（计算机软件与理论专业论文）现代远程教育系统中实时交互技术的应用研究.pdf

摘要 远程教育是一种异地的教育方式，传统教育是面对面的教育方式，因此，远 程教育相对于传统教育的不足之处就是它缺乏实时交互性。增强远程教育的交互 性已成为远程教育近年来的一个发展方向。 随着计算机信息技术和网络技术的飞速发展和应用，远程教育也进入了“现 代”远程教育阶段，展现出了它的协同性和交互性。近十几年来，- - 1 7 新学科“计 算机支持的协同工作”( 简称c s c w ) 的出现，极大地推动了现代远程教育的发展。 本文对现代远程教育的协同性和交互性作了进步研究，为现代远程教育系 统实现了一个实时交互系统。本文分析了现有的实时交互系统的优点和不足，将 研究重点集中在如何构建个健壮、实用的实时交互系统上，以期推动现代远程 教育的应用。 本文主要进行了以下几方面的研究： ( 1 ) 如何构建个涵盖计算机教学所需的各种图形的图形库，使用户可以 方便地用绘图的方式进行交互 ( 2 ) 如何用最少的信息表示出图形的各种操作，以减少网络传输量 ( 3 ) 如何使有限的绘图区域得到尽可能大的利用率 本文通过这几方面的研究和对现有系统的改进，得到了一些新的交互机制和 系统功能，如“讨论室”功能、用户管理功能、图形的同步传输和异步传输机制、 新的临界区控制机制等等，并最终实现了一个实时交互系统：l e a p f r o g ，它是电 子白板系统的一个应用实例。 本文介绍了现代远程教育的发展，分析了其技术基础c s c w 的特点和应用 领域，并详细论述了系统的设计和实现的各个过程。本文所实现的实时交互系统 l e a p f r o g 建立在日渐成熟的n e t 框架之上，采用c j ! 语言进行编程。 关键词：现代远程教育；c s c w ；电子自板；n e t 框架 a b s t r a c t a b s t r a c t r e m o t ee d u c a t i o ni s a ne d u c a t i o n p a t t e r n w i t hd i f f e r e n t s p o t s ，w h i l e c o n v e n t i o n a le d u c a t i o ni saf a c e t o f a c ee d u c a t i o np a t t e m s o ，f o rt h eco n v e n t i o n a l e d u c a t i o n ，t h ed i s a d v a n t a g eo fr e m o t ee d u c a t i o ni si t sl a c ko fi n t e r a c t i o n i nr e c e n t y e a r s ，h o wt oi m p r o v et h ei n t e r a c t i o no f r e m o t ee d u c a t i o nh a sb e c o m et h er e s e a r c h f o c u s n o wt h er e m o t ee d u c a t i o na l s os h o w si t si n t e r a c t i o na n d c o o p e r a t i v i t ya l o n g w i t h t h e w i d e l ya p p l y i n g o fc o m p u t e ri n f o r m a t i o na n dn e t w o r kt e c h n o l o g y r e m o t e e d u c a t i o ne n t e r si n t o i t s ”m o d e r n ”p h a s e i nr e c e n tt e ny e a r e ，an e wa c a d e m i c s u b j e c tw h i c hc a l l e d ”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 ”( c s c wf o rs h o r t ) e m e r g e sa st h et i m e sr e q u i r eb a s e do nt h ed e v e l o p i n go fc o m p u t e rh a r d w a r ea n d s o f t w a r e i ts t r o n g l ys u s t a i n st h ed e v e l o p m e n to f m o d e mr e m o t ee d u c a t i o n t h i s p a p e ra n a l y s e st h er e a l t i m ei n t e r a c t i v es y s t e m si nm o d e m r e m o t ee d u c a t i o n ， f o c u s e so nh o wt ob u i l dar o b u s ta n du s e f u lr e a l t i m ei n t e r a c t i v es y s t e me x p e c t i n gt o p r o p e lt h ea p p l i c a t i o no f r e m o t ee d u c a t i o n t h i sp a p e r m a i n l ys t u d i e st h e s ea s p e c t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) h o wt ob u i l dag r a p h i c sl i b r a r yw h i c hc o n t a i n ss u f f i c i e n tg e o m e t r i cf i g u r e s n e e d e db yc o m p u t e rs c i e n c ee d u c a t i o n ，i no r d e rt of a c i l i t a t et h ei n t e r a c t i o na m o n g e v e r y u s e r sb y m e a n so f d r a w i n g ( 2 ) h o wt oe x p r e s se v e r yf i g u r eo p e r a t i o nw i t ht h el e a s ti n f o r m a t i o ni no r d e rt o d e c r e a s en e t w o r k t r a n s p o r ti n f o r m a t i o n ( 3 ) h o w t om a k et h em o s to f t h el i m i t e dd r a w i n ga r e a t h r o u g hs t u d y i n ga n di m p r o v i n ge x i s t e dr e a l t i m ei n t e r a c t i v es y s t e m s ，t h i sp a p e r g e t s s o m en e wi n t e r a c t i o nm e c h a n i s ma n df u n c t i o n ss u c h a s 。c h a t r o o m ”，u s e r m a n a g e m e n t ，s y n c h r o n o u sa n da s y n c h r o n o u sf i g u r et r a n s p o r tm e c h a n i s m ，n e wc r i t i c a l a r e ac o n t r o lm e c h a n i s m a n da tl a s ti m p l e m e n t san e wr e a l t i m ei n t e r a c t i v es y s t e m ： l e a p 奇o g ，w h i c h i sa na p p l i c a t i o no f e l e c t r o n i cw h i t e b o a r ds y s t e m t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fm o d e mr e m o t ee d u c a t i o n ，a n a l y s e s c s c w sc h a r a c t e r sa n da p p l i c a t i o na r e a s ，a d d r e s s e se v e r yp h a s eo fd e s i g n i n ga n d i m p l e m e n t i n g i n d e t a i l l e a p f r o g i sc o n s t r u c t e do nt h e n e t f r a m e w o r k ，a n d p r o g r a m m e d i nc 撑 k e y w o r d s ：m o d e mr e m o t ee d u c a t i o n , c s c w ；e l e c t r o n i cw h i t e b o a r d ；n e t f r a m e w o r k 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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的地 方外，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 含为获得北京工业大学或其他教育机构的学位和证书而使用过的材 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。 签名：j 陋日期：乏竺缒 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 虢素班新繇跫酶吼避生 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的理论背景及实际意义 随着信息时代的到来，人类知识更新的周期越来越短。如何使教学、培训能 满足人们在不同时间和不同地点学习的需要，传统的面对面教育方式在这方面已 经力不从心。在这种情况下，现代远程教育应运面生，它的优点在于使学生在时 闻和空间并不统一的情况下，能与教师进行交互并完成学习任务。远程教育 ( r e m o t ee d u c a t i o n ) 也称为远距离( d i s t a n c ee d u c a t i o n ) 教育，是指师生凭借 媒体所进行的非面对面的教育。计算机辅助教学( c a i ) 与i n t e r n e t 技术的有 机结合，使基于网络的现代远程教育成为现代教育发展的新趋势。至今为止，远 程教育已经历了由1 9 世纪中叶兴起的函授教育、2 0 世纪初兴起的广播电视教育， 直到2 0 世纪末期出现的双向交互网络教育等三个发展阶段。“。 我们所讲的现代远程教育是指上述发展过程中的第三个发展阶段，是计算机 信息技术和网络技术在远程教育领域的新兴应用。目前，世界各国都积极地研究 和发展计算机信息技术和网络技术，希望能够将它应用到社会各层次的学校教 育、继续教育与职业培训中去。 现代远程教育将分布在不同地点的教师、学生和多媒体教学课件联接在一 起，学生可以个别学习，也可以在“虚拟教室”中进行讨论或与老师交流。它具 有超空间性、交互性、共享性、时效性、协同性等优点。这使得它能在学校教学、 职业培训和继续教育发挥很大作用。传统的远程教育一般采取函授或电视授课等 形式，在协同性、交互性、个性化等各方面都远远不及现代远程教育。现代远程 教育自身的特点决定了它会对教育领域起革命性的影响，有着远大的发展前途。 现代远程教育作为一种新兴的教育思想和教育技术，能提供公平、广泛和廉 价的教育方式，使教育效率大大提高。学习者不再受到地理位置和上课时间等因 素的制约。例如在非典时期，只有远程教育可以不受隔离、封校、停课的影响， 在传统教学方式无法展开的情况下，显示出了巨大的应用价值。 传统方式下的教育采用的是在教室里集中授课，这种整齐划一的呆板教育方 式严重影响了学习者的个性特点，而在网络上进行的多媒体教育方式则可有效地 克服该缺陷。一个高质量的教育软件，能够在与学习者交互的过程中，根据学习 者联机答题的正确与否，自动调节教学进度和难度以适应不同学习者的需求。伴 随着教学内容而出现的声音、图形和影像，在增强教学效果的同时，又激发了学 习者的兴趣，使学习过程始终充满活力，更加富有创造性。现代远程教育对于我 们这样一个人口众多、师资力量不足、教育发展水平不平衡的大国来说，意义十 1 分重大。 现代远程教育是计算机信息技术和网络技术在远程教育领域的应用，它的主 要特点是交互性和协同性。近十几年来，在“协同学”的基础上，伴随着计算机 硬件技术和软件技术的飞速发展，一门新学科：“计算机支持的协同工作”应运 而生了。它为现代远程教育的发展提供了强大的技术支持，极大地促进了现代远 程教育的发展。 计算机支持的协同工作，即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 ，简称 为c s c w 。它以人们协同工作方式为背景，以计算机通信技术和信息技术的发展 为基础，具有广泛的应用领域。 “计算机支持的协同工作”( c s c w ) 可定义为：地域分散的一个群体借助计 算机及其网络技术，共同协调与协作来完成一项任务。它包括协同工作系统的建 设、支持群体工作的相关技术研究、应用系统的开发等部分。它的目标是设计各 种各样的协同工作的应用系统。这些系统所提供的协同工作的环境，如共享文件 系统提供的资源共享能力，电子邮件和多媒体会议系统提供的通信支持功能，工 作流和决策支持系统提供的组织管理功能，可以改善人们信息交流的方式，消除 或减少人们在时间和空间上的相互分隔的障碍，节省工作人员的时间和精力，提 高群体工作质量和效率，从而提高社会的整体效益和人们的生活质量。 1 2 本课题的研究现状 在国内，截止到现在，教育部所批准可开展远程学历教育的院校共达4 7 所， 高校远程教育在校学生达2 4 万人，试点高校己开设5 1 个专业，网络教育已经达 到全国各省、自治区和直辖市。在台湾省，有关方面投入了相当大的人力和物力 来开发在线教育的技术和资源，并于去年3 月在i n t e r n e t 上开通了“终身学习 网”站点，旨在实验各种在线教育的新原理，新技术和新教案。该网站自运行 以来，仅仅3 个月中就有2 0 q o 多人参与七门课程以及两项读书会的学习。在这 里，学员不仅可以获取自己有兴趣或被指定的教材与习题，还可以上网自习，加 班加点或通过“讨论区”在学员之间进行交流，还可以通过电子邮件得到从未过 见面的教师的有问有答式的辅导。 在北美和欧洲一些国家，通过i n t e r n e t 运行着多学科、多种层次、数量庞 大的教学系统，最为著名的有美国的p l a t o 系统，加拿大的c a l 系统，欧洲的 d e l t a 系统工程和日本的“多用联机教育系统”等。p l a t o i v 系统就存储了1 5 0 多个专业? 0 0 0 多学时的教学内容，美国国内已有3 0 0 多所院校使用该系统进行 教学。 在实时交互工具方面，成熟的商业化软件有i c q ，m s n ，q q 等。这些娱乐化 2 的软件虽然功能强大，但与实际远程教育的目标又相去甚远，甚至会产生相反的 效果。可用于教育目的的交互工具有以下这些：同济大学采用j a v a 实现了“土 木工程制图与计算机绘图”的远程教育系统“1 ，实现了工程制图：华中科技大学 采用d h t m l 和中间件的技术实现了图形学的远程教育系统；南京丁丁软件公司为 东南大学开发了i n t e r n e tt u t o rp l a y e r 系统，实现媒体播放和图形绘制；华东 师大实现了一个协同教学系统：v c l a s s r o o m 。“，该系统模拟教室的环境，可实现 课件播放及通过电子白板进行交互；东京大学实现了用“笔”交互的电子白板 f l a t l a n d 系统“”，用户用鼠标在绘图区域绘图，系统便可识别出图形的实际意 义，并进行处理。 1 3 本课题的来源及研究内容 本课题是北京市教委资助的教育教学改革项目，主要是结合学校的实际实现 一套针对计算机教学的远程教育系统。系统主要由以下几部分组成： ( 1 ) 教学课件系统 ( 2 ) 网上考试系统 ( 3 ) 实时交互系统 ( 4 ) 学生评价系统 本文主要论述实时交互系统的设计及实现过程。 现有的很多远程教育系统，只是组织了很多课件，并集中提供这些课件的链 接，供学习者下载观看。而且课件的内容也只是教师上课过程的视频版本，整个 过程呆板无趣。学习者无法与授课者进行交互，学习效果甚至不如传统的课堂教 学。实际上这只是远程教育的一个方式，它没有“现代”远程教育系统所必需的 “交互性”的特点。本课题的“教学课件系统”从一开始就致力于改变这种状况， 它主要采用用程序编写的课件来演示教学内容，可通过用户不同的输入显示出不 同的结果，有助于学习者更深亥b 邋理解教学内容。这一部分已经实现。实时交互 系统主要用来实现师生或学生之间实时的讨论，增强了整个系统的交互性，更好 体现出“协同性”和“交互性”的特点，是现代远程教育系统的典型应用。 当前各高校所实现的交互工具，它们有以下不足之处： 大多数的系统只有一个公用的绘图区域。也就是所有登录系统的用户都 是在同一个区域内进行绘图和交谈，而这个绘图区域的大小毕竟是有限 的，所以这些系统只能支持少量用户的使用。 有些系统的绘图功能很弱，只能提供最简单的点、线的绘制，对于交谈 者意图的表达是远远不够的。 经过分析已有的系统，并结合计算机教学的特点，本课题的实时交互系统应 满足以下主要设计目标： 提供丰富的图形工具，以便方便地绘制计算机教学所涉及到的图形 提供“讨论室”功能，每个讨论室类似于一个教室，不同讨论室内的用 户使用的是不同的绘图区域，他们之间不会相互干扰 提供完善的用户管理机制，包括用户申请，用户验证，用户登录，用户 退出等 提供完善的协同机制，协调用户在公共区域的绘图活动 在提供绘图功能的同时，提供文本交谈的功能，可以更清晰地表达用户 意图 1 4 本文的组织结构 第二章详细介绍了现代远程教育和c s c w 的基本原理。 第三章介绍开发实时交互系统的编程环境n e t 框架以及采用的编程语言 c # 。 第四章介绍整个系统的各个关键问题的分析。 第五章深入介绍系统的整个设计过程。从总体设计出发，运用面向对象的设 计方法，介绍实时交互系统软件体系结构以及各部分的设计过程。 第六章介绍系统关键算法的实现及各部分的实现结果。 4 第2 章现代远程教育和c s c w 第2 章现代远程教育和g s g w 2 1 现代远程教育 2 1 1 现代远程教育的发展过程 我国现代远程教育的发展开始于2 0 世纪9 0 年代中期。随着互联网在我国的 兴起和发展，1 9 9 4 年底，“中国教育和科研计算机网( c e r n e t ) 示范工程”开 始建设，为开展远程教育提供了网络基础资源。1 9 9 6 年清华大学王大中校长率 先提出发展远程教育；1 9 9 7 年，湖南大学第一个建起了网上大学。第二年，清 华大学推出了网上研究生进修课程。1 9 9 8 年9 月，教育部正式批准清华大学、 北京邮电大学、浙江大学和湖南大学为国家现代远程教育第一批试点院校。 实践证明，在互联网上进行远程学习的主要价值在于它的“交互性”，若只 是进行单纯的资料传递，靠传统的“函授”就可实现。 网络教育可以分为三代：第一代是通过网页给学习者提供教学材料和有关资 料，以及与其他的有关教育网连接：第二代是除了在网上提供学习材料外，还要 求学习者通过电子邮件、电子公告栏、网上练习和测试进行异步双向交流；第三 代是除了第一代、第二代外，还要求通过网上交谈室、视频会议等系统进行同步 双向交流。当前世界网络课程已正向第三代发展。我国的网络课程大部分处于第 一代和第二代，只有少数高校网络学院采用视频会议系统，如北京邮电大学、浙 江大学、湖南大学、清华大学的网络学院。本课题研究的实时交互系统正是满足 了交互性的第三代网络教育系统。 2 1 2 远程教育的学习模式 2 1 2 1 个别化学习模式 这种学习模式也称为独立学习模式( i n d e p e n d e n ts t u d y ) ，学习者自主地确 定学习内容、学习进度并独立地完成学习计划。在学习过程中，学习者可以通过 电子邮件等通信手段与指导教师交流信息或对某一问题进行讨论。这种学习模式 由于针对学习者个人的特点和兴趣选取学习内容，能够最大限度地发挥学习者的 特长。 2 1 2 2 协作化学习模式 多个同学和老师一起进行学习和讨论，这样每个学习者就能有更多的信息获 取，这些信息有助于对学习者进行启发。相对于个别化学习模式来说，协作化学 鎏型盗篁鲞型誊篁鎏- 一 习模式能使学习者的能力得到更长足的发展。具体来说，协作化学习模式主要有 以下三种： ( 1 ) 教师一单个学生之间的学习模式 学生在学习过程中遇到问题，可将问题通过e - m a i l 发送给辅导教师，教师 将问题回答后通过e - m a i l 返回；也可以通过即时消息( i n s t a n tm e s s a g i n g ) 工具 进行实时问题讨论。 ( 2 ) 教师一多个学生之间的学习模式 教师向多个学习者同时授课。教师通过交互界面向网络中的每个学生规定同 一信息内容的学习任务和待解决的问题，各位学习者面对的是同一问题，对如何 解决这一闯题，在教师允许的情况下通过协商分别发表自己的意见，并通过协商 空间进行交流，最终取得一致的意见。 ( 3 ) 学生一学生之间的学习模式 在这种学习模式中，着重强调的是学生之间的直接交互，展开更广泛的学习 合作。学生分为多个学习小组，教师把问题交给每个学习小组，组内成员对问题 展开讨论，发表不同的观点，分析评价别人的观点，能过进一步的讨论，最终取 得一致的意见。在这种模式中，使学生学习的参与性与主动性得到进步的提高。 2 1 3 远程教育的协同性和交互- 陛 在网络教学中，学生通过网络与教师进行直接对话，从而获得对课程学习的 帮助，同时学生还可以通过网络与其他学生就相同课程展开讨论，在讨论中获得 启发。在网络教学中，这种交流是经常性的，也是必要的，有利于提高学生的学 习质量和效率。 网络教学高度体现了学习模式的协同性和交互性。学习模式的协同性是指， 在网络教学中，学习者的学习过程是不断与他人进行相互作用的过程，在该过程 中，学习者不仅能获得知识，更重要的是能培养自己的协同( 或团队) 工作能力。 这种过程又称为协同学习。协同学习是按照协同计算的模式建立起的一种新的学 习和交流模式，其理论基础是建构主义的学习理论。 学习模式的交互性可以理解为一种双向交流，在教学过程中体现在学习者与 教师，学习者与学习资源，学习者与学习者之间的双向交流。例如教学内容通过 教学媒体呈现给学习者，学习者以某种方式对媒体内容的呈现作出反应。媒体所 呈现的教学内容，随着学习者的反应的不同而不同。这种交互作用是现代远程教 育中的一个最普遍的要求，它具有以下几种优越性： ( 1 ) 交互内容的多样性 传统教学中的交互内容多数是由教师事先设计好的，并且在老师指定的时间 6 内进行。而在远程教学过程中，学习者可以对任何内容提出自己的问题，并随时 在网上发表，与其他人进行讨论。 ( 2 ) 交互方式的多样性 在网络上，学习者有多种交互方式进行选择。异步交互方式，如e m a i l ，b b s ， 留言簿等，实时交互方式，有多种即时消息软件可以选择，如m s n ，i c q 等。 2 1 4 现代远程教育系统的教学软件模型m 1 远程教学系统的设计，没有一个固定的模式可以遵循，应该根据不同的需求 设计出不同的教学软件。总体来说，一个完整的远程教学系统应至少包括以下几 个部分： 。 2 1 4 1 多媒体授课系统 多媒体授课系统可以分为两种类型。第一种类型是“基于流媒体的授课系 统”，即视频点播系统。这种视频点播系统不仅播放音频和视频，还要同步播放 教师授课的板书，一般来说是基于p o w e r p o i n t 或h t m l 的讲稿。例如清华大学出 版了一套计算机课程远程教学系统，就是采用的这种授课系统。但这种授课系统 的缺点是缺少交互性，仅仅是把课堂教学的方式搬到了计算机上，并没有体现出 计算机的优越性。第二种类型是“基于程序课件的授课系统”。这种授课系统将 课件用编程语言编制出来，既有对所授课程的文字性的说明，又有动态性的演示， 而且演示过程也随学习者输入的不同而不同，真正体现出了交互特征。如本课题 一期工程完成的教学课件，就是采用的这种方式。如图2 1 ： 图2 - 1 课件示例 f i g u r e2 - le x a m p l eo fc o u r s e w a r e 7 用户输入不同的首地址和块大小的值，就会有不同的演示结果，这充分体现了课 件的交互性，对于准确深刻地理解教学内容是十分有益的。 2 1 4 2协同交互系统 协同交互系统有两种方式，一种是异步的非实时交互系统，比如e m a i l ，b b s 等。第二种是同步的实时交互系统，如m s n 。为了有效的支持分布在异地的师生 间交流，协同交互系统不应仅提供传统的基于文本的交流，还应提供包括图形、 语音、视频等多媒体的支持。类似于传统教学方式中的“黑板”，我们称这种交 互系统为“电子白板系统”。本课题实现的l e a p f r o g 系统是一种实时交互系统， 它提供了特定的图形工具和文字输入工具，在白板区域绘制的图形和输入的文字 可以通过网络传递到其它的自板客户端。这样，电子白板系统就实现了传统教室 中的黑板的功能。 2 1 4 3 远程考试与评价系统 考试以及对考试结果的分析与评价，对于远程教学系统中教学效果的评估中 有着重要的作用。远程考试相对于传统的教学具有快速和高效的优点。传统的考 试过程中，教师从准备考试到记录考生分数，期间的工作量十分繁重。而使用计 算机的远程考试，就可以大大节省工作量，因为出题和阅卷的过程均由计算机自 动完成。而且计算机考试( 简称机考) 的优点是可以进行个性化考试，它可以根据 测试者的能力的不同动态选择难度不同的试题提供给考试者。例如g r e 的机考系 统，就可以根据测试者做前面试题所体现出来的能力，自动调整后面试题的难度， 而不同难度试题的分值是不同的，这就可以通过分数很好地体现出考生差异。计 算机远程考试的第二个优点是可以更有效地对考试结果进行分析和评价。对考试 结果进行分析的主要目的，就是为了从中发现问题，评估教学结果，从而改进教 学方法。而传统的考试分析只能从有限的几个方面来分析考试，如最高分，最低 分，平均分等。而计算机远程考试可以充分利用计算机速度快，容量大的特点挖 掘考试结果，得到更详细的分析报告，从而更加有利于教师对教学效果的把握。 除此之外，更完备的远程教育系统还包括作业批阅系统，虚拟实验室，课件 制作系统等。 2 1 5 我国远程教育系统中存在的问题 目前，国内的远程教育系统中，存在着以下几个问题，这些问题已经严重制 约了远程教育系统的发展和普及： 很多教学资料只是采用文本方式把教案呈现在屏幕上，或者提供了教师上课 的视听资料，但没有交互性，激发不起学生学习的兴趣。学生也不可能实时提问， 学习效果不如在普通教室上课的效果好。 第2 章现代远程教育和c s c w 大部分没有专门的答疑系统，或者提供很简单的答疑系统。上海交通大学远 程教育中心设计开发了“a n s w e rw e b ”自动答疑系统，但是这套系统的知识管理 能力不足。 题库与考试系统还有待于进一步地发展。 2 2c s c w 技术 2 2 1c s o w 概念的提出 2 0 世纪7 0 年代，德国斯图加特大学物理学家赫尔曼哈肯教授( h e r m a n n h a k e n ) 提出了“协同学”的概念。到1 9 8 4 年，麻省理工学院的艾琳格雷夫( i r e n e g r i e f ) 和d e c 的保罗卡什曼( p a u lc a s h m a n ) 两位研究员正式提出了“计算机支 持的协同工作”的概念，用于描述他们正在研究的如何借助于计算机支持来自不 同学科的人们的协同工作的课题，缩写为c s c w 。 c s c w 的形成和发展有一定的必然性。首先，在现代的信息社会里，人们的生 活方式和工作方式具有群体性，交互性，协作性等特点。其次，计算机技术( 包 括并行及分布处理技术，多媒体技术，数据库技术等) ，通信及计算机网络技术 的飞速发展，构成了c s c w 实现的技术基础。 2 2 2c s c w 的应用领域 c s c w 的应用领域非常广泛。凡是且有协同工作特征的，并可用计算机网络技 术支持的领域都属于c s c w 的应用领域。 远程教育是c s c w 技术的一个非常重要的应用。经验告诉我们，教育需要有 一个必要的教学环境，同学共处的环境是十分重要的，也是十分有益的。同学之 间互相不服气的好胜性和互助性可以促进学习，竞争性的环境则有助于学习和获 取知识。因此，教育的群体环境以及在这种环境下的协同特点，是任何教育方式 不能忽视的。基于c s c w 的计算机支持的协同学习( c s c l ) 是现代远程教育的灵 魂。 除此之外，c s c w 在各行各业都是有着广泛的应用的，如军事领域的c 3 i 或 i 系统、工业制造领域的集成制造系统( c i m s ) 、办公自动化系统( o a ) 、管理 信息系统( m i s ) 、电子商务、电子政务、远程医疗等等。 由此可见，c s c w 的应用领域广泛而且重要，它涵盖了国民经济与人民生活的 各个方面。但是我国对于c s c w 的应用的研究水平与发达国家相比，还是有很大 差距的。比如在医疗行业中的应用，我国现在基本上处于起步阶段，有着巨大的 9 一l e 索正业大学王常硕士学位论文，。一 、，一 ， 。 发展空间。而在远程教育中的应用，情况似乎稍微好一些，有些高校开发了远程 教育系统，但那也只是“课件+ e m a i l + b b s ”的模式，没有真正推广开来。以开发 教育软件著称的科利华公司，在单机版时代何其风光，网络版远程教育软件本来 可以成为他们的利润增长点，但他们没有把握住，现在科利华公司似乎已经被人 们遗忘了。 2 2 3 c s c w 的协同机制 在人们的协作过程中，需要遵循一定的规则，否则会引起协作的困难。例如， 一个小组在开会讨论时的发言只能顺序进行，不能多人同时讲话。当有两个人同 时讲话时，就需要有一个人主动停下来，这属于发言权控制，是一种协作规则， 可以理解为一种协同机制。协同机制就是这些协作规则在c s c w 应用系统中的体 现，它的主要研究问题是同步。各种不同的协同工作系统的同步方式是不同的， 根据系统内数据流动的特征的不同，有下面四种同步方式： 一、同地同步 这类系统主要用于支持像决策会议这种本地群组之间面对面的实时协作，如 各种会议室系统。它们所要达到的一个主要目标就是“你见即我见”，这一点是 通过一个在与会者之间共享的白板而实现的。 二、异地同步 这类系统中的用户通常是分布在不同的地理位置处。在交互过程中，各参与 者可以在共享区添加文本、图像等对象，并可以对这些文本和图像进行处理，如 移动，删除，改变大小等。而且每个人活动过程中产生的数据以及数据变化都要 实时地发送到其它参与者，并以同样的显示逻辑显示出来，如此反复。在此过程 中，当多个用户同时访问同一个对象时，为保证数据的一致性，必须采取合适的 并发控制策略，如加锁，时间戳等，来保证共享对象的同步。 三、同地异步 这类系统比较丰富，如b b s ，e - m a i l ，协同写作，工作流等等。b b s 系统实 际上是一种文本信息的管理系统。这些文本信息被分成不同的类别，用户将信息 发送到b b s 服务器，b b s 服务器再将这些信息以适当的方式让有关的用户了解到 这些信息的存在，并决定如何将这些信息进行处理，如转发，回复等。e - m a i l 的功能从数据管理的角度来看就更简单。整个邮件系统所做的，实际上就是对固 定格式的文本( 发送者，接收者，标题，正文，等) 对邮件数据进行转发。工作流 的管理是一个比较重要的应用。其中最重要的问题是如何完成数据在各个工作环 节之间的交换，这种交换是指：某一工作环节所产生的数据如何及时地传送给其 他工作环节以便它们进行处理，处理过程中又可能会发生数据在其他工作在其他 1 0 第2 章现代远程教百和c s c w 工作环节之间的交换以及处理结果的反馈等。工作流管理的一个典型例子是“公 文流转系统”，公文流转系统利用计算机网络的优势，实现公文处理的自动化、 智能化，有其不可取代的作用。 四、同地异步 支持这种工作方式的系统有共享文件，t e a mr o o m s 等。这类系统由于用户的 地理位置不具有分散性，同时用户对它们的访问也是异步的，因此不需要对数据 的实时传递。考虑共享文件情形，在这种系统中，通常某份文档是综合多个不 同作者的成果而成的，常用的办法就是每个用户独立地( 异步，不同时) 完成文档 的一部分，然后在各作者之间查看，审定，最后定稿。因此，系统所应解决的主 要问题是如何方便作者之间的信息交流，同时要对文档内容进行并发控制，即不 允许多人同时修改文档的同一部分。 以上论述的是c s c w 的四种不同的协同机制。需要指出的是，这四种机制并 不是严格区分的；某一种应用系统也并不是仅仅支持一种协同机制，而是根据实 际需要，支持其中某几种协同机制。例如n e t m e e t i n g 既可以称之为“同地同步” 的系统，也可以称之为“异地同步”的系统。本课题所实现的实时交互系统是一 种“异地同步”的系统。 2 2 4c s c w 的协同数据类型 协同系统中所涉及的数据类型是非常多样化的，例如文本，图形，图像，视 频，音频，以及将来可能出现的其他类型数据等。总之，要求这些数据类型应具 有极强的数据描述能力。 我们可以考虑使用三种不同的方法对它进行扩展。第一种方法，采用种编 程语言，如j a v a 或c # ，定义多个描述数据类型的类，让开发者用编程的方法指 定如何对各类对象进行处理。这种方法具有较高的灵活性。第二种方法，定义一 些关键字，每个关键字表示某一种特定的处理要求，并且可以带上一些参数。开 发者可以将这些关键字组合起来，说明对某类对象的处理要求。在c s c w 系统运 行期间的某些时机( 如产生对象，删除对象等) ，根据这些关键字定义的操作对共 享对象进行处理。第三种方法，即最理想的方法，也就是将上述两种方法综合起 来实现。 在本课题实现的实时交互系统中，用是采用的第三种方法。系统中将各种可 视化的数据类型定义成类，并且封装了各自的显示逻辑。然后，归纳出对这些可 视类需要进行的处理，将这处理要求定义成消息类，每个不同的消息类代表不同 的处理要求。系统运行过程中，这些类被不断地在客户端和服务端之间传递，服 务端对这些消息类中指定的对象进行指定的操作，将操作结果仍封装成消息类发 送给客户端。具体的可视类以及这些类的显示逻辑对于服务端来说是不可见的。 2 2 5 基于c s c w 的学习：计算机支持的协同学习c s c l c s c l 是c s c w 在教育领域的具体应用。c s c w 技术应用到教育教学领域，就出 现了c s c l 的概念。可以这样理解c s c l ：一个群体的成员，利用计算机网络所创 立的协同环境来实现小组化的、群体协同学习，这里提到的学习环境主要是指计 算机网络。 计算机支持协同学习的产生和发展，有以下几个原因： 首先，社会对协同工作和协同能力的需求目益迫切。传统的教学，包括班级 授课和个性化c a i ，其目的是培养具有竞争能力的学习者，而现代社会对人的协 作精神提出了更多的要求，要求人有更多的协作意识。而合作学习致力于培养具 有协作精神和协作能力的学习者，正是适应了这种社会需求。 其次，计算机支持的协同学习是适应未来教育需要的首选形式。如今，现代 教育正在向全球化，社会化，终身化和网络化方向发展。网络环境下进行c s c l ， 不仅能高效地学习文化知识，也能同时增强人的协同能力。 第三，理论研究( 如建构主义理论) 也为开展计算机支持的协同学习提供了依 据。 远程协作可以方便地使不同地域、阶层、层次和年龄的人实现互相交流学习。 在c s c l 系统中，成员所持有的各种不同思想、观念和看法汇聚一堂，能为学习 者提供在一定历史条件下的参照和借鉴。通过彼此坦诚的交流和互助，可以使每 个人都能在各种不同的立场和出发点来看待问题，从而可以全方位地学习知识。 这就克服了传统教学模式对现场和时间的要求局限。 在c s c l 中，学习者可能身处不同的地域，需通过计算机网络来进行沟通和 交流，以此来完成共同的学习目标。要实现c s c l ，要求有协同学习实现的机制， 要体现协同学习的组成要素。因此每一个c s c l 系统都面临着如何让学习者进行 必要的交互以及如何在交互的基础上进一步实现协同学习的问题。因此，交互性 和协同性是实现c s c l 系统最关键的两个问题。 一、c s c l 的交互性 计算机及网络作为一种交流媒介，它不像空气那样整个是透明的，而是不透 明中分布着透明的通道。无论是学生与学生或学生与教师进行交谈还是“书写” 交流，都是连接不同交互通道的过程。这就意味着c s c l 环境下交互具有闻接性、 片面性，而不是直接的、全面的。尽管现有的c s c l 系统支持工作空间共享，努 力实现“你见即我见”，使得一节点对公共工作空间信息的变动也能在其他节点 上反映出来，但是c s c l 实现的交互在调动学习者情感、思维、感官而全身心投 入方面仍有待进步探讨；在多人交互的c s c l 中，如何克服以计算机屏幕的有 限视区展现现实视域空间中无限内涵的极大困难，也是c s c l 研究的重要课题。 二、c s c l 的协同性 c s c l 的交互是为实现最终协同学习的必要条件，解决交互问题仅仅是c s c l 实现的第一步骤，要使学习者产生协同学习行为，必须提供协同的机制： ( 1 ) 支持共享信息 信息资源的丰富程度影响着成员及整体目标的实现。提供共享信息的功能， 不仅可以使成员个体获得更多、更广、更新的信息，而且也会使协同组成为信息 接受的整体，加强内部凝聚力。 ( 2 ) 支持共享活动 协同学习目标的实现都是通过一系列共享活动如集体讨论、轮流发言等来实 现的。支持角色扮演协同学习中学生各司其职，共担荣辱，而且一些非常重要的 角色如指导者、组织者等是复杂协同系统成功的重要因素。 ( 3 ) 支持控制管理 由于学生在学习过程中交互多样化而且极为复杂，各个成员的学习行为也大 不一样，为使协同学习和谐一致，需要完善的控制管理策略。 计算机支持的协同学习，是现代远程教育的一种具体的应用形式。它深刻地 体现了现代远程教育的特点：协同性和交互性。这种学习方法培养了学生的团队 合作精神，既有合作与相互帮助的一面，又有竞争与达到目标的一方面，它的发 展正在引起广泛注意。 2 3 本章小结 本章将远程教育以及它的关键技术c s c w 作了简要的介绍。c s c w 技术为 远程教育的发展提供了坚强的技术支持，它们具有共同的特点：协同性和交互性。 本课题所实现的实时交互系统l e a p f r o g 作为远程教育系统的一部分，同样具有 这两个特征。下面几章将具体介绍l e a p f r o g 的设计与实现。 第3 章n e t 框架与面向组件的编程 第3 章n e t 框架与面向组件的编程 3 1n e t 框架 本课题所实现的l e a p f r o g 系统是采用n e t 技术来进行设计和实现的。作为 微软有史以来最大规模的技术更新，微软正在趋向于将n e t 看作一个系统，并 且准备推出基于n e t 技术的新产品。本课题所实现的l e a p f r o g 系统正是采用 了。n e t 技术来进行设计和实现的。 n e t 是分层的、模块化的。n e tf r a m e w o r k 的每一层都是一个抽象层。其 中，n e t 语言是顶层，也是最为抽象的一层。而公共语言运行库则位于底层， 它是最不抽象、最靠近本地环境的一层。这一点很重要，因为公共语言运行库需 要与操作环境紧密合作来管理n e t 应用程序。n e tf r a m e w o r k 被分成了多个模 块，每个模块都有它们各自特定的责任。最后由于高层只从底层请求服务，所 以n e t 又是层次结构化的。图3 - 1 是n e t 的层次结构图。 图3 - 1 n e tf r a m e w o r k 体系结构 f i g u r e3 - 1t h e a r c h i t e c t u r e o f n e tf r a m e w o r k n e tf r a m e w o r k 包含三个主要部分：公共语言运行时c l r 、具有多层次结构的 统一的类库集合和a s p n e t ( 1 ) 公共语言运行时 公共语言运行时( c o m m o nl a n g u a g er u n t i m e ) 和7 a v a 虚拟机一样，也是一个 运行时环境，它负责资源管理( 内存分配和垃圾收集) ，并保证应用和底层操作 系统之间必要的分离。 北京工业大学工学硕士学位论丑 为了提高平台的可靠性，以