基于ＣＳＣＷ的研究性学习互动平台中电子白板的研究与设计

李　静　郑采星　刘晓平

摘要：本文设计的电子白板模型结合了B/S和C/S的优点，尽量减少两种模式在使用中的不便，使电子白板在用于研究性学习互动教学平台中能够为广域网内的用户提供更为强大的交互功能，有效地解决学生之间，学生和老师之间的知识共享和信息交流等问题，并且尽可能地降低系统维护的成本和难度。

关键词：电子白板 CSCW 研究性学习 B/S C/S

中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1673-8454（2009）07-0077-03

一、前言

随着计算机技术的发展和信息化进程的深入，计算机支持的协同工作技术CSCW（Computer Supported Cooperative Work，计算机支持协同工作）已经不能满足传统的网络服务的个体特性，发展成支持群体的协调工作，包括了群体工作方式研究和群体工作的相关技术研究，应用系统的开发等。基于CSCW的应用从时间上可以分为同步和异步两种方式，从空间上可以分为本地协同系统和远程协同系统。它为在时空上分散的人们提供了一个良好的协同工作环境，支持多个时间上分离、空间上分散而又在学习工作上相互依赖的协作成员的协同工作，这样计算机系统就从传统的只能提高个体工作效率变为提高群体协作者工作效率，受到人们日益广泛的重视。

目前国内开展的研究性学习还没有成熟的实施模式，很多时候提出的研究性学习与研究性学习的本质并没有多大关联，有的甚至就是传统的讲授式课堂教学。现今课堂教学的主要形式仍然是班级授课制。繁重的教学任务导致的课时不足是当前开展研究性学习时间上的最大障碍。我国当今的班级规模过大，学校环境较小，社区资源过于贫乏，这成为开展研究性学习空间上的最大障碍。研究性学习中本应很好地体现双主教学和协作学习模式，但是实际情况是教师往往是下课就离开教室做自己的科研，而课堂上更主要的还是以知识的传授为主。课后同学之间也很少交流自己的学习心得。为了更好地促进教学和交流以补充课堂教学的不足，我们构造了下面这个研究性网络教学互动平台。它在一定程度上可以解决由于时空局限或者评价落后等导致的教学效果差的现状。它包括以下几个层面，如图1所示。

图1研究生学习网络互动教学平台层次

（1）它是一个支持研究性学习的互动教学平台，提供良好的学习环境和交互环境；

（2）提供开放的学习资源；

（3）它是传统班级授课教学教育方式的补充和发展；

（4）突出的是双主教学模式，以学生探究知识和解决问题为目的。

二、电子白板

我们知道，通常在传统的教学过程中往往是一个老师面对多个学生教学。群体间的交互，特别是这种点到多点的远程通信，他们之间要实现交互和共享，最好的工具就是电子白板。而我们所研究的研究性学习互动教学平台中的电子白板（whiteboard）正是这样一种远程同步协同学习系统。

那么，什么是电子白板呢？一般来说，电子白板指的是一个虚拟公用区域，在CSCW中参加协作的各个成员的计算机上都有一个白板的视图，白板上的内容既可以是手绘的简单图形(直线、曲线、矩形等)，也可以是文字、图像、音频、视频，白板数据是共享数据，当一个用户修改了其中的数据之后，就要把修改立即通知给其他用户，让他们及时更新自己的白板视图且更新结果能够立即反映在其他所有用户的视图上，即所谓的“你见即我见”。[1] 电子白板中的用户有着共同的兴趣，能够有效的交换，发布和提出问题。

电子白板作为CSCW系统中一个重要的典型的同步交流工具，也是我们设计的这个研究性学习平台的协同工作系统的重要部分，它通过模拟现实中黑板工具的计算机来实现用户信息的共享。网络电子白板不同于一般的白板系统，其主要特点表现在3个方面：数据传送的实时性要求；数据的事件驱动、数据源（服务方）主动传送；用户间需要协同教学。[2] 在这一系统中CSCW协同系统同步交互能力和多用户同步感知的能力能够得到很好的实现，交互形式多样，协作学习者思维能够及时的调整，大大丰富了以往师生大部分只能通过课堂和Email进行的交流方式，有利于教师更好地指导学生的学习，也符合目前高校教学的需要。

三、系统功能设计

１.总体设计

关于电子白板的设计，从工作模式上说，目前流行的软件构架模式有两种,一种是基于C/S模式的，功能强大，交互性强，但在服务器端和客户端均需安装专用软件，这极地限制了系统的应用。微软的视频会议软件Netmeeting提供的电子白板功能，就是一个C/S模式的电子白板。另外一种是基于B/S模式，客户端只需要浏览器的支持，不需要安装任何软件，十分方便，但是系统的交互性较差，白板功能相对较弱，受到网络传输能力的限制，绝大多数B/S模式的白板不支持音频、视频信息的传输。我们通过表1对二者进行分析比较。

考虑到使用的方便性和对交互性的一般要求，我们采用了B/S模式和C/S模式综合来架构所需要的白板系统。两种模式相结合是构建电子白板系统平台的最佳选择。它的优点在于数据安全指标高，计算机资源的利用有效性得到大幅度提高，客户端能够简化的尽量简化，交互性得到有效改善，简单实用，使得局域网和广域网的用户能够同时使用，系统维护起来比较轻松，效率也高。

本系统考虑在交互性强、数据处理量大且要求处理频度高的范围内使用C/S模式,而在考虑分布较广泛的用户，以及师生、生生多方向的信息流的流向，历史信息浏览等问题上使用B/S模式，以充分发挥这两种模式的优点。系统的设计方案我们还应该充分考虑现有条件，充分地利用校园网络，通过借鉴其他专家学者开发的诸如基于B/S与C/S相结合的学生评教系统、教务管理信息系统等，考虑到实际情况将学生浏览器端和教务处客户端集成在一起，做成一个更大范围的客户端，与白板数据库和研究性互动教学平台的数据库进行连接，我们得出了下面的设计，如图2所示。

图2电子白板系统设计结构

２.数据库设计

我们设计的这个电子白板系统数据库是研究性学习互动教学平台数据库中的一个重要组成部分，将在实际的教学中进行使用。我们知道数据库设计要考虑到降低数据的冗余，数据完整性和一致性的保证等。数据库设计的是否恰当直接关系到整个互动教学平台的优化与否。这个电子白板的数据库因为和整个研究性互动教学平台的数据库是有交叉的。我们将白板数据库和平台数据库放在一起，配置在同一台服务器上，只需要建立不同的表就可以了。

由于我们设计的这个研究性学习互动教学平台要考虑到诸如《大学物理》等理工科的教学需要，我们的数据库中应实现公式输入功能。所有的数据库要共享同样的用户信息和公式编辑器，调用同样的基于知识树的智能答疑系统来辅导学生的学习，在后期的工作中还有智能化的专家导学系统嵌入进来，指导学生进行新知识的学习和旧知识的回顾。使数据库规范化的方法是把表拆分成相关列最少的表，这样查询时就需要用复杂的联结，占用较多的CPU资源和I/O操作，才能查到客户端所需的数据，这会导致复杂度的增加和性能的下降。[3] 因此我们在关注数据库范式要求的时候不能不考虑网络的运行情况。

四、系统模块设计

１.服务器模块

电子白板服务器端是采用JAVA开发的应用程序，在服务器上运行。它负责捕获各种媒体信息，收集整理后向客户端发送。服务器模块带有一个数据库管理程序，来管理用户的注册，在系统中的提问及讨论次数等（用于对学生进行过程性评价），公式编辑器，教师及学生上传的对应各自权限的课题资料，阶段报告和结题报告等。服务器在启动后就开始监听指定的端口，看是否有到该端口的连接，如果有连接则对接收到的数据包进行处理，并同时产生一个线程继续监听端口，对接收到的数据包对其内容进行解析，检查其是否为建立连接请求，如果是，则返回一个到用户的连接，得到该用户连接的处理线程，并且将其加入到用户连接线程列表中去，每个用户建立连接后在服务器上都有一个单独的线程来处理与它的通信，一旦接收到了数据，就检索用户线程列表，查找到目的用户连接，然后将数据包用该连接转发。[4]

２.客户端模块

客户端在设计的时候，可以把浏览器集成在一起，做成一个EXE文件。也就是说，客户端是一个EXE文件，包含有一个浏览器在里面。因为浏览器不能访问本地文件，所以当需要访问本地文件的时候，就发送一个请求给EXE文件，EXE文件访问本地文件，最后把访问的结果返回给浏览器。EXE和IIS 服务器侦听某个端口，则浏览器请求对应端口就可以建立通信。

在这里，EXE其实也是一个S，浏览器是一个B，它们之间形成了本机的B/S结构。浏览器又可以去访问广域网的S，它们之间形成了一个广域网的B/S结构。EXE也可以访问广域网的S，它们之间形成了一个广域网的C/S结构。几个同学之间也可以进行通话，而无需经过服务器，此时EXE之间互为C/S结构。

３.通信模块

客户端和服务器之间的连接是建立在TCP握手协议的基础上。在TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的连接服务，它是面向对象的，采用了三次握手建立一个连接。TCP协议的三次握手（Ｔｈｒｅｅ－ＷａｙＨａｎｄｓｈａｋｅ）过程如下。第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包（ｓｙｎ＝ｊ）到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认；第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SＹＮ包（ｓｙｎ＝ｋ），即ＳＹＮ＋ＡＣＫ包，此时服务器进入ＳＹＮ＿ＲＥＣＶ状态；第三次握手：客户端收到服务器的ＳＹＮ＋ＡＣＫ包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。[5]

完成三次握手，客户端与服务器开始工作，进行数据的传送。接下来服务器开始监听客户端发过来的请求连接，如果这个时候有用户A请求连接，则同意A的连接请求，并且在白板服务器上相应的建立A端与服务器的连接，然后把刚才请求的A的用户信息加入到它所请求的聊天室B，然后向A发送B聊天室的相关信息，比如该聊天室的成员信息，这个时候用户就可以看到其他用户的讨论情况，最后一步则是启动异步监听来响应A用户的相关请求。这就是客户端和服务器的通信连接的过程。

五、结束语

研究性学习是近年来发展迅速的一种学习模式。随着信息技术的发展,人们对研究性学习给予了越来越多的关注。研究性学习的互动也成为了推广研究性学习模式必须要大力关注的一个问题。电子白板是研究性学习平台开展互动教学，完成协同学习的主要工具，也是CSCW的常用工具。本文提供了一种电子白板模型，这个模型结合了B/S和C/S的优点，便于数据的一致性管理，提高平台的交互性，而且能够在较大范围内应用，为研究性学习互动教学提供了一个良好的环境。但是这个模型还存在很多缺点，比如因为服务器软件的架设问题和成本问题，我们没有考虑视频音频的传输；客户端将教务处客户端和学生浏览器端做成一个EXE文件需要考虑的对浏览器的兼容；编程方面，要考虑本机的编程，服务器端和客户端的编程，这也是一个比较庞大的工作。这些都是我们将进一步研究和解决的问题。

参考文献：

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[2]葛晓虎,尹浩,朱耀庭.基于CSCW的远程教育中电子白板的实现[J].计算机工程,2002(3):58-59.

[3]武俊琢,付森.基于B/S和C/S相结合的学生评教系统的研究与实现[J].中国管理信息化,2006(4):82-85.

[4]陈祥章.基于CSCW的徐工职院辅助教学系统的研究与设计[D].苏州:苏州大学硕士学位论文.2007.

[5]何黎明.对DDoS攻击的实现技术的研究[J].电脑知识与技术,2008(23):881-882.

[6]班建民,张杰,付保川.多媒体教学中电子白板软件的设计[J].信息技术与信息化,2005(5):72-74.

[7]王学龙,孟开元,宋汐瑾.基于C/S和B/S并用的二级学院教务管理系统的设计[J].中国科技信息,2006(9):182-184.

[8]易金聪,张秀萍,宁正元.基于C/S与B/S模式的的管理信息系统的设计与实现[J].微型电脑应用,2003,19(4):46-48.

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[11]高为民,周光宇.依托精品课程建设开展网络教学互动平台的实践性研究[J].教育信息化,2006(1):65-66.