摘   要： 提出了基于網(wǎng)格服務(wù)的計算機(jī)輔助教學(xué)(CAI)系統(tǒng)框架，探討了不同種類CAI系統(tǒng)的功能和應(yīng)用，指出了基于網(wǎng)格服務(wù)CAI系統(tǒng)的特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多網(wǎng)格應(yīng)用的集成，促進(jìn)了網(wǎng)格技術(shù)在CAI系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用研究和相關(guān)CAI技術(shù)與網(wǎng)格技術(shù)的結(jié)合研究。
關(guān)鍵詞： 計算機(jī)輔助教學(xué)  應(yīng)用服務(wù)提供  網(wǎng)格集成  網(wǎng)格服務(wù)  網(wǎng)格應(yīng)用

　　計算機(jī)輔助教學(xué)(CAI)通過圖、文、聲、像和動畫等形式將教學(xué)內(nèi)容生動地表現(xiàn)出來，以輔助教和學(xué)，是對傳統(tǒng)教學(xué)方式的重大變革。采用多媒體技術(shù)，為教學(xué)設(shè)置情景，可激發(fā)學(xué)生的想象力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造欲望；可拓展時空，發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新能力；可營造民主、和諧、寬松的學(xué)習(xí)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(jī)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(luò)技術(shù)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(luò)CAI逐漸成為研究的熱點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)CAI實(shí)現(xiàn)了多媒體課件的網(wǎng)絡(luò)共享和重用，但由于課件的集中存儲和網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，十分擁塞，課件的運(yùn)行效果難以保證。計算機(jī)技術(shù)成了影響計算機(jī)輔助教學(xué)發(fā)展的重要因素。當(dāng)前最引人注目和最熱門的計算機(jī)技術(shù)就是第三代Internet技術(shù)，即網(wǎng)格技術(shù)。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(jī)，實(shí)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(yù)測網(wǎng)格是未來Internet的發(fā)展方向，在運(yùn)輸業(yè)、制造業(yè)、資源環(huán)境保護(hù)、生物醫(yī)藥、科學(xué)計算、勞動與社會保障、電子商務(wù)與電子政務(wù)、遠(yuǎn)程教育等多種領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重大的作用。
　　為了減少計算機(jī)輔助教學(xué)課件的制作難度和工作量，擴(kuò)大多媒體課件的網(wǎng)絡(luò)共享和重用，本文基于目前的計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)和網(wǎng)格技術(shù)研究現(xiàn)狀，提出了基于網(wǎng)格服務(wù)的CAI系統(tǒng)，并探討了不同種類CAI系統(tǒng)的功能和應(yīng)用，指出基于網(wǎng)格服務(wù)CAI系統(tǒng)的特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。
1  基于網(wǎng)格服務(wù)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(biāo)準(zhǔn)——開放網(wǎng)格服務(wù)體系(OGSA)?；贠GSA，網(wǎng)格的一切對外功能都以網(wǎng)格服務(wù)(Grid Service)的形式來提供，并借助一些現(xiàn)有的、與平臺無關(guān)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(Web Service)技術(shù)，如XML、SOAP、WSDL、UDDI、WSFL和WSEL來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格服務(wù)的描述、查找、訪問和信息傳輸。這樣不同網(wǎng)格中的應(yīng)用和已有的符合網(wǎng)絡(luò)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的各種Web應(yīng)用都可以方便地集成起來，而不必關(guān)心其實(shí)現(xiàn)平臺和使用技術(shù)的異構(gòu)性。網(wǎng)格為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供了一個與硬件無關(guān)的虛擬計算機(jī)，而網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是架構(gòu)在虛擬計算機(jī)平臺上的、與平臺/語言無關(guān)的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)來封裝，由用戶根據(jù)需要集成，就形成了基于網(wǎng)格服務(wù)的CAI系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示?；诰W(wǎng)格服務(wù)的CAI系統(tǒng)共有3層，分別是網(wǎng)格服務(wù)提供層(Grid Service Provider，GSP)、應(yīng)用服務(wù)提供層(Application Service Provider，ASP)和用戶層(Users)。

　　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(wù)方式提供的某些應(yīng)用可以被應(yīng)用服務(wù)提供層的某些應(yīng)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(yīng)用服務(wù)提供者組成。應(yīng)用服務(wù)主要包括功能應(yīng)用服務(wù)、管理服務(wù)和專用服務(wù)。功能應(yīng)用服務(wù)指將應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和適應(yīng)性處理，建立在網(wǎng)格的應(yīng)用層，并符合OGSA的服務(wù)。這種服務(wù)的提供者指進(jìn)行關(guān)于CAI系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)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(wù)，如面向不同版本教材的高等數(shù)學(xué)CAI系統(tǒng)。管理服務(wù)包括功能應(yīng)用服務(wù)和專用服務(wù)的注冊、發(fā)布、評價、計費(fèi)和監(jiān)控等服務(wù)。這種服務(wù)的提供者一般是教育主管部門、CAI科研機(jī)構(gòu)或在某一社會領(lǐng)域享有盛譽(yù)的CAI系統(tǒng)開發(fā)單位。一個提供者只提供關(guān)于某幾類CAI系統(tǒng)服務(wù)的管理，如：高中物理CAI系統(tǒng)、高等數(shù)學(xué)CAI系統(tǒng)或小學(xué)數(shù)學(xué)CAI系統(tǒng)。隨著ASP服務(wù)的運(yùn)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(wù)，如在線考試系統(tǒng)中的智能組卷算法服務(wù)[4]、學(xué)習(xí)評價算法服務(wù)、教學(xué)評價算法服務(wù)、自然語言生成與理解算法或其他基于網(wǎng)格服務(wù)的各種專用功能。這些專用服務(wù)可以被多個功能應(yīng)用服務(wù)直接應(yīng)用，以提高應(yīng)用服務(wù)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(xué)生和教師。用戶利用管理服務(wù)提供的輔助工具進(jìn)行應(yīng)用服務(wù)的搜索、評價和輔助決策，確定需要的應(yīng)用服務(wù)；然后在輔助工具的引導(dǎo)下運(yùn)行需要的應(yīng)用。
2  基于網(wǎng)格服務(wù)的CAI系統(tǒng)類型
　　對于基于網(wǎng)格服務(wù)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(xué)習(xí)系統(tǒng)、智能考試系統(tǒng)、協(xié)同虛擬實(shí)驗系統(tǒng)、自動答疑系統(tǒng)、遠(yuǎn)程沉浸學(xué)習(xí)系統(tǒng)和教學(xué)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(jìn)行用于課堂教學(xué)的課件設(shè)計和生成。系統(tǒng)根教師提供的教材版本信息、教學(xué)章節(jié)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)等信息，搜索類似的教學(xué)課件、積件和相關(guān)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(chǔ)上，進(jìn)行修改，生成新的課件；可以自己采用提供的積件和相關(guān)課件素材直接設(shè)計新的課件；也可以獨(dú)立設(shè)計課件和課件素材，加入教學(xué)資源庫，并直接應(yīng)用。系統(tǒng)通過對學(xué)生資料庫中全體學(xué)生出現(xiàn)錯誤分布的統(tǒng)計，進(jìn)行智能診斷向教師提供教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)教學(xué)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(xué)章節(jié)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)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(jìn)行同版本教材、相同教學(xué)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(rèn)為有爭議和較好的方案或方式供討論等。
(2)智能輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)：面向注冊的學(xué)生在課堂外進(jìn)行自學(xué)。系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生提供的學(xué)習(xí)內(nèi)容，搜索相關(guān)的教學(xué)課件并計算各自的評價信息，實(shí)現(xiàn)按需點(diǎn)播課件。系統(tǒng)能夠按照學(xué)生的需求，按需生成課件，返回給學(xué)生。按需點(diǎn)播完全符合人性化的特點(diǎn)，因人而異，因材施教，這種形式的課件更加符合建構(gòu)主義理論下以學(xué)生為中心的建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論要求。系統(tǒng)自動對每個知識點(diǎn)給出不同層次的測試問題，通過智能診斷機(jī)制判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)水平，分析學(xué)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(jìn)一步需學(xué)習(xí)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(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立起與真實(shí)環(huán)境相近的學(xué)習(xí)環(huán)境，使學(xué)生學(xué)習(xí)時似乎處于真實(shí)討論學(xué)習(xí)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(shí)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(yīng)理論為基礎(chǔ)，提供試卷智能分析功能，判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)水平，分析學(xué)生產(chǎn)生錯誤的原因，并提供知識點(diǎn)、學(xué)習(xí)重點(diǎn)、學(xué)習(xí)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(jìn)行智能組卷，并生成試卷與答案。
　　(4)協(xié)同虛擬實(shí)驗系統(tǒng)：面向注冊學(xué)生共同進(jìn)行虛擬實(shí)驗，如液壓傳動虛擬實(shí)驗和汽車拆裝虛擬實(shí)驗。系統(tǒng)根據(jù)實(shí)驗要求提供學(xué)生分組功能。組內(nèi)的學(xué)生可以互相討論問題，分工協(xié)作，在系統(tǒng)引導(dǎo)下，協(xié)同完成實(shí)驗。系統(tǒng)根據(jù)實(shí)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(shí)現(xiàn)可以采用數(shù)據(jù)與應(yīng)用一體化的方式，即一個應(yīng)用服務(wù)只提供一種實(shí)驗；也可以采用數(shù)據(jù)與應(yīng)用分離的方式，即實(shí)驗的素材做成實(shí)驗資源庫，供協(xié)同虛擬實(shí)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(xué)生進(jìn)行自動答疑。問題庫用于存儲課程的所有問題和答案。每當(dāng)學(xué)生提出問題時，系統(tǒng)的答疑指導(dǎo)搜索問題庫，逐步找出與問題相匹配的記錄。若答疑指導(dǎo)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(guān)的知識點(diǎn)進(jìn)行連接，并自動生成相關(guān)課件，供學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)。
　　(6)遠(yuǎn)程沉浸學(xué)習(xí)系統(tǒng)：與智能輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)不同，使用了更多視頻和圖像技術(shù)，采用計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)造的虛擬環(huán)境更為逼真。它將“人/機(jī)交互”模式擴(kuò)展成為“人/機(jī)/人協(xié)作”模式。學(xué)習(xí)者處于遠(yuǎn)程沉浸系統(tǒng)當(dāng)中，不僅可以聽、說、寫與人機(jī)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(shè)者及協(xié)同環(huán)境，是伊利諾州大學(xué)芝加哥分校電子可視化實(shí)驗室EVL和交互計算環(huán)境實(shí)驗室CEL合作推出的。
　　(7)教學(xué)評價系統(tǒng)：根據(jù)注冊學(xué)生的學(xué)習(xí)情況分析及對教師的教學(xué)方案和教學(xué)過程設(shè)計評價，根據(jù)一系列指標(biāo)進(jìn)行綜合教學(xué)評價。系統(tǒng)可以與教學(xué)管理信息系統(tǒng)集成來進(jìn)行輔助教學(xué)評價。
3  基于網(wǎng)格服務(wù)的信息系統(tǒng)的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)
　　基于網(wǎng)格服務(wù)的CAI系統(tǒng)集成了多個網(wǎng)格，采用應(yīng)用服務(wù)提供運(yùn)行方式。與傳統(tǒng)的CAI系統(tǒng)相比，具有下列優(yōu)點(diǎn)：(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(shí)驗資源庫，充分實(shí)現(xiàn)了資源和信息共享。(2)教師可以協(xié)同設(shè)計教學(xué)課件，學(xué)生可以協(xié)同學(xué)習(xí)和完成虛擬實(shí)驗，實(shí)現(xiàn)了多人協(xié)作，便于提高教與學(xué)的質(zhì)量，簡化了課件的設(shè)計和生成過程。(3)采用應(yīng)用服務(wù)提供運(yùn)行方式，使專門提供應(yīng)用服務(wù)的提供商分離出來，使得課件設(shè)計分工更細(xì)，便于促進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展，符合社會發(fā)展趨勢。(4)CAI系統(tǒng)的運(yùn)行基于網(wǎng)格服務(wù)，突破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)帶寬、服務(wù)能力和存儲能力的限制，便于采用各種最新信息技術(shù)。(5)CAI系統(tǒng)的智能性、穩(wěn)定性和可維護(hù)性更強(qiáng)。(6)系統(tǒng)的運(yùn)行和訪問不受時間、地點(diǎn)和方式的限制，完全消除了信息化孤島。
　　網(wǎng)格技術(shù)在CAI系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用研究剛剛開始，有很多技術(shù)問題需要進(jìn)一步研究。(1)安全技術(shù)。基于網(wǎng)格服務(wù)的CAI系統(tǒng)的分布性、開放性和開發(fā)維護(hù)的社會化對于安全問題提出了更高要求。CAI系統(tǒng)的授權(quán)機(jī)制要求與各種加密、認(rèn)證等安全技術(shù)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(chǔ)上，需要各方面安全地協(xié)作。(2)應(yīng)用服務(wù)的開發(fā)技術(shù)。處于應(yīng)用服務(wù)提供層的各種應(yīng)用服務(wù)從傳統(tǒng)的CAI系統(tǒng)中獨(dú)立出來，需要融合教育理論、虛擬現(xiàn)實(shí)、計算機(jī)協(xié)同工作技術(shù)和人工智能等技術(shù)，面向不同應(yīng)用開展研究。(3)專用服務(wù)的開發(fā)技術(shù)。為了提高應(yīng)用服務(wù)的開發(fā)效率，各種專用服務(wù)需要建立，如智能組卷算法、學(xué)習(xí)評價算法、教學(xué)評價算法、自然語言生成與理解等。(4)基于網(wǎng)格服務(wù)的CAI系統(tǒng)的軟件工程技術(shù)。應(yīng)用服務(wù)的開發(fā)不同于傳統(tǒng)的軟件開發(fā)，需要軟件工程技術(shù)的革新。
　　本文提出了基于網(wǎng)格服務(wù)的CAI系統(tǒng)架構(gòu)，探討了不同種類CAI系統(tǒng)的功能和應(yīng)用，指出了基于網(wǎng)格服務(wù)CAI系統(tǒng)的特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。該系統(tǒng)的開發(fā)促進(jìn)了網(wǎng)格技術(shù)在CAI系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用研究和相關(guān)CAI技術(shù)與網(wǎng)格技術(shù)的結(jié)合研究?；诰W(wǎng)格服務(wù)的CAI系統(tǒng)實(shí)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(shù)，加速我國教育事業(yè)的信息化進(jìn)程。系統(tǒng)的進(jìn)一步研究將著重于應(yīng)用服務(wù)的開發(fā)技術(shù)，如：智能協(xié)同輔助課件生成系統(tǒng)、智能輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)和智能考試系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)等。
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