基于AJAX技術(shù)協(xié)作知識建構(gòu)學習平臺的研究與設(shè)計*

張曼琳，顧 容，徐 夢

(浙江工業(yè)大學 教育科學與技術(shù)學院，浙江 杭州 310014)

基于AJAX技術(shù)協(xié)作知識建構(gòu)學習平臺的研究與設(shè)計*

張曼琳，顧 容，徐 夢

(浙江工業(yè)大學 教育科學與技術(shù)學院，浙江 杭州 310014)

協(xié)作知識建構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)學習研究的重要內(nèi)容，為了促進協(xié)作知識建構(gòu)活動的有效發(fā)生并提高學習效率，文章利用AJAX技術(shù)具有的局部刷新和異步通信特點開發(fā)了協(xié)作知識建構(gòu)平臺。該系統(tǒng)關(guān)注對協(xié)作知識建構(gòu)過程的交互環(huán)節(jié)和群組協(xié)作環(huán)節(jié)的設(shè)計，為群組間提供同步異步相結(jié)合的交互模式，為群組內(nèi)提供分組策略、協(xié)同創(chuàng)作工具，以及音視頻群組聊天室。通過實際的教學實驗結(jié)果分析，該平臺能有效促進協(xié)作知識建構(gòu)學習的效率。

協(xié)作知識建構(gòu)；AJAX技術(shù)；異步請求

一、研究背景

Koschmann認為學習是一個協(xié)作知識建構(gòu)的社會過程。目前，協(xié)作知識建構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)學習研究的重要內(nèi)容，它強調(diào)了學習者必須參與到協(xié)作學習伙伴之間的討論和交流中，與學習伙伴分享學習資源、觀念和理解，并在該過程中增強個體對知識的理解或修正已經(jīng)形成的錯誤觀點，從而實現(xiàn)對新知識的建構(gòu)。[1]甘永成認為知識從“淺層建構(gòu)”走向“深層建構(gòu)”應(yīng)采取協(xié)作知識建構(gòu)。協(xié)作知識建構(gòu)對教育的意義主要表現(xiàn)在：

（1）協(xié)作知識建構(gòu)革新教育理念[2]

協(xié)作知識建構(gòu)成為教學的焦點意味著教學思路的轉(zhuǎn)變,即把知識建構(gòu)直接作為教師和學生的關(guān)注焦點,而不是隱藏在各種課業(yè)任務(wù)之后；教學活動直接關(guān)注學習者對知識(思想)生產(chǎn)和持續(xù)改進的過程,而不只是關(guān)注活動的表面形式。

（2）促進學習者與教師角色的變化

在知識建構(gòu)過程中，學習者是知識的主動建構(gòu)者，參與學習者與教師之間的關(guān)系是平等的，都在知識建構(gòu)過程中扮演者主要的角色。

（3）促進知識建構(gòu)共同體的形成

知識建構(gòu)共同體（Knowledge Building Community，簡稱KBC）是一個以思想的形成和持續(xù)改進為關(guān)注點的團體，其成員通過建構(gòu)性的互動過程發(fā)展對于共同體有價值的思想。[3]學習者針對共同關(guān)心的探究領(lǐng)域展開探究活，通過討論、評點、改進、豐富，延伸出新的問題。

知識是個體通過與其他學習者的交流和協(xié)作而建構(gòu)的，并以社會和文化作為中介，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的協(xié)作知識建構(gòu)強調(diào)學習者必須參與到協(xié)作學習伙伴之間的討論、交流中，與協(xié)作學習伙伴分享個體對知識的理解，在討論交流過程中獲得對知識的深入理解。然而經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，很多網(wǎng)絡(luò)學習平臺存在或?qū)f(xié)作過程的交互環(huán)節(jié)設(shè)計不夠，或?qū)θ航M協(xié)作的支持不夠的問題。一個良好的協(xié)作知識建構(gòu)學習平臺首先要對協(xié)作知識建構(gòu)的各個過程給予支持，其次要提供充分的交互和協(xié)作機制。本文在采用AJAX技術(shù)在ASP.NET環(huán)境下開發(fā)了協(xié)作知識建構(gòu)學習平臺，平臺不僅對協(xié)作知識建構(gòu)各個過程給予很好的支持，更注重對交互模塊和群組協(xié)作功能的設(shè)計，同時也為協(xié)作知識建構(gòu)過程學習者動機的的激發(fā)提供策略性支持，比如積分排名模塊和評價模塊的設(shè)計。實驗證明本平臺能夠促進知識“深層”構(gòu)建，有利于促進學習共同體的發(fā)展。

二、AJAX技術(shù)

AJAX 全稱為“Asynchronous JavaScript and XML”（異步JavaScript和XML），是指一種創(chuàng)建交互式Web應(yīng)用的開發(fā)技術(shù)，由Adptive path的咨詢顧問Jesse James Garrett首先提出。AJAX的核心是JavaScript對象XMLHttpRequest。該對象在IE5中首次引入，它是一種支持異步請求的技術(shù)。[4]

簡而言之，XML HttpRequest使用JavaScript向服務(wù)器提出請求并處理響應(yīng)，而不阻塞用戶。[5]AJAX核心要素包括：JavaScript、CSS（Cascading Style sheets）、DOM（Document Object Model）和 XMLHttpRequest。 JavaScript是一種在瀏覽器端使用的編程語言，它可以使用瀏覽器中的很多對象，包括XMLHttpRequest。[6]CSS是一種為Web頁面元素提供可重用樣式定的語言。在AJAX模式中，可通過CSS定義和修改用戶界面的外觀風格DOM是面向HTML和XML文檔的API，它為文檔提供了結(jié)構(gòu)化表示，并定義了如何通過腳本來訪問文檔結(jié)構(gòu)。在應(yīng)用AJAX技術(shù)時，可以通過DOM來解析處理XML文檔和新HTML頁面的內(nèi)容。XMLHttpRequest對象為客戶端程序提供了在后臺與服務(wù)器交換數(shù)據(jù)能力，是異步交互式Web應(yīng)用開發(fā)的關(guān)鍵。

AJAX采用的是“按需取數(shù)據(jù)”的模式，可以僅向服務(wù)器發(fā)送并取回必需的數(shù)據(jù)，所以最大可能地減少了冗余請求和對服務(wù)器造成的負擔；它使用SOAP或其他一些基于XML的Web Service接口，在客戶端采用JavaScript處理來自服務(wù)器的響應(yīng)。這樣，在服務(wù)器和瀏覽器之間交換的數(shù)據(jù)就會大量減少，用戶就能看到響應(yīng)更快的應(yīng)用，用戶可以感覺到幾乎所有的操作都會很快響應(yīng)而沒有頁面重載的等待。研究表明，AJAX的這種數(shù)據(jù)交互模式相比于傳統(tǒng)的整頁刷新模式，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬超過60%。[7]AJAX應(yīng)用模型如圖1所示。

AJAX在用戶與服務(wù)器之間引入一個AJAX中間引擎，Web頁面不用打斷交互流程進行重新加裁，就可以動態(tài)地更新，從而消除了網(wǎng)絡(luò)交互過程中的處理——等待——處理——等待的缺點。AJAX引擎允許用戶與應(yīng)用軟件之間的交互過程異步進行，獨立于用戶與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器間的交流。客戶端用JavaScript調(diào)用AJAX引擎來代替產(chǎn)生一個HTTP的用戶動作，內(nèi)存中的數(shù)據(jù)編輯、頁面導(dǎo)航、數(shù)據(jù)校驗這些不需要重新載入整個頁面的需求可以交給AJAX來執(zhí)行。圖2顯示的是AJAX異步通信機制原理。

AJAX應(yīng)用與傳統(tǒng)的Web應(yīng)用比較起來，主要具有以下優(yōu)點：（1）可以減輕服務(wù)器的負擔，提升站點的性能；（2）程序無需刷新整個頁面，減少網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間，減少用戶實際和心理等待時間；（3）具有更好的用戶體驗等。[8]

三、AJAX技術(shù)在協(xié)作知識建構(gòu)平臺中的應(yīng)用

ASP．NET AJAX技術(shù)在本系統(tǒng)中的應(yīng)用包括如下幾個方面：（1）客戶端用戶驗證。使用ASP．NET AJAX客戶端AuthenticationService對象，實現(xiàn)用戶登錄網(wǎng)站后可以不必執(zhí)行頁面的完整Postback。（2）個性化用戶功能。本系統(tǒng)使用了ASP.NETAJAX用戶個性化功能、在平臺上的一切學習活動（包括上傳文件、參與群組活動、在線時間、參與交流活動等）進程統(tǒng)計，實現(xiàn)個性化功能，這些功能統(tǒng)一由客戶端ProfileService對象提供。（3）局部刷新頁面。本文利用AJAX技術(shù)中的網(wǎng)頁局部刷新功能避免用戶由于經(jīng)常訪問服務(wù)器造成數(shù)據(jù)的重復(fù)傳送，這方法可以減輕服務(wù)器的負擔，加快網(wǎng)頁下載速度，提高系統(tǒng)性能。局部頁面刷新主要使用了ASP.NETAJAX中的Up-datePanel控件和ScriptManager控件。（4）顯示在線用戶。（5）創(chuàng)建群組聊天室，此功能將后面做詳細介紹。

四、協(xié)作知識建構(gòu)學習平臺主要功能模塊設(shè)計

根據(jù)協(xié)作知識建構(gòu)過程理論，平臺功能模塊如圖2所示。系統(tǒng)首先對使用者進行角色區(qū)分，即“學習者”與“教師”角色，設(shè)置了注冊登錄與權(quán)限控制模塊，對使用進行角色的權(quán)限管理。根據(jù)角色設(shè)計了三個主要功能模塊：學習端功能模塊、公共功能模塊及教師管理端功能模塊。根據(jù)謝幼如等人提出協(xié)作知識建構(gòu)“五階段”過程[2]，本文在學習端的功能模塊中，設(shè)計了以下幾個主要功能模塊：教學任務(wù)設(shè)計、群組協(xié)作、作品發(fā)布、資源分享、社區(qū)交流、評價等模塊，并對協(xié)作知識建構(gòu)的各個過程給予支持。在公共功能模塊中，系統(tǒng)定義了三個主要功能：資源的搜索、查看評價結(jié)果、查看用戶排名群組排名，在教師管理端功能模塊中，教師具有用戶教師管理、論壇管理、群組管理，學習任務(wù)設(shè)置、積分管理、作品管理、評價管理等權(quán)限。圖3是平臺的系統(tǒng)功能模塊圖。

（1）教學任務(wù)設(shè)計模塊

該模塊允許教師根據(jù)教學情況布置教學任務(wù)，任務(wù)類型分為個人活動和群組任務(wù)，教師可以設(shè)置教學目標、規(guī)定小組人數(shù)，分配小組任務(wù)。

（2）資源共享模塊

教師通過該模塊將教學資源預(yù)先上傳到服務(wù)器的資源分享區(qū)，學生也可以將資源分享到該區(qū)域，同時也可以隨時下載自己需要的資源。文件的類型包括音頻、視頻、圖片、以及網(wǎng)站等，上傳的文件格式，可以是.zip，.rar，.doc，.txt，.ptf，.xls，.pps格式等。

（3）社區(qū)交互

本模塊是系統(tǒng)的核心模塊，該模塊設(shè)計的目的是促進教師與學生，學生與學生，群組間的互動和溝通，提供同步異步相結(jié)合的交互方式。該模塊交流的平臺是論壇，本文對該部分分別設(shè)計了五個不同板塊，同時將QQ群的設(shè)計思想引入到本平臺，分別對五個板塊配上技術(shù)交流群，方便學習者之間進行即時的交流和互動。

（4）群組協(xié)作模塊

系統(tǒng)的另一個核心模塊是群組協(xié)作模塊，該模塊主要提供三個功能：一是提供分組功能，教師可以根據(jù)學生的認知水平、基礎(chǔ)知識、認知風格對學生進行分組，開展各種模式的協(xié)作學習活動，學習者加入到學習群組后可以參與群組討論，在群組內(nèi)分享經(jīng)驗、資源、信息等；二是提供群組即時通訊工具，本文建立了群組聊天室，為群組內(nèi)部提供音視頻即時通訊工具，方便群組內(nèi)部的交流。三是提供群組協(xié)作工具，Wiki已經(jīng)被公認能夠促進協(xié)作，促進知識建構(gòu)，所以，本系統(tǒng)仍然選擇Wiki作為群組協(xié)同創(chuàng)作的工具。系統(tǒng)跟蹤記錄群組學習行為，管理群組文檔，方便群組內(nèi)的評價和反思。

（5）積分排名模塊

本平臺中積分排名板塊中主要針對用戶的三個方面進行排名，即關(guān)注度、活躍度以及用戶等級，其功能主要用來評價用戶的參與行為，用戶所有操作都可能影響到積分的增減。系統(tǒng)根據(jù)學習者的貢獻程度獎賞不同的積分，另外，平臺還有推薦空間之星、推薦優(yōu)秀作品、文件被設(shè)置為精華、文件被置頂、推薦優(yōu)秀群組等功能，其目的是在社區(qū)中樹立榜樣，以此激發(fā)社區(qū)成員相互學習，發(fā)揚用戶的貢獻精神。

（6）評價模塊設(shè)計

該模塊支持個人評價和小組評價方式，評價模塊的設(shè)計流程：教師首先選擇評價對象（個人或者小組），然后設(shè)置評價內(nèi)容，第三部是選擇評價方式，評價方式分為小組評價和個人評價兩種。最后發(fā)起評價活動，評價活動開始后學習者參與評價。系統(tǒng)自動匯總評價結(jié)果，同時對評價的結(jié)果做出相應(yīng)的排名。

五、核心技術(shù)實現(xiàn)

1.二次授權(quán)控制

本系統(tǒng)的安全控制主要是用戶權(quán)限的控制，不同的用戶擁有的使用權(quán)限是不一樣的。權(quán)限控制從以下兩方面進行，一是頁面授權(quán)的控制，這種方式授權(quán)后就是不同的用戶直接使其擁有不同的頁面權(quán)限；另一種是數(shù)據(jù)集的控制，即二次授權(quán)功能，這也是本系統(tǒng)的一個關(guān)鍵技術(shù)，即在考慮到用戶頁面權(quán)限的情況下，設(shè)計系統(tǒng)也考慮到了即使在同一個頁面，不同的人進入后，查詢到的數(shù)據(jù)結(jié)果等也是不一樣的，這是通過后臺數(shù)據(jù)集的不同分配和篩選來實現(xiàn)的。具體執(zhí)行過程是：（1）前臺通過注冊登錄與權(quán)限控制功能對用戶的角色和用戶信息進行管理，平臺由系統(tǒng)管理員將用戶分為三種角色：匿名用戶、學生、教師；（2）不同的角色擁有不同的權(quán)限，不同身份的人進入系統(tǒng)時，系統(tǒng)先進行第一次頁面授權(quán)的校驗；（3）當用戶登錄進頁面時，系統(tǒng)將根據(jù)授權(quán)的不同先到用戶權(quán)限表里去查詢該用戶是否有權(quán)限訪問相關(guān)數(shù)據(jù)；（4）根據(jù)權(quán)限匹配的結(jié)果，查詢反饋出相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)果集給相應(yīng)的用戶，二次授權(quán)流程如圖4所示。

2.異步分組算法

在本系統(tǒng)中，分組是調(diào)度并分析學生的認知水評和認知風格測量表信息，按照異步分組算法，采用完全自動異質(zhì)分組形式實現(xiàn)協(xié)作組的構(gòu)建。分組的流程為：（1）用戶首先登錄注冊以及風格策略獲取用戶特征信息。（2）根據(jù)任務(wù)的特征如難度、類型、涉及知識點的范圍等，選擇與某項任務(wù)匹配程度最佳的用戶。（3）根據(jù)組容限制判斷每項任務(wù)小組規(guī)模，確定任務(wù)數(shù)量的上限。（4）調(diào)用異步分組算法進行分組。其流程如圖5所示。

異步分組算法實現(xiàn)：首先獲得任務(wù)分組規(guī)模GroupSize和任務(wù)分組的方法 GroupMethod；有GroupMethod計算任務(wù)優(yōu)先級進行第一次任務(wù)分配。滿足條件進入下一步判斷，不滿足條件退出進行人工分組。通過GroupMethod獲得學生總?cè)藬?shù)：n=T able（Student）．Rows．Count，分配相應(yīng)小組人數(shù)m=Round（n/5），本系統(tǒng)規(guī)定小組人數(shù)一般在5～7個范圍之內(nèi)；判斷小組目前已有人數(shù)TaskCount是否小于m，如果滿足條件，TaskCount自動加1，調(diào)用由任務(wù)分組規(guī)模GrupSize和學生信息StudentInf形成分組相關(guān)的數(shù)據(jù)集GroupReIatedSet和由任務(wù)分組的方法Group-Method形成任務(wù)相關(guān)性數(shù)據(jù)庫TaskRelatedSet，進行異步分組，滿足條件加入群組。如果不滿足調(diào)研GroupMethod進行二次分配。

3.無刷新多人視頻聊天室

本模塊采用AJAX+SQL+Flash+P2P技術(shù)來實現(xiàn)點對點無刷新多人視頻聊天室的功能，系統(tǒng)不僅解決了頁面刷新帶來的白屏問題，而且能降低服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)傳輸負荷，采取Dictionary、LinkedList集合實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理。系統(tǒng)采用TCP傳輸協(xié)議實現(xiàn)，速度快、效率高，音視頻的傳輸。其效果如圖6所示。

技術(shù)實現(xiàn)如下：

公共函數(shù)本分通過PublicFunction.js中的alert（）函數(shù)實現(xiàn)消息彈出框；NewWin（）函數(shù)實現(xiàn)新建window；CreateXMLHttpRequest（）函數(shù)實現(xiàn)獲取頁面；Get＿UserList（）函數(shù)用來刷新在線用戶列表；Get＿MsgList（）函數(shù)能準確的獲取信息列表以及判斷Session是否過期過期函數(shù)、刷新并加載等函數(shù)。

在聊天功能實現(xiàn)部分，本文采用P2P技術(shù)實現(xiàn)文本點對點聊天功能，該部分主要包括：在信息欄輸入聊天的內(nèi)容，發(fā)送消息、在聊天記錄上接收到聊天內(nèi)容。聊天的模式可以選擇大廳聊天模式和私聊模式。同時支持文件和圖片上傳發(fā)送功能。

在音頻傳輸功能實現(xiàn)部分，本文通過waveIn系列函數(shù)實現(xiàn)音頻采集，音頻壓縮功能通過設(shè)置緩沖區(qū)來實現(xiàn)，音頻傳輸功能通過TCP傳輸協(xié)議來實現(xiàn)，G.711的語音編碼方法進行編碼。音頻的發(fā)送和接受過程通過兩組SOCKET組用于指令發(fā)送和接受。

在視頻傳輸功能實現(xiàn)部分，視頻采集通過自帶的視頻卡采集來實現(xiàn)，通過H.264標準來實現(xiàn)視頻的壓縮，通過傳輸協(xié)議來實現(xiàn)視頻的傳輸。視頻流的處理過程包括視頻采集、編碼、分包、發(fā)送、接收、組包、解碼和顯示等過程。本文主要通過 Video＿start＿capture（）和 Video＿stop＿capture（）函數(shù)實行視頻的采集，通過 Video＿Encode＿Thread（LPVOID pParam）實現(xiàn)視頻壓縮，通過 Video＿Play （DWORD id,char*buf）實現(xiàn)視頻的播放，用id標識出是用戶傳來的數(shù)據(jù)，buf代表視頻數(shù)據(jù)緩沖。

另外本文采用時間戳方式對音視頻同步的問題進行了處理，實現(xiàn)了音頻和視頻的同步。

六、平臺框架設(shè)計

本系統(tǒng)采用三層技術(shù)架構(gòu)，即表現(xiàn)層（UI）、業(yè)務(wù)邏輯層（BLL）和數(shù)據(jù)層（DAL），其架構(gòu)如圖 7所示，整個系統(tǒng)的設(shè)計完全遵從“高內(nèi)聚，低耦合”的思想。

系統(tǒng)采用ASP.NETMVC技術(shù)作為主要開發(fā)工具，大量采用了AJAX技術(shù)動態(tài)生成用戶頁面，通過CSS提供不同的風格樣式來控制前臺畫面的風格表現(xiàn)，讓用戶獲得良好的用戶體驗。系統(tǒng)使用MVC2作為開發(fā)模型并通過JavaScript實現(xiàn)各種交互邏輯。采用SQLServer 2005存儲用戶的個人和群組信息，實現(xiàn)對學習行為和過程全程跟蹤記錄，數(shù)據(jù)訪問層采用了Provide設(shè)計模式所以可以方便地移植到其他關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。該系統(tǒng)可以直接在任何安裝有IIS6.0的PC機上或服務(wù)器上運行。

七、實驗研究與總結(jié)

為了驗證平臺實際教學效果，對平臺做了為期4周的對比實驗研究，實驗對象是浙江工業(yè)大學教科學院本科某屆A、B兩個班級的學習者，A班級是實驗組，B班級是控制組。本實驗的目的一是驗證本平臺對學習者的參與積極性是否有一定的促進作用；二是驗證本平臺對學習者的協(xié)作能力是否有一定的促進作用。實驗過程中由老師布置教學任務(wù)，讓實驗組采用本平臺進行學習，讓控制組采用傳統(tǒng)式的教學方式進行學習。通過為期4周的實驗教學，統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1）實驗組學生在教學過程中表現(xiàn)出較高的參與熱情，站內(nèi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，發(fā)帖數(shù)每天平均在8條（控制組為1～3條左右），每個話題的回帖基本保持在10條以上（控制組為0～2條左右），每天發(fā)表文章平均數(shù)為7.6篇（控制組平均為2.8篇），其中原創(chuàng)文章數(shù)占70.7%（控制組為40.3%），平均每周學生登錄系統(tǒng)的次數(shù)在8次（控制組為3.4次）；（2）在對問題的解決上，通過一段時間的學習，實驗組學生的問題解決能力和高水平思維技能都要優(yōu)于控制組的學生，實驗組學生對自己的學習活動和知識相對于控制組有更深入的認識和反思。（3）在協(xié)作方面，學生更愿意選擇通過協(xié)作的方式來解決問題，實驗組的協(xié)作能力明顯優(yōu)于控制組。學生的學習興趣更高。實驗結(jié)果對比如圖8所示。

以上實驗結(jié)果表明，本平臺自投入運用以來收到了良好的效果，對學生的元認知水平、交流協(xié)作能力、參與的動機等方面都有很高的促進作用。

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TP311.52

B

1673-8454(2012)05-0044-05

本文受浙江省研究生創(chuàng)新科研項目“基于語義網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)教學模型研究”基金（編號：YK2009036）支持。

(編輯：楊馥紅)