摘要：本文討論了基于Web的計算基礎課程遠程教學系統的設計思想及其實現方法。教師使用該系統可以進行網上授課、布置作業、批改作業、出試卷、評卷等;學生使用該系統在瀏覽器中觀看教師授課視頻圖象(廣播或點播)、在網上做作業、提交作業、考試、答疑或課堂討論。
1.引言
隨著多媒體技術和網絡通信技術的發展，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注。計算機遠程教學是指利用多媒體技術和網絡通信技術，在網絡環境下開展的教學活動。它有著傳統教學模式所無可比擬的優點，它創造了一種全新的教學模式，打破了傳統教學模式在時間、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公共課(包括《計算機應用基礎》、《C語言》、《Foxpro》等課程)的教學任務，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，增強學生應用Internet網絡服務的能力，以此來加強和鞏固對課程內容的理解和掌握，我們從1999年開始，開發了《計算機基礎課程遠程教學》系統(以下簡稱《遠程教學系統》)。在Internet/Intranet環境下實現作業、考試、授課、答疑/輔導等功能，使用一年多來，取得了很好的教學效果，以下討論該系統的設計與實現方法。
2.《遠程教學系統》的體系結構
《遠程教學系統》是在Internet/Intranet環境下實現的，是典型的瀏覽器/服務器模式。服務器以Windows NT 4/2000 Server為操作系統平臺，Microsoft SQL Server 7.0為RDBMS，客戶端通過瀏覽器訪問系統提供的服務。系統不允許匿名訪問，它要求用戶提供帳號/密碼，通過驗證后才能進入系統主頁，以此追蹤用戶身份。本系統將用戶分為三類：系統管理員、教師、學生，他們都有各自的主頁，訪問系統的權限也不相同。其中權限最高的為管理員，其次為教師，最低為學生。權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、批改作業等)。本系統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，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等)，又有資源的共享性(例如公共作業、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。《遠程教學系統》體系結構按用戶角色的不同，劃分如下：
圖1 《遠程教學系統》體系結構
2.1 管理員模塊
由于《計算機基礎課程遠程教學》系統可同時為多組教師/學生提供服務，各組間的課程不盡相同，因此教師/學生組間應具有一定的隔離性。例如一門課程的教師對其學生具有管理權，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等。因此系統主頁需要教師或學生均以帳號/密碼登錄后才能訪問，以此追蹤用戶訪問系統資源的身份。而用戶帳號的開設與刪除、教師與學生的對應關系、課程名稱、學生人數等信息，由系統管理員負責管理。這里，我們將系統資源訪問帳號作為操作系統帳號開設，由Windows NT和Web服務器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的安全機制，使操作系統與數據庫服務器(SQL Server)無縫集成;二是可同時為用戶提供其它輔助服務，如：電子郵件、個人主頁、FTP服務等。使系統應用與課程內容緊密結合，學生在應用系統的使用過程中可進一步加深對課程內容的理解。
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：網上實時授課廣播、布置作業、批改作業、出試卷、評卷、考試結果統計分析、網上答疑、課程資料(素材)制作、學生帳號管理(修改學生密碼)、設置聯機會議等。系統使用組件對象模型(COM)以及Office Automation技術自動批改《計算機應用基礎》課程作業并登記成績。教師可對作業結果進行查詢、統計。教師可利用OutLook向系統請求聯機會議，以此進行網上答疑、群體或個別輔導。
2.3 學生模塊
學生模塊包含查看教師布置的作業、(在網上或本地)做作業、測驗(考試)、教師授課視頻廣播收看、點播、網上答疑、課程資源瀏覽、輔助服務等。學生使用瀏覽器訪問系統主頁時，需要提供帳號/密碼進行用戶驗證，通過驗證后，在瀏覽器關閉之前，均以該帳號身份訪問系統資源。《計算機應用基礎》課程的作業可直接在瀏覽器中完成并提交，對于《C語言》課程作業，為學生提供Web界面，完成作業程序的編輯、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筆試試題，也提供實際操作形式的試題。考試通過WWW界面進行，有時間限制。學生在規定時限之前完成考試內容時可通過"交卷"按鈕提交試卷;若考試時限到達時學生仍未交卷，則系統自動將考生當前的考試結果提交。試卷的批改、考試結果的統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絡的應用能力，增強學生對教學內容的興趣，本系統為每位使用《計算機公共課遠程教學》系統的學生和教師提供Email、FTP、個人主頁、BBS、聯機會議(在線聊天Chat、應用程序共享、白板)、等功能。讓學生在實際操作中提高對課程內容的理解以及對課程學習的興趣。另外，本系統還配備資源庫，內置與教學內容相關或與網絡應用相關的多媒體資料，供學生課外瀏覽、學習。
3 《計算機基礎課程遠程教學》系統的特點
《計算機基礎課程遠程教學》系統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。其中采用了多項現時多媒體和網絡的最新技術，如下所述：
3.1 組件對象模型(COM)技術
組件對象模型(Component Object Model，簡稱COM)是一個軟件規范，它是基于對象的編程模型，只要遵循COM規范，應用程序和組件對象之間就可實現二進制代碼級別上的重用，解決了對編程語言和環境的依賴。COM是Microsoft其它許多技術的核心，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技術已經滲透到Microsoft的各個產品中，如：Windows NT/2000、SQL Server、Visual Studio、Office 97/2000、BackOffice等。《計算機基礎課程遠程教學》系統使用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，例如：
3.1.1 ADO(ActiveX Data Object)
ADO是數據庫訪問組件，應用程序通過ADO訪問數據庫的原理如下：
圖2 ADO存取數據示意圖
上圖中OLEDB是Microsoft 繼ODBC后新的數據訪問機制，它不但可以訪問數據庫數據，而且還可以訪問其它非數據庫類型的數據，如Email、目錄服務(LDAP)等。ADO是位于OLEDB上層的應用程序接口，操作較為簡單。
《計算機基礎課程遠程教學》系統中作業、試卷、考試結果等信息都是保存在SQL Server數據庫中，系統使用ASP腳本通過ADO對象訪問數據庫以及電子郵件、進行全文索引，如下圖所示：
圖 3 《計算機基礎課程遠程教學》系統數據存取示意圖
3.1.2 Office Automation對象
《計算機基礎課程遠程教學》系統利用Office Automation對象，使教師利用程序自動批改學生提交的《計算機應用基礎》課程(Word、Excel)的作業，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操作系統帳號的管理(開帳號、刪除帳號、帳號屬性設置)以及訪問權限設置，簡化帳號管理任務。
3.1.4 Developer Studio對象
Microsoft 的Visual Studio相信是廣大程序員喜愛的開發工具，但大家都不太注意其中的Developer Studio對象：
Application Debugger
Breakpoint Project
使用他們，可以使程序的開發達到一定程度的自動化。許多在Visual Studio集成環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，如程序的語法分析、編譯、鏈接、調試、表達式求值等。而這些都是教師批改C語言作業所要進行的操作。我們使用這些對象輔助教師批改C語言作業，減輕教師負擔。
3.2 視頻流技術
在Internet/Intranet環境下，文字、靜態圖像信息的傳輸是不成問題的。對于視頻/音頻信息的傳送，則由于網絡帶寬等原因，需要進行特殊處理。而遠程教學系統中的授課功能就要求在Internet/Intranet環境下傳送大量視頻/音頻數據，以便實現教師授課的實時廣播和視頻點播(VOD)。在有限的網絡帶寬資源的限制下，視頻/音頻數據必須經壓縮處理后才在網絡中傳輸。以往多采用MPEG I等壓縮技術，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/音頻數據采用經特殊算法處理的流技術，使視頻/音頻數據邊下載邊播放。流技術的典型代表是Microsoft 的Media Technologies(Netshow)和Real Network的Real Video/Audio。《計算機基礎課程遠程教學》系統主要采用了Media Technologies壓縮技術，使用其Multibit功能在一個流文件中壓縮適合多種網絡帶寬(從28.8Kbps~3Mbps)的視頻/音頻流(最多6個)。由視頻服務器根據客戶訪問時的實際網絡傳輸能力選擇其中一種帶寬流向客戶傳輸。另外，還根據Netshow和Real Video/Audio支持多播(Multicast)的特點，在網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網頁)，真正將課堂搬到網上。
圖4 同步視頻點播
3.3 網上實時交互
《計算機基礎課程遠程教學》系統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絡環境下通過文字、視頻、音頻的實時交互，以此實現課堂討論、教師操作示范演示、學生個別輔導等功能。教師通過瀏覽器或Outlook向系統發出聯機會議(Online Conference)請求，在聯機會議持續時間內，學生可通過瀏覽器加入會議，并使用系統提供的聊天(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)。客戶端使用NetMeeting，還可以實現一對一的視頻/音頻交互、聊天、白板、文件傳輸等。
4 結束語
《計算機基礎課程遠程教學》系統使用一年多來，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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