探討計算機基礎(chǔ)課程遠程教學系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)
摘要：本文討論了基于Web的計算基礎(chǔ)課程遠程教學系統(tǒng)的設(shè)計思想及其實現(xiàn)方法。教師使用該系統(tǒng)可以進行網(wǎng)上授課、布置作業(yè)、批改作業(yè)、出試卷、評卷等；學生使用該系統(tǒng)在瀏覽器中觀看教師授課視頻圖象（廣播或點播）、在網(wǎng)上做作業(yè)、提交作業(yè)、考試、答疑或課堂討論。
1．引言
隨著多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，基于Internet的計算機遠程教學作為一種全新的教學手段，越來越受到人們的關(guān)注。計算機遠程教學是指利用多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下開展的教學活動。它有著傳統(tǒng)教學模式所無可比擬的優(yōu)點，它創(chuàng)造了一種全新的教學模式，打破了傳統(tǒng)教學模式在時間、空間上的限制，采用了先進的教學手段和教學方法，大大提高了教學效率和教學效果，使教學活動上了一個新臺階。
作者所在單位承擔我校除計算機系以外的所有系所的計算機基礎(chǔ)公共課（包括《計算機應(yīng)用基礎(chǔ)》、《C語言》、《Foxpro》等課程）的教學任務(wù)，每學期平均有3000多學生，各教師均負責2~3個班共200~300多人的教學，教學任務(wù)繁重。為了使教師能通過先進的教學手段提高教學效率，增強學生應(yīng)用Internet網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的能力，以此來加強和鞏固對課程內(nèi)容的理解和掌握，我們從1999年開始，開發(fā)了《計算機基礎(chǔ)課程遠程教學》系統(tǒng)（以下簡稱《遠程教學系統(tǒng)》）。在Internet/Intranet環(huán)境下實現(xiàn)作業(yè)、考試、授課、答疑/輔導(dǎo)等功能，使用一年多來，取得了很好的教學效果，以下討論該系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法。
2．《遠程教學系統(tǒng)》的體系結(jié)構(gòu)
《遠程教學系統(tǒng)》是在Internet/Intranet環(huán)境下實現(xiàn)的，是典型的瀏覽器/服務(wù)器模式。服務(wù)器以Windows NT 4/2000 Server為操作系統(tǒng)平臺，Microsoft SQL Server 7.0為RDBMS，客戶端通過瀏覽器訪問系統(tǒng)提供的服務(wù)。系統(tǒng)不允許匿名訪問，它要求用戶提供帳號/密碼，通過驗證后才能進入系統(tǒng)主頁，以此追蹤用戶身份。本系統(tǒng)將用戶分為三類：系統(tǒng)管理員、教師、學生，他們都有各自的主頁，訪問系統(tǒng)的權(quán)限也不相同。其中權(quán)限最高的為管理員，其次為教師，最低為學生。權(quán)限高的能訪問其下級所能訪問的所有資源，反之則不然。例如教師能進入學生主頁，而學生則不能訪問教師主頁所提供的功能（布置作業(yè)、批改作業(yè)等）。本系統(tǒng)可同時為不同課程的多組教師/學生（上一門課的教師及其學生為一組）提供服務(wù)，它們之間既有一定的隔離性（例如某個教師帳號不能批改屬于另一個教師的學生的作業(yè)等），又有資源的共享性（例如公共作業(yè)、試題的共享等），很好地解決了本單位各個教師負責不同班級，課程也有所不同的問題�！哆h程教學系統(tǒng)》體系結(jié)構(gòu)按用戶角色的不同，劃分如下：
圖1 《遠程教學系統(tǒng)》體系結(jié)構(gòu)
2.1 管理員模塊
由于《計算機基礎(chǔ)課程遠程教學》系統(tǒng)可同時為多組教師/學生提供服務(wù)，各組間的課程不盡相同，因此教師/學生組間應(yīng)具有一定的隔離性。例如一門課程的教師對其學生具有管理權(quán)，但不能對屬于其它教師的學生進行管理、某個學生只能訪問其教師的作業(yè)等。因此系統(tǒng)主頁需要教師或?qū)W生均以帳號/密碼登錄后才能訪問，以此追蹤用戶訪問系統(tǒng)資源的身份。而用戶帳號的開設(shè)與刪除、教師與學生的對應(yīng)關(guān)系、課程名稱、學生人數(shù)等信息，由系統(tǒng)管理員負責管理。這里，我們將系統(tǒng)資源訪問帳號作為操作系統(tǒng)帳號開設(shè)，由Windows NT和Web服務(wù)器IIS負責進行用戶驗證。這樣做的好處，一是可以充分利用操作系統(tǒng)的安全機制，使操作系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器（SQL Server）無縫集成；二是可同時為用戶提供其它輔助服務(wù)，如：電子郵件、個人主頁、FTP服務(wù)等。使系統(tǒng)應(yīng)用與課程內(nèi)容緊密結(jié)合，學生在應(yīng)用系統(tǒng)的使用過程中可進一步加深對課程內(nèi)容的理解。
2.2 教師模塊
教師模塊中包含了教師授課所需的各種功能。如：網(wǎng)上實時授課廣播、布置作業(yè)、批改作業(yè)、出試卷、評卷、考試結(jié)果統(tǒng)計分析、網(wǎng)上答疑、課程資料（素材）制作、學生帳號管理（修改學生密碼）、設(shè)置聯(lián)機會議等。系統(tǒng)使用組件對象模型（COM）以及Office Automation技術(shù)自動批改《計算機應(yīng)用基礎(chǔ)》課程作業(yè)并登記成績。教師可對作業(yè)結(jié)果進行查詢、統(tǒng)計。教師可利用OutLook向系統(tǒng)請求聯(lián)機會議，以此進行網(wǎng)上答疑、群體或個別輔導(dǎo)。
2.3 學生模塊
學生模塊包含查看教師布置的作業(yè)、（在網(wǎng)上或本地）做作業(yè)、測驗（考試）、教師授課視頻廣播收看、點播、網(wǎng)上答疑、課程資源瀏覽、輔助服務(wù)等。學生使用瀏覽器訪問系統(tǒng)主頁時，需要提供帳號/密碼進行用戶驗證，通過驗證后，在瀏覽器關(guān)閉之前，均以該帳號身份訪問系統(tǒng)資源。《計算機應(yīng)用基礎(chǔ)》課程的作業(yè)可直接在瀏覽器中完成并提交，對于《C語言》課程作業(yè)，為學生提供Web界面，完成作業(yè)程序的編輯、編譯、鏈接、運行，一氣呵成。遠程考試功能既提供選擇題形式的傳統(tǒng)筆試試題，也提供實際操作形式的試題�？荚囃ㄟ^WWW界面進行，有時間限制。學生在規(guī)定時限之前完成考試內(nèi)容時可通過"交卷"按鈕提交試卷；若考試時限到達時學生仍未交卷，則系統(tǒng)自動將考生當前的考試結(jié)果提交。試卷的批改、考試結(jié)果的統(tǒng)計均由程序自動完成。自我測驗功能則提供測驗試卷，不限時間，由學生自主選擇進行，測驗完畢后系統(tǒng)立即評卷并給出成績及學生測驗時的選項與正確答案的對照表，以便學生查閱。為了更好地提高學生對網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用能力，增強學生對教學內(nèi)容的興趣，本系統(tǒng)為每位使用《計算機公共課遠程教學》系統(tǒng)的學生和教師提供Email、FTP、個人主頁、BBS、聯(lián)機會議（在線聊天Chat、應(yīng)用程序共享、白板）、等功能。讓學生在實際操作中提高對課程內(nèi)容的理解以及對課程學習的興趣。另外，本系統(tǒng)還配備資源庫，內(nèi)置與教學內(nèi)容相關(guān)或與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用相關(guān)的多媒體資料，供學生課外瀏覽、學習。
3 《計算機基礎(chǔ)課程遠程教學》系統(tǒng)的特點
《計算機基礎(chǔ)課程遠程教學》系統(tǒng)功能涵蓋了教學活動的各個方面，用戶界面完全由瀏覽器提供，維護方便。其中采用了多項現(xiàn)時多媒體和網(wǎng)絡(luò)的最新技術(shù)，如下所述：
3.1 組件對象模型（COM）技術(shù)
組件對象模型（Component Object Model，簡稱COM）是一個軟件規(guī)范，它是基于對象的編程模型，只要遵循COM規(guī)范，應(yīng)用程序和組件對象之間就可實現(xiàn)二進制代碼級別上的'重用，解決了對編程語言和環(huán)境的依賴。COM是Microsoft其它許多技術(shù)的核心，它允許用某種語言編寫的位于二進制代碼中的對象，為其它語言所訪問（或稱二進制兼容）。COM技術(shù)已經(jīng)滲透到Microsoft的各個產(chǎn)品中，如：Windows NT/2000、SQL Server、Visual Studio、Office 97/2000、BackOffice等�！队嬎銠C基礎(chǔ)課程遠程教學》系統(tǒng)使用C++或ASP腳本、Perl腳本作為編程語言，其中大量采用了基于COM的技術(shù)，例如：
3.1.1 ADO（ActiveX Data Object）
ADO是數(shù)據(jù)庫訪問組件，應(yīng)用程序通過ADO訪問數(shù)據(jù)庫的原理如下：
圖2 ADO存取數(shù)據(jù)示意圖
上圖中OLEDB是Microsoft 繼ODBC后新的數(shù)據(jù)訪問機制，它不但可以訪問數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，而且還可以訪問其它非數(shù)據(jù)庫類型的數(shù)據(jù)，如Email、目錄服務(wù)（LDAP）等。ADO是位于OLEDB上層的應(yīng)用程序接口，操作較為簡單。
《計算機基礎(chǔ)課程遠程教學》系統(tǒng)中作業(yè)、試卷、考試結(jié)果等信息都是保存在SQL Server數(shù)據(jù)庫中，系統(tǒng)使用ASP腳本通過ADO對象訪問數(shù)據(jù)庫以及電子郵件、進行全文索引，如下圖所示：
圖 3 《計算機基礎(chǔ)課程遠程教學》系統(tǒng)數(shù)據(jù)存取示意圖
3.1.2 Office Automation對象
《計算機基礎(chǔ)課程遠程教學》系統(tǒng)利用Office Automation對象，使教師利用程序自動批改學生提交的《計算機應(yīng)用基礎(chǔ)》課程（Word、Excel）的作業(yè)，以此提高教學效率。
3.1.3 ADSI
ADSI（Active Directory Service Interface）是Window NT/2000活動目錄接口。利用該接口對象實現(xiàn)操作系統(tǒng)帳號的管理（開帳號、刪除帳號、帳號屬性設(shè)置）以及訪問權(quán)限設(shè)置，簡化帳號管理任務(wù)。
3.1.4 Developer Studio對象
Microsoft 的Visual Studio相信是廣大程序員喜愛的開發(fā)工具，但大家都不太注意其中的Developer Studio對象：
Application Debugger
Breakpoint Project
使用他們，可以使程序的開發(fā)達到一定程度的自動化。許多在Visual Studio集成環(huán)境下通過菜單完成的命令或功能，都可以用Developer Studio組件對象的屬性或方法來實現(xiàn)，如程序的語法分析、編譯、鏈接、調(diào)試、表達式求值等。而這些都是教師批改C語言作業(yè)所要進行的操作。我們使用這些對象輔助教師批改C語言作業(yè)，減輕教師負擔。
3.2 視頻流技術(shù)
在Internet/Intranet環(huán)境下，文字、靜態(tài)圖像信息的傳輸是不成問題的。對于視頻/音頻信息的傳送，則由于網(wǎng)絡(luò)帶寬等原因，需要進行特殊處理。而遠程教學系統(tǒng)中的授課功能就要求在Internet/Intranet環(huán)境下傳送大量視頻/音頻數(shù)據(jù)，以便實現(xiàn)教師授課的實時廣播和視頻點播（VOD）。在有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的限制下，視頻/音頻數(shù)據(jù)必須經(jīng)壓縮處理后才在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。以往多采用MPEG I等壓縮技術(shù)，其特點是用戶必須等待壓縮文件完全下載到客戶端后再播放，增加了客戶等待的時間。目前，視頻/音頻數(shù)據(jù)采用經(jīng)特殊算法處理的流技術(shù)，使視頻/音頻數(shù)據(jù)邊下載邊播放。流技術(shù)的典型代表是Microsoft 的Media Technologies（Netshow）和Real Network的Real Video/Audio。《計算機基礎(chǔ)課程遠程教學》系統(tǒng)主要采用了Media Technologies壓縮技術(shù)，使用其Multibit功能在一個流文件中壓縮適合多種網(wǎng)絡(luò)帶寬（從28.8Kbps~3Mbps）的視頻/音頻流（最多6個）。由視頻服務(wù)器根據(jù)客戶訪問時的實際網(wǎng)絡(luò)傳輸能力選擇其中一種帶寬流向客戶傳輸。另外，還根據(jù)Netshow和Real Video/Audio支持多播（Multicast）的特點，在網(wǎng)上對教師授課場景進行直播（廣播）。在授課功能中，單是教師的授課圖像是遠遠不夠的，還必須配有同步的教師授課演示文稿（Powerpoint或HTML網(wǎng)頁），真正將課堂搬到網(wǎng)上。
圖4 同步視頻點播
3.3 網(wǎng)上實時交互
《計算機基礎(chǔ)課程遠程教學》系統(tǒng)中的一個重要的特點就是教師與學生之間、學生與學生之間在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下通過文字、視頻、音頻的實時交互，以此實現(xiàn)課堂討論、教師操作示范演示、學生個別輔導(dǎo)等功能。教師通過瀏覽器或Outlook向系統(tǒng)發(fā)出聯(lián)機會議（Online Conference）請求，在聯(lián)機會議持續(xù)時間內(nèi)，學生可通過瀏覽器加入會議，并使用系統(tǒng)提供的聊天（文本）、白板（圖畫）功能與與會者進行討論；教師可通過應(yīng)用程序共享功能向全體與會者演示某個程序的操作過程，或（通過語音）要求指定學生完成某個操作（個別輔導(dǎo)）�？蛻舳耸褂肗etMeeting，還可以實現(xiàn)一對一的視頻/音頻交互、聊天、白板、文件傳輸?shù)取?/p>
4 結(jié)束語
《計算機基礎(chǔ)課程遠程教學》系統(tǒng)使用一年多來，極大地促進了我單位計算機公共課教學，提高了教學效率和教學手段，達到了較為理想的教學效果。
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