基于Socket.IO的互动教学即时反馈系统的设计与实现

李广文

一、互动教学即时反馈系统

互动反馈系统(Interactive Response System，简称IRS)是一种以多媒体、计算机网络等现代信息技术为基础的网络平台[1]。互动反馈系统使学生人手一个设备，具有测查、统计和记录功能，实现即时反馈和互动。目前，市场上流行的各种互动反馈系统产品都使用无线通讯技术，遥控器由早期的红外线(IR)逐步进化到采用无线射频(RF)技术。投票是互动反馈系统的基本功能，题型一般为选择题或是非题，题目可以是纯文字的或带有多媒体素材的题干或选项。当学生提交答案后，系统可以显示出长条图、圆饼图或其他类型的统计图。

互动反馈系统普遍应用于课堂形成性评量，教师可在教学过程中随时穿插问题，以了解学生对知识的掌握情况，达到实时教学(Just-in-Time Teaching，JiTT)的效果。研究发现，互动反馈系统可以提高学生的课堂参与度，促进学生对于复杂学科的理解，提高学生学习的兴趣和愉悦感，增强课堂互动性。尤其是IRS的匿名特性，能使学生在没有压力的状态下提供个人答案，不用担心被其他同学取笑[2]。

随着一对一数字化学习环境的出现和电子书包逐渐进入课堂教学，可以利用现有无线网络环境，通过Web应用方式开展互动即时反馈教学，这是值得研究的一个方向，其中关键是要解决即时性问题。

二、HTML5与WebSocket

以往的Web应用为了实现即时通讯，都是采用轮询的方式，即每隔特定时间由浏览器向服务器发出HTTP request，然后服务器将最新的数据返回客户端的浏览器。这种传统的模式具有明显的缺点，即浏览器需要不断地向服务器发出请求，这样会占用很多带宽和服务器资源。

针对这种状况，HTML5定义了WebSocket协议，能更好地节省服务器资源和带宽，并达到实时通讯。WebSocket是HTML5的一种新的通信协议，是下一代“客户端—服务器”的异步通信方法。它使用ws或wss协议，实现了任意的客户端(浏览器)和服务器程序的双向通讯。在WebSocket中，浏览器通过JavaScript向服务器发出建立WebSocket连接的请求，连接建立以后，两者之间就可以直接进行数据传送，同时还允许跨域通信。因为WebSocket连接本质上就是一个TCP连接，所以在数据传输稳定性和数据传输量大小方面，和轮询以及Comet技术相比，具有很大的性能优势。

在流量和负载增大的情况下，WebSocket方案相比传统轮询方案有极大的性能优势(如图1所示)。因此，WebSocket将是小型实时Web应用的首选方案，十分适合互动即时反馈系统的开发。

图1 轮询和WebSocket实现方式的网络负载对比图[3]

三、Node.js与Socket.IO

Node.js是一个服务器端的解决方案，基于V8引擎开发，提供了高效的服务器端JavaScript框架运行环境，可以运行JavaScript，并可作为Web服务来处理各种HTTP请求。Node.js通过大量扩展库(模块)实现各种网络、HTTP、文件系统、连接数据库等功能。Socket.IO是Node.js的一个扩展模块，基于Node.js并简化了WebSocket，统一了通信的API，使得交互式、多用户Web应用成为可能。Socket.IO支持WebSocket，Flash Socket，AJAX long-polling，AJAX multipart streaming，Forever IFrame和JSONP polling，有效解决了实时通信的问题，统一了服务端与客户端的编程方式，服务器端和客户端可以互发事件，互发数据，相互通信，甚至支持服务器端对所有客户端的数据广播。

在Node.js中，可以通过创建一个典型的HTTP服务器，把服务器的实例传递到Socket.IO，再创建连接、断开连接、建立消息监听器，跟在客户端一样。Node.js通过socket.emit()函数向当前客户端发送自定义消息和参数，也可以通过socket.broadcast.emit()广播发送给所有客户端，同时服务器端和客户端均通过socket.on()响应特定消息并触发相应的处理。一个简单的服务器端JS脚本(app.js)如下：

由此可见，Node.js与Socket.IO的编程相当简单，可以快速构建多用户交互和即时性的Web应用。

四、Node.js和Socket.IO联合开发

Web模式的互动教学即时反馈系统分为服务器端、教师端和学生端三部分，教师和学生端通过网页形式，均视为Node.js的客户端。以最简单的投票和单选功能为例，具体介绍如何运用Node.js和Socket.IO联合开发互动教学即时反馈系统。

首先，服务器端采用express框架，express是Node.js的一种Web框架。在服务器端脚本中创建express实例和Socket.IO，并设置好连接监听器，专门处理教师端和学生端发送的消息，并将处理结果以消息形式发送给相应的客户：

上述便是互动教学即时反馈系统最基本的代码。实际上为了实现更方便快捷的师生交互和更丰富的功能，各程序的代码还是较为复杂的，但最核心的还是Node.js和Socket.IO的消息发送和事件驱动机制。基于Node.js和Socket.IO联合开发的互动教学即时反馈系统如图2所示。

图2 基于Node.js和Socket.IO联合开发的互动教学即时反馈系统

五、结束语

随着信息技术与学科的整合，信息技术将在中小学课堂上发挥更大的作用，基于Socket.IO设计并实现课堂互动教学即时反馈系统是一个新的尝试，也是一种简单、有效而又成本低廉的IRS实现方式。相信不久的将来，Socket.IO技术将为一对一数字化学习环境和电子书包学习方式提供更多快捷、实用的即时课堂互动教学工具，促进信息技术与课堂教学的深度融合。

[1]马宗振.互动反馈系统的教学功能和应用设计[J].中小学信息技术教育,2007(2):11-14.

[2]王绪溢.数字教室中有效学习的教学工具：实时反馈系统[EB/OL].http://www.945enet.com.tw/epaper/contents/ha/090/02.htm.

[3]Peter Lubbers, Frank Greco.HTML5 Web Sockets: A Quantum Leap in Scalability for the Web[EB/OL].http://www.websocket.org/quantum.html.