基于WWW的協同式CAI軟件的Java實現
摘要本文介紹一個用J++實現的基于Web環境的協同式計算機輔助教學軟件的結構，并給出了具體實現中的一些關鍵技術。
關鍵詞J++，Web，遠程教學，Socket通信
1引言
隨著Internet網絡技術的發展，遠程多媒體教學成為當前的研究熱點。基于Internet的WWW應用模式作為一種方便、迅速的共享信息手段，深受用戶歡迎。用戶通過訪問超文本頁面瀏覽多媒體教學內容，通過點擊超鏈去進行自由的探索式學習。但僅基于超文本頁面的教學存在很多缺點，如：學生容易在超鏈中迷失方向；教師不能對學生的學習行為進行控制，教學過程缺乏有序性；教師與學生之間不能進行交流，教師對學生的學習效果缺乏檢查手段等。本文介紹的計算機輔助教學軟件克服了以上缺點，整個軟件采用J++編寫實現，由服務器部分、學生部分、教師教學部分、課件維護部分共四部分組成，該軟件實際上為一個教學框架系統，所有教學材料由教師安排，教師和學生通過訪問各自的URL地址進入角色。學生在教師的現場控制進行學習、討論、練習和測試。
2系統的功能
2.1超文本頁面學習
教師對學生的學習頁面進行統一向導。教師選擇學習頁面，將此頁面的URL地址傳送給學生，引導學生到該Web頁面進行學習，如此增加了學習的針對性，滿足有組織、有控制的教學需要。
2.2實時討論
實時討論是協同式教學軟件的一個基本特征。在討論期間，教師可提問學生，安排作業等，學生則可將自己的學習體會及疑問告訴教師。學生之間可以就學習中的問題進行實時交談。系統提供了兩種工具以支持網上實時討論：一種是純文字交談，如果發言者未選擇用戶，則為公開發言，否則為私下發言，只送往選定用戶，在各用戶的討論面板上有一個文本域顯示每條發言的發言者及發言內容。另一種是共享白板，教師和學生都可往白板上寫內容，白板內容所有用戶保持一致，共享白板可支持線、圓、矩形、文字等基本繪圖操作，并可選擇線條顏色。
2.3交互式做練習
教師發出練習的指示消息，則學生將自動進入練習界面，系統自動從試題庫中調與學習問題有關的試題供學生操練，在操練時，系統將學生的解答與標準答案對比看是否答對，并彈出對話框給學生反饋鼓勵信息。交互式練習有助于學生加深對教學內容的理解。
2.4網上測試
測試是教學過程中不可缺少的教學環節，通過測試，教師可對學生的學習進行考核，并借此了解學生的學習效果，為改進教學提供依據。學生則通過測試可了解自己對內容的掌握情況，增加學習興趣。目前，每次測試試卷是由教師從試題庫選題組卷并安排分數。測試有時間限制。
3系統的總體設計
從系統要完成的功能看，有兩類工作方式：一類是客戶/服務器方式（如學生做題），客戶方發出訪問申請，服務方給出響應�？蛻羰莿幼鞯陌l起者，何時發出申請由客戶方決定，客戶方發出申請后立即可從Socket通道去取服務方的結果。服務器方必須始終處于監聽等待狀態。
圖1系統的整體設計結構
另一類是網上的協作應用（如實時討論等），在這種方式中，任何一方都可能成為消息的發送方，而另一方則成為消息的接收方。發送方的動作由用戶界面的各類事件驅動引發，其時間性是偶然的，接收方必須時刻處于接收監聽狀態。由于通信雙方處于對等的位置，因此雙方都要處于接收等待狀態。
由于Java的安全性限制，兩客戶瀏覽器間不能直接建立Socket連接，要實現兩瀏覽器間的通信必須通過Web服務器上的Java應用程序進行轉接。綜上所述，為了實現系統的功能，筆者將系統的總體設計為如圖1的形式。
有關說明：
①學生和教師分別以客戶/服務器的方式與Web服務器上Java應用程序建立通信連接。服務器方的連接監聽線程負責監聽來自客戶的Socket連接申請。服務方要為每個連接客戶建立一個消息處理線程，該線程負責接收來自相應客戶的消息，對消息進行分析處理。將消息轉發到其他客戶。
②學生和教師方都有一個消息接收線程負責接收來自服務方的消息。該線程通過調用用戶界面對象中的方法將消息要求反映在用戶界面上。為此，在設計消息接收線程類時，在其構造方法中將用戶界面對象作為參數傳給該類的對象，這是Java中實現對象間互訪的基本方法。
�、墼L問試題庫的過程是學生方發送相應消息到服務器，服務器方通過COM組件RDO訪問基于ODBC的數據庫，并將訪問結果傳回給學生。
�、芙處熆蓪W生的學習過程進行控制，在服務器方有一個線程專門接收來自教師的控制消息并將其轉發給學生，這些控制包括頁面學習向導和對學習階段的控制，這些學習階段包括：實時討論、做練習、測試。學生的操作界面將隨教師的控制消息變化。
4幾個技術關鍵
4.1數據庫訪問
VirsualJ++針對Microsoft操作系統對Java類庫做了專門的擴展，它將Java與COM（組件對象模型）和支持Java的InternetExplorer3．0瀏覽器相集成，用戶可在Java程序中訪問任何支持COM的軟件。對于數據庫的訪問，在J++中提供了DAO（DataAccessObject）和RDO（RemoteDataObject）兩種方法。本軟件中采用RDO對象實現對ODBC數據源數據的訪問。由于對數據庫的連接是建立在ODBC的基礎上，所以可以支持對各種類型的數據庫訪問。筆者采用的是Access數據庫。
通常，JavaApplet是在一個“沙箱”中運行，可訪問的資源有限，使用COM服務意味著存取沙箱之外的資源，為此，IE在安全性上要作嚴格的檢查，它將Java類分為可信類和不可信類，不可信類不能使用COM服務，所有不是從類路徑裝入的類都是不可信的，包括從網上下載的類，除非它們被封裝在具有一個數字簽名的．CAB文件中。為了避免安全性帶來的麻煩和減少客戶端的ODBC配置，筆者在訪問試題庫的部分中采用了由服務器方Java應用程序訪問數據庫的辦法，無安全性限制。瀏覽器方Applet程序通過與服務器方應用程序通信來傳遞訪問請求和結果。
整個系統的數據庫表格設計如下：
.填空題表：含試題標識號、問題號、難度、試題內容、答案共五個字段。
.判斷題表：結構同上。
.填空題試卷表：試題標識號、分數共兩字段。
.判斷題試卷表：結構同上。
.教學內容索引表：含章號、節號、問題號、問題名、URL地址共五個字段。
.章標題表：含章號、標題共兩字段。
.節標題表：含章號、節號、標題共三個字段。
.成績登記庫：含姓名，成績兩字段。
從數據庫設計可看出，本系統將教學內容與試題庫中試題通過問題號連接起來。
4.2數據通信處理
從總體設計可知，系統有兩類應用，它們有不同的工作特點。基于客戶/服務器的應用是客戶方發出訪問請求后，再直接在事件代碼中獲取服務方返回的結果；而對于協作應用則必須在所有客戶方分別設立消息監聽線程去獲取和處理數據。從實現效率上考慮，這兩類應用不宜共用一條Socket通道。筆者采用了雙Socket通路的辦法。在服務方設立兩個Socket監聽口，分別是8883和8884，所有客戶端要分別針對兩個監聽口建立Socket連接。為避免創建過多線程，并將兩類應用通道分開，系統在通道的使用上作了一些特殊處理，具體情況說明如下：
.學生客戶：使用8883口發送消息，使用8883口接收數據庫訪問結果，使用8884口接收所有其它消息。
.服務器方：系統為每個客戶創建一個消息接收線程，它使用8883口接收消息，并將消息通過8884口的相應輸出流轉發給其他客戶方�？紤]到只有教師能發控制消息，在服務器方，針對8884口只建立一個教師控制監聽線程，它專門使用8884口接收教師控制消息，并通過8884口發送給所有學生。與學生對應的8884口的輸入流未用，因此服務方也不必創建相應的監聽線程。
.教師方：使用8884口發送教學控制信息，使用8883口發送談話、白板、查分等消息。接收消息線程使用8884口接收消息。
服務器方是通過8884口的輸出流將消息轉發到各個客戶方，這就要求與每個用戶連接對應的輸出流要能實現共享訪問，這是各用戶間互發信息的基礎。為此，在服務方通信線程類的設計上采用Static數組存放輸出流，這樣既可實現同一類中各對象間的數據共享，又可在不同類中通過類名直接訪問其數據。
由于在服務方和客戶方都采用了多線程設計，系統的效率得以充分發揮。
4.3消息設計
整個系統是建立在消息基礎上的，服務器端和客戶端都承擔有消息處理的工作。大量基于協作應用的消息，服務方只負責轉發，由客戶方進行處理。每類消息由消息頭和內容組成，消息頭用于系統判別。在整個系統中，主要有6類消息：交談消息；白板消息；向導消息；用戶登入和退出消息；試題庫訪問消息其它消息（如登分、查分等）。
4.4教學應用界面設計
4.4.1教師界面
教師操作界面是固定的，在Applet面板上含四部分內容：①用戶列表；②控制面板，有頁面向導、討論、練習、測試、查成績共五個按鈕，其中，前四個按鈕分別用來控制學生進入各學習階段，學生的界面將隨教師的控制變化；③交談文本顯示域和談話錄入按鈕，點擊“談話錄入”按鈕，將彈出一個文本錄入窗口供發送談話內容；④共享白板及工具欄。
4.4.2學生界面
學生界面是一個變動的界面，由兩個幀構成，一幀用來顯示JavaApplet，另一幀顯示教師發送的URL頁面內容。Applet幀的界面由多塊面板（分別是“登錄面板、“討論面板”、“練習面板”、“測試面板”）采用卡片布局構成，初始為“登錄面板”，以后顯示哪塊面板由教師的控制消息去控制。URL顯示幀則按教師發送的URL內容顯示多媒體頁面。在學生測試時，可允許學生在兩類試題（是非判斷題和填空題，選擇題可歸為填空一類）間來回切換，并可用翻動試題按鈕前后瀏覽試題。為了提高訪問試題的速度和減少服務器端的訪問負擔，在客戶端使用向量保存對已讀過的試題內容、標準答案及學生的解答等信息，并引入一個標記向量標記某序號的題是否訪問過，只有沒訪問過的試題才去訪問試題庫。測試時將創建一個計時線程，時間用完或點擊“答題結束”按鈕，計算機將自動進行評分，將得分以對話框形式告訴用戶，同時寫入成績登記表供教師查詢。
4.5URL向導的實現
URL輸入與傳送教師點擊“頁面向導”按鈕，系統將訪問學習內容索引等表，并彈出一個對話框讓教師選定要學習的章節和問題，系統將其對應的URL地址通過Socket通道送往所有學生客戶端，同時教師端將彈出一個新瀏覽器顯示頁面以供確認。
URL顯示步驟如下：①使用URL類按接收字符串生成URL對象；②通過Applet類中的getAppletContext()方法取得小應用程序的AppletContext；③通過AppletContext接口的showDocument方法顯示URL內容。該方法的具體格式和參數說明如下：
voidshowDocument(URLurl,Stringtarget)
其中，target參數用于指定文件內容顯示的位置，其具體值及作用見下表：
值文件顯示位置"—self"當前幀"—parent"父幀"—top"最頂部的幀"—blank"開辟新瀏覽器窗口顯示"幀名"在指定的幀中顯示
在教師方筆者采用了“—blank”的辦法，即另開辟一個瀏覽器窗口顯示URL內容，供教師確認URL內容。學生方采用了多幀的辦法，在HTML文件中安排多幀，一幀用來顯示JavaApplet，另一幀顯示教師發送的URL頁面內容，在HTML文件中規定幀的大小可調整，這樣學生可調整幀邊界去更方便地閱讀內容。
5結束語
本文介紹了一個基于WWW的協作式教學軟件系統的具體實現方法。該軟件實際為一個教學框架系統，具體教學內容由教師使用系統的課件維護部分去安排和設計，如此可較好地發揮教師的主觀能動性。該軟件作為一個實用軟件在筆者的Java課程的教學中得以運用。筆者擬對該系統作如下改進：①提供自動組卷功能。②引入更完善的學生模型對學生的學習水平進行評估；提供多種教學方式，使系統在有教師和無教師兩種情形下都可運作，在CAI的智能性上做些工作。③在多媒體支持（如：共享視像和實時語音）上作研究。
作者簡介：丁振凡副教授。主要研究方向：計算機輔助教學、計算機網絡。
作者單位：華東交通大學網絡中心江西.南昌（330013）
參考文獻
1.廖衛東,等編著．Java程序設計實用指南．北京：機械工業出版社，1996;(10)
2.美JamieJaworski著.曹康,等譯.Java開發指南.北京：中國水利水電出版社，1996
3.申瑞民,等．一個采用CLIENT/SERVER方式基于WWW的多用戶交流討論系統．計算機工程,1998;(2)
【基于WWW的協同式CAI軟件的Java實現】相關文章：
基于WWW的勞資人事管理系統08-06
基于ORACLE技術的WWW信息查詢系統08-06
基于WWW的勞資人事管理系統08-06
基于8051嵌入式系統的GPRS終端實現08-06
基于定點DSP的軟件鎖相環的設計和實現08-06