基于網(wǎng)格的虛擬教學(xué)環(huán)境探討

摘要：基于網(wǎng)格的虛擬教學(xué)環(huán)境將提供協(xié)作探索式學(xué)習(xí)、綜合能力訓(xùn)練的場(chǎng)所，提供一個(gè)更廣闊的、資源不斷更新的虛擬現(xiàn)實(shí)的教學(xué)環(huán)境。本文描述了該環(huán)境的要素、功能要求及構(gòu)建基礎(chǔ)，并就其實(shí)現(xiàn)機(jī)制與教學(xué)資源的集成問題進(jìn)行探討。其構(gòu)建對(duì)實(shí)現(xiàn)新型信息化教學(xué)有著十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)格服務(wù)；虛擬環(huán)境；教學(xué)資源；集成

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5913(2007)12-0021-03

1引言

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境促進(jìn)了現(xiàn)代教育信息化的實(shí)現(xiàn)，但服務(wù)與技術(shù)支持上仍不完善，如沒充分實(shí)現(xiàn)硬件資源的共享；網(wǎng)絡(luò)帶寬對(duì)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作、流媒體實(shí)時(shí)播放等有技術(shù)限制；難以達(dá)到動(dòng)態(tài)創(chuàng)設(shè)情景、動(dòng)態(tài)組織教學(xué)，進(jìn)行個(gè)性化學(xué)習(xí)的目標(biāo)；缺乏教學(xué)資源整合、全面共享等。如何將互聯(lián)網(wǎng)上資源全面連通，最終實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格虛擬教學(xué)環(huán)境，是新型信息化教學(xué)制定發(fā)展戰(zhàn)略時(shí)必須考慮的基本問題。

網(wǎng)格是新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其出現(xiàn)為教育信息化的發(fā)展提供巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。網(wǎng)格技術(shù)使整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)整合成一臺(tái)巨大的超級(jí)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算、數(shù)據(jù)、知識(shí)等資源的全面共享。網(wǎng)格具有分布性、共享性、資源透明性、動(dòng)態(tài)性與管理的多重性等特點(diǎn)。利用其優(yōu)勢(shì)，最終可將所有分散的教學(xué)資源組成統(tǒng)一的信息和知識(shí)體系，構(gòu)建一個(gè)無限的虛擬現(xiàn)實(shí)的教學(xué)大環(huán)境。

2網(wǎng)格虛擬教學(xué)環(huán)境

(1) 網(wǎng)格虛擬教學(xué)環(huán)境的要素

基于網(wǎng)格的虛擬教學(xué)環(huán)境主要包括：

●虛擬教學(xué)組織

虛擬教學(xué)組織具分布性、動(dòng)態(tài)性、異構(gòu)性。如：根據(jù)學(xué)習(xí)者的需求、水平與進(jìn)度，構(gòu)建虛擬教學(xué)區(qū)(教室、實(shí)驗(yàn)室等)；根據(jù)教材版本、教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)等信息，搜索在線備課的教師，形成虛擬教研室。教師和學(xué)生的交互活動(dòng)都可在虛擬的教學(xué)組織下進(jìn)行。

●網(wǎng)格代理教師

基于多代理系統(tǒng)可建立一系列的教學(xué)代理，并進(jìn)行多個(gè)教學(xué)代理之間的交互、協(xié)作。每一個(gè)教學(xué)代理具有一種或多種教學(xué)能力，它能代理教師角色，根據(jù)從學(xué)生模型中提取的學(xué)習(xí)愛好和風(fēng)格特征，提供特定的學(xué)習(xí)內(nèi)容。且具有支持情景創(chuàng)設(shè)、虛擬教學(xué)區(qū)的動(dòng)態(tài)創(chuàng)建以及自由交互的教學(xué)方式等特點(diǎn)，從而達(dá)到個(gè)性化教學(xué)的目的。

●虛擬教學(xué)資源

網(wǎng)格服務(wù)可將服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心和學(xué)校間的資源虛擬化。虛擬資源的類型主要有:硬件(網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)器、教學(xué)設(shè)備等)及教學(xué)數(shù)據(jù)資源(電子教案、圖書、素材、積件等)。網(wǎng)格技術(shù)及其相關(guān)服務(wù)可使虛擬性和即時(shí)供應(yīng)性結(jié)合，提高資源利用率。

●門戶協(xié)同教學(xué)網(wǎng)站

強(qiáng)調(diào)教學(xué)資源的互通、互操作能力，以支持虛擬教學(xué)組織基礎(chǔ)上的協(xié)同教學(xué)工作。它能使網(wǎng)格代理教師方便地去組合、管理多種網(wǎng)格教學(xué)服務(wù)，從豐富的教學(xué)資源中選擇合適的內(nèi)容，載入專業(yè)的門戶網(wǎng)站，以實(shí)施系列教學(xué)服務(wù)。

總之，網(wǎng)格虛擬教學(xué)環(huán)境將使網(wǎng)格代理教師在一個(gè)動(dòng)態(tài)的虛擬教學(xué)區(qū)中組織、管理教學(xué)資源，根據(jù)不同的學(xué)習(xí)對(duì)象，采用不同的教學(xué)模式和策略進(jìn)行教學(xué)；學(xué)習(xí)者能按所需方式、時(shí)間等使用學(xué)習(xí)資源，支持各地的學(xué)習(xí)者在動(dòng)態(tài)的虛擬教學(xué)區(qū)中進(jìn)行協(xié)作學(xué)習(xí)，還可附上語音和傳送視頻圖像，使之處于討論與實(shí)驗(yàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中；各地師生能進(jìn)行實(shí)時(shí)交互而不出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)延遲，如同面對(duì)面地教學(xué)，真正實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的協(xié)同。

(2) 網(wǎng)格虛擬教學(xué)環(huán)境的功能與特點(diǎn)

基于網(wǎng)格的虛擬教學(xué)環(huán)境應(yīng)支持的主要功能有：動(dòng)態(tài)創(chuàng)建教學(xué)與交流區(qū)；支持真實(shí)與仿真實(shí)驗(yàn)操作；支持教學(xué)積件及知識(shí)的建構(gòu)；支持個(gè)性化的學(xué)習(xí)。

基于網(wǎng)格的虛擬教學(xué)環(huán)境具有的特點(diǎn)是：

●開放性

學(xué)習(xí)者可得到及時(shí)更新的、更廣泛、充分共享的軟、硬教學(xué)資源，學(xué)習(xí)可突破時(shí)、空限制；

●交互性

使多個(gè)群體或虛擬教學(xué)組織的教、學(xué)雙方充分參與教學(xué)活動(dòng)，在線學(xué)習(xí)與交流；

●集成性

利用多種形式及媒體教學(xué)，可使若干教學(xué)環(huán)節(jié)：講、聽、作業(yè)、實(shí)習(xí)和考試融為一體；

●操作性

學(xué)習(xí)者可實(shí)現(xiàn)異地真實(shí)或模擬實(shí)驗(yàn)，操作多種高檔共享實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

●自適應(yīng)性

利用網(wǎng)格積件，進(jìn)行在線學(xué)習(xí)效果評(píng)估，并據(jù)此來調(diào)整學(xué)習(xí)策略、內(nèi)容和進(jìn)度。

總之，網(wǎng)格虛擬教學(xué)環(huán)境的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在主體的個(gè)性化、交往的平等化、內(nèi)容的整合化、空間的網(wǎng)格化及時(shí)間的終生化。學(xué)習(xí)者可獲得更廣闊的學(xué)習(xí)空間，更豐富的教學(xué)資源，更靈活開放的學(xué)習(xí)方式。

3網(wǎng)格虛擬教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建基礎(chǔ)

(1) 網(wǎng)格虛擬教學(xué)環(huán)境的技術(shù)支持

網(wǎng)格虛擬教學(xué)環(huán)境應(yīng)基于開放網(wǎng)格服務(wù)體系(OGSA)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建。OGSA標(biāo)準(zhǔn)綜合了關(guān)鍵的網(wǎng)格技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，能支持在異構(gòu)環(huán)境下服務(wù)的動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)和合成。網(wǎng)格的一切對(duì)外功能都以網(wǎng)格服務(wù)的形式來提供，并借助一些現(xiàn)有的、與平臺(tái)無關(guān)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(Web Service)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格服務(wù)的描述、查找、訪問和信息傳輸。這樣不同網(wǎng)格中的應(yīng)用和已有的符合網(wǎng)絡(luò)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的各種應(yīng)用都可方便地集成起來，而不必關(guān)心其實(shí)現(xiàn)平臺(tái)和使用技術(shù)的異構(gòu)性。

網(wǎng)格虛擬教學(xué)環(huán)境可構(gòu)建在已有的各種網(wǎng)格之上。基于OGSA標(biāo)準(zhǔn)，可建立多種網(wǎng)格服務(wù)。如：數(shù)字圖書館網(wǎng)格服務(wù)可使學(xué)習(xí)者便捷地享受無限的教學(xué)資源；數(shù)字地球網(wǎng)格服務(wù)可使學(xué)習(xí)者進(jìn)入一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)的地球環(huán)境；計(jì)算網(wǎng)格服務(wù)能使師生去訪問、操作一個(gè)虛擬的大型計(jì)算機(jī)，快速進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的計(jì)算。網(wǎng)格為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供了一個(gè)與硬件無關(guān)的虛擬計(jì)算機(jī)，而網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是架構(gòu)在虛擬計(jì)算機(jī)平臺(tái)上的應(yīng)用交互集成平臺(tái)。可將目前互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)系統(tǒng)建立在網(wǎng)格平臺(tái)上，并將系統(tǒng)各個(gè)模塊之間的接口采用OGSA標(biāo)準(zhǔn)來封裝，再由用戶根據(jù)需要進(jìn)行定制或集成。

計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可創(chuàng)造逼真的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。遠(yuǎn)程沉浸應(yīng)用是一種特殊虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。該環(huán)境可以是對(duì)現(xiàn)實(shí)或歷史的逼真反映，可以是對(duì)高性能計(jì)算結(jié)果或數(shù)據(jù)庫的可視化，也可以是純粹虛構(gòu)的空間，它可使分布在各地的學(xué)習(xí)者能夠在相同的虛擬空間協(xié)同學(xué)習(xí)與試驗(yàn)。

(2) 網(wǎng)格教學(xué)資源集成的策略與方法

在網(wǎng)格上實(shí)現(xiàn)虛擬教學(xué)資源的關(guān)鍵是教學(xué)資源的集成。可利用先進(jìn)的網(wǎng)格分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的存儲(chǔ)、管理與控制、集成。通過提供所有教學(xué)資源的統(tǒng)一視圖，而不考慮其數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、物理位置。按需地、透明地提供對(duì)教學(xué)數(shù)據(jù)的訪問，從而使教學(xué)資源的虛擬化在網(wǎng)格中得以實(shí)現(xiàn)。

網(wǎng)格教學(xué)資源集成可采用以下幾種策略：

●構(gòu)建虛擬資源庫

虛擬資源庫是一個(gè)聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫，它只有一個(gè)聯(lián)邦模式，用戶看不到多個(gè)獨(dú)立資源庫的存在。

●資源定制集成

由應(yīng)用程序自己完成教學(xué)資源庫集成，如：查詢、中間數(shù)據(jù)源的構(gòu)建、顯式的數(shù)據(jù)傳輸和變換、存儲(chǔ)集成結(jié)果等。

●資源增量集成

使用者只須完成部分準(zhǔn)備操作，網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)高級(jí)的數(shù)據(jù)存取和集成組件可自動(dòng)完成后期的集成工作，使教學(xué)資源逐步遞增。

網(wǎng)格教學(xué)資源集成可采用的方法有:

●整合

將跨平臺(tái)的異種數(shù)據(jù)整合到中央數(shù)據(jù)庫，包括音頻、視頻、網(wǎng)頁、電子郵件等；其特性是支持大型數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、虛擬專用數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用集群。

●聯(lián)合

將多個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中的數(shù)據(jù)聯(lián)合到單個(gè)虛擬數(shù)據(jù)庫中。其特性是可訪問任何數(shù)據(jù)源且有多種數(shù)據(jù)庫訪問方法。

●共享

在用戶、應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫之間共享信息。可利用數(shù)據(jù)泵移動(dòng)數(shù)據(jù)庫中高速、并行、大量的數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)。

除采用上述資源集成策略與方法外，還需利用網(wǎng)格資源發(fā)現(xiàn)功能，主動(dòng)發(fā)現(xiàn)可用教學(xué)資源，并注冊(cè)、管理這些資源。使網(wǎng)格虛擬教學(xué)環(huán)境通過Web服務(wù)的互連、集成和協(xié)同，來為動(dòng)態(tài)的虛擬教學(xué)組織解決資源共享和協(xié)同問題。

3網(wǎng)格虛擬教學(xué)環(huán)境下的教學(xué)服務(wù)

這里討論網(wǎng)格虛擬教學(xué)環(huán)境下的兩種主要教學(xué)服務(wù)：智能輔助教學(xué)與協(xié)同虛擬實(shí)驗(yàn)。

(1) 智能輔助教學(xué)服務(wù)。

智能輔助教學(xué)服務(wù)用于教學(xué)設(shè)計(jì)和助學(xué)。一方面，可利用積件組合功能，根據(jù)網(wǎng)格代理教師要求搜索教學(xué)積件和相關(guān)素材，使之像搭積木一樣構(gòu)建內(nèi)容豐富、知識(shí)點(diǎn)明確的積件。不僅允許使用積件庫的元積件，也可將組合的積件上傳入庫以便統(tǒng)一管理，還能將網(wǎng)格上的其它可利用教學(xué)資源規(guī)范后引入。將各種學(xué)習(xí)積件組合、集成為一體，從而形成一個(gè)演示學(xué)習(xí)、答疑討論、練習(xí)測(cè)試的綜合學(xué)習(xí)環(huán)境。另一方面，根據(jù)學(xué)習(xí)者提供的學(xué)習(xí)要求，搜索相關(guān)的教學(xué)積件，實(shí)現(xiàn)按需點(diǎn)播，并自動(dòng)對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)給出不同層次的測(cè)試題，通過智能診斷機(jī)制判斷學(xué)習(xí)水平，分析錯(cuò)誤原因，以及給出進(jìn)一步學(xué)習(xí)的建議。

(2) 協(xié)同虛擬實(shí)驗(yàn)服務(wù)：利用網(wǎng)格服務(wù)管理分布在各地的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，提供遠(yuǎn)程訪問設(shè)備的手段。以及提供遠(yuǎn)程設(shè)備使用規(guī)劃、儀器操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取和分析等功能。學(xué)習(xí)者可共同進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，如虛擬電腦組裝、原理模擬等實(shí)驗(yàn)。可由實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分組，根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作過程，提供智能指導(dǎo)，并產(chǎn)生操作評(píng)價(jià)。其實(shí)現(xiàn)可采用一種服務(wù)提供一種實(shí)驗(yàn)；也可將實(shí)驗(yàn)素材裝入實(shí)驗(yàn)資源庫，供協(xié)同虛擬實(shí)驗(yàn)服務(wù)根據(jù)要求選用。

這些教學(xué)服務(wù)可提供遠(yuǎn)程沉浸學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)氛圍，學(xué)習(xí)者不僅可以聽、說、寫與人機(jī)交互，還可以戴上數(shù)據(jù)手套觸摸環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，戴上頭盔感受三維空間的方向和距離。網(wǎng)格虛擬教學(xué)環(huán)境下的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)可做到：學(xué)習(xí)空間、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)與考核的開放。從而拓展教學(xué)與實(shí)驗(yàn)的深度和廣度，有效地營造一個(gè)跟隨技術(shù)發(fā)展的虛擬教學(xué)與實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

(3) 網(wǎng)格虛擬教學(xué)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)

與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境相比，基于網(wǎng)格服務(wù)的虛擬教學(xué)環(huán)境具有以下優(yōu)勢(shì)：

●可完全消除信息化孤島

采用基于網(wǎng)格的積件和素材、試題庫以及實(shí)驗(yàn)資源庫等，更充分實(shí)現(xiàn)資源和信息共享。

●建立協(xié)同教學(xué)工作

教師可協(xié)同設(shè)計(jì)、組合積件，學(xué)生可協(xié)同學(xué)習(xí)和完成實(shí)驗(yàn)，以及實(shí)現(xiàn)師生協(xié)作教學(xué)。

●智能性和可擴(kuò)展性更強(qiáng)

基于網(wǎng)格服務(wù)，可突破傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)帶寬、服務(wù)能力和教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制。其特有的硬件資源共享功能，將能充分利用網(wǎng)格環(huán)境下的空閑硬件資源。

●學(xué)習(xí)場(chǎng)所一體化

作為教學(xué)環(huán)境的一個(gè)自然組成部分，教學(xué)空間可是演講廳、實(shí)驗(yàn)室，也可以是小組討論會(huì)場(chǎng)，又可以是個(gè)人研究場(chǎng)所。從而構(gòu)造一個(gè)靈活而開放的虛擬教學(xué)空間。

總之，網(wǎng)格虛擬教學(xué)環(huán)境利用網(wǎng)格技術(shù)和服務(wù)，定義門戶教學(xué)網(wǎng)站之間的接口標(biāo)準(zhǔn)，將全球不同地方、不同媒體、不同數(shù)據(jù)網(wǎng)格、不同應(yīng)用環(huán)境的教學(xué)資源整合成一個(gè)整體，做到跨庫、跨平臺(tái)的無縫鏈接，可提供一個(gè)集資源共建共享、在線積件開發(fā)與集成、聯(lián)機(jī)備課、實(shí)驗(yàn)與交流等多功能于一體的多層次、多學(xué)科資源的虛擬教學(xué)大環(huán)境。

5結(jié)束語

網(wǎng)格虛擬教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建給網(wǎng)絡(luò)教學(xué)賦予新的含義。它所提供的智能輔助教學(xué)、協(xié)同虛擬實(shí)驗(yàn)等服務(wù)將有利于個(gè)性化學(xué)習(xí)及擴(kuò)展教學(xué)。通過網(wǎng)格教學(xué)資源的虛擬化組織與協(xié)同，可更好地滿足復(fù)雜、多變的教學(xué)應(yīng)用集成的需求。網(wǎng)格虛擬教學(xué)環(huán)境將提供協(xié)作探索式學(xué)習(xí)、綜合能力訓(xùn)練的場(chǎng)所，提供一個(gè)更廣闊的、資源不斷更新的虛擬現(xiàn)實(shí)的教學(xué)環(huán)境。其構(gòu)建對(duì)實(shí)現(xiàn)新型信息化教學(xué)有著十分重要的意義。

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作者簡介：尹為民(1958-)，女，教授，主要從事計(jì)算機(jī)軟件、網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫的教學(xué)和科研工作。聯(lián)系方式：武漢市珞喻路129號(hào)430079

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項(xiàng)目基金：本項(xiàng)目研究受到武漢大學(xué)精品課建設(shè)項(xiàng)目資助。