基于网络的CAI系统及实现方法【教学参考】

基于网络的CAI系统及实现方法【教学参考】基于网络的CAI系统及实现方法【教学参考】基于网络的CAI系统及实现方法【教学参考】基于网络的CAI系统及实现方法【教学参考】基于网络的CAI系统及实现方法【内容摘要】本文对基于网络的多媒体计算机辅助教学系统作了一定的研究,提出了开发分布式的Web应用系统框架的网络的多媒体计算机辅助教学设计方案,将系统划分为三层体系结构来加以实现。着重说明了内容发布、多媒体模块、数据管理、选课,在线交流,课程设置等六个子模块的功能及实现方法,并就多媒体网络发布的解决方案作了详细说明,在传统计算机辅助教学软件的功能基础上实现了多媒体和网络支持的特性,并将教学资源管理提升到一个统一的电子化平台中。【关键词】CAI（计算机辅助教学）;多媒体;网络;浏览器/服务器一、引言教育现代化要求教学双方可以进行实时交互、师资科研信息可以最大程度的被共享、授课的形式可以打破传统的时间和空间的制约,综合了网络和多媒体信息技术的计算机辅助教学作为一种先进的教学实践理念应运而生。网络多媒体教学是综合了多媒体和网络等现代计算机技术,将传统的教学内容数字化、媒体化,并通过计算机网络进行大规模应用发布的一种基于信息科技的现代教学应用。计算机技术的迅速发展,特别是多媒体技术的出现和应用,使计算机辅助教学产生了巨大变化:在人机交互方式上更加多样化,通过图、文、声、视频等多种形式表达教学信息;在信息组织方式上采用了超文本技术,形成超媒体系统,能较好地适应学习者的联想性思维。Internet在教育中的广泛应用将计算机辅助教学的概念和应用范围扩展到前所未有的程度。越来越多的人更喜欢使用计算机化教学(CBI)、计算机化学习(CBL)、在线教育(OnlineEducation)、网上教育(Network-BasedEducation)等名词。本文提出了开发分布式的Web应用系统框架的设计方案,将应用系统划分为三层体系结构来加以实现。其中,逻辑表示层即传统的最终用户交互界面分布在第一层,业务逻辑层即程序化的功能模块分布在中间层,而数据库则分布在第三层中。本课题中的管理模块,内容发布模块,多媒体模块等都是处于被细分的中间层结构中。这种设计具有很好的系统扩展性,便于进行模块化和组件化的设计。二、网络多媒体教学系统结构网络多媒体教学系统在功能上可以划分为两大部分:核心计算机辅助教学部分和教学管理应用部分。核心计算机辅助教学部分通过内容发布、多媒体和数据管理三个子模块,在传统计算机辅助教学软件的功能基础上实现了多媒体和网络支持的特性。教学管理应用部分是网络多媒体教学系统与实际应用环境相结合,不同于传统计算机辅助教学教学软件的功能部分,主要综合了选课,在线交流,课程设置三个子模块,将教学资源管理提升到一个统一的电子化平台中。（一）内容发布模块该模块可以直接响应客户端的请求,也可响应来自应用服务器中其它中间模块的调用请求。它负责根据调用请求中所传递的参数来向多媒体模块和数据管理模块提交数据信息的检索请求,在得到检索的结果集后,将文字、图像、表格和视音频链接等信息按所指定的排版样式完成整合,其结果统称为一个XML中间文件,最后根据转化规则将该XML文件通过XSLT转化为与客户端请求相匹配的最终结果格式,如HTML,XML,PDF,WML等,并送出该结果格式。图1内容发布框架功能该模块是部署在中间层,即应用服务器上的一个组件程序,主要编码实现了XML解析和XSLT的样式表转化。（二）多媒体模块该模块用来管理和组织各种多媒体,如图像、表格、声音和视频等的元文件(meta-file),并响应来自内容发布框架的检索请求。图2多媒体管理模块功能声音和视频文件被应用到计算机辅助教学教学系统中来,将大大提高教学的质量,但是如何在网络上稳定的传输这些体积十分庞大的数据是一个很棘手的问题。在多媒体模块中,利用流媒体的技术很好的解决了这一应用问题。多媒体管理模块在系统中负责处理多媒体信息在网络上的发布操作。多媒体文件携带的信息量巨大,但是同样巨大的文件体积对于其在有限带宽的网络上实现传输产生了限制。流媒体是指把连续的影像和声音经过压缩处理后存放在媒体服务器上,使得用户可以一边下载一边即时地观看收听,而不需要等到整个压缩文件下载到本地后才可以使用的视/音频传输压缩技术。该技术先在客户端的电脑上创建一个缓冲区,在初次连接时预先下载一段数据作为缓冲,完成基本数量数据块的预摄取后即开始实时播放。当网络实际连接速度低于播放所耗用资料的速度时,播放程序就会取用缓冲区内的数据来避免播放中断,同时也使播放品质得以维持。该模块主要实现了SMIL标识文件编码,与RealServer流媒体服务器相交互的Plugin脚本文件等。(三)数据管理模块因为本系统所涉及到的文件数据类型比较复杂,该模块实现了一种综合的数据存储及管理方案。同时利用了RDBMS,XML:DB以及操作系统的文件系统来保存不同用途的数据文件。模块直接响应来自内容发布框架的检索请求,同时也响应来自多媒体管理模块的远程图像资源定位请求。图3数据管理模块功能该模块主要实现了数据存储的规划工作,并封装了数据库的基本访问操作。鉴于对数据可移植性和开放性的考虑,我们采用XML的数据组织形式。根据数据类型的不同,又可分为文本数据和媒体片段数据两类。对于文本数据,将其内容直接写入单个XML文件中,而对于媒体数据,则仅将其在文件系统中的存储位置写入XML文件中。无论对于何种数据,系统都提出了实现高效灵活的数据管理模式的要求,尤其需要对XML数据进行存储优化。（四）选课模块这一模块主要是面向学习者的。每个注册用户在通过身份认证登录到系统中后,可以进入到这个子系统中。该子系统将列出系统当前可选修的所有课程信息列表,以供学习者选择。当某一门课程被选取并得到最终确认后,该课程代码会自动列入学习者的选修列表,同时在课程设置时指定给该课程的所有电子参考书都将自动加入学习者的可用参考书列表,通过这个列表学习者可以进入核心计算机辅助教学部分进行基于网络的远程多媒体课件学习。此外,该用户的有效身份标识将被系统自动加入到这门课程所开设的所有相关交流区,学习者可以进入到这些区域中与同时选修这门课程的其他在线学习者进行很有针对性的学习交流。（五）在线交流模块有在线论坛、即时消息等多种形式。主要是提供学习者一个虚拟的电子教室以及与这个教室里的其他学员相互沟通的手段。在线论坛是根据课程设置的,这样便于管理维护和信息的汇总。而即时消息可以成为任意两个或多个注册用户的在线交流工具,不受所选课程的限制。图4学习者系统使用流程（六）课程设置这是面向系统管理者的功能。教师可以在这里开设新的在线课程,并指定这门课程所需选用的参考电子书目。这个部分是一个典型的Web应用,完全实现了J2EE的应用框架。在全局上采用了WebApplication的系统设计框架,在结构上很类似于一个常见的网站架构。使用者分为两类:普通用户,可以通过注册登录到系统中来,进行选课、多媒体课件学习、参与在线交流等;另一类是系统管理员,他的工作主要是管理注册的普通用户信息,对其在线行为进行统计;设计课程并指定参考教材等。这种用户的分类方法是现实环境中学生和老师关系角色的一种建模体现。图5系统UseCase关系我们可使用UseCase[4]来描述应用系统,得出普通用户和系统管理员两个Actor在不同应用中的互动关系。两个Ac-tor各自藉由使用系统中不同的功能来完成他们的工作,例如普通用户使用了系统中浏览课程、选择课程的功能;而系统管理员Actor则负责课程管理和书目管理等。图5是系统的UseCase关系图。在图中,体现了每个Actor角色使用的功能,同时也初步确定了能被不同Actor重复使用的功能模块,如浏览课程等。在明确了UseCase关系图后,我们可找到系统中的Do-mainEntity,它们分别是系统管理员、普通用户、课程、书目以及留言板。图6DomainEntity架构图6就是从UseCase中分析而得的DomainEntity架构图,在图中除了代表系统中不同的实体之外,每个实体可能包含的属性也都加以了列举。此外图中也显示了实体之间的关系,如一个普通用户可以选择一到多门课程,一门课程可以配置一到多本参考教材。同时每一门课程将开设一个留言板,以供用户之间相互共享学习体会。UseCase中确定的DomainEntity在J2EE的设计中可以被作为EntityBean的结构原型。然后由开发环境自动遵循EntityBean规范产生相应的数据表。为了降低客户端和EntityBean之间的关系,以避免后端设计的变动会影响到客户端,我们使用了Fa?ade对象来封装系统的功能逻辑并且分隔客户端和的相依存关系。三、多媒体网络发布的解决方案实践过程中因为涉及到大量多媒体视/音频文件在网络上的发布任务,所以系统的设计实现中采用了流媒体技术,并把该技术作为一个独立的模块整合到了应用系统中。在这个过程中,我们选用了RealNetworks公司的RealMedia系列产品:RealMedia是一个软件包的统称,其中包括客户端的Re-alPlayer,媒体制作端的RealProducer[6],以及服务器端的发布平台RealServer。在建立流媒体应用模块的过程中,课题主要集中在如下三个方面:利用RealProducerPlus制作流文件或将已有的Video、Audio信息转化为压缩编码流;建立独立的媒体服务器RealServer来发布上述的多媒体文件;在WebServer上编写嵌入式RealPlayer的脚本程序用于在客户端的多媒体信息回放。（一）流媒体文件的制作RealProducerPlus是用来生成流媒体文件的制作工具,它不但可以生成新的文件,同时还可以将现有的其他类型格式的媒体文件,如AVI、MOV、MPEG-1、MP3、WAV等,加以转化和合成。Realencoder采用专用的压缩编码算法,而后又增加了RA8的压缩算法,通过SVT(ScalableVideoTech-nology)技术可以让速度较慢的电脑不需要解开所有的原始数据也能流畅地获取视/音频信息。为了更好地适应在网上传播的应用环境,它还可以根据不同用户所使用的Modem的速率来选择最佳压缩比率的Real格式文件,这就是所谓的SureStream技术。（二）建立媒体服务器媒体服务器在流媒体应用的部署中处于核心部位。Re-alServer利用实时流传输协议(Real-TimeStreamingProto-col,RTSP)实现了缓冲式的实时分块下载播放的功能,可以通过Web的界面对RealServer进行远程的配置和管理,通过该界面可以对端口、日志管理、HTTP传送、IP绑定、MIME类型和文件系统的挂节点(mountpoint)等做出详尽的设置。通过设定文件系统在媒体服务器中的挂节点,一般而言为某一指定目录,并在该目录下存放待发布的媒体文件就完成了一次最简单的媒体发布设置。客户端可以通过RTSP协议来访问该服务器上指定目录中的多媒体流文件。RTSP协议的缺省端口为554,一般在RealPlayer中直接指定激活该协议的媒体服务器地址端口对来建立流媒体传输连接。RealServer对SMIL的支持是其作为流媒体服务器的一大技术特点。SMIL是由W3C组织提出并维护的一个标准,又称同步多媒体合成语言(SynchtonizedMultimediaInterationLanguage),实际上是一个符合XML语法的标记库。根据该标准,一个基于文本格式的SMIL标记描述文件可以应用于对多个不同类型、格式和内容的多媒体文件片段的合成操作和编排控制。在播放时,这些片段将在逻辑上被视为一个整体被调用执行,而在存储时片段还是保有在文件系统中的物理独立性。利用SMIL,我们采用了以段为基本单位来组织内容的构成,即将每一个文字段落录制成独立的语音片段,而后用SMIL标记库将多个段落语音片段顺序的组织成一页或一个章节,在逻辑上成为一个可控的整体。（三）多媒体回放的脚本编程在多媒体教材的实现上,我们采用的是基于B/S结构的应用框架。在客户端的浏览器中,使用者会得到他所选取的特定主题的相关内容,如文字说明、图表图例以及示例代码等,同时会有自动语音信息提供对当前页面内容的顺序解说,根据解说对象的不同可以分为:文字朗读、图例讲解和代码段解释。而当使用者对某一特定内容感兴趣时,也可以打破这一缺省的程序顺序执行模式,只要在相应的段落或图像上加以点击就可以使语音讲解跳转至被点击的内容处。在实现这一点播功能的过程中,我们主要是对RealPlayer的ActiveX组件进行了嵌入式脚本编程,并且利用特定的回调函数对由SMIL描述文件所合成的播放流进行在播放顺序上的即时调整。下面,我们选取一些代码片段加以说明。利用ActiveX组件将RealPlayer嵌入至Web页面中:<objectid=rvocxlassid="clsid:CFCDAA03-8BE4-11cf-B84B-0020AFBBCCFA"width=550height=450><paramname="SRC"value="rtsp://dev:554/project/sync.smil"><paramname="CONSOLE"value="one"><paramname="CONTROLS"value="ImageWindow"><paramname="CENTER"value="true"></object>其中id为组件在此页面中的对象标示,可以利用该标示调用对象的各种回调函数。Classid为该ActiveX组件在系统中注册的GUI(Globeuniqueidentification),而SRC、CON-SOLE、CONTROLS、CENTER等各项都是RealPlayer对象的属性,通过相应的value来设定该对象在初始化时的属性。我们可以看到RealPlayer的流媒体源地址指向为"rtsp://dev:554/project/sync.smil",这里dev是媒体服务器的名称,rtsp即实时流传输协议,554为该协议在dev上的服务端口,sync.smil为合成当前页面各多媒体片段的SMIL标记描述文件。上述代码完成了对一个Realplayer-ActiveX组件的引用,并进行了属性值的初始设定。使页面元素与事件相关联<divid=xonclick="Doplay(x);style.background='yellow'">教材文字信息</div>为了使每一项页面元素如文字段落、图表等能够和与其对应的语音片段相关联,需要对这些元素加以编码标注,然后在响应鼠标点击事件的处理函数中将该编码id作为传递参数,同时将元素背景设置为黄色,以区别其他未选择元素。“教材文字信息”代表具体内容,是J2EE框架程序查询访问数据库后直接由返回的数据结果集按组织格式生成的教材文本内容。RealPlayer-ActiveX组件的回调函数以及辅助函数:varcurrclip=0;functionDoplay(i){if(currclip==0)//说明媒体播放器当前未启动oper(1,i);else{if(currclip>i)//前翻oper(2,currclip-i);else{if(currclip<i)//后翻oper(3,i-currclip);else{if(currclip==1)oper(5,0);elseoper(4,0);}}}currclip=i;因为RealPlayer-ActiveX组件没有提供在播放列表中切换至指定项的函数,所以由我们自己编写了oper()辅助函数,将跳转项编码与当前项编码的绝对差作为循环值来反复调用DoNextEntry或oPrevEntry函数,直至达到指定项为止。Suboper(i,j)selectcaseicase1rvocx.DoPlaycase2forcount=1tojrvocx.DoPrevEntrynextcase3forcount=1tojrvocx.DoNextEntrynextcase4rvocx.DoPrevEntryrvocx.DoNextEntrycase5rvocx.DoNextEntryrvocx.DoPrevEntryendselectendsub四、结论根据计算机技术的发展现状,结合现有成果,提出了开发基于网络的多媒体计算机辅助教学系统的设想,在对计算机网络、多媒体特性、数据库知识作了一定的研究后,设计实现了该系统。将计算机辅助教学课件和教学资源管理相结合,形成统一的电子化信息平台。将较新的软件概念引入到了系统的设计和实现过程中。当前的计算机系统软件提出了在系统设计和实现中广泛的利用框架和组件技术,来提高系统的伸缩性、扩展性和高可用性。系统以J2EE技术框架为基础,实现了基于Web的应用系统。在具体的功能模块中,也体现了框架的技术概念。这使得本系统可以在现有的技术规范下具备出色的伸缩性、扩展性、开放性和高可用性。参考文献:[1]刘惠芳.数字媒体传播基础[M].清华大学出版,ISBN7-900622-21-7:2000.12.[2]刘积仁,王兴伟.分布式多媒体技术导论[M].电子工业出版社,ISBN7-5053-4806-X/TP.2334:1999.7.[3]R.J.A.Buhr,UseCaseMapsforObject-OrientedSys-tems[M].PrenticeHall,1998.8.[4]RealNetworks,RealOneplayerscriptingguide[EB/OL].,2002.4.

教师个人专业发展计划教师个人专业发展计划新的学期不知不觉中又来了，对于我们2020年又是一个充满动力和压力的一年。面对越来越激励竞争的岗位，我除了倍加珍惜之外，也意识到一位