基于cscw的虚拟教室中电子白板的设计与实现

基于cscw的虚拟教室中电子白板的设计与实现

虚拟教室是为了模拟物理教室环境而使用计算机和网络技术的虚拟教室，并为分散地理的人提供在线学习的模拟教室。虚拟教室的出现表明，传统的教育方法面临着这些新技术的挑战。电子白板(Electricwhiteboard)作为虚拟教室一个工具模块,是计算机支持的协同工作系统中的一个重要同步交流工具,它利用一定的通信手段建立一个电子环境的虚拟功用区域,使位于不同地点的人员可以在“共同”的屏幕上讨论问题,其中任何一方的活动(绘图、对话、标注和其它动作等)都能实时的传送到其他所用用户的视图上.它的主要应用范围是在分布式环境下,因此要求电子白板设计要满足操作响应在协作允许范围内使用户与用户之间的协作流畅自然.1cscw的应用计算机支持的协同工作CSCW(ComputerSupportedCollaborativeWork),即一个群体中的多个成员,同时使用分布式网络系统中的多台计算机系统工作,共同完成某一项任务.它体现了信息时代人们工作方式的群体性、交互性、分布性和协同性的客观要求,可以充分发挥计算机网络作为通信媒体的潜在能力和优越性,因而正受到日益广泛的重视.计算机支持协同工作主要涉及计算机网络技术、多媒体技术、人工智能、面向对象的数据库和分布式系统技术,并与心理学、系统工程、社会学等多门学科紧密结合.CSCW的应用是虚拟学习过程中的协商讨论、相互交流和信息共享,形成一种新型的群体协作教学模式,强调协同工作、交互讨论、分工合作、共同完成某项教学任务.CSCW应用可按照时间与空间进行分类,从时间上分为同步与异步两种,从空间上分为同地与异地两种.CSCW的典型应用主要包括:消息系统,系统编辑系统和同步会议系统.2开展虚拟教室共享电子白板的关键技术和具体实现2.1事件消息共享机制应用共享(SharingApplication)是支持群组通信活动的一个重要机制.当被共享的应用程序执行任一用户的输入时,它的执行结果在分布于网络中的所有参与者的屏幕上都要体现.应用共享遵循的原则是“What-You-See-Is-What-I-See”.应用共享按运行应用程序的站点来分一般有两种实现模式:集中式(centralized)和复制式(replicated).集中式也称为单拷贝应用共享.被共享的应用程序在一个站点运行,所有参与者对该程序的输入都要传输到这个站点,而程序的输出通过网络传送到其它站点,其它站点相应的软件负责在屏幕上产生相同的输出界面.在任一时刻,只能有一个参与者对这个程序拥有控制权,即输入权.复制式也称为多拷贝应用共享.被共享的应用程序在每个站点都同时运行,每个站点对应用程序的输入事件都要发送给所有其它站点上运行的应用程序拷贝.这样所有应用程序拷贝都可得到相同的输入,因此它们具有相同的输出界面.共享电子白板采用事件消息共享机制.如图1所示,编辑电子白板的绘图动作都作为事件被窗口截获,然后打包成一条消息发往服务器.服务器接受用户发来的消息,并进行处理,然后修改服务器中的白板对象队列,并将修改后的队列消息(利用IP组播)广播给虚拟教室中的所有成员,用户接受到消息后进行分析,恢复成相应的窗口事件,执行相应的绘图动作.因此,整个电子白板始终围绕着事件的截获、消息的形成、消息的处理及发送来实现的.事件的截获:截获用户对共享应用程序的输入是实现共享电子白板的关键,JAVA提供了事件接收器接口XXXListener().要实现专用接口,创建接收器对象,并且在被激活实践的组件中进行注册.Event-firing组件调用addXXXListener()方法来完成注册,以描述XXX事件类型接收.消息的形成:在实现应用程序时,有两种类型的输出被发往远端,即位图和绘制函数参数.位图方式优点是被共享窗口的界面可直接在客户端的虚拟窗口再现,缺点是需传输的信息量大;传送绘制函数的优点是只传送绘制函数命令和它所要求的参数,缺点是若两个站点软件环境不一致,虚拟窗口就不能再现这一结果.由于虚拟教室中的共享电子白板要求有较强的实时性,再加上网络带宽相对较窄等原因,我们在通讯线路上采用传输命令参数的方式,任一课堂成员对白板的编辑(输入文本,绘图,注释或移动等)都以命令加参数的方式在网络上传输.因为传输的数据仅是一些参数、命令等,所以传输数据量很小,大大的减轻了网络负担,从而能够在普通的通讯线路上更好的达到时间、空间的同步,能够适用于范围更广的通讯状况.因而在系统中选择传送命令参数的方法.消息的通信:本系统采用TCP/IP协议下的JAVASOCKET机制.用户对白板的操作被作为事件进行处理,打包成相应的消息通过Socket传到服务器.服务器收到对白板操作的消息后,进行判断、处理,然后向所有客户广播处理后的消息,白板收到这些消息后,分析相应的参数,按照触发条件执行处理消息的函数,并向窗口发送自定义消息,使之也完成同样的操作,从而实现了课堂成员电子白板的协同.2.2共享电子白板的并发控制在实时协同工作中,正在协作的地理上分散的多个站点可能产生相互独立的操作,同时作用于同一共享应用,它们通过交互事件达到共享应用的一致性.当多个用户在同一时刻对同一共享对象进行操作时,为确保一个操作在远端与在本地的执行效果一致,必须使用并发控制策略对来自多方的事件进行协调.在并发控制方面,现有的各种群件应用使用了不同方法,大致包括:集中控制法:全部状态信息位于一处,保持一致,所以易于同步,事件通常按照先到先服务的次序进行处理,不会产生失序;令牌传递法:系统中流动着一张令牌,在同一时刻只允许一个用户拥有令牌,令牌拥有者处于活动状态,有权操作协作对象;封锁法:封锁法是保持数据一致性的常用手段,它提供对共享数据的封锁和解锁,用以控制用户的并发操作,此方法涉及加锁和解锁的时机,截获和释放锁的方法,以及锁的粒度等3个问题;事务机制法:所谓“事务”是指一个操作集,它被提交到所有站点,这个方法采用Floor控制机制,即在同一时刻只允许一个用户处于活动状态.共享电子白板模块中的并发问题包括多个用户同时控制电子白板中间一对象时的控制处理和共享电子白板中并发信息流的处理.(1)对电子白板对象的并发控制采用对象锁和白板锁两种方式.对象锁一次锁住一个媒体对象;而白板锁可以一次锁住整个白板.电子白板中的任一对象在同一时刻只能被一个课堂成员所编辑.当一个课堂成员想要对白板某一对象进行编辑时,服务器首先要确认该对象是否已被锁定.如果没有被锁定,该客户对这个对象所做的编辑被接受,否则任何编辑都做无效处理.白板锁控制机制就是在整个白板的编辑区域实行一个时刻只允许一个用户操作,本虚拟教室系统中,只有老师有控制白板锁的权限.(2)对电子白板中并发信息流的处理.对客户和服务器间传送的各种消息,无论是客户端的本地消息,还是服务器端私有或广播消息,都采用JAVA提供的对象串行化功能.所谓串行,就是对象的拷贝过程,此对象可以是事件或数据.当串行器接收到对象后,就会分配给此对象一个编号,以保证事件按编号顺序执行.对这些消息所进行的串行化处理是保证同步协同共享的前提条件.在服务器内部,对多个用户同时产生的输入消息的处理方法是利用一个全局白板队列,将课堂中同时输入的消息串行化.MessageVector是JAVA中的Vector类,该类中的各种方法保证了对Vector内容的串行化操作.2.3课堂活动主体用户的通信导致本地操作由于虚拟教室是一个群体协作系统,因而实现课堂成员间的多点通信是必不可少的.目前基于Internet网络环境,模拟多点通信的体系结构有两种:主从方式和对等方式.主从方式:基本Client/Server通信模式可方便的实现一对用户间的通信.要想实现多用户间的通信,最直接的模式为主从结构,其结构特点为系统中每个成员只与中央服务器建立实际的通信,成员间的通信需通过服务器的转发来完成.在主从方式下,用户不需要保存Socket对象列表.每个用户只需和服务器进行连接,服务器建立相应的用户列表和Socket对象列表.用户进行操作时,只需向服务器发送数据,服务器根据用户列表中的信息,转发信息包,所以服务器承担的主要任务就是对信息包进行转发.对等方式:在对等方式下,要实现多点传输,就必须让参加课堂的任何一个成员和其他所有成员都建立通讯连接.只有课堂管理者对用户列表具有控制权.每个新加入课堂的用户一开始都必须和课堂管理者进行连接,课堂管理者把用户的IP地址加入到用户列表,并复制一份用户列表信息发布给其他用户,其他用户接收到这些信息后,更新自己的用户列表,创建新的Socket对象,与新加入的用户建立相应的虚电路,并把Socket对象加入到Socket对象队列表中.当用户操作时,必须扫描一遍自己的用户列表,获得每个参与者的权限后,再扫描Soc