??? 摘? 要： 提出了基于網(wǎng)格服務的計算機輔助教學(CAI)系統(tǒng)框架，探討了不同種類CAI系統(tǒng)的功能和應用，指出了基于網(wǎng)格服務CAI系統(tǒng)的特點和實現(xiàn)的關鍵技術。系統(tǒng)實現(xiàn)了多網(wǎng)格應用的集成，促進了網(wǎng)格技術在CAI系統(tǒng)領域的應用研究和相關CAI技術與網(wǎng)格技術的結合研究。
??? 關鍵詞： 計算機輔助教學? 應用服務提供? 網(wǎng)格集成? 網(wǎng)格服務? 網(wǎng)格應用
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??? 計算機輔助教學(CAI)通過圖、文、聲、像和動畫等形式將教學內(nèi)容生動地表現(xiàn)出來，以輔助教和學，是對傳統(tǒng)教學方式的重大變革。采用多媒體技術，為教學設置情景，可激發(fā)學生的想象力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造欲望；可拓展時空，發(fā)展學生的創(chuàng)新能力；可營造民主、和諧、寬松的學習氣氛[1]。然而，由于CAI課件的制作難度和工作量大，加上廣大教師對于計算機理論和操作水平的限制，在普及方面仍然存在問題[2]。近年來，隨著網(wǎng)絡技術的日臻成熟，Internet以前所未有的速度延伸，具有較高傳輸速率的Intranet以及校園網(wǎng)的普遍建立，使網(wǎng)絡CAI逐漸成為研究的熱點。網(wǎng)絡CAI實現(xiàn)了多媒體課件的網(wǎng)絡共享和重用，但由于課件的集中存儲和網(wǎng)絡帶寬的限制，十分擁塞，課件的運行效果難以保證。計算機技術成了影響計算機輔助教學發(fā)展的重要因素。當前最引人注目和最熱門的計算機技術就是第三代Internet技術，即網(wǎng)格技術。網(wǎng)格[3]是把整個因特網(wǎng)整合成一臺巨大的超級計算機，實現(xiàn)計算資源、存儲資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源、知識資源和專家資源的全面共享。專家預測網(wǎng)格是未來Internet的發(fā)展方向，在運輸業(yè)、制造業(yè)、資源環(huán)境保護、生物醫(yī)藥、科學計算、勞動與社會保障、電子商務與電子政務、遠程教育等多種領域?qū)l(fā)揮重大的作用。
??? 為了減少計算機輔助教學課件的制作難度和工作量，擴大多媒體課件的網(wǎng)絡共享和重用，本文基于目前的計算機輔助教學系統(tǒng)和網(wǎng)格技術研究現(xiàn)狀，提出了基于網(wǎng)格服務的CAI系統(tǒng)，并探討了不同種類CAI系統(tǒng)的功能和應用，指出基于網(wǎng)格服務CAI系統(tǒng)的特點和實現(xiàn)的關鍵技術。
1? 基于網(wǎng)格服務的CAI系統(tǒng)框架的提出
??? 在2002年的全球網(wǎng)格論壇(GGF)會議上，提出了一個全新的網(wǎng)格標準——開放網(wǎng)格服務體系(OGSA)?；贠GSA，網(wǎng)格的一切對外功能都以網(wǎng)格服務(Grid Service)的形式來提供，并借助一些現(xiàn)有的、與平臺無關的網(wǎng)絡服務(Web Service)技術，如XML、SOAP、WSDL、UDDI、WSFL和WSEL來實現(xiàn)網(wǎng)格服務的描述、查找、訪問和信息傳輸。這樣不同網(wǎng)格中的應用和已有的符合網(wǎng)絡服務標準的各種Web應用都可以方便地集成起來，而不必關心其實現(xiàn)平臺和使用技術的異構性。網(wǎng)格為網(wǎng)絡服務提供了一個與硬件無關的虛擬計算機，而網(wǎng)絡服務是架構在虛擬計算機平臺上的、與平臺/語言無關的應用交互集成平臺。將目前基于Intranet的CAI系統(tǒng)建立在網(wǎng)格平臺上，并將系統(tǒng)各個模塊之間的接口采用OGSA標準來封裝，由用戶根據(jù)需要集成，就形成了基于網(wǎng)格服務的CAI系統(tǒng)，其結構如圖1所示?；诰W(wǎng)格服務的CAI系統(tǒng)共有3層，分別是網(wǎng)格服務提供層(Grid Service Provider，GSP)、應用服務提供層(Application Service Provider，ASP)和用戶層(Users)。
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??? GSP層由已經(jīng)建立的各種網(wǎng)格組成，如中國國家網(wǎng)格、數(shù)字地球網(wǎng)格、數(shù)字圖書館網(wǎng)格或其他信息共享與數(shù)據(jù)計算網(wǎng)格。網(wǎng)格中以網(wǎng)格服務方式提供的某些應用可以被應用服務提供層的某些應用請求訪問。例如，系統(tǒng)中需要的地圖數(shù)據(jù)可能來自數(shù)字地球網(wǎng)格。
??? ASP層由多個應用服務提供者組成。應用服務主要包括功能應用服務、管理服務和專用服務。功能應用服務指將應用系統(tǒng)進行標準化和適應性處理，建立在網(wǎng)格的應用層，并符合OGSA的服務。這種服務的提供者指進行關于CAI系統(tǒng)的應用服務開發(fā)和提供的軟件公司或?qū)W校。每個單位提供不同CAI系統(tǒng)的、不同版本的多個服務，如面向不同版本教材的高等數(shù)學CAI系統(tǒng)。管理服務包括功能應用服務和專用服務的注冊、發(fā)布、評價、計費和監(jiān)控等服務。這種服務的提供者一般是教育主管部門、CAI科研機構或在某一社會領域享有盛譽的CAI系統(tǒng)開發(fā)單位。一個提供者只提供關于某幾類CAI系統(tǒng)服務的管理，如：高中物理CAI系統(tǒng)、高等數(shù)學CAI系統(tǒng)或小學數(shù)學CAI系統(tǒng)。隨著ASP服務的運行和規(guī)模的增大，該層會出現(xiàn)一些更專業(yè)的通用服務，如在線考試系統(tǒng)中的智能組卷算法服務[4]、學習評價算法服務、教學評價算法服務、自然語言生成與理解算法或其他基于網(wǎng)格服務的各種專用功能。這些專用服務可以被多個功能應用服務直接應用，以提高應用服務的開發(fā)效率。
??? 用戶層包含采用這種CAI系統(tǒng)的所有人員，一般是學生和教師。用戶利用管理服務提供的輔助工具進行應用服務的搜索、評價和輔助決策，確定需要的應用服務；然后在輔助工具的引導下運行需要的應用。
2? 基于網(wǎng)格服務的CAI系統(tǒng)類型
??? 對于基于網(wǎng)格服務的CAI系統(tǒng)，按照其功能可以分為智能協(xié)同輔助課件生成系統(tǒng)、智能輔助學習系統(tǒng)、智能考試系統(tǒng)、協(xié)同虛擬實驗系統(tǒng)、自動答疑系統(tǒng)、遠程沉浸學習系統(tǒng)和教學評價系統(tǒng)。
??? (1)智能協(xié)同輔助課件生成系統(tǒng)：向教師提供各種輔助功能進行用于課堂教學的課件設計和生成。系統(tǒng)根據(jù)教師提供的教材版本信息、教學章節(jié)內(nèi)容和教學目標等信息，搜索類似的教學課件、積件和相關課件素材，并計算各自的評價信息，供教師選擇參考。教師可以在已有課件的基礎上，進行修改，生成新的課件；可以自己采用提供的積件和相關課件素材直接設計新的課件；也可以獨立設計課件和課件素材，加入教學資源庫，并直接應用。系統(tǒng)通過對學生資料庫中全體學生出現(xiàn)錯誤分布的統(tǒng)計，進行智能診斷向教師提供教學重點、難點教學方式和方法的建議。系統(tǒng)也會根據(jù)教師提供的教材版本信息、教學章節(jié)內(nèi)容和教學目標等信息，搜索在線備課的教師，形成虛擬教研室。虛擬教研室的教師都在進行同版本教材、相同教學章節(jié)內(nèi)容的備課工作，可以協(xié)同工作，如共同就各種議題發(fā)表見解，或提供認為有爭議和較好的方案或方式供討論等。
??? (2)智能輔助學習系統(tǒng)：面向注冊的學生在課堂外進行自學。系統(tǒng)根據(jù)學生提供的學習內(nèi)容，搜索相關的教學課件并計算各自的評價信息，實現(xiàn)按需點播課件。系統(tǒng)能夠按照學生的需求，按需生成課件，返回給學生。按需點播完全符合人性化的特點，因人而異，因材施教，這種形式的課件更加符合建構主義理論下以學生為中心的建構主義學習理論要求。系統(tǒng)自動對每個知識點給出不同層次的測試問題，通過智能診斷機制判斷學生的學習水平，分析學生產(chǎn)生錯誤的原因，同時向?qū)W生提出更改建議，以及對進一步需學習內(nèi)容的建議。系統(tǒng)提供虛擬社區(qū)[5]，不僅可以文本形式參與討論，還會帶上語音和按照需要傳送視頻圖像，利用計算機虛擬現(xiàn)實技術建立起與真實環(huán)境相近的學習環(huán)境，使學生學習時似乎處于真實討論學習環(huán)境中。
??? (3)智能考試系統(tǒng)：采用基于網(wǎng)格的試題庫，提供符合用戶需要的考試內(nèi)容，支持在線考試、試卷與答案生成二種方式。在在線考試方式中可以實時評估考生的水平，并根據(jù)考生的水平按一定規(guī)則選擇試題考試。它以教育測量中的項目反應理論為基礎，提供試卷智能分析功能，判斷學生的學習水平，分析學生產(chǎn)生錯誤的原因，并提供知識點、學習重點、學習方式和方法的建議。在試卷與答案生成方式中，系統(tǒng)根據(jù)教師提供的測試內(nèi)容、題目數(shù)量和質(zhì)量等要求，按照一定策略和算法進行智能組卷，并生成試卷與答案。
??? (4)協(xié)同虛擬實驗系統(tǒng)：面向注冊學生共同進行虛擬實驗，如液壓傳動虛擬實驗和汽車拆裝虛擬實驗。系統(tǒng)根據(jù)實驗要求提供學生分組功能。組內(nèi)的學生可以互相討論問題，分工協(xié)作，在系統(tǒng)引導下，協(xié)同完成實驗。系統(tǒng)根據(jù)實驗過程的操作，提供智能化建議，并產(chǎn)生操作評價。系統(tǒng)的實現(xiàn)可以采用數(shù)據(jù)與應用一體化的方式，即一個應用服務只提供一種實驗；也可以采用數(shù)據(jù)與應用分離的方式，即實驗的素材做成實驗資源庫，供協(xié)同虛擬實驗系統(tǒng)根據(jù)要求選用。
??? (5)自動答疑系統(tǒng)：采用問題庫面向注冊學生進行自動答疑。問題庫用于存儲課程的所有問題和答案。每當學生提出問題時，系統(tǒng)的答疑指導搜索問題庫，逐步找出與問題相匹配的記錄。若答疑指導不能解決，問題便提交給在線教師，由教師參與回答，并將問題與答案添加到問題庫中。系統(tǒng)自動將問題答案與相關的知識點進行連接，并自動生成相關課件，供學生進一步學習。
??? (6)遠程沉浸學習系統(tǒng)：與智能輔助學習系統(tǒng)不同，使用了更多視頻和圖像技術，采用計算機虛擬現(xiàn)實技術創(chuàng)造的虛擬環(huán)境更為逼真。它將“人/機交互”模式擴展成為“人/機/人協(xié)作”模式。學習者處于遠程沉浸系統(tǒng)當中，不僅可以聽、說、寫與人機交互，還可以戴上數(shù)據(jù)手套觸摸環(huán)境中的事物，戴上頭盔感受三維空間的方向和距離。例如NICE是一種敘事式沉浸的建設者及協(xié)同環(huán)境，是伊利諾州大學芝加哥分校電子可視化實驗室EVL和交互計算環(huán)境實驗室CEL合作推出的。
??? (7)教學評價系統(tǒng)：根據(jù)注冊學生的學習情況分析及對教師的教學方案和教學過程設計評價，根據(jù)一系列指標進行綜合教學評價。系統(tǒng)可以與教學管理信息系統(tǒng)集成來進行輔助教學評價。
3? 基于網(wǎng)格服務的信息系統(tǒng)的特點和關鍵技術
??? 基于網(wǎng)格服務的CAI系統(tǒng)集成了多個網(wǎng)格，采用應用服務提供運行方式。與傳統(tǒng)的CAI系統(tǒng)相比，具有下列優(yōu)點：(1)系統(tǒng)采用了基于網(wǎng)格的課件、積件和課件素材庫、試題庫、問題庫以及實驗資源庫，充分實現(xiàn)了資源和信息共享。(2)教師可以協(xié)同設計教學課件，學生可以協(xié)同學習和完成虛擬實驗，實現(xiàn)了多人協(xié)作，便于提高教與學的質(zhì)量，簡化了課件的設計和生成過程。(3)采用應用服務提供運行方式，使專門提供應用服務的提供商分離出來，使得課件設計分工更細，便于促進系統(tǒng)的發(fā)展，符合社會發(fā)展趨勢。(4)CAI系統(tǒng)的運行基于網(wǎng)格服務，突破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡的網(wǎng)絡帶寬、服務能力和存儲能力的限制，便于采用各種最新信息技術。(5)CAI系統(tǒng)的智能性、穩(wěn)定性和可維護性更強。(6)系統(tǒng)的運行和訪問不受時間、地點和方式的限制，完全消除了信息化孤島。
??? 網(wǎng)格技術在CAI系統(tǒng)領域的應用研究剛剛開始，有很多技術問題需要進一步研究。(1)安全技術。基于網(wǎng)格服務的CAI系統(tǒng)的分布性、開放性和開發(fā)維護的社會化對于安全問題提出了更高要求。CAI系統(tǒng)的授權機制要求與各種加密、認證等安全技術融合，保證系統(tǒng)的安全。CAI系統(tǒng)的安全建立在網(wǎng)格和Internet安全的基礎上，需要各方面安全地協(xié)作。(2)應用服務的開發(fā)技術。處于應用服務提供層的各種應用服務從傳統(tǒng)的CAI系統(tǒng)中獨立出來，需要融合教育理論、虛擬現(xiàn)實、計算機協(xié)同工作技術和人工智能等技術，面向不同應用開展研究。(3)專用服務的開發(fā)技術。為了提高應用服務的開發(fā)效率，各種專用服務需要建立，如智能組卷算法、學習評價算法、教學評價算法、自然語言生成與理解等。(4)基于網(wǎng)格服務的CAI系統(tǒng)的軟件工程技術。應用服務的開發(fā)不同于傳統(tǒng)的軟件開發(fā)，需要軟件工程技術的革新。
??? 本文提出了基于網(wǎng)格服務的CAI系統(tǒng)架構，探討了不同種類CAI系統(tǒng)的功能和應用，指出了基于網(wǎng)格服務CAI系統(tǒng)的特點和實現(xiàn)的關鍵技術。該系統(tǒng)的開發(fā)促進了網(wǎng)格技術在CAI系統(tǒng)領域的應用研究和相關CAI技術與網(wǎng)格技術的結合研究?；诰W(wǎng)格服務的CAI系統(tǒng)實現(xiàn)，必然能夠簡化并優(yōu)化CAI系統(tǒng)的開發(fā)，催生新的行業(yè)和技術，加速我國教育事業(yè)的信息化進程。系統(tǒng)的進一步研究將著重于應用服務的開發(fā)技術，如：智能協(xié)同輔助課件生成系統(tǒng)、智能輔助學習系統(tǒng)和智能考試系統(tǒng)的應用服務等。
參考文獻
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