計(jì)算機(jī)支持協(xié)同工作在虛擬教室中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)支持協(xié)同工作在虛擬教室中的應(yīng)用

0教室的實(shí)現(xiàn)依賴于互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展隨著網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，虛擬教室是遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)的核心組成部分。與傳統(tǒng)教學(xué)相比,虛擬教室打破了原有的時(shí)間、地域限制,從而滿足了信息時(shí)代人們“終生學(xué)習(xí)”的需要。虛擬教室的實(shí)現(xiàn)主要依賴于計(jì)算機(jī)支持協(xié)同工作CSCW(ComputerSupportedCooperativeWork)技術(shù)和分布式多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。計(jì)算機(jī)支持協(xié)同工作技術(shù)的應(yīng)用為參與者提供了信息共享的環(huán)境,使交互式的協(xié)作教學(xué)成為可能,增進(jìn)了教、學(xué)雙方的溝通;而分布式多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)把文字、圖形、聲音、視頻及互動(dòng)式操作集于虛擬教室中,使每一位參與者得以舒適的教或?qū)W。虛擬教室的出現(xiàn)不僅僅是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的模擬,而且是一次信息技術(shù)帶來(lái)的教育形式的革命。學(xué)習(xí)者可以由此享受它最大限度的靈活性、獨(dú)立性和因人而異的服務(wù)。CSCW技術(shù)在虛擬教室中的實(shí)際應(yīng)用之一是電子白板系統(tǒng),本文將著重討論電子白板系統(tǒng)的原理與實(shí)現(xiàn)。1cscw的應(yīng)用現(xiàn)代社會(huì)中人們的生存方式千變?nèi)f化,這就給協(xié)同工作帶來(lái)了挑戰(zhàn)。計(jì)算機(jī)支持協(xié)同工作是指地域分散的一個(gè)群體借助計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù),共同協(xié)調(diào)與協(xié)作來(lái)完成一項(xiàng)任務(wù)。它主要涉及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),多媒體技術(shù),人工智能,面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)和分布式系統(tǒng)技術(shù),并與心理學(xué),系統(tǒng)工程,社會(huì)學(xué)等多門(mén)學(xué)科緊密結(jié)合。CSCW的應(yīng)用是虛擬學(xué)習(xí)過(guò)程中的協(xié)商討論,相互交流和信息共享,形成一種新型的群體協(xié)作教學(xué)模式,強(qiáng)調(diào)協(xié)同工作,交互討論,分工合作,共同完成某項(xiàng)教學(xué)任務(wù)。CSCW應(yīng)用可按照時(shí)間與空間進(jìn)行分類(lèi),從時(shí)間上分為同步與異步兩種。CSCW的典型應(yīng)用主要有以下三種:(1)消息系統(tǒng)。對(duì)于消息系統(tǒng),系統(tǒng)合作成員之間利用電子郵件的方式來(lái)交換結(jié)構(gòu)化信息對(duì)象,如用email進(jìn)行討論、問(wèn)題解答、提供學(xué)習(xí)資料等。這種應(yīng)用的特點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)要求不高,但交互的同步性較差。(2)協(xié)同編輯系統(tǒng)。對(duì)于協(xié)同編輯系統(tǒng),系統(tǒng)合作成員可以在共享文檔不同部分進(jìn)行標(biāo)注與修改,其中參與者暫時(shí)不能看到別人的工作,只有當(dāng)其完成一段內(nèi)容后,才允許別人看,如教師共同定制教學(xué)計(jì)劃,學(xué)生合著論文等。(3)同步會(huì)議系統(tǒng)。同步會(huì)議系統(tǒng)是以會(huì)議形式來(lái)協(xié)同工作的系統(tǒng),協(xié)作雙方之間的信息交流是實(shí)時(shí)的,具有很短的延遲限制。交流的內(nèi)容包括文字、圖形、圖像,乃至音頻、視頻信息。本文著重討論的電子白板系統(tǒng)即屬于這個(gè)范疇。2白塊電子表格系統(tǒng)2.1電子白板的功能電子白板是一個(gè)虛擬公用區(qū)域,教師和學(xué)生可利用電子白板進(jìn)行課堂教學(xué),專題討論等教學(xué)活動(dòng)。它也是虛擬教室的主要交互形式。電子白板系統(tǒng)作為虛擬教室系統(tǒng)的一部分,基于瀏覽器/服務(wù)器(B/S)結(jié)構(gòu)。公共區(qū)域設(shè)在服務(wù)器上。參與者可以同時(shí)看到其上的內(nèi)容,包括文字、圖形、圖像。這些數(shù)據(jù)存于白板服務(wù)器或多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上,由服務(wù)器負(fù)責(zé)訪問(wèn)。每一個(gè)客戶端可得到一份數(shù)據(jù)拷貝,可以被任一參加者根據(jù)其權(quán)限添加,刪除或修改。操作的結(jié)果送往服務(wù)器,服務(wù)器更新數(shù)據(jù)?？蛻魴C(jī)收到修改請(qǐng)求后,隨即更新本地?cái)?shù)據(jù)?？梢?jiàn)一個(gè)基本的電子白板系統(tǒng)應(yīng)該具有以下功能:①基本的書(shū)寫(xiě)與繪畫(huà)功能,用于參與者之間的交流。②操作提示和操作反饋功能。③白板內(nèi)容的恢復(fù)和更新功能。④用戶權(quán)限的辨別功能。對(duì)電子白板系統(tǒng)的特點(diǎn),我們從如下角度進(jìn)行討論:(1)通訊的實(shí)時(shí)性。電子白板的服務(wù)器端與客戶機(jī)端通訊主要有兩種方式實(shí)現(xiàn)。一種是服務(wù)器可以主動(dòng)發(fā)送的雙向交互法;另一種是客戶機(jī)的單向輪詢法。兩種方式各有千秋,且各自都已形成了成熟的技術(shù)。雙向交互比較靈活;而單向輪詢法常常被認(rèn)為是笨拙且低效。確實(shí),如果服務(wù)器上什么變化也沒(méi)有,又何必去訪問(wèn)呢?但是,輪詢法在服務(wù)器繁忙的情況下的效率很高,因?yàn)樵谝?guī)定了延遲時(shí)間與最大訪問(wèn)人數(shù)的情況下,服務(wù)器的最大負(fù)荷是可以控制的。而且,競(jìng)爭(zhēng)發(fā)生的幾率減小。另一方面,我們追求的目標(biāo)不是絕對(duì)的實(shí)時(shí),而是讓用戶“感受”是實(shí)時(shí)的。就是說(shuō),在人的一般反應(yīng)或忍耐范圍內(nèi),如1秒以內(nèi)的延遲時(shí)間是適當(dāng)?shù)?2)權(quán)限的差異性。參與者應(yīng)根據(jù)身份賦予權(quán)力,一般虛擬教室中的身份有三種:教師、學(xué)生以及參觀者。教師的權(quán)力最大,不僅在通常情況下?lián)碛邪l(fā)言權(quán),而且有控制學(xué)生發(fā)言的權(quán)力。參觀者一般不能發(fā)言,但可以留下意見(jiàn)。(3)數(shù)據(jù)的安全性。電子白板作為一個(gè)臨界區(qū),在激烈的討論中,會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)參與者同時(shí)對(duì)其進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)操作的情況。而實(shí)際情況下,無(wú)論是網(wǎng)絡(luò)傳輸速度,還是人對(duì)事物的接受速度都難以做出及時(shí)的反應(yīng)。這可能造成的情況有兩種。一是“臟”數(shù)據(jù)的出現(xiàn);二是白板的顯示陷入混亂。對(duì)于前者,系統(tǒng)提供互斥的保護(hù)機(jī)制。當(dāng)一位參與者在操作時(shí),其他參與者應(yīng)當(dāng)?shù)却敝敛僮魍戤叀?duì)于后者,教師應(yīng)扮演管理者的角色,安排學(xué)生的發(fā)言。在缺省的情況下,由系統(tǒng)根據(jù)先來(lái)先服務(wù)、輪轉(zhuǎn)或最少發(fā)言者先的原則賦予發(fā)言權(quán)。2.2主流應(yīng)用程序支持的對(duì)象電子白板系統(tǒng)采用VisualAgeforJava2.0為開(kāi)發(fā)工具,JWS1.1.3為Web服務(wù)器應(yīng)用程序,WindowsNT4.0為服務(wù)器操作系統(tǒng)平臺(tái),在三十個(gè)用戶同時(shí)訪問(wèn)的情況下,系統(tǒng)運(yùn)行良好,基本實(shí)現(xiàn)了電子白板的功能。因?yàn)镴ava語(yǔ)言在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的優(yōu)越性,本系統(tǒng)采用Java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)電子白板。電子白板實(shí)現(xiàn)中可以應(yīng)用的技術(shù)有:Socket、RMI和Servlets。下面首先敘述三者在實(shí)現(xiàn)中的共同之處,然后簡(jiǎn)單介紹一下前兩種的特點(diǎn),最后詳細(xì)描述Servlets的實(shí)現(xiàn)。白板中的內(nèi)容常常需要更新,如果不能及時(shí)反映最新內(nèi)容,參與者的交流就會(huì)產(chǎn)生障礙。一般情況下,白板中的內(nèi)容無(wú)非是由直線、曲線、橢圓、矩形等圖形元素及文本元素構(gòu)成。對(duì)內(nèi)容進(jìn)行抽象可以大大減少在初始化與執(zhí)行過(guò)程中數(shù)據(jù)的傳輸量。這樣的處理方式有兩個(gè)好處,一方面,可以以某個(gè)元素的對(duì)象名、能夠代表該對(duì)象的幾個(gè)屬性來(lái)表示;另一方面,在對(duì)白板中的圖形進(jìn)行改動(dòng)時(shí),只需將被改動(dòng)部分的對(duì)象的參數(shù)通知網(wǎng)絡(luò)另一端就可以了,而無(wú)須將改動(dòng)后的整個(gè)圖形傳送出去。對(duì)大篇幅文字的集體討論修改也一樣分塊按元素處理,而一般討論中的文字?jǐn)?shù)據(jù)量很小,無(wú)需特別處理。因此,我們將白板中的內(nèi)容抽象為CObjList,它由一系列的元素組成。為了使這些對(duì)象具有分布式的特點(diǎn),從CObjList類(lèi)派生出CDistributedObjList類(lèi)。根據(jù)Client端與Server端的不同又派生出用于兩端的CClientObjList類(lèi)與CServerObjList類(lèi)。這兩個(gè)類(lèi)由于網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)的不同而再派生為各自的子類(lèi)(如圖1)。CServerObjList的實(shí)例最先存在于服務(wù)器上。服務(wù)器向各在線客戶發(fā)送CObjList,各客戶端據(jù)此建立一副本,即CClientObjList的實(shí)例。此后,在線用戶可以根據(jù)權(quán)限實(shí)施添加、刪除及修改的操作。操作無(wú)非是對(duì)CObjList對(duì)象中的元素的添加、刪除或修改。同時(shí),客戶端將對(duì)象序列化后,向服務(wù)器端發(fā)出UpdateListMsg的消息對(duì)象。服務(wù)器端試圖更新其CServerObjList對(duì)象(如圖2)如果成功,返回更新消息?？蛻舳烁鶕?jù)查詢或根據(jù)成功的返回結(jié)果更新或維持修改。如果更新失敗,服務(wù)器向請(qǐng)求更新的客戶端提供失敗原因。失敗原因除了網(wǎng)絡(luò)和硬件故障之外,最有可能發(fā)生的是兩個(gè)以上在線用戶對(duì)服務(wù)器白板這樣一個(gè)臨界區(qū)的競(jìng)爭(zhēng)。利用Java實(shí)現(xiàn)的服務(wù)器端與客戶機(jī)端的通訊技術(shù)手段主要有三種:基于端口(Socket)的方法在通過(guò)服務(wù)器修改中央列表時(shí)對(duì)客戶執(zhí)行嚴(yán)格的鎖定。它的優(yōu)點(diǎn)是客戶可以實(shí)時(shí)看到中央列表的變化。缺點(diǎn)是所有客戶與服務(wù)器必須通過(guò)TCP/IP連接,實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜,當(dāng)有防火墻或其它限制時(shí)可能失敗。RMI是一種Java虛擬機(jī)之間對(duì)象互相調(diào)用對(duì)方函數(shù),啟動(dòng)對(duì)方進(jìn)程的一種機(jī)制。在這種機(jī)制下,任意兩臺(tái)Java虛擬機(jī)之間的通訊完全由Java虛擬機(jī)自己的RMI來(lái)負(fù)責(zé)。對(duì)程序員來(lái)講,這兩臺(tái)Java虛擬機(jī)之間完全是透明的。基于RMI的方法在客戶做了修改之后,服務(wù)器會(huì)通知是否成功,然后廣播,或由客戶端輪詢服務(wù)器,以得到修改。RMI需要與中央服務(wù)器有一個(gè)直接的端口的連接,用RMI聯(lián)網(wǎng)的白板可以通過(guò)允許HTTP事務(wù)或代理的防火墻。Servlets,從某種角度來(lái)講,可以說(shuō)是服務(wù)器端的Applets。Servlets使用HTTP協(xié)議并且像CGI腳本一樣以HTML作為通訊手段。Servlets具備CGI的一切功能,但Servlets遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于CGI。CGI在每次響應(yīng)一個(gè)請(qǐng)求時(shí),總要重新生成一個(gè)進(jìn)程,結(jié)果隨著請(qǐng)求增加到一定數(shù)量時(shí),系統(tǒng)性能顯著下降。而Servlets是對(duì)服務(wù)器的直接擴(kuò)展,只在被動(dòng)態(tài)地載入時(shí)才產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)程,以后對(duì)請(qǐng)求的響應(yīng)都由該進(jìn)程產(chǎn)生一個(gè)線程來(lái)完成。另一個(gè)重要的不同點(diǎn)是,當(dāng)Servlets對(duì)一個(gè)響應(yīng)結(jié)束之后,并不是立即殺死該線程。這樣,在下次請(qǐng)求時(shí)就不用再次建立一個(gè)連接。通常建立一個(gè)連接是很費(fèi)時(shí)的。Servlets的簡(jiǎn)便、小巧和優(yōu)異的可擴(kuò)展性使其在Web應(yīng)用中倍受青睞。Servlets在白板中的應(yīng)用有兩個(gè)功能:一是客戶端定期輪詢服務(wù)器以便知道它的變化;另一個(gè)是向服務(wù)器的應(yīng)用對(duì)象流傳遞消息對(duì)象?？蛻舳擞肏TTPPOST協(xié)議,由URL和URLConnection類(lèi)來(lái)傳送消息對(duì)象。這個(gè)協(xié)議允許服務(wù)器傳送有POST申請(qǐng)書(shū)的二進(jìn)制代碼。應(yīng)答信息也必須是二進(jìn)制代碼,所以對(duì)象流要被編碼成應(yīng)答對(duì)象。Servlets的生命周期是這樣的:當(dāng)?shù)谝粋€(gè)請(qǐng)求到達(dá)時(shí),服務(wù)器載入Servlets,并調(diào)用Servlets的init()方法。在init()完成前,所有的請(qǐng)求都被阻塞。一旦init()完成,Servlets就可以由service()方法提供服務(wù),處理每個(gè)請(qǐng)求。Servlets持續(xù)處理請(qǐng)求直到被卸載。卸載時(shí)將調(diào)用destroy()方法。如圖1,和CClientServletsList分別派生自CServerList和CClientList?？蛻舳说牟僮饕訦TTPPOST的方式,傳遞一個(gè)消息對(duì)象。服務(wù)器回應(yīng)以包含更新信息的InitListMsg。在沒(méi)有操作的情況下,客戶端每隔一段時(shí)間以QueryServer()方法詢問(wèn)服務(wù)器的更新情況。QueryServer()方法把一個(gè)對(duì)象送到Servlets,使用HTTPPOST方式得到Servlets的URL。它從服務(wù)器向調(diào)用它的方法返回一個(gè)對(duì)象。如果服務(wù)器的CObjList與客戶端不同,則將返回新的CObjList。Servlets以其強(qiáng)大的功能實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用的集成。從白板的意義上講,Servlets是代替RMI和socket的有益的工具,特別是當(dāng)客戶端是一個(gè)Applets時(shí)。因?yàn)锳pplets的安全策略要求Applets與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器聯(lián)結(jié),Servlets可以代替單獨(dú)的、需要特殊啟動(dòng)的服務(wù)進(jìn)程。Servlets可以同時(shí)處理多個(gè)請(qǐng)求,并使請(qǐng)求同步。這使它能夠很好支持在線的實(shí)時(shí)討論。從虛擬教室的意義上講,Servlets可以通過(guò)JDBC接口進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)