基于CSCL虛擬教室的研究

摘要:利用計(jì)算機(jī)技術(shù)配合和支持的協(xié)作學(xué)習(xí)已成為現(xiàn)代教學(xué)和學(xué)習(xí)的發(fā)展趨勢(shì)之一。該文研究的虛擬教室系統(tǒng)，是基于CSCL技術(shù)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通信技術(shù)等構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境，可以不受時(shí)間和地域的限制，給教師和學(xué)生提供一個(gè)很好的教學(xué)平臺(tái)。本文強(qiáng)調(diào)虛擬教室的層次模型和建造基于該模型的架構(gòu)。此外，音頻和視頻處理等關(guān)鍵技術(shù)的解決，為實(shí)現(xiàn)虛擬教室共同瀏覽、協(xié)同學(xué)習(xí)成為可能。

關(guān)鍵詞:CSCL;虛擬教室;層次模型

中圖分類號(hào):TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2010)21-5974-03

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，提出了計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作(CSCW)想法。所謂協(xié)同工作是指，在一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)同工作組的多個(gè)成員利用計(jì)算機(jī)共同完成一項(xiàng)任務(wù)。這個(gè)想法反映了計(jì)算機(jī)時(shí)代工作組中的人們工作方式的要求，交互式，分布式和協(xié)作式，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)作為傳播媒介的優(yōu)勢(shì)，吸引了越來(lái)越廣泛的關(guān)注[1]。在教學(xué)領(lǐng)域，應(yīng)用協(xié)同工作和學(xué)習(xí)主要是指目前計(jì)算機(jī)支持的協(xié)作學(xué)習(xí)(CSCL)。CSCL顧名思義，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助和支持協(xié)作學(xué)習(xí)。將CSCL引入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教育應(yīng)用之后，打破了由傳統(tǒng)“背靠背”網(wǎng)上教學(xué)模式造成的溝通障礙。在此基礎(chǔ)上，繼承和發(fā)展網(wǎng)上教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)對(duì)教師和學(xué)生或?qū)W生之間的協(xié)作和學(xué)習(xí)，提供各種教學(xué)信息的實(shí)時(shí)交互性，從而使傳統(tǒng)的課堂教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)可以充分整合。

虛擬教室的核心是運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，在一特定區(qū)域產(chǎn)生真實(shí)的音頻，視覺(jué)，觸覺(jué)，達(dá)到一體化的虛擬環(huán)境。通過(guò)必要的輔助設(shè)施，用戶可以在互動(dòng)的虛擬環(huán)境中自然地接受影響，從而產(chǎn)生真正的學(xué)習(xí)情境[2-3]。基于CSCL的虛擬教室不同于一般的采取異步模式的網(wǎng)上教學(xué)，它支持同步實(shí)施，教師和學(xué)生在不同的地方有著不同的交互式教學(xué)運(yùn)作。構(gòu)建虛擬教室的目的是建立一個(gè)互動(dòng)的教學(xué)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，提供網(wǎng)上交流協(xié)作，通過(guò)模擬或執(zhí)行傳統(tǒng)的物理課堂教學(xué)環(huán)境，把教師課堂教學(xué)分散到不同的地點(diǎn)。因此，教師和學(xué)生不僅能夠享受免費(fèi)的教學(xué)和學(xué)習(xí)空間，而且還聽(tīng)到聲音，面對(duì)面，實(shí)時(shí)通信和協(xié)作學(xué)習(xí)。本文就其層次模型和體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并討論相關(guān)虛擬教室系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 虛擬教室的層次模型

根據(jù)功能，虛擬教室由學(xué)生終端，教師終端和服務(wù)器終端組成。但基于具體的配置，它可分為兩個(gè)客戶端和服務(wù)器端。無(wú)論是客戶端還是服務(wù)器端，它都將分解成圖1所示的四層模式，第一層是操作系統(tǒng)層，主要包括支持網(wǎng)絡(luò)功能的操作系統(tǒng)，這是每一個(gè)虛擬教室應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行的平臺(tái);第二層是通信協(xié)議層，主要包括目前通用的TCP / IP協(xié)議和UDP / IP協(xié)議，這是虛擬教室支持的通信協(xié)議;第三層是信息服務(wù)層，它提供虛擬教室系統(tǒng)運(yùn)行所使用的Socket(套接字)和其他方式，來(lái)建立連接客戶端和服務(wù)器，如會(huì)員信息，白板控制消息，音頻和視頻等各種信息服務(wù)以及學(xué)習(xí)狀態(tài)等;第四層是人機(jī)接口層，它提供一個(gè)學(xué)生和教師的人機(jī)界面。 如圖 1所示。

2 虛擬教室系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在規(guī)劃時(shí)，虛擬教室系統(tǒng)采用分布式體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。基于要完成的功能，需要分散各種各樣的服務(wù)器到多臺(tái)主機(jī)或一個(gè)主機(jī)。這些服務(wù)器包括學(xué)習(xí)控制服務(wù)器，學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，教學(xué)材料服務(wù)器和BBS服務(wù)器。每臺(tái)服務(wù)器都有自己的具體位置和功能，以及用于連接互聯(lián)網(wǎng)的信息傳輸服務(wù)器。該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

2.1 學(xué)習(xí)控制服務(wù)器

學(xué)習(xí)控制服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其主要任務(wù)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)學(xué)習(xí)者的要求。當(dāng)學(xué)習(xí)者需要服務(wù)對(duì)象是其他服務(wù)器時(shí)，學(xué)習(xí)控制服務(wù)器必須能連接到需要的服務(wù)器，因此服務(wù)器可以被看作是整個(gè)系統(tǒng)的外部服務(wù)窗口。此外，學(xué)習(xí)控制服務(wù)器記錄和分析了學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程。

2.2 學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器

在學(xué)習(xí)者使用系統(tǒng)之前，系統(tǒng)管理員或教師必須輸入相關(guān)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將在學(xué)習(xí)活動(dòng)中要用到。比如教材布局規(guī)劃、內(nèi)容、鏈接地址和學(xué)生帳號(hào)等。因此學(xué)習(xí)者可以方便地使用。所有這些數(shù)據(jù)將被存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上提供學(xué)習(xí)。

2.3 教材服務(wù)器

在學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)活動(dòng)中，如果他們覺(jué)得學(xué)習(xí)內(nèi)容有限，教材服務(wù)器必須提供教材為其進(jìn)行進(jìn)一步的研究。因此，教材服務(wù)器負(fù)責(zé)收集和編制相關(guān)的材料，而不是讓學(xué)生去尋找信息或者只找到舊的數(shù)據(jù)。除紙質(zhì)靜態(tài)的材料或網(wǎng)絡(luò)鏈接的相關(guān)材料外，教材服務(wù)器也可以提供虛擬的或?qū)嶋H的實(shí)驗(yàn)輔助材料當(dāng)作教材。此外，還可以從網(wǎng)絡(luò)上搜索相關(guān)的數(shù)據(jù)，提供各種信息來(lái)源，這樣，學(xué)習(xí)者就擁有了豐富的數(shù)據(jù)。

2.4 論壇服務(wù)器

在學(xué)習(xí)活動(dòng)中，學(xué)習(xí)者可以做在線實(shí)驗(yàn)，以達(dá)到學(xué)習(xí)的目的。除了閱讀材料，而這些活動(dòng)是屬于個(gè)人的學(xué)習(xí)活動(dòng)。如果學(xué)習(xí)者遇到難以解決的問(wèn)題，同時(shí)教科書沒(méi)有解釋，他們無(wú)法進(jìn)行學(xué)習(xí)。該服務(wù)器提供了一個(gè)論壇供學(xué)習(xí)者討論的地方，討論他們學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，通過(guò)廣泛的學(xué)習(xí)過(guò)程，使學(xué)習(xí)者找到解決辦法同時(shí)可以回答相同的問(wèn)題。如此討論方式，使學(xué)習(xí)者可以更多的考慮相關(guān)聯(lián)的問(wèn)題，學(xué)習(xí)效果也大大增強(qiáng)。

2.5 客戶瀏覽器

由于虛擬教室是基于Internet建設(shè)的，所有的信息是通過(guò)全球信息網(wǎng)絡(luò)上傳輸，因此客戶可以用瀏覽器連接到互聯(lián)網(wǎng)了解信息。此外，由于所有的信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，客戶端不需要做額外的配置，以方便學(xué)習(xí)者使用。

3 虛擬教室實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 音頻和視頻處理技術(shù)

音頻和視頻處理技術(shù)，包含兩個(gè)方面。一個(gè)是音頻和視頻信號(hào)采集技術(shù)，另一種是音頻和視頻信號(hào)傳輸技術(shù)。根據(jù)實(shí)時(shí)的差異，虛擬教室的音頻和視頻信號(hào)源可分為兩種類型。一個(gè)是實(shí)時(shí)收集來(lái)自客戶端的攝像頭或麥克風(fēng)設(shè)備的信號(hào)。另一種是從照相機(jī)或帶有專業(yè)的數(shù)據(jù)采集卡的DVD播放機(jī)來(lái)的信號(hào)。無(wú)論是哪種信號(hào)，當(dāng)它被用來(lái)作為虛擬教室的音頻和視頻信號(hào)源時(shí)，二次開(kāi)發(fā)接口工具比如Windows Media編碼器被用來(lái)完成客戶端的音頻和視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，以及被當(dāng)成視頻源廣播[4]。

在虛擬教室系統(tǒng)，我們可以管理和操作音頻和視頻會(huì)議系統(tǒng)的視頻傳輸。這樣，學(xué)習(xí)控制服務(wù)器負(fù)責(zé)為參加會(huì)議的教師和學(xué)生登錄，保留其IP地址和分配端口。每個(gè)客戶也可以注冊(cè)數(shù)據(jù)源，它可以是視頻文件、實(shí)時(shí)采集的音頻和視頻信息。在實(shí)行過(guò)程中，音頻和視頻傳輸是基于標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議(RTP)，提供終端到終端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸能力。舉例來(lái)說(shuō)，Java多媒體架構(gòu)可以支持多種音頻和視頻格式。因此，在建構(gòu)虛擬教室，基于多媒體框架的Java被用來(lái)實(shí)現(xiàn)音頻和視頻的傳輸。

3.2 課件的制作與應(yīng)用技術(shù)

多媒體課件在現(xiàn)代教學(xué)中扮演一個(gè)很重要角色，對(duì)虛擬教室說(shuō)是不可或缺的。在虛擬教室，多媒體課件制作的關(guān)鍵是要保持音頻、視頻文件和課件同步，使傳統(tǒng)的課堂教學(xué)可以重現(xiàn)。在課件制作過(guò)程中，由Windows媒體格式SDK提供的二次開(kāi)發(fā)接口可以用來(lái)捕獲教師在課件中出現(xiàn)操作的時(shí)間，然后在收集的視頻信號(hào)上做標(biāo)記，以此來(lái)記錄音頻、視頻文件和課件之間相對(duì)應(yīng)的關(guān)系。在課件演示過(guò)程中，Java腳本語(yǔ)言，可用于捕捉和觸發(fā)對(duì)應(yīng)關(guān)系，而這些關(guān)系已經(jīng)在制作過(guò)程中被記錄了。因此，兩種方法可以實(shí)現(xiàn)定位音頻、視頻文件和課件文檔。

3.3 共同瀏覽

共同瀏覽是模擬傳統(tǒng)的教學(xué)方式，即一旦學(xué)生登錄共同瀏覽服務(wù)器，瀏覽網(wǎng)頁(yè)將同步顯示在教師瀏覽器(TB)的頁(yè)面。達(dá)到共同瀏覽關(guān)鍵是學(xué)生瀏覽器(SB)能及時(shí)獲得在教師瀏覽器上當(dāng)前主頁(yè)的URL地址。實(shí)現(xiàn)共同瀏覽的方法，主要是分析在教師瀏覽器上的當(dāng)前頁(yè)面的URL，而這主要是由Java Servlet實(shí)現(xiàn)也稱為代理。根據(jù)教師瀏覽器(TB)的HTTP請(qǐng)求，代理解析URL。此外，代理取代TB發(fā)送HTTP請(qǐng)求到Web服務(wù)器去檢索頁(yè)的信息，然后將信息發(fā)送回TB。然后代理將URL地址發(fā)送到每個(gè)學(xué)生瀏覽器(SB)。在學(xué)生瀏覽器中Java小程序接收URL地址，并自動(dòng)將合適的頁(yè)面顯示在學(xué)生瀏覽器窗口中。

3.4 協(xié)作學(xué)習(xí)

協(xié)作學(xué)習(xí)的完成是靠客戶端和服務(wù)器的連接。在服務(wù)器終端有4個(gè)線程，即網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控線程，消息轉(zhuǎn)發(fā)線程，消息接收線程和消息發(fā)送線程。當(dāng)客戶端學(xué)生進(jìn)入虛擬教室系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控線程將為用戶設(shè)立接收消息和發(fā)送消息兩個(gè)線程，并把這兩個(gè)線程添加到線程列表中。如果消息接收線程已經(jīng)存在，那么結(jié)束相應(yīng)的消息發(fā)送線程，并從列表中刪除，然后從消息接收線程隊(duì)列中刪除消息接收線程。消息轉(zhuǎn)發(fā)線程是從消息接收線程中提取消息。如果需要服務(wù)器處理該消息，那么等服務(wù)器處理完畢，將消息發(fā)送到相應(yīng)的消息發(fā)送線程。消息接收線程接收來(lái)自客戶端的消息，然后發(fā)送給消息發(fā)送線程。消息發(fā)送線程負(fù)責(zé)發(fā)送到客戶端應(yīng)用程序的消息。在客戶端上運(yùn)行的線程，包括消息發(fā)送線程和接收消息的線程。

3.5 討論問(wèn)題技術(shù)

問(wèn)題的討論是虛擬教室的特點(diǎn)之一，主要是為學(xué)生討論他們感興趣的問(wèn)題。在討論過(guò)程中，多個(gè)用戶可以同時(shí)參加討論，同時(shí)虛擬教室系統(tǒng)會(huì)顯示所有在線用戶。當(dāng)一個(gè)新用戶加入討論或老用戶離開(kāi)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將通知客戶端更改信息。用戶可以自由地選擇談話對(duì)象，可以選擇多個(gè)或單個(gè)，默認(rèn)是單個(gè)用戶。談話內(nèi)容可以顯示在自己和選定的用戶的面板上。討論的問(wèn)題可以通過(guò)網(wǎng)址和其相關(guān)類別連接到Internet，然后使用TCP/IP或UDP/IP的協(xié)議與Socket之間建立連接，在兩個(gè)不同的應(yīng)用程序之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

4 結(jié)論

綜上所述，將CSCL技術(shù)引入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教育，打破了傳統(tǒng)教學(xué)模式的障礙。基于網(wǎng)上教學(xué)的優(yōu)勢(shì)的繼承和發(fā)展，傳統(tǒng)課堂教學(xué)的優(yōu)勢(shì)可以與之充分地結(jié)合起來(lái)。因此，基于CSCL的虛擬教室的研究越來(lái)越受到重視。通過(guò)對(duì)虛擬教室的研究，本文提出虛擬教室系統(tǒng)的層次模型，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。有關(guān)關(guān)鍵問(wèn)題如音頻和視頻處理，共同瀏覽，協(xié)作學(xué)習(xí)等問(wèn)題的解決，為虛擬教室系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)打下了良好的基礎(chǔ)。

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