基于泛在學(xué)習(xí)的虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)的設(shè)計研究

宋佳艷

摘 要：泛在學(xué)習(xí)理論作為一種全新的教學(xué)思想，其產(chǎn)生與教育信息化發(fā)展密不可分，尤其是伴隨虛擬仿真技術(shù)的日益成熟，虛擬網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在很大程度上代替了實際網(wǎng)絡(luò)，并廣泛應(yīng)用于科研學(xué)術(shù)領(lǐng)域。在這兩者深入融合的大背景下，基于泛在學(xué)習(xí)的虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)也正式被提出，它的發(fā)展具有十分重要的意義，它能很好地幫助破解當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)中面對的諸多難題，并顯著增強(qiáng)虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗平臺的多樣性、靈活性、泛在性、互動性等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：泛在學(xué)習(xí)；虛擬網(wǎng)絡(luò)；實驗系統(tǒng)

中圖分類號：TP393.0；TP181 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）02-0100-03

Research on the Design of Virtual Network Experiment System Based on Ubiquitous Learning

SONG Jiayan

（Nanjing Institute of Railway Technology，Nanjing 210031，China）

Abstract：As a new kind of teaching idea，the production of ubiquitous learning theory is closely related to the development of education information. Especially with the growing maturity of virtual simulation technology，the virtual network will replace the actual network and will be widely used in the field of scientific research. With the integration of the two. The virtual network experiment system based on ubiquitous learning has been proposed，and its development has a great significance. It can solve many problems existing in current network experiment teaching. It also increases the diversity，flexibility，ubiquitous and interactive features of the virtual network experiment platform.

Keywords：ubiquitous learning；virtual network；experimental system

1 泛在學(xué)習(xí)的概念

所謂泛在學(xué)習(xí)，指的是以學(xué)習(xí)者為主體，以滿足知識構(gòu)建為目標(biāo)，以完成學(xué)習(xí)任務(wù)為重點(diǎn)，基于信息技術(shù)的新興“自然”學(xué)習(xí)方式。這種學(xué)習(xí)方式堅持以實際問題為切入點(diǎn)，并注重構(gòu)建有效的學(xué)習(xí)情境，讓學(xué)習(xí)者融入實際生活，從而增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而幫助學(xué)生獲得全面的知識體系。對于學(xué)習(xí)者來說，在應(yīng)用泛在學(xué)習(xí)的過程中，技術(shù)僅僅承擔(dān)改善學(xué)習(xí)環(huán)境的輔助作用，不會增加額外的學(xué)習(xí)壓力，這能保證學(xué)習(xí)者集中精力進(jìn)行學(xué)習(xí)。

早在上世紀(jì)80年代末期，美國著名學(xué)者M(jìn)ark Weiser就闡述了泛在計算的相關(guān)定義。他指出，泛在計算的核心理念是使用戶和計算技術(shù)相互分離，而將服務(wù)融于周圍環(huán)境之中，用戶只需處于這一特定環(huán)境下，在潛意識上就能與環(huán)境互動，并獲得相應(yīng)的服務(wù)，但用戶自身并不知道服務(wù)的來源。泛在學(xué)習(xí)作為一種新的學(xué)習(xí)方法，它強(qiáng)調(diào)尊重學(xué)生的主體地位，通過計算機(jī)信息技術(shù)與教育地有機(jī)融合，營造出滿足學(xué)習(xí)需要的有利情境。在這種情境中，學(xué)生能夠深刻地理解問題本質(zhì)，并與現(xiàn)實世界相融合，從而形成系統(tǒng)的知識體系構(gòu)建。

2 基于泛在學(xué)習(xí)理念的實驗教學(xué)系統(tǒng)的組成

基于泛在學(xué)習(xí)理念的實驗教學(xué)系統(tǒng)的組成，人們通常認(rèn)可其包括三個方面：一是通訊網(wǎng)絡(luò)，它是整個教學(xué)環(huán)境的基礎(chǔ)，它處于最底層，其主要作用是滿足教學(xué)的數(shù)據(jù)傳輸需求，并提供必要的軟件和硬件支撐，因此也可以說它是各種網(wǎng)絡(luò)課程資料的基礎(chǔ)；二是資源與服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，簡單地說，它以互聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源節(jié)點(diǎn)和服務(wù)節(jié)點(diǎn)的相互聯(lián)通，并形成基于語義關(guān)聯(lián)的課程資源網(wǎng)絡(luò)，承載各種學(xué)習(xí)資源；三是人際網(wǎng)絡(luò)，它是網(wǎng)絡(luò)課程資源的直接服務(wù)對象，也是整個教學(xué)系統(tǒng)的關(guān)注核心，指的是學(xué)習(xí)者所構(gòu)成的關(guān)系組織，圖1直觀地描述了這一基本模型的結(jié)構(gòu)關(guān)系。

與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比較，這一基本模型所涉及的學(xué)習(xí)主體、資源及環(huán)境等方面均發(fā)生了根本性的改變。比如，學(xué)習(xí)者不再受到教室課程和老師的限制，而是能夠根據(jù)自己的需要從教學(xué)系統(tǒng)中搜索自己想要的知識內(nèi)容，這些知識內(nèi)容豐富、分散、靈活，對學(xué)生來說具有極大的便利性。基于這一教學(xué)模式，學(xué)習(xí)者能夠更好地進(jìn)行知識互動與分享，其流動性十分明顯。此外，在學(xué)習(xí)期間，教學(xué)者能夠系統(tǒng)地分析共享知識內(nèi)容，以便采取任務(wù)教學(xué)和模塊分類的方式，科學(xué)地設(shè)計實驗方案、學(xué)習(xí)內(nèi)容和教學(xué)手段等，從而滿足不同學(xué)習(xí)者的需要。

3 基于泛在學(xué)習(xí)的虛擬實驗系統(tǒng)的需求分析

作為一種將現(xiàn)代信息技術(shù)和教學(xué)理念相結(jié)合的新教學(xué)方式，基于泛在學(xué)習(xí)的虛擬實驗系統(tǒng)首先要關(guān)注的對象是用戶，而與傳統(tǒng)教學(xué)相對比，這里的用戶既包括教師，也包括學(xué)生。其中，為了滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，提升學(xué)習(xí)主動性和綜合體驗，系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計時，關(guān)鍵是確保底層的透明性，也就是說用戶不用了解各種模塊的技術(shù)參數(shù)和數(shù)據(jù)處理原理等，也不用參與實驗?zāi)_本的編制，他們只需借助拓?fù)鋱D，就能自動完成腳本的產(chǎn)生和修改，而在執(zhí)行腳本以后，就能直觀地查看數(shù)據(jù)統(tǒng)計情況，方便地完成各項實驗程序。此外，實驗系統(tǒng)還需滿足不同的教學(xué)需要，例如通過開發(fā)資源管理功能實現(xiàn)資源的靈活儲存和使用。另外為滿足多點(diǎn)相互交流，系統(tǒng)還應(yīng)具備在線互動、自主評價等功能。

4 虛擬實驗系統(tǒng)設(shè)計

4.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

在遵從泛在學(xué)習(xí)理念的基礎(chǔ)上，可對照其基本特征進(jìn)行需求分析，從而依據(jù)功能差別劃分不同的模塊。由此可將實驗系統(tǒng)分成以下幾類模塊：

（1）用戶管理模塊，主要進(jìn)行用戶的初始注冊、登陸、資料修改等操作；

（2）實驗管理與交流模塊，該模塊主要滿足教學(xué)者的實驗任務(wù)布置、方法講授和資源管理等功能，同時還能滿足學(xué)生在線交流、互動教學(xué)和評價反饋等需要。

（3）實驗生成模塊，主要用于繪制拓?fù)鋱D，產(chǎn)生和修訂實驗?zāi)_本等。

（4）實驗平臺模塊，對模擬軟件進(jìn)行整合，用于執(zhí)行腳本、處理數(shù)據(jù)，并輸出實驗結(jié)果和分析報告等。

4.2 實驗生成模塊設(shè)計

依據(jù)泛在學(xué)習(xí)理念，其主要優(yōu)勢在于滿足用戶的泛在性需要和自適應(yīng)要求，也就是用戶無論何時何地都可以方便地進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)。不過系統(tǒng)所選取的模擬軟件均對腳本編輯的專業(yè)性要求較高，對于學(xué)習(xí)者來說難以掌握和使用。所以，需要借助繪制拓?fù)鋱D這一方法來滿足實驗構(gòu)建所要求的可視化需求。為了滿足泛在學(xué)習(xí)的交互性需求，相關(guān)拓?fù)鋱D必須作為資源管理對象長期保存，為此系統(tǒng)開發(fā)了拓?fù)鋱D生成程序。另外，為了實現(xiàn)系統(tǒng)的透明性，使用戶無需關(guān)注相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)，還要設(shè)計統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使其置業(yè)務(wù)邏輯層和表示層，從而隱藏腳本與拓?fù)鋱D之間的轉(zhuǎn)化。

在生成拓?fù)鋱D的時候，需要關(guān)注節(jié)點(diǎn)或鏈路這兩個目標(biāo)對象。其中，節(jié)點(diǎn)指的是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、器材和設(shè)備等實物；鏈路代表了節(jié)點(diǎn)間的有關(guān)元素，如介于不同設(shè)備之間的物理連接以及基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)發(fā)送與接受等。由于節(jié)點(diǎn)和鏈路類型較多，為了更好加以區(qū)分，系統(tǒng)在UI層設(shè)計了配套的元素屬性。比如，涉及鏈路的有文字、色彩、相連接點(diǎn)等等，涉及節(jié)點(diǎn)的則有文字、色彩、圖形、大小等。

拓?fù)鋱D的生成，以主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，它采用JavaScript的動態(tài)原型方式定義系統(tǒng)表示層，因而可以確保全部通用函數(shù)均適用于類的所有實例。同時，對各類的實例變量來說，還定義了一個專門的全局變量數(shù)據(jù)，其作用是存放全部實例變量引用，比如代理類實例全部存放于AgentNodeArray。此外，為了記錄各類生成的實例數(shù)量，系統(tǒng)還有一組全局變量id，它的作用是識別已有拓?fù)?，以便為新元素?jié)點(diǎn)編制合理的編號。生成拓?fù)鋱D的最后一個步驟，就是把實例化對象全部轉(zhuǎn)化為JSON字符串。

4.3 實驗平臺模塊設(shè)計

為滿足系統(tǒng)透明性需要，也就是使用戶看不見模擬、分析等程序，這就要求實現(xiàn)執(zhí)行腳本、數(shù)據(jù)處理分析的不可見性。對于用戶來說，執(zhí)行腳本均為異步操作，當(dāng)不同任務(wù)被同時提交時，那么就需要解決任務(wù)排隊問題，系統(tǒng)所采用的方式為生產(chǎn)者—消費(fèi)者模式，即相關(guān)任務(wù)通過請求線程寫進(jìn)任務(wù)隊列，同時會提醒守護(hù)線程完成任務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)操作，在中間件接收到任務(wù)后，會進(jìn)一步分發(fā)到應(yīng)用服務(wù)器。守護(hù)線程在無任務(wù)需處理的時候，會自動轉(zhuǎn)為等待狀態(tài)。

使用者對實驗教學(xué)系統(tǒng)的反饋需要建立在實驗結(jié)果這一基礎(chǔ)上。應(yīng)該說，Dynamips的最大優(yōu)勢是能實現(xiàn)完整模擬，這能滿足不同組網(wǎng)模擬的實驗需要，但是其缺點(diǎn)也很明顯，那就是需要使用者自行配置虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。而NS2和NS3的實驗結(jié)果幾乎覆蓋了協(xié)議模擬的所有細(xì)節(jié)，所以本文在進(jìn)行功能設(shè)計時，主要對NS模塊加以分析。

4.4 實驗管理與交流模塊設(shè)計

4.4.1 消息與文件傳輸設(shè)計

對于實驗管理模塊來說，其中心功能是傳遞資料和信息。當(dāng)用戶與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器相連時，模塊的業(yè)務(wù)邏輯層便會自動實例化一個對應(yīng)的Socket管理類，此時用戶使用賬號和密碼進(jìn)行登陸識別。使用過程中，用戶所發(fā)出的信息需要經(jīng)過Socket容器來匹配接收者，從而完成信息傳遞。

用戶在傳輸文件的時候，不僅可手動完成，也可異步提交。系統(tǒng)的Upload Handler類可用于完成異步提交，所涉及的提交對象有：編輯實驗文本時候自動存儲、文檔中的圖片、與他人交流時候的附件上傳等。依據(jù)AJAX所提交的不同參數(shù)，系統(tǒng)能根據(jù)需要選定文件類型、上傳大小、存儲位置和上傳編碼等要求。

4.4.2 即時通信設(shè)計

交互性是基于泛在學(xué)習(xí)實驗課堂的要求，即學(xué)習(xí)者能夠在使用中自由交流。即時通訊模塊成為Web應(yīng)用的首選。

通常來說，聊天室一般采用兩種方式實現(xiàn)聊天功能。一是輪詢，所謂輪詢，指的是借助AJAX在固定時段向服務(wù)器發(fā)送指令來得到信息，不過輪詢間隔主要取決于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況，如果輪詢頻率較低，則信息可能缺乏時效性，但高頻輪詢則會增加服務(wù)器的運(yùn)行壓力；二是長輪詢，它指的是維持服務(wù)器與瀏覽器之間的長連接，確保瀏覽器能夠發(fā)送指令請求，而服務(wù)器反饋消息，基于這種方式就需要專門的HTTP連接，不過與輪詢相比，當(dāng)信息量過大的時候，長輪詢性能表現(xiàn)不佳。

4.5 中間件設(shè)計

4.5.1 中間件功能設(shè)計

依據(jù)泛在學(xué)習(xí)的可拓展和開放性需要，虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)應(yīng)滿足下面幾點(diǎn)要求：

（1）當(dāng)功能需求增加時，系統(tǒng)模塊也要同步調(diào)整，有關(guān)模擬軟件也必須很好地融合，所以需要設(shè)計出規(guī)范的數(shù)據(jù)傳輸接口；

（2）由于不同的軟件適用不同地系統(tǒng)，比如NS只能運(yùn)行于Linux系統(tǒng)，而Dynamips既有Windows版本，也有Linux版本。對此，應(yīng)該考慮如何把系統(tǒng)和服務(wù)器分開，同時研究適合二者的通訊模式；

（3）當(dāng)系統(tǒng)在泛在環(huán)境下運(yùn)行時，用戶的訪問具有不可預(yù)測性，可能出現(xiàn)大量訪問和多來源訪問等情況。通過實驗可知，采用NS模塊時，當(dāng)普通計算機(jī)對應(yīng)高達(dá)幾十個節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)量時，其模擬時間為十多秒，有時甚至?xí)_(dá)到幾分鐘。如果許多用戶在同一時間集中執(zhí)行任務(wù)，那么服務(wù)器的運(yùn)行壓力會迅速增加，而任務(wù)不能同時處理，只能進(jìn)行排隊，而等待時間有時會很長，因此這是系統(tǒng)必須解決的關(guān)鍵問題。

對此，系統(tǒng)配置了中間件，對發(fā)生于表示層和業(yè)務(wù)邏輯層之間的信息傳輸，統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)能夠?qū)崿F(xiàn)功能模塊很好地拓展，而且借助遠(yuǎn)程技術(shù)實現(xiàn)與服務(wù)器的信息交互，這就可以完成遠(yuǎn)程操作和文件收發(fā)。期間，對于性能瓶頸問題可以采用負(fù)載均衡策略來破解。

4.5.2 數(shù)據(jù)交換接口設(shè)計

對于表示層和業(yè)務(wù)邏輯層來說，為滿足二者之間的數(shù)據(jù)交換，需要通過中間件規(guī)范接口調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)，使系統(tǒng)解禍與前后端相互分離，這有利于系統(tǒng)模塊的繼續(xù)拓展。為此，應(yīng)該設(shè)計統(tǒng)一的接口定義，確保全部模塊的表示層在與業(yè)務(wù)邏輯層之間進(jìn)行信息傳遞時，必須遵循接口標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)還需對系統(tǒng)功能進(jìn)一步拓展時，僅需依據(jù)統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行信息傳遞，同時編寫所需的處理程序，就可以便捷地把新模塊融入系統(tǒng)中。

5 結(jié) 論

基于泛在學(xué)習(xí)的虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)系統(tǒng)是技術(shù)發(fā)展與教育需求相結(jié)合的產(chǎn)物。文章在闡述了相關(guān)理論和概念內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，從整體上進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計，闡述了組成系統(tǒng)的不同模塊，主要有實驗生成模塊、平臺模塊，以及資源管理與交流模塊，并依據(jù)功能需要進(jìn)行了設(shè)計分析，最后文章還對中間件設(shè)計進(jìn)行了深入分析。通過文章研究可見，作為新時期的一種新興教學(xué)模式，該實驗系統(tǒng)能夠滿足當(dāng)前絕大多數(shù)的實驗課程教學(xué)需要，它在對各種軟件進(jìn)行有效整合的基礎(chǔ)上，通過可靠的資源管理和教學(xué)控制，能夠滿足使用者的靈活使用、交流互動和自主選擇等需求，充分展示了其多元性和實用性。另外，該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的拓展功能，能夠依據(jù)未來的課程教學(xué)需要，對其結(jié)構(gòu)和模塊進(jìn)行進(jìn)一步地優(yōu)化和整合，來適應(yīng)新時期地教學(xué)需要，從而促進(jìn)教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量地提升。

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