應(yīng)悅 簡琤峰

摘要：本文針對基于云計算的遠程教育對實時性、多樣化、個性化交流的需求，提出了支持移動自主學習的云黑板教學模式，并設(shè)計開發(fā)了基于移動WEB的多用戶協(xié)同交流云黑板系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：遠程教育；協(xié)同技術(shù)；云黑板

中圖分類號：G40-057 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2016）19-0069-04

● 引言

當前的遠程教育系統(tǒng)，無法充分發(fā)揮教室內(nèi)傳統(tǒng)教學實時交互交流的優(yōu)勢。雖然能為用戶提供一定的協(xié)作交互環(huán)境，但都是按照系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置好的步驟進行，缺少靈活性。當需要實時溝通時，基本上是通過視頻、語音和文字的方式進行交流，可許多溝通是需要通過一種類似傳統(tǒng)課堂的黑板媒介來實時交互進行的，這一點在現(xiàn)有的遠程教學系統(tǒng)中卻很難實現(xiàn)。

因此，筆者結(jié)合當前的云教育平臺，研究了一種基于移動終端的支持自主移動學習的“云黑板”教學平臺，它具有支持模擬黑板協(xié)同交流、支持移動WEB跨平臺和支持多用戶在線實時參與的特點，能為遠程用戶提供實時交流，更能激發(fā)學生的學習興趣和學習動力，體現(xiàn)學生學習的能動性和自主性。

● 支持移動自主學習的云黑板模式

現(xiàn)代遠程教育由教師、網(wǎng)絡(luò)和學生三個關(guān)鍵要素組成。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)教育是教師在線直播，學生連接網(wǎng)絡(luò)接受授課的在線教育模式。然而直播并不能真正體現(xiàn)遠程教育對實時性的需求，即使學生能夠在線提問、在線留言。筆者提出的云黑板教學模式，不僅會有基本的多用戶語言交流，更能支持師生在云黑板平臺實現(xiàn)模擬黑板的操作，即教師在授課的同時，可以在云黑板上作圖，學生可以實時參與從而協(xié)同繪制，最終實現(xiàn)實時“你見即我見”的效果。云服務(wù)資源服務(wù)器的支持，以及云黑板移動終端客戶端的適配讓遠程教育用戶有了多樣化、個性化的選擇。對移動設(shè)備的支持，可以最大程度地減少教師開課以及學生上課時受到的時空限制；學生可以實時參與多種課程的學習，為自己制訂學習計劃，充分體現(xiàn)云黑板系統(tǒng)對多樣化、個性化需求的滿足。這樣，移動終端多用戶協(xié)同交流云黑板，真正做到了適應(yīng)任何人在任何時間、任何地點，選擇任何內(nèi)容進行學習，真正讓使用對象脫離計算機屏幕的約束，給參與者提供了一種舒適休閑狀態(tài)的學習啟發(fā)空間，提供了便利的隨時隨地參與學習的自主移動學習途徑。

作為為移動終端客戶端提供云黑板的后臺支持，服務(wù)器端運行云黑板支持系統(tǒng)還需要建立相應(yīng)的遠程教學資源庫。移動終端主要提供云黑板客戶端模塊，如下頁圖1所示，需要解決的關(guān)鍵技術(shù)有瀏覽器矢量圖形繪制與編輯、矢量圖形對象并發(fā)控制，同時需要解決基于服務(wù)器推送的協(xié)同設(shè)計功能。

● 關(guān)鍵技術(shù)

1.系統(tǒng)架構(gòu)

移動終端以安卓為例。圖2是云黑板系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)，從圖中可以看出這是一個混合應(yīng)用的設(shè)計方式，移動WEB客戶端被一個原生應(yīng)用承載?；旌闲偷脑坪诎逑到y(tǒng)移動客戶端不僅保留了一定的可移植性，還保證了類似原生應(yīng)用的體驗。移動終端客戶端主要分為基本矢量圖形接口、各功能模塊實現(xiàn)層、用戶接口調(diào)用層三層。底層基本矢量圖形的接口函數(shù)，提供繪制矢量圖形的上層調(diào)用，這一層是整個矢量圖形的核心層。功能模塊實現(xiàn)層能實現(xiàn)網(wǎng)頁矢量繪制平臺的大部分功能。在該層調(diào)用底層繪圖函數(shù)實現(xiàn)動態(tài)繪制、圖形數(shù)據(jù)的異步保存和協(xié)同繪制。最上層是矢量圖形顯示及用戶接口層，它為用戶提供繪制基本矢量圖形、選擇矢量圖形、編輯矢量圖形的工具，以及用戶當前操作的圖形顯示和操作狀態(tài)顯示。

2.關(guān)鍵技術(shù)

（1）移動終端的多用戶協(xié)同技術(shù)

在大多數(shù)情況下，協(xié)同設(shè)計架構(gòu)主要是C/S（Client/Server）結(jié)構(gòu)，服務(wù)器能夠?qū)崟r向客戶端推送更新的消息，而不需要客戶端向服務(wù)器請求。云黑板客戶端為了保持自身的優(yōu)點，采用了混合模式APP，其核心是移動WEB。且在移動WEB的B/S（Browser/Server）結(jié)構(gòu)中，移動WEB客戶端需要獲得服務(wù)器上更新的信息，必須通過請求響應(yīng)模式，這種模式下用戶獲得的數(shù)據(jù)沒有實時性，而且有大量不必要的數(shù)據(jù)更新，因此會產(chǎn)生大量冗余數(shù)據(jù)的傳輸。為了解決這一問題，筆者專門研究了服務(wù)器推送的原理，實現(xiàn)了通過長連接技術(shù)，將服務(wù)器端更新的矢量圖形推送給相應(yīng)的移動WEB客戶端，從而達到類似C/S結(jié)構(gòu)實時推送的效果。

為了能在移動WEB客戶端的B/S結(jié)構(gòu)中保證前后端通信的實時性，需要建立客戶端和服務(wù)器端之間的長連接。這里采用的WebSocket能更好地節(jié)省服務(wù)器資源和帶寬，并達到實時通訊。為了在原生應(yīng)用下實現(xiàn)用戶登錄以及聊天功能，客戶端使用了socket.io，而與服務(wù)器建立了另外一條消息通道。socket.io封裝了WebSocket，同時包含了其他的連接方式，如Ajax等。

矢量圖形的協(xié)同數(shù)據(jù)交換過程包括矢量圖形的特征基本屬性信息到矢量圖形協(xié)同特征數(shù)據(jù)模型交換、矢量圖形協(xié)同特征數(shù)據(jù)模型的網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)器數(shù)據(jù)推送、矢量圖形協(xié)同特征數(shù)據(jù)模型到矢量圖形的數(shù)據(jù)交換。

每一個繪制的圖形將被保存到一個Model對象中，協(xié)同的基本原理是：一個客戶端更新圖形后，將更新后的Model通過socket.io提交到服務(wù)器，由服務(wù)器向其他客戶端進行廣播，再由其他客戶端對數(shù)據(jù)進行顯示。

（2）矢量圖形繪制及沖突檢測

圖形的繪制包括圖形對象的創(chuàng)建、更新、存儲。所有矢量圖形繪制都是基于像素的，它們是矢量圖形的最基本單元。如果能在網(wǎng)頁中創(chuàng)建一個最基本的像素單元，使其通過控制這些像素單元的顯示來繪制矢量圖形，就方便多了?；诖嗽?，筆者以DHTML和JavaScript為開發(fā)語言，使用寬為lpx，高為lpx的Div對象作為一個像素。有了像素單元，所有標準圖形將可以直接應(yīng)用計算機圖形學相關(guān)繪圖算法實現(xiàn)繪圖。例如，直線將可直接應(yīng)用Bresenham快速畫直線的算法。簡單地說，就是直接在滿足給定直線方程的坐標上繪制像素。據(jù)此類推，矩形可由四個直線方程表示，填充則是在一個封閉區(qū)域畫滿像素。

由于當前移動WEB瀏覽器平臺純網(wǎng)頁模式下不存在圖形繪制環(huán)境，不存在基本的圖形庫，因此需要從底層最基本的矢量繪制開始，構(gòu)建相應(yīng)的圖形庫，主要建立二維基本矢量圖形庫?；谝苿覹EB瀏覽器網(wǎng)頁的圖形繪制實現(xiàn)，性能好壞至關(guān)重要。它一方面與移動終端硬件以及瀏覽器的Render Engine緊密相關(guān)，另一方面與圖形的實現(xiàn)算法并結(jié)合網(wǎng)頁元素的特性來表示一些基本的矢量圖形。這樣能大大減少表示矢量圖形的基本像素網(wǎng)頁元素，性能優(yōu)化主要做這方面的工作。這個過程可以在瀏覽器支持和安全允許的前提下，借用HTML5的canvas圖形引擎功能，直接進行圖形繪制和性能優(yōu)化的實現(xiàn)。

在網(wǎng)頁上，支持二維矢量圖形協(xié)同繪制平臺中所定義的圖元的操作有矢量圖形繪制、選擇、修改、移動、刪除等操作。假設(shè)我們定義矢量圖形的操作集合OP，OP={P，S，C，M，D}，其中P代表繪制，S代表選擇，C代表修改，M代表移動，D代表刪除。

針對網(wǎng)頁矢量圖形繪制環(huán)境下并發(fā)操作的沖突檢測，設(shè)用戶Ui，執(zhí)行操作為OPi，該操作所作用的矢量圖形記為Gi，用戶Uj，執(zhí)行操作為OPj，該操作所作用的特征對象記為Gj，（Gi可以等于Gj），通過以下步驟檢測并發(fā)沖突：①如果Ui操作是繪制矢量圖形Gi，OPi=P，則Uj的操作不與其他用戶產(chǎn)生沖突，檢測結(jié)束。②如果Ui操作是選擇矢量圖形Gi，OPi=S，則Uj的操作與其他用戶操作不產(chǎn)生沖突，沖突檢測結(jié)束。③如果Ui操作是修改矢量圖形Gi，則Uj與所有與其并發(fā)的且對Gi的操作OPj且OPj不屬于{P，S}，產(chǎn)生操作沖突，沖突檢測結(jié)束。④如果Ui操作是移動或刪除矢量圖形Gi，則Uj與所有與其并發(fā)的且對Gi的操作OPj且OPj不屬于{P，S}，產(chǎn)生操作沖突，沖突檢測結(jié)束。

（3）多用戶并發(fā)控制策略

多用戶同時操作有很大可能會產(chǎn)生沖突，因此需要并發(fā)控制。在分布式系統(tǒng)、多線程系統(tǒng)中，并發(fā)控制是普遍需要解決的問題，它也是計算機協(xié)同系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。在實時計算機協(xié)同系統(tǒng)中，會存在多個不同用戶都需要訪問的共享對象（如云黑板中的矢量圖形圖元等），因此系統(tǒng)需要對多個不同用戶訪問共享對象的操作進行實時響應(yīng)，這樣才能達到“你見即我見”的效果。由于多個不同用戶同時對一個矢量圖形的并發(fā)訪問是不可避免的，因此會發(fā)生不可避免的沖突，并發(fā)控制策略是為保證數(shù)據(jù)的一致性而必須采取合適的策略。其主要目標是保證在對共享資源并發(fā)訪問的情況下，能正確地操作共享資源。筆者主要采用對矢量圖形加鎖和協(xié)同感知技術(shù)，來解決和避免多用戶同時操作矢圖元產(chǎn)生的沖突。

對所繪制的矢量圖形加鎖是保證數(shù)據(jù)一致性的常用手段，它是對用戶訪問的共享對象進行加鎖和解鎖操作。用戶在對矢量圖形進行繪制、修改、刪除操作之前，必須先對該矢量圖形對象進行加鎖，防止其他用戶進行操作，從而滿足用戶對矢量圖形對象進行操作的要求。其他用戶在訪問加鎖以后的矢量圖形對象時，如果得不到該對象的訪問權(quán)限，就必須等待，直到用戶釋放控制此矢量圖形對象的鎖后，才能訪問。

所謂協(xié)同感知是指群體協(xié)作環(huán)境能夠在不影響其他參與者協(xié)同工作的情況下，將一個參與者的信息傳遞給各協(xié)作參與者，使得各協(xié)作參與者能夠彼此感知到對方的狀態(tài)信息。其目的是模擬現(xiàn)實世界的協(xié)作過程，讓參與協(xié)作的人在計算機環(huán)境中了解其他人的活動，從而為自己的活動提供一個“上下文”環(huán)境，消除由空間上的分布帶來的割裂感。

筆者將上述兩種方法融合，應(yīng)用到云黑板系統(tǒng)中，實現(xiàn)了當一個用戶編輯某個對象以后，整個編輯過程將被協(xié)同，其他用戶可以看到其編輯過程，但不能獲得圖形對象的編輯焦點，需要等待當前編輯用戶完成編輯才能操作。

● 系統(tǒng)實例

云黑板系統(tǒng)采用Nodejs服務(wù)器，當網(wǎng)絡(luò)正常連接到服務(wù)器且登錄成功后，可以直接選擇工具箱中的內(nèi)容協(xié)同作圖。圖3中左圖即為協(xié)同作圖效果圖，顯示了當前參與協(xié)同的用戶。圖3中右圖為用戶聊天的實現(xiàn)效果。用戶可以隨時交流，獲取資源，體現(xiàn)移動自主學習。

● 總結(jié)

云黑板系統(tǒng)不僅可作為遠程教育教學平臺，也可推廣到各種教育培訓機構(gòu)中使用，作為企業(yè)集團培訓、企業(yè)客戶培訓等移動終端輔助產(chǎn)品。終端用戶可以是教育人員，也可以是企業(yè)客戶以及其他類型參與人員。該系統(tǒng)既吸收了傳統(tǒng)遠程教育平臺優(yōu)點，又突出了移動終端的優(yōu)勢，真正做到了施教者與受教者能夠不受時空限制，隨時隨地學習?？梢姡嫦蛞苿咏K端的云黑板系統(tǒng)使用范圍廣泛，應(yīng)用前景廣闊。

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作者簡介：應(yīng)悅，副研究員，碩士，研究方向為遠程教育與技術(shù)發(fā)展；簡琤峰，副教授、博士，研究方向為云計算、CAD。

基金項目：本文為浙江省科技廳公益技術(shù)研究工業(yè)項目“支持移動終端手勢識別的‘云黑板’教學平臺”（項目編號：2014C31068）的部分研究成果。