??? 摘? 要： 提出了基于網(wǎng)格服務(wù)的計(jì)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(jì)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

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??? 計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(CAI)通過(guò)圖、文、聲、像和動(dòng)畫等形式將教學(xué)內(nèi)容生動(dòng)地表現(xiàn)出來(lái)，以輔助教和學(xué)，是對(duì)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(shí)空，發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新能力；可營(yíng)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(duì)于計(jì)算機(jī)理論和操作水平的限制，在普及方面仍然存在問(wèn)題^[2]。近年來(lái)，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(chǔ)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(jì)算機(jī)技術(shù)成了影響計(jì)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(jì)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(gè)因特網(wǎng)整合成一臺(tái)巨大的超級(jí)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源、知識(shí)資源和專家資源的全面共享。專家預(yù)測(cè)網(wǎng)格是未來(lái)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(jì)算、勞動(dòng)與社會(huì)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(jì)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(jì)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(huì)議上，提出了一個(gè)全新的網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)——開(kāi)放網(wǎng)格服務(wù)體系(OGSA)。基于OGSA，網(wǎng)格的一切對(duì)外功能都以網(wǎng)格服務(wù)(Grid Service)的形式來(lái)提供，并借助一些現(xiàn)有的、與平臺(tái)無(wú)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(Web Service)技術(shù)，如XML、SOAP、WSDL、UDDI、WSFL和WSEL來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格服務(wù)的描述、查找、訪問(wèn)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(lái)，而不必關(guān)心其實(shí)現(xiàn)平臺(tái)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(gè)與硬件無(wú)關(guān)的虛擬計(jì)算機(jī)，而網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是架構(gòu)在虛擬計(jì)算機(jī)平臺(tái)上的、與平臺(tái)/語(yǔ)言無(wú)關(guān)的應(yīng)用交互集成平臺(tái)。將目前基于Intranet的CAI系統(tǒng)建立在網(wǎng)格平臺(tái)上，并將系統(tǒng)各個(gè)模塊之間的接口采用OGSA標(biāo)準(zhǔn)來(lái)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。基于網(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)。

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??? GSP層由已經(jīng)建立的各種網(wǎng)格組成，如中國(guó)國(guó)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(jì)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(qǐng)求訪問(wèn)。例如，系統(tǒng)中需要的地圖數(shù)據(jù)可能來(lái)自數(shù)字地球網(wǎng)格。
??? ASP層由多個(gè)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(kāi)發(fā)和提供的軟件公司或?qū)W校。每個(gè)單位提供不同CAI系統(tǒng)的、不同版本的多個(gè)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(cè)、發(fā)布、評(píng)價(jià)、計(jì)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(huì)領(lǐng)域享有盛譽(yù)的CAI系統(tǒng)開(kāi)發(fā)單位。一個(gè)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(huì)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(píng)價(jià)算法服務(wù)、教學(xué)評(píng)價(jià)算法服務(wù)、自然語(yǔ)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(gè)功能應(yīng)用服務(wù)直接應(yīng)用，以提高應(yīng)用服務(wù)的開(kāi)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(píng)價(jià)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(duì)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(yàn)系統(tǒng)、自動(dòng)答疑系統(tǒng)、遠(yuǎn)程沉浸學(xué)習(xí)系統(tǒng)和教學(xué)評(píng)價(jià)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(jì)和生成。系統(tǒng)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，搜索類似的教學(xué)課件、積件和相關(guān)課件素材，并計(jì)算各自的評(píng)價(jià)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(jì)新的課件；也可以獨(dú)立設(shè)計(jì)課件和課件素材，加入教學(xué)資源庫(kù)，并直接應(yīng)用。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)學(xué)生資料庫(kù)中全體學(xué)生出現(xiàn)錯(cuò)誤分布的統(tǒng)計(jì)，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(huì)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(jiàn)解，或提供認(rèn)為有爭(zhēng)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(cè)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(jì)算各自的評(píng)價(jià)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(dòng)對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)給出不同層次的測(cè)試問(wèn)題，通過(guò)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(cuò)誤的原因，同時(shí)向?qū)W生提出更改建議，以及對(duì)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(huì)帶上語(yǔ)音和按照需要傳送視頻圖像，利用計(jì)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(shí)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(kù)，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(shí)評(píng)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(cè)量中的項(xiàng)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(cuò)誤的原因，并提供知識(shí)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(cè)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(yàn)系統(tǒng)：面向注冊(cè)學(xué)生共同進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，如液壓傳動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)和汽車拆裝虛擬實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(wèn)題，分工協(xié)作，在系統(tǒng)引導(dǎo)下，協(xié)同完成實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的操作，提供智能化建議，并產(chǎn)生操作評(píng)價(jià)。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(gè)應(yīng)用服務(wù)只提供一種實(shí)驗(yàn)；也可以采用數(shù)據(jù)與應(yīng)用分離的方式，即實(shí)驗(yàn)的素材做成實(shí)驗(yàn)資源庫(kù)，供協(xié)同虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)根據(jù)要求選用。
??? (5)自動(dòng)答疑系統(tǒng)：采用問(wèn)題庫(kù)面向注冊(cè)學(xué)生進(jìn)行自動(dòng)答疑。問(wèn)題庫(kù)用于存儲(chǔ)課程的所有問(wèn)題和答案。每當(dāng)學(xué)生提出問(wèn)題時(shí)，系統(tǒng)的答疑指導(dǎo)搜索問(wèn)題庫(kù)，逐步找出與問(wèn)題相匹配的記錄。若答疑指導(dǎo)不能解決，問(wèn)題便提交給在線教師，由教師參與回答，并將問(wèn)題與答案添加到問(wèn)題庫(kù)中。系統(tǒng)自動(dòng)將問(wèn)題答案與相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行連接，并自動(dòng)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(jì)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(tīng)、說(shuō)、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(yàn)室EVL和交互計(jì)算環(huán)境實(shí)驗(yàn)室CEL合作推出的。
??? (7)教學(xué)評(píng)價(jià)系統(tǒng)：根據(jù)注冊(cè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況分析及對(duì)教師的教學(xué)方案和教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)，根據(jù)一系列指標(biāo)進(jìn)行綜合教學(xué)評(píng)價(jià)。系統(tǒng)可以與教學(xué)管理信息系統(tǒng)集成來(lái)進(jìn)行輔助教學(xué)評(píng)價(jià)。
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(gè)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(kù)、試題庫(kù)、問(wèn)題庫(kù)以及實(shí)驗(yàn)資源庫(kù)，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(jì)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(yàn)，實(shí)現(xiàn)了多人協(xié)作，便于提高教與學(xué)的質(zhì)量，簡(jiǎn)化了課件的設(shè)計(jì)和生成過(guò)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(lái)，使得課件設(shè)計(jì)分工更細(xì)，便于促進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展，符合社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)。(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(chǔ)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(wèn)不受時(shí)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(kāi)始，有很多技術(shù)問(wèn)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(kāi)放性和開(kāi)發(fā)維護(hù)的社會(huì)化對(duì)于安全問(wèn)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(kāi)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(lái)，需要融合教育理論、虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)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(kāi)展研究。(3)專用服務(wù)的開(kāi)發(fā)技術(shù)。為了提高應(yīng)用服務(wù)的開(kāi)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(píng)價(jià)算法、教學(xué)評(píng)價(jià)算法、自然語(yǔ)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(kāi)發(fā)不同于傳統(tǒng)的軟件開(kāi)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(kāi)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。基于網(wǎng)格服務(wù)的CAI系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，必然能夠簡(jiǎn)化并優(yōu)化CAI系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，催生新的行業(yè)和技術(shù)，加速我國(guó)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(kāi)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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