基于對等網絡的協作學習系統研究

劉宇　金瑜　李鵬

摘 要 文章針對傳統協作學習系統所存在的問題，研究了基于對等網絡的協作學習系統。該系統可利用對等網絡的技術優勢，從資源共享、學習資料備份、激勵/懲罰機制以及流媒體展現等方面提升協同學習系統的功能，可滿足協同學習時不同應用場景中用戶對信息交互的需求，進而增強協同學習參與者的學習效果。

關鍵詞 協同學習 對等網絡 信息系統

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

Collaborative Learning System Based on Peer Network

LIU Yu， JIN Yu， LI Peng

（Computer Science and Technology， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan， Hubei 430065）

Abstract Traditional collaborative learning system problems studied based on peer network collaborative learning system. The system can take advantage of the technological advantages of the peer network， from resource sharing， learning data backup， incentive / penalty mechanism and streaming media to show other aspects to enhance collaborative learning system features to meet different application scenarios when the user collaborative learning in information exchange demand， thus enhancing collaborative learning participants' learning effectiveness.

Key words collaborative learning； peer network； information system

隨著高校的擴招，學生數量的增加阻礙了教師與學生在常規課堂上的交流，降低了教學的效果，因此如何運用互聯網的技術來促進教師與學生、學生與學生之間的交流已成為廣泛研究的課題。比如，BBS（Bulletin Board System）作為一種互聯網上的電子信息服務系統，已被運用到網絡公選課①和英文本科教學；②針對傳統協作學習系統代價昂貴的問題，開源的課程與教學管理系統Sakai被運用到網絡教學，從而鼓勵學生自主學習和小組協作。③盡管上述信息系統能夠在一定程度上解決教師和學生、學生與學生之間的交流問題，但存在對網絡環境要求較高、學習資料較難檢索、無協作學習激勵/懲罰機制等問題。為了解決上述問題，基于互聯網的協作學習系統亟需引入更為先進的信息服務技術，比如：對等網絡技術（Peer-to-Peer）、網格計算和云計算技術等。

1 現有的互聯網協作學習系統

在協作學習的過程中，參與者相互交流、幫助以及合作，充分利用成員之間的差異性和互補性，從而達到所有參與者學習效果最大化的目的。當今，互聯網技術的日益普及逐步消除了人與人之間交流的時空限制，同時也深刻地影響著協作學習過程中每位參與者。在互聯網環境下，每位參與者均可共享學習資料、解答疑問，甚至同時在線解決大型課題。因此，在互聯網學習系統中，教師從知識的傳授者轉變為學習的引導者、學習任務的管理者，比如：教師可以根據學生的學習情況動態地調整教學進度和教學方式；同時，學生從知識的接受者轉變為學習的主導者、知識的共享者，比如：每個學生可以與其他參與者共享學習資料，或者進行問題解答。雖然基于互聯網的協作學習優勢明顯，但是依然面臨著以下問題有待解決。

首先，基于傳統互聯網技術的信息系統對教育機構的硬件、軟件資源和網絡資源要求較高，需要投入大量的人力和物力維護系統的穩定運行。信息系統的穩定決定著用戶的體驗，而在線協作學習系統直接影響著學生學習知識的興趣。在線學習的不良體驗甚至會導致學生失去動力參與線下常規的教學活動。其次，傳統的協作學習系統所提供的資料管理功能較簡易，既無法高效地檢索資源也沒有冗余備份的功能，往往會導致學生無法獲取資料，而學習資料在協作學習過程中至關重要。最后，傳統的協作學習系統所提供的交互方式較為簡單，比如：BBS主要是通過文字和圖片的方式進行信息的交流，而該方式在某些協作學習場景中效率較低。因此，聲音和視頻等多種流媒體形式需要在協作學習系統中采用，以提高協作學習的效率。

2 基于對等網絡的協作學習系統

2.1 對等網絡

對等網絡是當今運用最為廣泛的分布系統體系結構之一。不同于傳統互聯網的體系結構，對等網絡中的節點既是服務的提供者，也是服務的使用者，充分了體現了人類社會中“我為人人，人人為我”的理念?；谠擉w系結構，以往較復雜甚至無法完成的任務，可被分割并分配到各個節點進行處理，充分地利用對等網絡中的各種資源，提高資源的利用率，從而加速了任務的完成。當前，對等網絡技術已被廣泛地應用于文件共享、④流媒體⑤和科學計算⑥等多個領域。

2.2 協作學習系統中資源的共享

在基于對等網絡的協作學習系統中，資源可以從不同角度進行分類。從資源的類型分類，資源可分為硬件資源、軟件資源和網絡資源。當需要計算問題或者存儲資料時，協作學習的參與者可以根據系統的分配使用相關硬件資源；當需要查找學習資料時，協作學習的參與者可以運用對等網絡內置的檢索引擎查閱系統中的軟件資源，包括：學習所需的軟件和資料；當參與者需要發布學習資源時，可以充分地利用系統中的網絡資源，提高發布任務的效率。從資源的所有者進行分類，資源可分為教師資源和學生資源。教師資源是指由教師所有并發布到協作學習系統中的資源，具有較高的可靠性和可信度，例如：教師在系統中所公開的服務器應具有相當的穩定性，保證為協作學習的參與者提供不間斷的服務；教師所發布的學習資料可信度較高，應當被參與者廣泛認可。學生資源是指學生在參與協作學習時所共享的資源，因此相對于教師資源而言，硬件資源的可靠性和資料的可信度均較低。從資源的使用權限進行分類，資源可分為可編輯和不可編輯類型。在協作學習過程中，可編輯的資源是必不可少的。通過可編輯資源，參與者可以相互交換信息，即時地傳遞每個人的想法。不可編輯資源通常為系統權威人士所發布的資源，比如：教師發布的課程課件等。endprint

2.3 學習資料的冗余備份

傳統的協作學習系統常采用的體系結構為C/S（Client/Server）模式，該模式決定了要實現對學習資料的備份，以保證系統的可用性，必須在現有系統中增加額外的備份服務器，從而增加了系統的搭建成本和維護成本?；趯Φ染W絡的協作學習系統則可充分地利用對等網絡的優勢：每個節點均可對重要的學習資料進行冗余備份，即使部分節點退出系統，依然能夠保證協作學習的參與者能下載到所需的學習資料。

如何快速地檢索所需的學習資源是所有協作學習系統必須考慮的重要問題之一。基于C/S模式的系統常采用單一服務器來提供檢索服務，而基于對等網絡的協作學習系統則可以采用更為先進的分布式檢索技術，比如：結構化對等網絡中的分布式哈希表。該技術不僅能幫組學習的參與者更加快速地找到自己所需的資源，而且在一定程度上避免單點失效的問題。此外，改進的分布式哈希表能幫助用戶找到更合適的資源。⑦

2.4 協作學習的激勵/懲罰機制

在協作學習過程中，如何激勵各個角色都積極地參與到學習的每個環節是被廣泛研究的課題。良好的激勵/懲罰機制不僅能夠使學習效果最大化，而且對參與者的社交能力和團隊合作能力均有較大的提升；無激勵/懲罰機制或不合適的激勵/懲罰機制往往會導致某些學生參與協作學習的熱情不高，僅僅只是被動地接受知識，并沒有與系統中的其它用戶進行互動。其實，基于對等網絡的應用系統同樣存在類似的問題，如：搭便車現象——指對等網絡中的節點只享受信息資源服務而不為系統作貢獻的行為。實踐表明搭便車的現象會隨著時間的推移，日趨嚴重甚至導致系統無法正常工作。因此，基于對等網絡的協作學習系統可以充分地借鑒現有對等網絡中的激勵/懲罰機制來激發參與者的學習熱情。

首先，基于對等網絡的協作學習系統需要科學地度量每位學習參與者的貢獻度。貢獻度的度量可以從自我評價和他人評價兩個方面進行。自我評價主要參考的是參與者貢獻知識的信息量和獲取知識的信息量，可分別對應于向系統上傳的文件數量和從系統中下載文件數量。他人評價是指學習過程中其他人對某參與者的評價，如：上傳的資料是否有用、回答的問題是否正確等。

運用上述已測量的貢獻度，協作學習系統可以運用不同的方法對各位學習參與者進行激勵/懲罰。在社會經濟活動中，博弈論常被用于選擇最優行為策略的問題。顯然，協作學習系統可以采用該方法來懲罰不積極的參與者。此外，社會網絡方法和市場機制模型也可用于同樣的目的，從而提升學習效率的整體提升。

2.5 基于流媒體的交互式協作學習

對于采用C/S模式的協作學習系統，參與者數量的增加會造成服務器負載加重和網絡擁塞，因此大部分協作學習系統無法支持基于流媒體的交互式學習。基于對等網絡的協作學習系統規定節點之間需相互共享數據，可充分地利用各個節點的網絡資源，而且無需額外的網絡基礎設施的支持。當實時播放課程視頻時，系統中的節點可以采用樹狀結構進行組織——每個收到視頻數據包的節點，只需將視頻數據轉發給其子節點；當進行交互式討論時，系統可以采用數據驅動的方法——每當數據有改變時，節點將數據發送給討論組的其他成員。對于基于對等網絡的協作學習系統，流媒體技術的引入可以更加形象地展現知識，增加了參與者之間交互的方式，彌補了傳統協同學習系統的不足。

3 總結

本文研究了基于對等網絡的協作學習系統，分析了對等網絡技術可以從資源共享、資料備份、激勵/懲罰機制和流媒體展現等方面提升協作學習系統的性能，可滿足協同學習時不同應用場景中用戶對信息交互的需求，從而提升協作學習的效果。

本文由以下項目提供支持：湖北省教育廳科學研究計劃項目B2014085，武漢科技大學教學研究項目2007058x

注釋

① 武麗志，繆玲. 多校學生共同參與課程BBS討論的交互分析. 中國遠程教育，Vol.9，2013.

② 肖俊洪. 基于BBS平臺的生生異步交互模式研究. 中國遠程教育，Vol.17.2005.

③ 陸正球， 何廣軍. Sakai協作學習系統在高校的應用. 杭州師范大學學報，Vol.8， No.6，2009.

④ 歐陽榮， 雷振明. BitTorrent類型P2P系統模型研究與性能分析.北京郵電大學學報，Vol. 29，2006.

⑤ 李真真， 張志斌， 杜躍進. P2P在線視頻研究綜述. 計算機應用研究，Vol.26， No.6，2009.

⑥ 文元橋. 協同地球科學計算環境的架構設計. 計算機工程與應用. Vol.46， No.19，2010.

⑦ 劉宇， 李鵬. 基于蟻群搜索算法的語意對等網絡協議.計算機應用研究，Vol.27，No.12，2007.endprint