基于cscw的虛擬教室中電子白板的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于cscw的虛擬教室中電子白板的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

虛擬教室是為了模擬物理教室環(huán)境而使用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的虛擬教室，并為分散地理的人提供在線學(xué)習(xí)的模擬教室。虛擬教室的出現(xiàn)表明，傳統(tǒng)的教育方法面臨著這些新技術(shù)的挑戰(zhàn)。電子白板(Electricwhiteboard)作為虛擬教室一個(gè)工具模塊,是計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作系統(tǒng)中的一個(gè)重要同步交流工具,它利用一定的通信手段建立一個(gè)電子環(huán)境的虛擬功用區(qū)域,使位于不同地點(diǎn)的人員可以在“共同”的屏幕上討論問(wèn)題,其中任何一方的活動(dòng)(繪圖、對(duì)話、標(biāo)注和其它動(dòng)作等)都能實(shí)時(shí)的傳送到其他所用用戶的視圖上.它的主要應(yīng)用范圍是在分布式環(huán)境下,因此要求電子白板設(shè)計(jì)要滿足操作響應(yīng)在協(xié)作允許范圍內(nèi)使用戶與用戶之間的協(xié)作流暢自然.1cscw的應(yīng)用計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作CSCW(ComputerSupportedCollaborativeWork),即一個(gè)群體中的多個(gè)成員,同時(shí)使用分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的多臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作,共同完成某一項(xiàng)任務(wù).它體現(xiàn)了信息時(shí)代人們工作方式的群體性、交互性、分布性和協(xié)同性的客觀要求,可以充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)作為通信媒體的潛在能力和優(yōu)越性,因而正受到日益廣泛的重視.計(jì)算機(jī)支持協(xié)同工作主要涉及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能、面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)和分布式系統(tǒng)技術(shù),并與心理學(xué)、系統(tǒng)工程、社會(huì)學(xué)等多門(mén)學(xué)科緊密結(jié)合.CSCW的應(yīng)用是虛擬學(xué)習(xí)過(guò)程中的協(xié)商討論、相互交流和信息共享,形成一種新型的群體協(xié)作教學(xué)模式,強(qiáng)調(diào)協(xié)同工作、交互討論、分工合作、共同完成某項(xiàng)教學(xué)任務(wù).CSCW應(yīng)用可按照時(shí)間與空間進(jìn)行分類(lèi),從時(shí)間上分為同步與異步兩種,從空間上分為同地與異地兩種.CSCW的典型應(yīng)用主要包括:消息系統(tǒng),系統(tǒng)編輯系統(tǒng)和同步會(huì)議系統(tǒng).2開(kāi)展虛擬教室共享電子白板的關(guān)鍵技術(shù)和具體實(shí)現(xiàn)2.1事件消息共享機(jī)制應(yīng)用共享(SharingApplication)是支持群組通信活動(dòng)的一個(gè)重要機(jī)制.當(dāng)被共享的應(yīng)用程序執(zhí)行任一用戶的輸入時(shí),它的執(zhí)行結(jié)果在分布于網(wǎng)絡(luò)中的所有參與者的屏幕上都要體現(xiàn).應(yīng)用共享遵循的原則是“What-You-See-Is-What-I-See”.應(yīng)用共享按運(yùn)行應(yīng)用程序的站點(diǎn)來(lái)分一般有兩種實(shí)現(xiàn)模式:集中式(centralized)和復(fù)制式(replicated).集中式也稱為單拷貝應(yīng)用共享.被共享的應(yīng)用程序在一個(gè)站點(diǎn)運(yùn)行,所有參與者對(duì)該程序的輸入都要傳輸?shù)竭@個(gè)站點(diǎn),而程序的輸出通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到其它站點(diǎn),其它站點(diǎn)相應(yīng)的軟件負(fù)責(zé)在屏幕上產(chǎn)生相同的輸出界面.在任一時(shí)刻,只能有一個(gè)參與者對(duì)這個(gè)程序擁有控制權(quán),即輸入權(quán).復(fù)制式也稱為多拷貝應(yīng)用共享.被共享的應(yīng)用程序在每個(gè)站點(diǎn)都同時(shí)運(yùn)行,每個(gè)站點(diǎn)對(duì)應(yīng)用程序的輸入事件都要發(fā)送給所有其它站點(diǎn)上運(yùn)行的應(yīng)用程序拷貝.這樣所有應(yīng)用程序拷貝都可得到相同的輸入,因此它們具有相同的輸出界面.共享電子白板采用事件消息共享機(jī)制.如圖1所示,編輯電子白板的繪圖動(dòng)作都作為事件被窗口截獲,然后打包成一條消息發(fā)往服務(wù)器.服務(wù)器接受用戶發(fā)來(lái)的消息,并進(jìn)行處理,然后修改服務(wù)器中的白板對(duì)象隊(duì)列,并將修改后的隊(duì)列消息(利用IP組播)廣播給虛擬教室中的所有成員,用戶接受到消息后進(jìn)行分析,恢復(fù)成相應(yīng)的窗口事件,執(zhí)行相應(yīng)的繪圖動(dòng)作.因此,整個(gè)電子白板始終圍繞著事件的截獲、消息的形成、消息的處理及發(fā)送來(lái)實(shí)現(xiàn)的.事件的截獲:截獲用戶對(duì)共享應(yīng)用程序的輸入是實(shí)現(xiàn)共享電子白板的關(guān)鍵,JAVA提供了事件接收器接口XXXListener().要實(shí)現(xiàn)專用接口,創(chuàng)建接收器對(duì)象,并且在被激活實(shí)踐的組件中進(jìn)行注冊(cè).Event-firing組件調(diào)用addXXXListener()方法來(lái)完成注冊(cè),以描述XXX事件類(lèi)型接收.消息的形成:在實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序時(shí),有兩種類(lèi)型的輸出被發(fā)往遠(yuǎn)端,即位圖和繪制函數(shù)參數(shù).位圖方式優(yōu)點(diǎn)是被共享窗口的界面可直接在客戶端的虛擬窗口再現(xiàn),缺點(diǎn)是需傳輸?shù)男畔⒘看?傳送繪制函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是只傳送繪制函數(shù)命令和它所要求的參數(shù),缺點(diǎn)是若兩個(gè)站點(diǎn)軟件環(huán)境不一致,虛擬窗口就不能再現(xiàn)這一結(jié)果.由于虛擬教室中的共享電子白板要求有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性,再加上網(wǎng)絡(luò)帶寬相對(duì)較窄等原因,我們?cè)谕ㄓ嵕€路上采用傳輸命令參數(shù)的方式,任一課堂成員對(duì)白板的編輯(輸入文本,繪圖,注釋或移動(dòng)等)都以命令加參數(shù)的方式在網(wǎng)絡(luò)上傳輸.因?yàn)閭鬏數(shù)臄?shù)據(jù)僅是一些參數(shù)、命令等,所以傳輸數(shù)據(jù)量很小,大大的減輕了網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān),從而能夠在普通的通訊線路上更好的達(dá)到時(shí)間、空間的同步,能夠適用于范圍更廣的通訊狀況.因而在系統(tǒng)中選擇傳送命令參數(shù)的方法.消息的通信:本系統(tǒng)采用TCP/IP協(xié)議下的JAVASOCKET機(jī)制.用戶對(duì)白板的操作被作為事件進(jìn)行處理,打包成相應(yīng)的消息通過(guò)Socket傳到服務(wù)器.服務(wù)器收到對(duì)白板操作的消息后,進(jìn)行判斷、處理,然后向所有客戶廣播處理后的消息,白板收到這些消息后,分析相應(yīng)的參數(shù),按照觸發(fā)條件執(zhí)行處理消息的函數(shù),并向窗口發(fā)送自定義消息,使之也完成同樣的操作,從而實(shí)現(xiàn)了課堂成員電子白板的協(xié)同.2.2共享電子白板的并發(fā)控制在實(shí)時(shí)協(xié)同工作中,正在協(xié)作的地理上分散的多個(gè)站點(diǎn)可能產(chǎn)生相互獨(dú)立的操作,同時(shí)作用于同一共享應(yīng)用,它們通過(guò)交互事件達(dá)到共享應(yīng)用的一致性.當(dāng)多個(gè)用戶在同一時(shí)刻對(duì)同一共享對(duì)象進(jìn)行操作時(shí),為確保一個(gè)操作在遠(yuǎn)端與在本地的執(zhí)行效果一致,必須使用并發(fā)控制策略對(duì)來(lái)自多方的事件進(jìn)行協(xié)調(diào).在并發(fā)控制方面,現(xiàn)有的各種群件應(yīng)用使用了不同方法,大致包括:集中控制法:全部狀態(tài)信息位于一處,保持一致,所以易于同步,事件通常按照先到先服務(wù)的次序進(jìn)行處理,不會(huì)產(chǎn)生失序;令牌傳遞法:系統(tǒng)中流動(dòng)著一張令牌,在同一時(shí)刻只允許一個(gè)用戶擁有令牌,令牌擁有者處于活動(dòng)狀態(tài),有權(quán)操作協(xié)作對(duì)象;封鎖法:封鎖法是保持?jǐn)?shù)據(jù)一致性的常用手段,它提供對(duì)共享數(shù)據(jù)的封鎖和解鎖,用以控制用戶的并發(fā)操作,此方法涉及加鎖和解鎖的時(shí)機(jī),截獲和釋放鎖的方法,以及鎖的粒度等3個(gè)問(wèn)題;事務(wù)機(jī)制法:所謂“事務(wù)”是指一個(gè)操作集,它被提交到所有站點(diǎn),這個(gè)方法采用Floor控制機(jī)制,即在同一時(shí)刻只允許一個(gè)用戶處于活動(dòng)狀態(tài).共享電子白板模塊中的并發(fā)問(wèn)題包括多個(gè)用戶同時(shí)控制電子白板中間一對(duì)象時(shí)的控制處理和共享電子白板中并發(fā)信息流的處理.(1)對(duì)電子白板對(duì)象的并發(fā)控制采用對(duì)象鎖和白板鎖兩種方式.對(duì)象鎖一次鎖住一個(gè)媒體對(duì)象;而白板鎖可以一次鎖住整個(gè)白板.電子白板中的任一對(duì)象在同一時(shí)刻只能被一個(gè)課堂成員所編輯.當(dāng)一個(gè)課堂成員想要對(duì)白板某一對(duì)象進(jìn)行編輯時(shí),服務(wù)器首先要確認(rèn)該對(duì)象是否已被鎖定.如果沒(méi)有被鎖定,該客戶對(duì)這個(gè)對(duì)象所做的編輯被接受,否則任何編輯都做無(wú)效處理.白板鎖控制機(jī)制就是在整個(gè)白板的編輯區(qū)域?qū)嵭幸粋€(gè)時(shí)刻只允許一個(gè)用戶操作,本虛擬教室系統(tǒng)中,只有老師有控制白板鎖的權(quán)限.(2)對(duì)電子白板中并發(fā)信息流的處理.對(duì)客戶和服務(wù)器間傳送的各種消息,無(wú)論是客戶端的本地消息,還是服務(wù)器端私有或廣播消息,都采用JAVA提供的對(duì)象串行化功能.所謂串行,就是對(duì)象的拷貝過(guò)程,此對(duì)象可以是事件或數(shù)據(jù).當(dāng)串行器接收到對(duì)象后,就會(huì)分配給此對(duì)象一個(gè)編號(hào),以保證事件按編號(hào)順序執(zhí)行.對(duì)這些消息所進(jìn)行的串行化處理是保證同步協(xié)同共享的前提條件.在服務(wù)器內(nèi)部,對(duì)多個(gè)用戶同時(shí)產(chǎn)生的輸入消息的處理方法是利用一個(gè)全局白板隊(duì)列,將課堂中同時(shí)輸入的消息串行化.MessageVector是JAVA中的Vector類(lèi),該類(lèi)中的各種方法保證了對(duì)Vector內(nèi)容的串行化操作.2.3課堂活動(dòng)主體用戶的通信導(dǎo)致本地操作由于虛擬教室是一個(gè)群體協(xié)作系統(tǒng),因而實(shí)現(xiàn)課堂成員間的多點(diǎn)通信是必不可少的.目前基于Internet網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,模擬多點(diǎn)通信的體系結(jié)構(gòu)有兩種:主從方式和對(duì)等方式.主從方式:基本Client/Server通信模式可方便的實(shí)現(xiàn)一對(duì)用戶間的通信.要想實(shí)現(xiàn)多用戶間的通信,最直接的模式為主從結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為系統(tǒng)中每個(gè)成員只與中央服務(wù)器建立實(shí)際的通信,成員間的通信需通過(guò)服務(wù)器的轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)完成.在主從方式下,用戶不需要保存Socket對(duì)象列表.每個(gè)用戶只需和服務(wù)器進(jìn)行連接,服務(wù)器建立相應(yīng)的用戶列表和Socket對(duì)象列表.用戶進(jìn)行操作時(shí),只需向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù),服務(wù)器根據(jù)用戶列表中的信息,轉(zhuǎn)發(fā)信息包,所以服務(wù)器承擔(dān)的主要任務(wù)就是對(duì)信息包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā).對(duì)等方式:在對(duì)等方式下,要實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)傳輸,就必須讓參加課堂的任何一個(gè)成員和其他所有成員都建立通訊連接.只有課堂管理者對(duì)用戶列表具有控制權(quán).每個(gè)新加入課堂的用戶一開(kāi)始都必須和課堂管理者進(jìn)行連接,課堂管理者把用戶的IP地址加入到用戶列表,并復(fù)制一份用戶列表信息發(fā)布給其他用戶,其他用戶接收到這些信息后,更新自己的用戶列表,創(chuàng)建新的Socket對(duì)象,與新加入的用戶建立相應(yīng)的虛電路,并把Socket對(duì)象加入到Socket對(duì)象隊(duì)列表中.當(dāng)用戶操作時(shí),必須掃描一遍自己的用戶列表,獲得每個(gè)參與者的權(quán)限后,再掃描Soc