为重要，它直接关系到软件具体的设计过 程。整体设计包括设计软件要实现的功能、设计软件的整体结构、设计各功能模 块之间组织结构和设计开发工具的组合以及设计相应的支持平台。 2 2c a i 软件开发的设计准则 在设计c a i 软件之前必须了解，一个完善的c a i 软件应该具备那些功能。特 别是对于现在的c a - i 软件开发，多媒体是一项很基本的要求，而且对于一个希望 有发展生命力盯c a i 软件来说，还需要具备一些保持软件活力的优秀性能。这也 是对今后的c a i 软件开发提出的设计准则和要求。 一多媒体能力 心理学家t r e i c h l e r ，在1 9 6 7 年的一项研究中表明【1 4 1 ：学习过程中，同 时使用多种感官。能够明显地提高学习效率和增进记忆，如果给学习者以复述的 机会，即以交互方式进行学习，其学习效果会更加明显。c a i 课件就应提供这样 一种多媒体环境，学习者在其间可以充分发挥多感官的功能，不仅应该有丰富的 媒体类型使学生视听觉并用，而且应该趣味性很强，对学生有很强的吸引力，这 样教学效果才会明显。所以在c a i 课件中要求有较强的多媒体能力是一项很重要 的准则。 二课件内容的可交互性 c a i 软件还应该允许学习者和电脑交流或学习者和教师通过电脑交流，这是 传统教学课堂无法达到的。交互式的学习对学习者来说是一种更为积极的主动学 习方式，学习者可以根据个人情况自定学习步骤。在一种很积极的状态下全身心 投入学习，效果明显【5 】。所以具有交互性也是对c a i 软件的一项设计要求。 一9 一 浙江大学硕士学位论文 三知识点的联想性和导航性能 传统的教材不管是书本还是录像、录音教材都是线性的固定顺序的编排，所 以学习者只能按顺序逐步地学习【1 2 】，而网状的超链接式连接知识点的课件可 以允许学习者按照知识点之间的关联方式进行联想式学习，不仅各知识点之间关 联起来有利于学习。而且可以让学习耆进行自由联想式的学习，这对提高学习效 果有很大帮助。因此在c a i 软件中必须实现知识点的联想性。 导航性能其实是为弥补超链接的缺点而增加的。因为，网状的超链接是很好， 但是方向太多了就很容易迷航，学习者会为回到原来的学习点而费很大劲【2 6 。 有了导航，就可以让学习者在暂时的关联学习后方便地回到原学习点。所以，c a i 软件还需要有导航性。 四课件制作的方便性 在c a i 软件中课件的工作量占总体的大部分，如果课件制作的方法太原始需 要较多手工，那课件制作的工作量是相当可观的。特别是多媒体课件，因为包含 多种形式媒体，所以复杂度也更高。课件制作的方便性直接影响c a i 系统的完成 时间。所以，一个优秀的c a i 软件应该是一个课件制作方便的c a i 。 五系统的功能性 一个优秀的c a i 软件要求具有多种强大的功能，除了基本的课件呈现功能， 还要有其它的功能，如交互功能、书写、练习、记录、笔记、通讯等功能。这些 功能对于加强c a l 软件的教学功能和提高教学效果是很有用的。 六系统的可变性一 一个c a i 软件要有生命力就需要具有很强很方便的可变性，可变性让c a i 软件通过修改而改变课件内容或系统功能，从而可以适应教材的变化、教学脚本 的变化。一个优秀的c a i 软件应该可以支持多种相似的课件，而且可以被方便地 增减或修改课件内容，这样对c a i 软件使用者来说，他们就可以按自己的要求修 改软件。 七系统的可扩展性易升级性 c a i 软件要具有生命力还需要具有可扩展性能和易升级性能。因为，随着c m 的发展需要，增加或升级系统的功能将是很频繁的事。c a i 软件的功能应该可以 被方便地增减或修改，这样的c a i 软件才具有更强的生命力。 浙江大学硕士学位论文 2 3 网络协作式超媒体c a i 软件的功能设计 对复杂的大型程序的设计，首先要确定软件应具有那些功能以及这些功能模 块之间的关系。 一网络协作式超媒体c a i 软件应具有的功能 在本课题中，网络协作式超媒体c a i 软件应实现的功能有这么一些： 1 更换和修改课件的功能 c a i 软件设计准则中的可变性要求c a i 软件可以通过修改而改变课件内容， 从而可以适应教材的变化、教学脚本的变化，实际上实现了一个c a i 软件可用于 一大批课程的教学的目的。所以，设计c a i 软件更换和修改课件的功能对c a i 软件使用的推广和普及很有价值。 2 呈现多媒体的功能 优异的多媒体呈现能力可以实现丰富的教学内容，可以实现“图、文、视、 声”一体化的课堂教学效果。在c a i 软件中，需要实现文字形式的概念、图片形 式的实物原型、影视形式的过程演示交错一体表现的教学效果。所以，呈现多媒 体的功能必不可少。 3 计算和参数设计功能 计算和参数设计是工科课程教学过程中很重要的一环，如机械原理中的连杆 参数设计。在c a i 软件中实现计算和参数设计的功能，是和多媒体教学内容结合 在一起出现的，这对提高c a i 软件教学能力和教学效果极为有效。 4 课件的交互功能 在学习过程中及时对学习者的行为作出反馈以及学习者可以自己控制复述 内容，这就是交互方式的学习。允许学习者进行人机交互式操作则发挥了人的各 个感觉器官的协作作用，极大了提高了学习效率【1 4 。所以设计课件的交互功 能很重要。 5 软件式的笔记本功能 在传统教材上，作笔记是一项很有效的学习方式，但是要在c a i 软件中实现 笔记本功能的难度是相当大的，所以在c a i 软件中还一直没有笔记本功能。笔记 本存储的信息是个人的资料，所以不应该和课件相混合，而且最好可以保存、转 浙江大学硕士学位论文 移和携带。因此在本课题中，设计的软件式笔记本应该是以独立形式存在的，而 不影响原有课件的内容，使用时可以和c a i 课件内容相结合的。这个笔记本以软 件的形式存在于计算机中的，有普通软件一样的特性和功能：撰写的工具是 键盘和鼠标；可以方便的存储和转存；擦写修改方便。软件式笔记本应该 既适合做学习笔记，也适合做教学笔记。 6 网络协作功能 在前面已经提到过网络协作式软件的强大的教学作用。在本课题中要设计的 网络协作功能就是要实现联网的c a i 软件的使用者可以在线联系，可以实现异地 在线者之间人与人方式的交互，实现图片、影视等教学信息的共享以及教学的协 作。 7 i n t e r n e t 功能 i n t e r n e t 的功能，如w w w 浏览和em a i l 的收发功能以及f t p 功能，是对c a i 的一个有利补充。在本课题中要在c a i 软件中实现这些主要的i n t e r n e t 功能。 二网络协作式超媒体c a i 软件的功能结构 软件的功能结构是软件功能模块之间结构关系的一种表示方法，可以用结构 图的形式清楚的勾画出软件的功能实现过程以及各功能模块之间的相互关系。 可以根据c a i 软件的工作原理勾画出c a i 软件的功能结构示意图，如图2 - 1 所示。由教学内容制作成多媒体课件，通过c a i 系统程序转化为多媒体教学内容 并展现给学习者。 图2 一lc a i 软件的功能结构示意图 根据软件要实现的功能可以进一步把具体的功能结构详细地描绘出来。如图 2 - 2 所示。 l2 一 浙江大学硕士学位论文 日嚣 厂一h 多媒体课件翻) 一v i制作掌矿 y 图2 - 2 详细的c a i 软件功能结构图 2 4 网络协作式超媒体c a i 软件的结构设计 对于复杂大型程序的设计，首先要进行结构设计【1 3 】。软件结构设计的目 的就是规划软件整体结构，协调软件各部分的组织关系。软件的结构是影响软件 性能的一个重要因素，良好的软件结构有助于快速开发，合理的软件结构是方便 修改和升级的前提。所以，结构设计是软件整体设计中很重要的一个步骤。由于 c a i 软件中课件和系统软件在功能上差别很大，所以其结构设计要分为课件和系 统程序两大部分来进行。 、网络协作式超媒体c a i 课件的结构设计 1 c a i 课件的整体结构关系设计 现常见的c a i 课件的整体结构有两种：固定的前后顺序式和目录链接式。大 多数c a i 课件的整体结构是前面一种( 如p o w e r p o i n t 、a u t h o r w a e r 等工具制作的 c a i 课件) ，只有小部分( 如用网页制作技术制作的c a i 课件) 是用目录链接式结 构的。目录链接式结构的课件可以让使用者对课件的结构有一个整体把握，实现 快速的进入或转入相应章节内容的学习。而固定的前后顺序式则没有这样的灵活 性。所以，在本项目中采用目录链接式的整体结构是最佳选择。 要实现目录链接式的c a i 课件结构的关键就是要使目录中的子目录能够链 接到对应的章节内容。在本课题中为了实现课件制作和修改的方便性，把课件设 计成各部分独立分散的结构形式，整个课件有许多课件文档组成，各个文档独立 一】3 一 浙江大学硕十学位论文 竣一 ：一j 图2 4 课件文档之间的连接图 l4 一 浙江大学硕士学位论文 可以在课件的页中设计前后翻的按钮来式实现各课件文档的连接，前后翻地 按钮可以运用超级链接连接的方式设计。结构设计如图2 4 所示。 二、网络协作式超媒体c a i 系统程序的结构设计 网络协作式超媒体c a i 软件的系统程序要完成课件呈现、网络协作、笔记本 等多项功能。在设计这样一个复杂的大程序时要解决一个很重要的问题就是：使 软件的结构清晰，不仅要求容易设计也要容易阅读和理解，更要便于修改和测试， 解决这个问题的方法就是程序的模块化。模块化就是把程序划分成若干个功能模 块，每个功能模块完成个和几个子功能，把这些功能模块集合起来组成一个软 件整体【1 3 】。模块化的设计还可以提高软件的可靠性。因此本课题采用模块化 的设计方法来设计网络协作式超媒体c a i 软件的系统程序。 在本课题中把系统程序按完成的功能群设计为五个功能模块：系统界面控制 模块、网络协作功能模块、课件呈现功能模块、笔记本功能模块和i n t e r n e t 功 能模块。这些功能除了系统功能要控制其它功能以及笔记本功能需要依赖课件呈 现功能而实现外，其余功能基本上是相互独立没有很强的关系的，由系统界面控 制模块集成和管理其它功能模块。它们的结构和组织可以用图2 5 表示。 、要j 苎! 生翌壁篓苎， 图2 - 5 系统程序的功能结构图 一15 一 事固 甘 浙江大学硕士学位论文 三、课件与系统程序的结构关系设计 课件和系统程序是c a i 软件的两大组成部分，课件和系统程序之间还需要一 个相互连接的结构。一般来说这种相互连接的结构有两种形式：一、一体式，大 多数c a i 软件都是一体式的( 典型的如a u t h o r w a r e 制作的打包后的c a i 软件) 。 二、分离式，如用网页制作的课件和其系统程序( 如i e 浏览器) 是互不相干的。 一体式有个优点就是不易丢失和保护创作权，但是太强调保护创作权会不利于 c a i 的交流。而分离式是实现课件可变性的前提。在本课题中对c a i 软件提出了 可变性的要求，因此必须设计成分离的结构关系，课件部分独立于系统程序。这 种设计还有个好处就是实现了课件制作的灵活和方便。课件与系统程序的结构关 系可表示为图2 - 8 所示。 图2 - 6 课件与系统程序的结构关系示意图 因为课件与系统程序是分开各自独立的，所以有必要设计它们之间衔接接口 的结构。设计课件与系统程序之间接口的目的是要实现很方便的可变性，也就是 说可以通过设置的变化而变更课件内容。实现这一点可以这样设计：在系统程序 中设计一个可设置目录页地址的信息框，在这个信息框中输入或修改目录文件的 名称和地址，实现课件和系统程序的连接以及变更课件，这样便完成了课件与系 统程序之间接口结构的设计。这样的设计有如下两个要点： 一 需要把目录页的文件名和地址填入系统程序设置栏处完成连接，如图 2 7 所示。 图2 7 目录地址设置示意图 课件和系统程序可以在一台电脑上，也可以在联网的不同电脑上，但是课 件和系统程序都要在相对固定的位置。如图2 8 所示。 一l6 一 浙江大学硕士学位论文 面一、商 图2 8 课件和系统程序相对位置不葸图 2 5 支持平台以及开发工具的选型设计 一、支持平台的选型设计 一个c a i 软件的正常运行需要相应的支持平台，支持平台的差异也会影响软 件的开发过程。支持平台的选型设计包括计算机硬件、系统软件、网络环境，系 统平台的选择。 1 用户机硬件的选用 计算机的硬件类型有很多种，大致分为巨型机、大型机、小型机和p c 机， 显然选择p c 机是必然的，因为绝大多数教学用机是p c 机。而p c 机主要有两种： 一种是苹果机( a p p l e ) 系列；另外一种是i b mp c 及其兼容机系列。由于目前大多 数个人电脑用户使用i b mp c 兼容机，因此本课题选择i b mp c 兼容机作为软件运 行的硬件基础。但对电脑的配置还有一定要求，以满足多媒体播放的需要。 1 ) p u 主频3 0 0 m h z ；显示内存8m b ，空余硬盘空间2g b 2 ) 声卡、耳机、话筒：网卡或者m o d e m ，要求可以上网 2 操作系统的选择 目前在p c 机上主要有四种类型操作系统：u n i x 系列、w i n d o w s 系列、l i u i x 和