（计算机应用技术专业论文）多媒体数据库在教学案例管理系统中的应用研究.pdf

摘要 摘要 在面向信息化的教师专业发展中，教学案例是教师专业成长的阶梯。对教 学案例的分析和管理越来越受到教师和研究人员的重视。教学案例具有多种表 现形式，可以从多角度对其进行描述。案例研究的一个重要方向就是如何利用 信息技术的手段来组织和管理不同媒体表现形式的案例。从本质上看，案例是 多种媒体数据的组合，是具有教育意义的多媒体对象，因此本文引入多媒体数 据库的设计思想来管理多媒体形式的各种教学案例采用松耦合的体系结构 建立了多媒体数据库及管理系统，即利用关系数据库管理元数据、利用文件系 统管理多媒体文件，再将两者有机地结合起来。在此基础上，采用面向对象思 想将多媒体数据库中存储的实体映射成为多媒体数据库类中的类，抽象并实现 了多媒体数据处理层，从而将传统的基于数据库应用的三层体系结构改造成为 加入了多媒体数据处理层的四层新型多媒体数据库应用系统。与此同时，开发 了便于教师使用的实用工具来处理视频形式的教学案例，包括物理分割工具、 逻辑分割工具、注释工具和合并视频分段的工具。 本文共务秀鬻个部分，其中笫2 章和第3 章是本文骈究工律翡重点与难点： 第l 章介绍本文的研究背景，概述了目前图内外相关领域的研究现状以及 本文静奎黉研究内容。 第2 章介绍在教学棠例管理系统中，多媒体数据库及其管理系统的设计与 实现。奁憩基稿上，接豢窭多媒体数据鲶理屡，来鸷装对各释多媒体数攥静请 求与操作。从而将传统的三层数据库应用系统的体系结构改造成为加入了多媒 体效蕹簸壤层垂奄蘸象髂系结毒每。 第3 章介绍“关键攀件”的概念及其管理机制，并开发了系列从视频案 铡孛接取关键事耱熬工爨。 第4 章介绍本文研究工作得出的结论，并对朱来工作进行了探讨与胜望。 芙键词：多媒体数据库，教学案例管理系统，四层体系结构，多媒体数据处理 层，关键事终 a b s t r a c t t e a c h i n g e a s e i st h el a d d e ro ft e a c h e r s p r o f e s s i o n a l d e v e l o p m e n t o ni c t t e a c h e r se n dr e s e a r c h e r s p a y m o l ea t t e n t i o nt o t e a c h i n g c a s e s a n a l y s i s a n d m a n a g e m e n t t e a c h i n g - c a s e sh a v em a n yr e p r e s e n t a t i o nf o r m sa n dc a nb ed e s c r i b e d f r o md i f f e r e n tp o i n t so fv i e w h o wt oa p p l yi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g yt om a n a g i n ga n d o r g a n i z i n gt h ei ：a s c sc o m p o s e do f d i f f e r e n tm e d i a ，i sa ni m p o r t a n td i r e c t i o no fc a s e r e s e a r c h e s i nn a t u r e ，at e a c h i n g - c a s ei sc o m b i n a t i o no fv a r i o u sm e d i a i ti sa n e d u c a t i o n a lm u l t i m e d i ao b j e c t t h u st h i sp a p e ri n t r o d u c i n gt h ei d e aa b o u td e s i g n i n g m u l t i m e d i ad a t a b a s et oc a s e s m a n a g e m e n t ，w h i c ha d o p t sal a x c o u p l i n gs t r u c t u r et o b u i l du pm u l t i m e d i ad a t a b a s ea n di t sm a n a g e m e n t ，t h a t st o s a y , u s i n gr d b m s t o s t o r ea n dm e n a g em e t a d a t ao fm u l t i m e d i ad a t aa n du s i n gf i l e s y s t e mt om a n a g e m u l t i m e d i af i l e ，t h e nu n i t eb o t ht o g e t h e ro r g a n i c a l l y o nt h eb a s eo f t h a t ，m a pt h e e n t i t i e so fm u l t i m e d i ad a t a b a s et oc l a s s e so fm u l t i m e d i ac l a s s e s l i b r a r yb yt h e o b j e c t - o r i e n t e di d e aa n d a b s t r a c tam u l t i m e d i ad a t aa c c e s sl a y e r ，t h e r e b yi m p l e m e n ta n e w f o u r - l a y e rm u l t i m e d i ad a t a b a s ea p p l i c a t i o ns y s t e mo nt h eb a s i so ft r a d i t i o n a l t h r e e l a y e rs t r u c t u r eo fd a t a b a s ea p p l i c a t i o nb yi n s e r t i n gt h em u l t i m e d i ad a t aa c c e s s l a y e r a c c o r d i n g l y , f o rv i d e oc a s e s ，t h e a u t h o rd e v e l o p sp r a c t i c a ld i s p o s i n gt o o l s c o n v e n i e n tf o rt e a c h e r s u s e ，i n c l u d i n gp h y s i c a lc u t t i n gt o o l s ，l o g i s t i cc u t t i n gt o o l s ， n o t i n g t o o l sa n dc o m b i n a t i o nt o o l s t h i sp a p e ri sc o m p o s e do ff o u rp a r t s ，o fw h i c h p a r t2a n d3a r ee m p h a s e sa n d d i 衢c l l l t i e s ： c h a p t e r 1 ：r e s e a r c h b a c k g r o u n d ，p r e s e n t d o m e s t i ca n da b r o a dc o r r e l a t i v e d o m a i nl e s e a r e ha c t u a l i t ya n dm a i nc o n t e n t so f t h i sp a p e r c h a p t e r2 ：d e s i g na n di m p l e m e n to fm u l t i m e d i ad a t a b a s ea n dm a n a g e m e n t s y s t e mi nt c m s o n t h eb a s i so f w h i c h , a p p l y i n gm u l t i m e d i ad a t aa c c e s sl a y e rt o e n c a p s u l a t i n g v a r i o u s r e q u e s t s f o rm u l t i m e d i a i l a t 乱t h e r e b yb u i l d i n g an e w f o u r - l a y e ra p p l i c a t i o ns y s t e ms t r u c t u r ew i t h m u l t i m e d i ad a t aa c c e s sl a y e r c h a p t e r 3 ：c r i t i c a le v e n ta n das e r i e so f i t sm a n a g e m e n tt o o l s c h a p t e r 4 ：c o n c l u s i o na n d p r o s p e c to f t h i sp a p e r k e y w o r d s ：m u l t i m e d i ad a t a b a s e ，t e a c h i n g c a s em a n a g e m e n ts y s t e m ，f o u r - l a y e r s t r u c t u r e ，m u l t i m e d i ad a t aa c c e s sl a y e r , c r i t i c a le v e n t i i 第1 章引言 1 1 研究背景 第1 章引言 目前，教师的专业化发展已经成为国际范围内教育改革的发展趋势，受到 许多国家的重视。在教师的专业化发展中，案例是教师专业成长的阶梯。案例 研究的是在真实教学情境下，面对不确定的、复杂多变的教学情境，教师所做 的决策判断或两难困惑，从而促进教师实践的反思和默会的智慧【i 】。教育案例知 识是教师知识结构系统中不可或缺的重要组成部分。近年来有学者( s h u l m a n ) 提出【2 】，教师专业知识结构由三类知识构成，即原理规则知识；专业案例知 识；运用原理规则于特殊案例的策略知识。教师的知识分类将教育教学案例 纳入了教师的知识系统。正如医生拥有医学案例、律师拥有法律案例、工程师 拥有工程案例一样，作为一种需要特殊培训的职业，教师也应该掌握大量的教 育教学案例。教师从案例中可以获得知识和策略，获得特定教育情境下的教育 经验，从而提高教育决策和行动的能力。 在面向信息化的教师专业发展中，将具有教师个性特点的案例知识显性化 和社会化，能够最终实现教师的专业发展【3 1 。案例具有多种表现形式，比如超文 本格式文档、用于抛锚式教学的以各种媒体为载体的故事( 如贾斯柏系列) 、教 师的教案、教学日记、反思、专题网站、用于教师或学生评价的档案袋、课堂 教学录像等等，都可以算作是教学案例。这些案例的表现形式不同，服务目的 也不尽相同：有的适用于抛锚式教学的锚；有的适用于案例教学中的讨论案例； 有的适用于课堂观察和课堂评价等等。针对具有不同媒体表现形式的案例，如 何用信息技术手段来有效地加以管理及利用，是摆在研究者和教师面前一个急 需解决的问题。多媒体技术、数据库技术和网络技术的发展为高效管理多媒体 形式的教学案例提供了可能性。 早在1 9 8 3 年第九届国际超大规模数据库会议上，t s i c h r i t z i s 等人就提出了多 媒体数据库的概念。近年来由于数据压缩、海量存储、宽带网络、高速处理器 技术的发展，使得多媒体很快成为计算机和通信行业的热点，同时数据库作为 信息管理的有效手段也成为多媒体研究的重要方向之一。多媒体数据库及其管 理系统主要解决如何存储和管理多媒体数据的问题，是计算机数据管理技术发 第1 章引言 展的最新阶段。近年来，对多媒体数据库系统的研究不管是在理论方面还是技 术实现方面都取得了很大的进展。多媒体数据库技术已被广泛应用于各种领域， 如军事应用、医学病例管理、航天测控、商标管理、地理信息系统、数字图书 馆、c s c w 系统、期刊出版系统等。将多媒体数据库技术引入到教学案例管理 系统中，是信息技术在教育教学领域发展的必然趋势。 1 2 国内外相关研究综述 1 2 1 案例教学综述 案例教学法( c a s em e t h o d so ft e a c h i n g ) 最早可以追溯到古希腊、古罗马时 代，但它真正作为一种教学方法的形成和运用，却发生在1 9 1 0 年美国哈佛大学 的法学院和医学院。2 0 世纪初，案例教学开始被运用于商业和企业管理，其内 容、方法和经验日趋丰富和完善，并在世界范围内产生了巨大的影响。 案例教学法的一个最突出的特征是案例的运用。案例教学法可简单地界定 为一种运用案例进行教学的方法：通过对一个具体教育情境的描述，引导学生 对这些特殊情境进行讨论的一种教学方法【4 】。就概念而言，案例还没有一个公认 的权威定义，不同领域的专家对它的描述不一。在谈到师范教育的案例时，理 查特( r i c h e r t ) 说，“教学案例描述的是教学实践，它以丰富的叙述形式，向人 们展示了一些包含有教师和学生的典型行为、思想、感情在内的故事”1 4 j 。在教 育部制定的教育资源建设技术规范中，案例资源被列为九大类资源之一。该规 范对于案例资源的定义是：案例是指由各种媒体元素组合表现的有现实指导意 义和教学意义的代表性事件或现象1 5 j 。 当前在国内，案例教学已被越来越多的人所接受，并列入了各高校的教学 改革计划，尤其是在一些法学、工商管理类专业已经被广泛运用。在中小学教 育方面，随着各中小学校对新课程教学改革方式的贯彻，案例教学己逐渐开展 起来。但总体来说，目前国内的案例教学还处于起步阶段，这表现在以下几个 方面【6 】：教学过程重理论轻实务，重宏观轻微观，重传授轻参与；案例教学比例 不尽合理；案例库供应不足，质量欠缺。尽管如此，案例教学作为一种归纳教 学法，虽然不可能完全取代传统的演绎式的教学模式，但其成为一种未来教学 改革方式已是大势所趋。在推广案例教学的过程中，除了需要教育理念的更新 第1 章引言 以外，一个更重要的、基础性的工作就是案例库的建设。只有积极地建设案例 库，以案例库为后盾，才可能支撑案例教学的进一步发展。 1 2 2 多媒体教学资源库( 含案例库) 及管理系统现状 一、国外网上教育资源库及管理系统现状【5 l 在资源获取方面，欧美国家的大多数资源站点( 如美国a d o b e 公司建立的 e d u c a t i o n a lr e s o l l r ) 不提供在线下载，而是以资源目录的方式介绍给用户，并 提供一些资源属性的相关描述，如：作者、主题、学科和关键字等。当用户找 到自己所需的资源，在测览器中填写表单，注明个人信息、通讯地址和支付方 式后，可以有偿使用。 国外教育资源的内容涵盖面向基础教育的k - 1 2 资源以及各种专业资源，如 保健、航天、历史文化等。资源形式以文献居多，还有大量的课程计划和方案， 而视频、音频资源相对较少。有些资源中心往往和图书馆合并在一起，提供大 量的文献资料，称为数字图书馆。他们有特定的服务对象，只有具有该网站访 问权限的用户才能使用资源。如：波士顿学院图书馆为林奇教育学校提供专门 的资源服务，其中包含大量的k 一1 2 资源。 二、国内知名教育资源库( 含案例库) 及管理系统现状 同方思科t f e r m 资源库是清华教育软件企业清华同方思科推出的国内第 一个基于国家标准基础教育教学资源元数据规范而开发的资源库。从2 0 0 2 年1 2 月至今，清华同方教育技术研究院对基础教育的资源与技术产品进行了全 面改造。在国家教育资源建设技术规范、元数据标准和最新课程标准改革方向 的指导下，对基础教育的资源与技术产品进行了全面改造与整合，发展形成了 全新的中小学网络教育资源整体应用解决方案c n k i 中小学多媒体数字图 书馆( c m d l ) ，原有“清华同方多媒体教育教学素材库”和“c n k i 基础教育 知识仓库”经重新楚合成为c m d l 的系列产品与服务的一部分。“中小学多媒体 数字图书馆”是数字化教育资源中心，从教育教学所必需的期刊库、报纸库、 论文库、图书库，到课件库、案例库、动画、图片、音视频以及互联网资源库 一应俱全。 苏亚星多媒体资源库管理系统是一套应用于各类校园网、城域教育网、企 业网的资源管理系统软件，它针对网络中资源数据的检索、使用和分发，提供 第1 章引言 远程可定制的、完备的资源管理能力，是完善的综合性多媒体资源库管理平台。 以上介绍的资源库及其管理系统的共同点是涵盖有大量丰富的教学资源， 对于资源的管理除了实现基本的管理功能外( 如存储、查找等功能) ，各个系统 亦有自己的特色( 如同方思科资源库和苏亚星资源库采用分布式资源管理，苏 亚星设有个性化资源管理等) 。但在这些资源库中提及的案例库其实质都是教案 库，不能完全代表案例库。目前，在国内中小学教育中案例教学只是剐刚起步， 因此案例库的建设将是一个任重而道远的工程。 1 2 3 多媒体数据库原型系统介绍 一、基于内容的图象及视频检索系统( q b i c ) 1 7 1 【8 l q b i c ( q u e r y b y i m a g e c o n t e n t ) 系统是由i b m 公司开发的基于内容的检索 系统，该系统提供了对静止图象及视频信息基于内容的检索手段，是第一个功 能较齐全的多媒体数据库系统，对多媒体数据库发展有较深远的影响。q b i c 的 基本结构图如图1 1 所示。 用户 图1 - 1 q b i c 的基本结构 二、代数视频系统( a l g e b r a i c v i d e o s y s t e m ) 代数视频系统是依据d u d a 等p 1 提出的代数视频数据模型建立起来的一个原 4 第1 章引言 型系统，该系统可以从视频数据中抽取视频属性信息并支持基于内容的存取和 视频播放。该系统的结构图如图1 2 所示。 索引库代数视频文件库非结构视频库 图1 - 2 代数视频系统结构 三、视频存储及检索系统( d e o s t a r ) v i d e o s t a r ( v i d e os t o r a g ea n d r e t r i e v a l ) 是依据h j e l s v o l d 1 0 1 提出的一种通 用视频数据框架模型建立起来的一个视频存储及检索实验系统。该系统的主要 目标是试图建立一个独立于不同数据存储系统的通用框架系统，此框架可与文 件系统、关系数据库及面向对象数据库连接到一起使用。图1 - 3 为该系统的结构 示意图。 第1 章引言 图l - 3v i d e o s t a r 的结构图 四、视频对象数据库系统( o v i d ) o v i d ( o b j e c t o r i e n t e dv i d e oi n f o r m a t i o nd a t a b a s e ) 是按照o o m o t o 1 i l 所提 出的视频对象数据模型建立的原型系统，该系统体现了面向对象技术在视频数 据库系统中的应用。o v i d 系统有以下几个主要特点：o v i d 的核心概念是视 频对象。每一视频对象是一个三元组：视频对象的标识o i d ；表示视频场景的由 开始帧号及结束帧号组成的数据对集合；描述视频帧序列内容的属性值对集合。 o v i d 可以动态递归地为对象进行标识及定义。o v i d 可以把一个以上的连 续视频帧序列合成为一个视频对象。 o v i d 支持视频对象分解浏览，即在浏览 一个大视频对象时，可把视频对象分解为若干较小的视频对象，分解的结果是 较小视频对象的集合，集合中的每一对象可从原视频对象中继承某些描述信息。 o v i d 中可把一视频对象作为另一视频对象的属性值。o v i d 建立了一种专 用视频对象查询语言v i d e o s q l ，用此语言可从视频对象集合中检索满足某一条 件的对象。 五、多媒体信息查询和检索系统m i r e 1 2 1 多媒体信息查询和检索系统m i r e 是一种对多媒体信息的内容进行管理的 原型系统。m i r c 项目研究新的多媒体信息检索的体系结构，以有效地支持多媒 体内容信息库的建立、操纵和维护；系统设计了能够描述多媒体内容、结构特 6 第1 章日l 言 征以及信息线索的数据模型；并以此为基础，支持基于内容的多媒体信息查询 和检索。m i r c 系统的体系结构如图1 - 4 所示。 六、多媒体数据库管理系统_ d m 2 【1 3 1 华中理工大学数据库与多媒体技术研究所经过1 8 年技术积累和研制开发， 推出了具有我国自主版权的分布式d m 2 多媒体数据库管理系统。它除了能像关 系数据库管理系统一样处理常规数据( 数字、字符) 外，还能将多媒体信息( 如 声音、文字、图形、图像等) 、地理信息等复杂对象视同常规数据一样进行一体 化地定义、存储和处理。d m 2 打破了数据库管理系统不能直接管理多媒体信息 的局面。d m 2 之所以能够直接管理和处理多媒体信息，是因为它从“底层”对 数据库管理系统进行了技术创新。它扩充了u n i x 操作系统使之具有多媒体功 能，并且首创了以下多媒体数据类型：声音数据类型s o u n d ；图像数据类型 i m a g e 等；采用了独特的数据存储方式分区：提供了获取多媒体数据的输 入工具和表现多媒体的输出工具。 1 2 4 数据库应用管理系统的体系结构发展 从本质上看，教学案例管理系统是一个基于数据库的教学应用管理系统。 系统内的所有信息( 包括用户信息、案例信息、案例相关的资源信息等) 都存 放在数据库中，由数据库管理系统统一管理。总的来说，基于数据库的应用管 理系统有以下几个发展阶段： 第1 章引言 一、单机数据库管理系统 单机数据库管理系统是最简单的数据库应用管理系统的结构，在这种结构 中，数据库和应用程序位于同一台计算机上，用户在本机对本地数据库进行管 理和操作。这种结构的系统开发及维护工作量小，适用于简单的数据库应用管 理系统。 二、c s 结构 c s 结构是2 0 世纪8 0 年代逐渐发展起来的一种体系结构。图1 5 是c s 结 构的示意图。这种体系结构将网络中的计算机分为有机联系的两部分：客户端 和服务器端。服务器端运行数据库管理系统，用于执行所有的数据库操作，客 户端运行应用程序以实现各自的用户界面和业务逻辑处理。服务器端和客户端 之间通过消息传递机制进行对话，由客户端发出请求给服务器端，服务器端进 行相应的处理后将结果返回给客户端。 图1 5c s 结构示意图 这种结构曾经是数据库应用开发的主要模式，但随着i n t c m c t 的普及与发展， 这种数据库开发模式已经不能适应i n t e r e s t 的需要，最突出的缺点是：这种类型 的程序需要在客户端安装软件，从而造成维护困难，升级麻烦；客户端与后台 数据库服务器之间数据交换频繁且数据量大，当大量用户访问时，容易造成网 络瓶颈；而且一旦选定软件平台及开发工具，不易更改。目前这种模式主要应 用在基于局域网的内部系统开发上。因为c s 一般面向相对固定的用户群，对 信息安全的控制能力很强，一般高度机密的信息系统采用c s 结构比较适宜。 第l 章引言 三、三层b ，s 结构 随着i n t e m e t 的发展，以w 曲技术为基础的b s 结构正日益显示其先进性， 很多大型数据库应用系统都采用这种体系结构。 图1 - 6 是b s 结构的示意图。b s 结构是随着i n t e m e t 技术的兴起而对c s 结构的一种改进。b s 结构由浏览器、w e b 服务器、数据库服务器三部分组成。 在这种体系结构下，客户端只需要有网络浏览器( 如i e ，n e t s c a p e 等) ，用户的 所有操作都是通过浏览器进行的。w e b 服务器是b s 结构的核心部分，它接受 远程或本地的h t t p 请求，然后根据查询条件到数据库服务器获得相关数据， 再将结果翻译成h t m l 和各种页面描述语言，传送回提出查询请求的浏览器。 同样，浏览器也会将更改、删除、新增数据记录的请求申请至w e b 服务器，由 后者与数据库服务器联系来完成这些工作。 圜1 - 6 三层b ，s 结构不霞豳 b s 体系结构改变了传统的c s 体系结构的缺陷，具有以下优点f 1 4 1 ：c s 结构不能应付基于i n t e m e t 的应用，因为广域网上很难维持可靠持续的网络连接； 而b s 结构可以采用非持续性连接，适应了i n t e m e t 的发展需要。客户端只用 安装一种网络浏览器，使用简单，对客户端硬件要求低。由于应用程序都放 在w e b 服务器上，软件的开发、升级与维护只在服务器端进行，减轻了开发与 维护的工作量。i n t r a n e t 上的用户可以方便地访问系统外资源，而i n t r a n e t 外的 用户也可访问i n t r a n e t 内的资源，资源共享程度高；b s 结构可直接连入i n t e m e t ， 扩展性好。 c s 结构采用的标准只要在内部统一就可，它的应用往往是专用的； 9 第1 章引言 b s 所采用的标准( 如t c p i p , h t t p 等) 都是开放的、非专用的，是经过标准化 组织所确定的，从而保证了其应用的通用性和跨平台性。 四、多层分布式体系结构 多层结构的典型是三层结构。在更复杂的多层体系结构中，客户端应用程 序与远程服务器之间可以加入更多的中间服务器。例如，可加入中间安全服务 器或中间转换服务器，用于对不同平台共享数据进行处理。在分布式多层结构 中，由于应用程序服务器集中实现了企业逻辑，协调多层之间的请求，与远程 数据库服务器进行通信，这样客户端应用程序可以把重点放在显示数据和用户 交互上，客户端应用程序甚至不需要知道数据存储在哪儿。 具体来说，多层的体系结构具有如下优势：在一个共享的中间层封装了 商业规则。不同的客户程序可以共享同一个中间层，而不必由每个客户程序单 独实现商业规则。客户程序可以做的很瘦，因为很多复杂的工作由应用服务 器代劳了，客户程序只需要关注用户界面本身。实现了分布式数据处理。通 过把一个应用程序分布在几个机器上运行，可以提高应用程序的性能，通过冗 余配黉还可以保证不会因为局部故障导致整个应用程序崩溃，有利于安全。 可以把一些敏感的功能放在有严密防护措施的层上，同时又不至于使用户界面 变得复杂。 在多层结构中，中间件是最重要的部件。所谓中间件是一个用a p i 定义的 软件层，是具有强大通信能力和良好可扩展性的分布式软件管理框架。它的功 能是在客户端和服务器或者服务器和服务器之间传送数据，实现客户机群和服 务器群之间的通信。其工作流程是：当客户端的应用程序需要访问网络上某个 服务器的数据或服务时，搜索此数据的客户，服务器应用程序需访问的中间件系 统。该系统将查找数据源或服务，并在发送应用程序请求后重新打包响应，将 其传送回应用程序。中间件在整个分布式系统中起数据总线的作用，各种异构 系统通过中间件有机地结合成一个整体。每个客户，服务器环境，从最小的局域 网环境到超级网络环境，都使用某种形式的中间件。无论客户端何时给服务器 发送请求，也无论何时需要存取数据库文件，都有某种形式的中间件传递客户 服务器链路，用以消除通信协议、数据库查询语言、应用逻辑与操作系统之间 潜在的不兼容问题。图1 7 中的( a ) 和( b ) 分别是以c o m + 为中间件和以 m i c r o s o f t n e t 平台为中间件的多层分布式数据库系统的体系结构示意图。 1 0 第l 章引言 ( 8 )以c o m + 为中问件的多层分布式系统体系结构 ( b ) 以n c t 平台为中间件的多层分布式系统结构 图l - 7 利用不同中间件实现的多层分布式数据库系统的体系结构示意图 1 3 本文的研究意义 由于案例教学是教师专业发展的新途径【“1 ，而案例教学区别于其他教学方 式的一个本质特征就是案例的运用口“，因此面向信息化的教师专业发展的课题 离不开有关案例的研究。为了使教师及研究者能够更好地利用案例来支持反思， 需要建立教学案例库及其管理系统来组织和管理各种媒体形式的案例。多媒体 数据库技术的发展使得建立新型的案例库及其管理系统成为可能。从上节介绍 的相关研究现状来看，多媒体数据库系统原型的研究及实现有着广泛的思路， 基于数据库应用的管理系统结构也日趋成熟，这为将多媒体数据库引入到教学 案例管理领域提供了技术上的可能性。 从本质上看，教学案例是带有教育意义的多媒体对象，具有多层次的结构， 既有文本形式的属性描述，又有多媒体形式( 如文档、视频等) 的过程描述， 对于教学案例的组织和管理即是对多媒体对象的组织和管理，需要引入多媒体 数据管理的思想和方法。多媒体数据库技术是融入了数据库技术、多媒体技术、 网络技术和人工智能技术的先进多媒体数据管理技术。本文的研究即是利用多 媒体数据库的设计思想来管理多媒体案例，从一个新的思路来设计和实现教学 案例管理系统。 1 4 本文的研究内容 教学案例管理系统的主要任务是如何有效地组织和存储教学案例，使得教 第1 章引言 师能够快速、高效地获取需要的教学案例来支持自己的教学工作。如前所述， 教学案例是一种多媒体对象，采用多媒体数据库技术来对其进行存储和管理。 设计和实现多媒体数据库是整个教学案例管理系统中最核心、最基础的工作， 其最终目的是使整个系统能够正确并且高效地运行起来，从两为系统用户提供 使用和管理案例的各种功能和手段。 为了提离系统的安全性、便于系统对数据的统一管理，将多媒体数据库中 存储的实体映射为各种多媒体数据类。在此基础上，将对多媒体数据的访问和 操作封装起来，提供各种服务，形成多媒体数据处理层，将传统的三层b s 模 式数据库应用系统的体系结构改造成新型的四层体系结构。对多媒体数据类的 抽象和多媒体数据处理层的封装将采用w e bs e r v i c e 技术和a d o n e t 组件技术， 这部分内容是本论文研究工作的重点和难点。 为了使教师能够更加灵活地使用教学案例管理系统，同时减轻网络负载， 对于课堂教学案例中教师预先设计好的教学活动以及课堂中或课堂外发生的有 意义的随机教学事件，引入了“关键事件”的概念【l7 】【i 引。本文的研究将关键事 件作为案例库中一个独立的存储单位，针对视频形式的关键事件为其提供一系 列管理工具，由此形成关键事件管理机制。 图1 8 是本文工作的总体研究思路示意图。其中研究工作的重点和难点部分 用带有下划线的字体标出。 图i 一8 论文研究工作的总体研究思路示意圈 1 2 第2 章教学案例管理系统中多媒体数据库及其管理系统的设计与开发 第2 章教学案例管理系统中多媒体数据库及其管理系统的 设计与开发 2 1 教学案例管理系统( t c m s ) 简介 2 。1 。1 课题来源 本文所研究的教学案例管理系统( t c m s ，t e a c h i n g - c a s em a n a g e m e m s y s t e m ) 来源于首都师范大学教育技术系申请的国家“十五”重点课题“教育信 息化的理论与实践模式”的子课题“面向信息化的教师专业发展”。教学案例知 识是一种隐性知识，体现了教师的教学实践经验。教学案例管理系统的基本任 务是使被培训教师能够快速获得其他教师的教学案例知识，从而促进教师自身 的专业发展。 该教学案例管理系统将以专业网站的形式发布在w 曲( i n t e m e t i n t r a n e t ) 公 网上，用户( 教师) 在客户端计算机上，无需安装任何客户端软件，在正常的 网络连接条件下，只需要打开w 曲浏览器即可登录到教学案例管理系统的时站 主页。之后可以根据友好的界面，自主选择不同的服务区域来利用本网站的多 种不同的功能，以便更加高效、快捷地支持教师自身的教学工作。 2 1 2 系统功能介绍 教学案例管理系统的用户分为两类：过客用户( g u e s t ) 和正式用户。其中， 过客用户的权限很小，可以看到主页公告及系统的各个功能模块，但不能实际 进入使用。要想使用系统的功能，必须进行注册，而且需要通过系统管理员对 注册信息进行验证。通过验证的用户成为系统的正式用户。其中正式用户从使 用系统功能权限的角度分，又分为普通教师、专家和系统管理员。 图2 1 是教学案例管理系统的用例图。它从用户的角度描述了教学案例管理 系统所具有的功能。 第2 章教学案侧管理系统中多媒体数据库及其管理系统的设计与开发 鍪 胁 ： 澎 裔f 图2 - i 教学案例管理系统用例图 天 专寡 具体来说，普通教师用户在经过身份验证后，可以使用的系统功能有： 上传教学案例；修改已经上传的案例，该案例未经过专家审核，存在于临时 案例库中，尚未进入正式案例库：查询并下载自己感兴趣的教学案例，其中 可下载的内容包括：案例的属性描述；案例的教学设计源文件；教学过程的视 1 4 第2 章教学案例管理系统中多媒体数据库及其管理系统的设计与开发 频文本文件；教学后记等文件；教师通过对案例进行描述，求解出和描述相 似度较高的教学案例，并允许教师修改此案例；教师可以利用系统提供的案 例分析工具分析案例，分析结果可以作为案例的一部分存储到教学案例库中； 教师可以下载网站提供的视频案例分割工具，将自己感兴趣的本地机上的视 频案例的某一部分内容或几部分内容从原始视频案例文件中分割出来，分割出 的视频片段可以作为新的案例上传至系统中，供其他用户参考。该工具是一个 单机版的视频案例处理工具。考虑到视频案例的大小一般为几十兆字节甚至上 百兆字节，为了减轻网络的传输负担，将此工具制成单机版工具。教师下载安 装程序后，只需简单的几步安装，就可以在自己的机器上进行视频分割。该工 具简单实用，性能优良，体积很小( 安装后约2 5 0 k 字节) 。教师可以在线观 看视频案例，并根据意愿对正在播放的视频案例进行逻辑分段，即对整段视频 中教师本人所关注的某个时间段进行逻辑标注，记录下该段视频的起始时间及 结束时间( 相对于整段视频) ，并且记录教师对这段视频的内容注释( 如：这段 视频描述了学生们怎样进行小组合作学习) 。逻辑分段并不会从整个视频文件中 分割出能够物理存储的视频文件。但是可以将教师对整个视频案例的逻辑分段 结果记录到数据库中。因此，教师在以后的任意时刻都可以对以前保存的分段 结果进行反复观摩。在引入了“关键事件”的定义后，这一功能也可称为对视 频形式的关键事件进行标注。管理和案例相关的各种多媒体形式的资源，其 中包括上传、查询、下载资源等。 专家用户在经过身份验证后，可以使用的系统功能除具有普通教师的所有 功能外。还负责审核临时案例库中的案例，将合格案例存放到正式教学案例库 中；系统管理员一方面负责对临时案例库和正式案例库进行维护，将长期无人 使用的正式案例或者未通过专家审核又在限定时间内未按要求修改的案例从正 式案例库或者临时案例库中删除，以避免案例库杂乱无章。另一方面，系统管 理员负责对所有已注册的用户进行身份验证，只有通过身份验证的注册用户， 才能最终使用系统所提供的功能，成为系统的正式用户。 2 1 3 全局工作流程 图2 2 是教学案例管理系统的全局工作流程图。 第2 章教学案例管理系统中多媒体数据库及其管理系统的设计与开发 新用户普通教师专家 管理员 业一 睦型 丐 山 d 鬯型4 ， f i 、 固固 瀚嘞瓣 囱 i i i ，t 、， _， 圈2 - 2 教学案例管理系统整体活动圈 首先，登录到网站的用户将会看到系统的欢迎页面，也就是整个网站的首 页。如果是系统的新用户，并且只是想对该系统网站有一个整体的印象，想知 遭系统都能干什么，那么可以选择以g u e s t 身份登录，这样可以进入到下一级页 面，在该页面上g u e s t 用户将能看到系统的所有功能模块，但是如果想要点击进 入其中的某一个模块，g u e s t 身份就没有这样的权限了。这时g u e s t 用户可以选 择退出整个系统或者返回首页进行新用户注册。 进入新用户注册模块后，用户根据页面提示填写和用户有关的必要信息和 可选信息。之后提交等待系统管理员对其身份的验证。只有通过系统管理员的 身份验证，才能最终成为系统的正式用户。 如果已经是系统的正式用户，可以在首页使用正式用户的用户名和密码进 1 6 第2 章教学案例管理系统中多媒体数据库及其管理系统的设计与开发 行登录。在通过了系统对其用户名和密码的验证后，系统会自动获取其身份， 并根据身份的不同，将该正式用户导向其所具有权限的系统功能页面。用户在 该功能页面所看到的全部功能，均可为用户使用。有关不同身份所能够使用的 不同系统功能，在第2 1 2 节中已经详细地介绍过了，这里不再赘述。 2 2 教学案例管理系统的新型四层体系结构设计 2 2 1 三层b s 模式数据库应用系统的功能划分 三层b s 模式的体系结构将应用系统的功能划分为表示层、功能层和数据 层三部分【1 9 1 。图2 。3 是三层b s 体系结构的各层功能示意图。 图2 - 3b s 三层体系结构各层功能示意图 表示层是应用系统的用户接口部分，它担负着用户与应用系统间的对话功 能：检查用户从键盘等输入设备输入的数据，显示系统输出的数据。在需要对 表示层进行更改时，只需要改写输入控制或者输出格式等，不包括有关业务本 身的逻辑处理，因而不影响其他两层。用户接口布置在客户端浏览器，由浏览 器将用户界面显示出来。功能层包括具体的业务逻辑处理，连接表示层和数据 层，它向数据层发出请求，建立实际的数据库连接，根据表示层提交的用户请 求生成s q l 语句来检索或更新数据库，并把数据库的处理结果返回给表示层， 由表示层负责显示给用户。数据层位于数据库服务器端，负责实际的数据存储 和检索。它的任务是接收功能层发出的对数据库操作的请求，实现对数据库查 询、修改、更新、删除等功能，并且返回运行结果。一般在数据库服务器端都 第2 章教学案例管理系统中多媒体数据库及其管理系统的设计与开发 安装有基于网络的成熟的数据库管理系统产品，如s q l s e r v e r ，o r a c l e ，i n f o r m i x 等数据库服务器，来实现数据层的功能。 2 2 2 四层b s 体系结构各层功能设计 从当前的技术水平来看，这种基于b s 模式的三层体系结构适用于系统同 用户交互量不大，系统功能相对单一的数据库应用管理系统。在本文所研究的 教学案例管理系统中，由于各个功能模块均需要与用户大量交互，同时所管理 的案例又是各种格式的多媒体文件，因此需要建立相对复杂的处理逻辑来处理 和多媒体数据相关的各种请求。如果采用三层b s 体系结构，对页面请求的逻 辑处理和对数据访问的逻辑处理混合在一起，连同页面表现的逻辑处理，使得 动态页面的应用程序变得十分庞大，给该系统的开发和维护带来了许多困难。 为了使系统结构更加清晰、开发过程同步并行、便于系统维护与扩展，该系统 采用了一种新型的四层b s 模式体系结构。图2 - 4 是四层w s 模式体系结构的各 层功能示意图。 图2 - 4 新型b s 四层体系结构的各层功能示意图 新的四层b s 结构在原来三层结构的基础上，将功能层又继续划分为页面 请求逻辑处理层和多媒体数据访问处理层。其中，页面请求逻辑处理层位于w e b 服务器，主要负责页面的组织和页面请求的预处理工作。如需要访问多媒体数 据库的各种操作，可调用多媒体数据访问处理层提供的各种服务。多媒体数据 第2 章教学案例管理系统中多媒体数据库及其管理系统的设计与开发 访问处理层位于网络中的应用服务器，该应用服务器既可以是处理页面请求的 w 曲服务器，也可以是分布在网络中的其他w e b 服务器。应用服务器可以减轻 处理页面请求的w 曲服务器的网络负担，提高系统的使用性能，同时使系统的 维护工作变得轻松。 多媒体数据访问处理层采用w e bs e r v i c e 技术，封装了连接数据源及对各种 多媒体数据操作的服务，对于页面请求逻辑处理层完全透明。即在系统开发过 程中，将功能层中需要访问后台多媒体数据库的代码逻辑统一编写为多个w e b s e r v i c e s ，并在专门的独立于w e b 服务器的应用服务器上注册并发布。w e b s e r v i c e s 可以发布在不同的应用服务器上，所以多媒体数据处理层包括多个应用 服务器。这样将与多媒体数据库相关的所有搡作完全封装，仅提供接口。这样 一来，提高了整个案例管理系统的安全性，所有与数据访问相关的操作均须通 过数据访问处理层，避免了应用程序中杂乱无章的多个数据访问入口和各种数 据访问方法，屏蔽了破坏系统数据库的无意操作或恶意攻击，并且通过分布w e b s e r v i c e s 服务，减轻了w e b 服务器的负担。另外，将多媒体数据统一封装，为不 同媒体形式和格式的数据提供统一接口，减少程序的复杂性，同时提高了系统 管理数据的通用性。当系统需要调试或升级时，只需对相应的处理层进行改动， 便于问题的发现和解决，同时减少了工作量。 由于本文所研究的教学案例管理系统采用表示层、页面请求逻辑处理层、 多媒体数据访问处理层和数据层的四层b s 模式体系结构来实现，四层之间逻 辑与功能相对独立，因此，在开发过程中，各层之间采用独立的并行开发方式。 由于a s e n e t 技术能够将页面的显示逻辑与页面的代码逻辑分开，而且v i s u a l s t u d i o n e t 开发工具提供了编写w e bs e r v i c e 的环境，正适用于对本系统各层的