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计算机基础课程远程教学系统的设计与实现

日期:2005/12/31 点击:
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摘要:本文讨论了基于Web的计算基础课程远程教学系统的设计思想及其实现方法。教师使用该系统可以进行网上授课、布置作业、批改作业、出试卷、评卷等;学生使用该系统在浏览器中观看教师授课视频图象(广播或点播)、在网上做作业、提交作业、考试、答疑或课堂讨论。

1.引言

随着多媒体技术和网络通信技术的发展,基于Internet的计算机远程教学作为一种全新的教学手段,越来越受到人们的关注。计算机远程教学是指利用多媒体技术和网络通信技术,在网络环境下开展的教学活动。它有着传统教学模式所无可比拟的优点,它创造了一种全新的教学模式,打破了传统教学模式在时间、空间上的限制,采用了先进的教学手段和教学方法,大大提高了教学效率和教学效果,使教学活动上了一个新台阶。

作者所在单位承担我校除计算机系以外的所有系所的计算机基础公共课(包括《计算机应用基础》、《C语言》、《Foxpro》等课程)的教学任务,每学期平均有3000多学生,各教师均负责2~3个班共200~300多人的教学,教学任务繁重。为了使教师能通过先进的教学手段提高教学效率,增强学生应用Internet网络服务的能力,以此来加强和巩固对课程内容的理解和掌握,我们从1999年开始,开发了《计算机基础课程远程教学》系统(以下简称《远程教学系统》)。在Internet/Intranet环境下实现作业、考试、授课、答疑/辅导等功能,使用一年多来,取得了很好的教学效果,以下讨论该系统的设计与实现方法。

2.《远程教学系统》的体系结构

《远程教学系统》是在Internet/Intranet环境下实现的,是典型的浏览器/服务器模式。服务器以Windows NT 4/2000 Server为操作系统平台,Microsoft SQL Server 7.0为RDBMS,客户端通过浏览器访问系统提供的服务。系统不允许匿名访问,它要求用户提供帐号/密码,通过验证后才能进入系统主页,以此追踪用户身份。本系统将用户分为三类:系统管理员、教师、学生,他们都有各自的主页,访问系统的权限也不相同。其中权限最高的为管理员,其次为教师,最低为学生。权限高的能访问其下级所能访问的所有资源,反之则不然。例如教师能进入学生主页,而学生则不能访问教师主页所提供的功能(布置作业、批改作业等)。本系统可同时为不同课程的多组教师/学生(上一门课的教师及其学生为一组)提供服务,它们之间既有一定的隔离性(例如某个教师帐号不能批改属于另一个教师的学生的作业等),又有资源的共享性(例如公共作业、试题的共享等),很好地解决了本单位各个教师负责不同班级,课程也有所不同的问题。《远程教学系统》体系结构按用户角色的不同,划分如下:

图1 《远程教学系统》体系结构

2.1 管理员模块

由于《计算机基础课程远程教学》系统可同时为多组教师/学生提供服务,各组间的课程不尽相同,因此教师/学生组间应具有一定的隔离性。例如一门课程的教师对其学生具有管理权,但不能对属于其它教师的学生进行管理、某个学生只能访问其教师的作业等。因此系统主页需要教师或学生均以帐号/密码登录后才能访问,以此追踪用户访问系统资源的身份。而用户帐号的开设与删除、教师与学生的对应关系、课程名称、学生人数等信息,由系统管理员负责管理。这里,我们将系统资源访问帐号作为操作系统帐号开设,由Windows NT和Web服务器IIS负责进行用户验证。这样做的好处,一是可以充分利用操作系统的安全机制,使操作系统与数据库服务器(SQL Server)无缝集成;二是可同时为用户提供其它辅助服务,如:电子邮件、个人主页、FTP服务等。使系统应用与课程内容紧密结合,学生在应用系统的使用过程中可进一步加深对课程内容的理解。

2.2 教师模块

教师模块中包含了教师授课所需的各种功能。如:网上实时授课广播、布置作业、批改作业、出试卷、评卷、考试结果统计分析、网上答疑、课程资料(素材)制作、学生帐号管理(修改学生密码)、设置联机会议等。系统使用组件对象模型(COM)以及Office Automation技术自动批改《计算机应用基础》课程作业并登记成绩。教师可对作业结果进行查询、统计。教师可利用OutLook向系统请求联机会议,以此进行网上答疑、群体或个别辅导。

2.3 学生模块

学生模块包含查看教师布置的作业、(在网上或本地)做作业、测验(考试)、教师授课视频广播收看、点播、网上答疑、课程资源浏览、辅助服务等。学生使用浏览器访问系统主页时,需要提供帐号/密码进行用户验证,通过验证后,在浏览器关闭之前,均以该帐号身份访问系统资源。《计算机应用基础》课程的作业可直接在浏览器中完成并提交,对于《C语言》课程作业,为学生提供Web界面,完成作业程序的编辑、编译、链接、运行,一气呵成。远程考试功能既提供选择题形式的传统笔试试题,也提供实际操作形式的试题。考试通过WWW界面进行,有时间限制。学生在规定时限之前完成考试内容时可通过"交卷"按钮提交试卷;若考试时限到达时学生仍未交卷,则系统自动将考生当前的考试结果提交。试卷的批改、考试结果的统计均由程序自动完成。自我测验功能则提供测验试卷,不限时间,由学生自主选择进行,测验完毕后系统立即评卷并给出成绩及学生测验时的选项与正确答案的对照表,以便学生查阅。为了更好地提高学生对网络的应用能力,增强学生对教学内容的兴趣,本系统为每位使用《计算机公共课远程教学》系统的学生和教师提供Email、FTP、个人主页、BBS、联机会议(在线聊天Chat、应用程序共享、白板)、等功能。让学生在实际操作中提高对课程内容的理解以及对课程学习的兴趣。另外,本系统还配备资源库,内置与教学内容相关或与网络应用相关的多媒体资料,供学生课外浏览、学习。

3 《计算机基础课程远程教学》系统的特点

《计算机基础课程远程教学》系统功能涵盖了教学活动的各个方面,用户界面完全由浏览器提供,维护方便。其中采用了多项现时多媒体和网络的最新技术,如下所述:

3.1 组件对象模型(COM)技术

组件对象模型(Component Object Model,简称COM)是一个软件规范,它是基于对象的编程模型,只要遵循COM规范,应用程序和组件对象之间就可实现二进制代码级别上的重用,解决了对编程语言和环境的依赖。COM是Microsoft其它许多技术的核心,它允许用某种语言编写的位于二进制代码中的对象,为其它语言所访问(或称二进制兼容)。COM技术已经渗透到Microsoft的各个产品中,如:Windows NT/2000、SQL Server、Visual Studio、Office 97/2000、BackOffice等。《计算机基础课程远程教学》系统使用C++或ASP脚本、Perl脚本作为编程语言,其中大量采用了基于COM的技术,例如:

3.1.1 ADO(ActiveX Data Object)

ADO是数据库访问组件,应用程序通过ADO访问数据库的原理如下:


图2 ADO存取数据示意图
上图中OLEDB是Microsoft 继ODBC后新的数据访问机制,它不但可以访问数据库数据,而且还可以访问其它非数据库类型的数据,如Email、目录服务(LDAP)等。ADO是位于OLEDB上层的应用程序接口,操作较为简单。
《计算机基础课程远程教学》系统中作业、试卷、考试结果等信息都是保存在SQL Server数据库中,系统使用ASP脚本通过ADO对象访问数据库以及电子邮件、进行全文索引,如下图所示:

图 3 《计算机基础课程远程教学》系统数据存取示意图

3.1.2 Office Automation对象

《计算机基础课程远程教学》系统利用Office Automation对象,使教师利用程序自动批改学生提交的《计算机应用基础》课程(Word、Excel)的作业,以此提高教学效率。

3.1.3 ADSI

ADSI(Active Directory Service Interface)是Window NT/2000活动目录接口。利用该接口对象实现操作系统帐号的管理(开帐号、删除帐号、帐号属性设置)以及访问权限设置,简化帐号管理任务。

3.1.4 Developer Studio对象

Microsoft 的Visual Studio相信是广大程序员喜爱的开发工具,但大家都不太注意其中的Developer Studio对象:

Application Debugger
Breakpoint Project

使用他们,可以使程序的开发达到一定程度的自动化。许多在Visual Studio集成环境下通过菜单完成的命令或功能,都可以用Developer Studio组件对象的属性或方法来实现,如程序的语法分析、编译、链接、调试、表达式求值等。而这些都是教师批改C语言作业所要进行的操作。我们使用这些对象辅助教师批改C语言作业,减轻教师负担。

3.2 视频流技术

在Internet/Intranet环境下,文字、静态图像信息的传输是不成问题的。对于视频/音频信息的传送,则由于网络带宽等原因,需要进行特殊处理。而远程教学系统中的授课功能就要求在Internet/Intranet环境下传送大量视频/音频数据,以便实现教师授课的实时广播和视频点播(VOD)。在有限的网络带宽资源的限制下,视频/音频数据必须经压缩处理后才在网络中传输。以往多采用MPEG I等压缩技术,其特点是用户必须等待压缩文件完全下载到客户端后再播放,增加了客户等待的时间。目前,视频/音频数据采用经特殊算法处理的流技术,使视频/音频数据边下载边播放。流技术的典型代表是Microsoft 的Media Technologies(Netshow)和Real Network的Real Video/Audio。《计算机基础课程远程教学》系统主要采用了Media Technologies压缩技术,使用其Multibit功能在一个流文件中压缩适合多种网络带宽(从28.8Kbps~3Mbps)的视频/音频流(最多6个)。由视频服务器根据客户访问时的实际网络传输能力选择其中一种带宽流向客户传输。另外,还根据Netshow和Real Video/Audio支持多播(Multicast)的特点,在网上对教师授课场景进行直播(广播)。在授课功能中,单是教师的授课图像是远远不够的,还必须配有同步的教师授课演示文稿(Powerpoint或HTML网页),真正将课堂搬到网上。

图4 同步视频点播

3.3 网上实时交互

《计算机基础课程远程教学》系统中的一个重要的特点就是教师与学生之间、学生与学生之间在网络环境下通过文字、视频、音频的实时交互,以此实现课堂讨论、教师操作示范演示、学生个别辅导等功能。教师通过浏览器或Outlook向系统发出联机会议(Online Conference)请求,在联机会议持续时间内,学生可通过浏览器加入会议,并使用系统提供的聊天(文本)、白板(图画)功能与与会者进行讨论;教师可通过应用程序共享功能向全体与会者演示某个程序的操作过程,或(通过语音)要求指定学生完成某个操作(个别辅导)。客户端使用NetMeeting,还可以实现一对一的视频/音频交互、聊天、白板、文件传输等。

4 结束语

《计算机基础课程远程教学》系统使用一年多来,极大地促进了我单位计算机公共课教学,提高了教学效率和教学手段,达到了较为理想的教学效果。

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