基于网格服务的计算机辅助教学系统
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2020-10-26
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基于网格服务的计算机辅助教学系统基于网格服务的计算机辅助教学系统
提出了基于网格服务的计算机辅助教学(CAI)系统框架，探讨了不同种类CAI系统的功能和应用，指出了基于网
格服务CAI系统的特点和实现的关键技术。系统实现了多网格应用的集成，促进了网格技术在CAI系统领域的应
用研究和相关CAI技术与网格技术的结合研究。
摘摘 要：要： 提出了基于
关键词：关键词： 计算机辅助教学
计算机辅助教学(CAI)通过图、文、声、像和动画等形式将教学内容生动地表现出来，以辅助教和学，是对传统教学方式
的重大变革。采用多媒体技术，为教学设置情景，可激发学生的想象力，培养学生的创造欲望；可拓展时空，发展学生的创新
能力；可营造民主、和谐、宽松的学习气氛[1]。然而，由于CAI课件的制作难度和工作量大，加上广大教师对于计算机理论和
操作水平的限制，在普及方面仍然存在问题[2]。近年来，随着网络技术的日臻成熟，Internet以前所未有的速度延伸，具有较
高传输速率的Intranet以及校园网的普遍建立，使网络CAI逐渐成为研究的热点。网络CAI实现了多媒体课件的网络共享和重
用，但由于课件的集中存储和网络带宽的限制，十分拥塞，课件的运行效果难以保证。计算机技术成了影响计算机辅助教学发
展的重要因素。当前最引人注目和最热门的计算机技术就是第三代Internet技术，即网格技术。网格[3]是把整个因特网整合成
一台巨大的超级计算机，实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源和专家资源的全面共享。专家预测网格是
未来Internet的发展方向，在运输业、制造业、资源环境保护、生物医药、科学计算、劳动与社会保障、电子商务与电子政
务、远程教育等多种领域将发挥重大的作用。
为了减少计算机辅助教学课件的制作难度和工作量，扩大多媒体课件的网络共享和重用，本文基于目前的计算机辅助教学
系统和网格技术研究现状，提出了基于网格服务的CAI系统，并探讨了不同种类CAI系统的功能和应用，指出基于网格服务
CAI系统的特点和实现的关键技术。
1 基于网格服务的基于网格服务的CAI系统框架的提出系统框架的提出
在2002年的全球网格论坛(GGF)会议上，提出了一个全新的网格标准——开放网格服务体系(OGSA)。基于OGSA，网格
的一切对外功能都以网格服务(Grid Service)的形式来提供，并借助一些现有的、与平台无关的网络服务(Web Service)技术，
如XML、SOAP、WSDL、UDDI、WSFL和WSEL来实现网格服务的描述、查找、访问和信息传输。这样不同网格中的应用和
已有的符合网络服务标准的各种Web应用都可以方便地集成起来，而不必关心其实现平台和使用技术的异构性。网格为网络
服务提供了一个与硬件无关的虚拟计算机，而网络服务是架构在虚拟计算机平台上的、与平台/语言无关的应用交互集成平
台。将目前基于Intranet的CAI系统建立在网格平台上，并将系统各个模块之间的接口采用OGSA标准来封装，由用户根据需要
集成，就形成了基于网格服务的CAI系统，其结构如图1所示。基于网格服务的CAI系统共有3层，分别是网格服务提供层(Grid
Service Provider，GSP)、应用服务提供层(Application Service Provider，ASP)和用户层(Users)。
GSP层由已经建立的各种网格组成，如中国国家网格、数字地球网格、数字图书馆网格或其他信息共享与数据计算网
格。网格中以网格服务方式提供的某些应用可以被应用服务提供层的某些应用请求访问。例如，系统中需要的地图数据可能来
自数字地球网格。
ASP层由多个应用服务提供者组成。应用服务主要包括功能应用服务、管理服务和专用服务。功能应用服务指将应用系统
进行标准化和适应性处理，建立在网格的应用层，并符合OGSA的服务。这种服务的提供者指进行关于CAI系统的应用服务开
发和提供的软件公司或学校。每个单位提供不同CAI系统的、不同版本的多个服务，如面向不同版本教材的高等数学CAI系
统。管理服务包括功能应用服务和专用服务的注册、发布、评价、计费和监控等服务。这种服务的提供者一般是教育主管部
门、CAI科研机构或在某一社会领域享有盛誉的CAI系统开发单位。一个提供者只提供关于某几类CAI系统服务的管理，如：
高中物理CAI系统、高等数学CAI系统或小学数学CAI系统。随着ASP服务的运行和规模的增大，该层会出现一些更专业的通
用服务，如在线考试系统中的智能组卷算法服务[4]、学习评价算法服务、教学评价算法服务、自然语言生成与理解算法或其
他基于网格服务的各种专用功能。这些专用服务可以被多个功能应用服务直接应用，以提高应用服务的开发效率。
用户层包含采用这种CAI系统的所有人员，一般是学生和教师。用户利用管理服务提供的辅助工具进行应用服务的搜索、
评价和辅助决策，确定需要的应用服务；然后在辅助工具的引导下运行需要的应用。
2 基于网格服务的基于网格服务的CAI系统类型系统类型
对于基于网格服务的CAI系统，按照其功能可以分为智能协同辅助课件生成系统、智能辅助学习系统、智能考试系统、协
同虚拟实验系统、自动答疑系统、远程沉浸学习系统和教学评价系统。
(1)智能协同辅助课件生成系统：向教师提供各种辅助功能进行用于课堂教学的课件设计和生成。系统根教师提供的教材
版本信息、教学章节内容和教学目标等信息，搜索类似的教学课件、积件和相关课件素材，并计算各自的评价信息，供教师选
择参考。教师可以在已有课件的基础上，进行修改，生成新的课件；可以自己采用提供的积件和相关课件素材直接设计新的课
件；也可以独立设计课件和课件素材，加入教学资源库，并直接应用。系统通过对学生资料库中全体学生出现错误分布的统
计，进行智能诊断向教师提供教学重点、难点教学方式和方法的建议。系统也会根据教师提供的教材版本信息、教学章节内容
和教学目标等信息，搜索在线备课的教师，形成虚拟教研室。虚拟教研室的教师都在进行同版本教材、相同教学章节内容的备
课工作，可以协同工作，如共同就各种议题发表见解，或提供认为有争议和较好的方案或方式供讨论等。
(2)智能辅助学习系统：面向注册的学生在课堂外进行自学。系统根据学生提供的学习内容，搜索相关的教学课件并计算各自
的评价信息，实现按需点播课件。系统能够按照学生的需求，按需生成课件，返回给学生。按需点播完全符合人性化的特点，
因人而异，因材施教，这种形式的课件更加符合建构主义理论下以学生为中心的建构主义学习理论要求。系统自动对每个知识
点给出不同层次的测试问题，通过智能诊断机制判断学生的学习水平，分析学生产生错误的原因，同时向学生提出更改建议，
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