基于ＣＳＣＷ的研究性學(xué)習(xí)互動(dòng)平臺(tái)中電子白板的研究與設(shè)計(jì)

李　靜　鄭采星　劉曉平

摘要：本文設(shè)計(jì)的電子白板模型結(jié)合了B/S和C/S的優(yōu)點(diǎn)，盡量減少兩種模式在使用中的不便，使電子白板在用于研究性學(xué)習(xí)互動(dòng)教學(xué)平臺(tái)中能夠?yàn)閺V域網(wǎng)內(nèi)的用戶提供更為強(qiáng)大的交互功能，有效地解決學(xué)生之間，學(xué)生和老師之間的知識(shí)共享和信息交流等問題，并且盡可能地降低系統(tǒng)維護(hù)的成本和難度。

關(guān)鍵詞：電子白板 CSCW 研究性學(xué)習(xí) B/S C/S

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2009）07-0077-03

一、前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和信息化進(jìn)程的深入，計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作技術(shù)CSCW（Computer Supported Cooperative Work，計(jì)算機(jī)支持協(xié)同工作）已經(jīng)不能滿足傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的個(gè)體特性，發(fā)展成支持群體的協(xié)調(diào)工作，包括了群體工作方式研究和群體工作的相關(guān)技術(shù)研究，應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)等。基于CSCW的應(yīng)用從時(shí)間上可以分為同步和異步兩種方式，從空間上可以分為本地協(xié)同系統(tǒng)和遠(yuǎn)程協(xié)同系統(tǒng)。它為在時(shí)空上分散的人們提供了一個(gè)良好的協(xié)同工作環(huán)境，支持多個(gè)時(shí)間上分離、空間上分散而又在學(xué)習(xí)工作上相互依賴的協(xié)作成員的協(xié)同工作，這樣計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就從傳統(tǒng)的只能提高個(gè)體工作效率變?yōu)樘岣呷后w協(xié)作者工作效率，受到人們?nèi)找鎻V泛的重視。

目前國內(nèi)開展的研究性學(xué)習(xí)還沒有成熟的實(shí)施模式，很多時(shí)候提出的研究性學(xué)習(xí)與研究性學(xué)習(xí)的本質(zhì)并沒有多大關(guān)聯(lián)，有的甚至就是傳統(tǒng)的講授式課堂教學(xué)?，F(xiàn)今課堂教學(xué)的主要形式仍然是班級(jí)授課制。繁重的教學(xué)任務(wù)導(dǎo)致的課時(shí)不足是當(dāng)前開展研究性學(xué)習(xí)時(shí)間上的最大障礙。我國當(dāng)今的班級(jí)規(guī)模過大，學(xué)校環(huán)境較小，社區(qū)資源過于貧乏，這成為開展研究性學(xué)習(xí)空間上的最大障礙。研究性學(xué)習(xí)中本應(yīng)很好地體現(xiàn)雙主教學(xué)和協(xié)作學(xué)習(xí)模式，但是實(shí)際情況是教師往往是下課就離開教室做自己的科研，而課堂上更主要的還是以知識(shí)的傳授為主。課后同學(xué)之間也很少交流自己的學(xué)習(xí)心得。為了更好地促進(jìn)教學(xué)和交流以補(bǔ)充課堂教學(xué)的不足，我們構(gòu)造了下面這個(gè)研究性網(wǎng)絡(luò)教學(xué)互動(dòng)平臺(tái)。它在一定程度上可以解決由于時(shí)空局限或者評(píng)價(jià)落后等導(dǎo)致的教學(xué)效果差的現(xiàn)狀。它包括以下幾個(gè)層面，如圖1所示。

圖1研究生學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)教學(xué)平臺(tái)層次

（1）它是一個(gè)支持研究性學(xué)習(xí)的互動(dòng)教學(xué)平臺(tái)，提供良好的學(xué)習(xí)環(huán)境和交互環(huán)境；

（2）提供開放的學(xué)習(xí)資源；

（3）它是傳統(tǒng)班級(jí)授課教學(xué)教育方式的補(bǔ)充和發(fā)展；

（4）突出的是雙主教學(xué)模式，以學(xué)生探究知識(shí)和解決問題為目的。

二、電子白板

我們知道，通常在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中往往是一個(gè)老師面對(duì)多個(gè)學(xué)生教學(xué)。群體間的交互，特別是這種點(diǎn)到多點(diǎn)的遠(yuǎn)程通信，他們之間要實(shí)現(xiàn)交互和共享，最好的工具就是電子白板。而我們所研究的研究性學(xué)習(xí)互動(dòng)教學(xué)平臺(tái)中的電子白板（whiteboard）正是這樣一種遠(yuǎn)程同步協(xié)同學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

那么，什么是電子白板呢？一般來說，電子白板指的是一個(gè)虛擬公用區(qū)域，在CSCW中參加協(xié)作的各個(gè)成員的計(jì)算機(jī)上都有一個(gè)白板的視圖，白板上的內(nèi)容既可以是手繪的簡單圖形(直線、曲線、矩形等)，也可以是文字、圖像、音頻、視頻，白板數(shù)據(jù)是共享數(shù)據(jù)，當(dāng)一個(gè)用戶修改了其中的數(shù)據(jù)之后，就要把修改立即通知給其他用戶，讓他們及時(shí)更新自己的白板視圖且更新結(jié)果能夠立即反映在其他所有用戶的視圖上，即所謂的“你見即我見”。[1] 電子白板中的用戶有著共同的興趣，能夠有效的交換，發(fā)布和提出問題。

電子白板作為CSCW系統(tǒng)中一個(gè)重要的典型的同步交流工具，也是我們?cè)O(shè)計(jì)的這個(gè)研究性學(xué)習(xí)平臺(tái)的協(xié)同工作系統(tǒng)的重要部分，它通過模擬現(xiàn)實(shí)中黑板工具的計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)用戶信息的共享。網(wǎng)絡(luò)電子白板不同于一般的白板系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)表現(xiàn)在3個(gè)方面：數(shù)據(jù)傳送的實(shí)時(shí)性要求；數(shù)據(jù)的事件驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)源（服務(wù)方）主動(dòng)傳送；用戶間需要協(xié)同教學(xué)。[2] 在這一系統(tǒng)中CSCW協(xié)同系統(tǒng)同步交互能力和多用戶同步感知的能力能夠得到很好的實(shí)現(xiàn)，交互形式多樣，協(xié)作學(xué)習(xí)者思維能夠及時(shí)的調(diào)整，大大豐富了以往師生大部分只能通過課堂和Email進(jìn)行的交流方式，有利于教師更好地指導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)，也符合目前高校教學(xué)的需要。

三、系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

１.總體設(shè)計(jì)

關(guān)于電子白板的設(shè)計(jì)，從工作模式上說，目前流行的軟件構(gòu)架模式有兩種,一種是基于C/S模式的，功能強(qiáng)大，交互性強(qiáng)，但在服務(wù)器端和客戶端均需安裝專用軟件，這極地限制了系統(tǒng)的應(yīng)用。微軟的視頻會(huì)議軟件Netmeeting提供的電子白板功能，就是一個(gè)C/S模式的電子白板。另外一種是基于B/S模式，客戶端只需要瀏覽器的支持，不需要安裝任何軟件，十分方便，但是系統(tǒng)的交互性較差，白板功能相對(duì)較弱，受到網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的限制，絕大多數(shù)B/S模式的白板不支持音頻、視頻信息的傳輸。我們通過表1對(duì)二者進(jìn)行分析比較。

考慮到使用的方便性和對(duì)交互性的一般要求，我們采用了B/S模式和C/S模式綜合來架構(gòu)所需要的白板系統(tǒng)。兩種模式相結(jié)合是構(gòu)建電子白板系統(tǒng)平臺(tái)的最佳選擇。它的優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)據(jù)安全指標(biāo)高，計(jì)算機(jī)資源的利用有效性得到大幅度提高，客戶端能夠簡化的盡量簡化，交互性得到有效改善，簡單實(shí)用，使得局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的用戶能夠同時(shí)使用，系統(tǒng)維護(hù)起來比較輕松，效率也高。

本系統(tǒng)考慮在交互性強(qiáng)、數(shù)據(jù)處理量大且要求處理頻度高的范圍內(nèi)使用C/S模式,而在考慮分布較廣泛的用戶，以及師生、生生多方向的信息流的流向，歷史信息瀏覽等問題上使用B/S模式，以充分發(fā)揮這兩種模式的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案我們還應(yīng)該充分考慮現(xiàn)有條件，充分地利用校園網(wǎng)絡(luò)，通過借鑒其他專家學(xué)者開發(fā)的諸如基于B/S與C/S相結(jié)合的學(xué)生評(píng)教系統(tǒng)、教務(wù)管理信息系統(tǒng)等，考慮到實(shí)際情況將學(xué)生瀏覽器端和教務(wù)處客戶端集成在一起，做成一個(gè)更大范圍的客戶端，與白板數(shù)據(jù)庫和研究性互動(dòng)教學(xué)平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接，我們得出了下面的設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2電子白板系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

２.數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

我們?cè)O(shè)計(jì)的這個(gè)電子白板系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是研究性學(xué)習(xí)互動(dòng)教學(xué)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫中的一個(gè)重要組成部分，將在實(shí)際的教學(xué)中進(jìn)行使用。我們知道數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)要考慮到降低數(shù)據(jù)的冗余，數(shù)據(jù)完整性和一致性的保證等。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的是否恰當(dāng)直接關(guān)系到整個(gè)互動(dòng)教學(xué)平臺(tái)的優(yōu)化與否。這個(gè)電子白板的數(shù)據(jù)庫因?yàn)楹驼麄€(gè)研究性互動(dòng)教學(xué)平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫是有交叉的。我們將白板數(shù)據(jù)庫和平臺(tái)數(shù)據(jù)庫放在一起，配置在同一臺(tái)服務(wù)器上，只需要建立不同的表就可以了。

由于我們?cè)O(shè)計(jì)的這個(gè)研究性學(xué)習(xí)互動(dòng)教學(xué)平臺(tái)要考慮到諸如《大學(xué)物理》等理工科的教學(xué)需要，我們的數(shù)據(jù)庫中應(yīng)實(shí)現(xiàn)公式輸入功能。所有的數(shù)據(jù)庫要共享同樣的用戶信息和公式編輯器，調(diào)用同樣的基于知識(shí)樹的智能答疑系統(tǒng)來輔導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)，在后期的工作中還有智能化的專家導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)嵌入進(jìn)來，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行新知識(shí)的學(xué)習(xí)和舊知識(shí)的回顧。使數(shù)據(jù)庫規(guī)范化的方法是把表拆分成相關(guān)列最少的表，這樣查詢時(shí)就需要用復(fù)雜的聯(lián)結(jié)，占用較多的CPU資源和I/O操作，才能查到客戶端所需的數(shù)據(jù)，這會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜度的增加和性能的下降。[3] 因此我們?cè)陉P(guān)注數(shù)據(jù)庫范式要求的時(shí)候不能不考慮網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況。

四、系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

１.服務(wù)器模塊

電子白板服務(wù)器端是采用JAVA開發(fā)的應(yīng)用程序，在服務(wù)器上運(yùn)行。它負(fù)責(zé)捕獲各種媒體信息，收集整理后向客戶端發(fā)送。服務(wù)器模塊帶有一個(gè)數(shù)據(jù)庫管理程序，來管理用戶的注冊(cè)，在系統(tǒng)中的提問及討論次數(shù)等（用于對(duì)學(xué)生進(jìn)行過程性評(píng)價(jià)），公式編輯器，教師及學(xué)生上傳的對(duì)應(yīng)各自權(quán)限的課題資料，階段報(bào)告和結(jié)題報(bào)告等。服務(wù)器在啟動(dòng)后就開始監(jiān)聽指定的端口，看是否有到該端口的連接，如果有連接則對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，并同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)線程繼續(xù)監(jiān)聽端口，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行解析，檢查其是否為建立連接請(qǐng)求，如果是，則返回一個(gè)到用戶的連接，得到該用戶連接的處理線程，并且將其加入到用戶連接線程列表中去，每個(gè)用戶建立連接后在服務(wù)器上都有一個(gè)單獨(dú)的線程來處理與它的通信，一旦接收到了數(shù)據(jù)，就檢索用戶線程列表，查找到目的用戶連接，然后將數(shù)據(jù)包用該連接轉(zhuǎn)發(fā)。[4]

２.客戶端模塊

客戶端在設(shè)計(jì)的時(shí)候，可以把瀏覽器集成在一起，做成一個(gè)EXE文件。也就是說，客戶端是一個(gè)EXE文件，包含有一個(gè)瀏覽器在里面。因?yàn)闉g覽器不能訪問本地文件，所以當(dāng)需要訪問本地文件的時(shí)候，就發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求給EXE文件，EXE文件訪問本地文件，最后把訪問的結(jié)果返回給瀏覽器。EXE和IIS 服務(wù)器偵聽某個(gè)端口，則瀏覽器請(qǐng)求對(duì)應(yīng)端口就可以建立通信。

在這里，EXE其實(shí)也是一個(gè)S，瀏覽器是一個(gè)B，它們之間形成了本機(jī)的B/S結(jié)構(gòu)。瀏覽器又可以去訪問廣域網(wǎng)的S，它們之間形成了一個(gè)廣域網(wǎng)的B/S結(jié)構(gòu)。EXE也可以訪問廣域網(wǎng)的S，它們之間形成了一個(gè)廣域網(wǎng)的C/S結(jié)構(gòu)。幾個(gè)同學(xué)之間也可以進(jìn)行通話，而無需經(jīng)過服務(wù)器，此時(shí)EXE之間互為C/S結(jié)構(gòu)。

３.通信模塊

客戶端和服務(wù)器之間的連接是建立在TCP握手協(xié)議的基礎(chǔ)上。在TCP/IP協(xié)議中，TCP協(xié)議提供可靠的連接服務(wù)，它是面向?qū)ο蟮?，采用了三次握手建立一個(gè)連接。TCP協(xié)議的三次握手（Ｔｈｒｅｅ－ＷａｙＨａｎｄｓｈａｋｅ）過程如下。第一次握手：建立連接時(shí)，客戶端發(fā)送syn包（ｓｙｎ＝ｊ）到服務(wù)器，并進(jìn)入SYN_SEND狀態(tài)，等待服務(wù)器確認(rèn)；第二次握手：服務(wù)器收到syn包，必須確認(rèn)客戶的SYN（ack=j+1），同時(shí)自己也發(fā)送一個(gè)SＹＮ包（ｓｙｎ＝ｋ），即ＳＹＮ＋ＡＣＫ包，此時(shí)服務(wù)器進(jìn)入ＳＹＮ＿ＲＥＣＶ狀態(tài)；第三次握手：客戶端收到服務(wù)器的ＳＹＮ＋ＡＣＫ包，向服務(wù)器發(fā)送確認(rèn)包ACK(ack=k+1)，此包發(fā)送完畢，客戶端和服務(wù)器進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，完成三次握手。[5]

完成三次握手，客戶端與服務(wù)器開始工作，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。接下來服務(wù)器開始監(jiān)聽客戶端發(fā)過來的請(qǐng)求連接，如果這個(gè)時(shí)候有用戶A請(qǐng)求連接，則同意A的連接請(qǐng)求，并且在白板服務(wù)器上相應(yīng)的建立A端與服務(wù)器的連接，然后把剛才請(qǐng)求的A的用戶信息加入到它所請(qǐng)求的聊天室B，然后向A發(fā)送B聊天室的相關(guān)信息，比如該聊天室的成員信息，這個(gè)時(shí)候用戶就可以看到其他用戶的討論情況，最后一步則是啟動(dòng)異步監(jiān)聽來響應(yīng)A用戶的相關(guān)請(qǐng)求。這就是客戶端和服務(wù)器的通信連接的過程。

五、結(jié)束語

研究性學(xué)習(xí)是近年來發(fā)展迅速的一種學(xué)習(xí)模式。隨著信息技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)研究性學(xué)習(xí)給予了越來越多的關(guān)注。研究性學(xué)習(xí)的互動(dòng)也成為了推廣研究性學(xué)習(xí)模式必須要大力關(guān)注的一個(gè)問題。電子白板是研究性學(xué)習(xí)平臺(tái)開展互動(dòng)教學(xué)，完成協(xié)同學(xué)習(xí)的主要工具，也是CSCW的常用工具。本文提供了一種電子白板模型，這個(gè)模型結(jié)合了B/S和C/S的優(yōu)點(diǎn)，便于數(shù)據(jù)的一致性管理，提高平臺(tái)的交互性，而且能夠在較大范圍內(nèi)應(yīng)用，為研究性學(xué)習(xí)互動(dòng)教學(xué)提供了一個(gè)良好的環(huán)境。但是這個(gè)模型還存在很多缺點(diǎn)，比如因?yàn)榉?wù)器軟件的架設(shè)問題和成本問題，我們沒有考慮視頻音頻的傳輸；客戶端將教務(wù)處客戶端和學(xué)生瀏覽器端做成一個(gè)EXE文件需要考慮的對(duì)瀏覽器的兼容；編程方面，要考慮本機(jī)的編程，服務(wù)器端和客戶端的編程，這也是一個(gè)比較龐大的工作。這些都是我們將進(jìn)一步研究和解決的問題。

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