基于泛在學習的虛擬網絡實驗系統(tǒng)的設計研究

宋佳艷

摘 要：泛在學習理論作為一種全新的教學思想，其產生與教育信息化發(fā)展密不可分，尤其是伴隨虛擬仿真技術的日益成熟，虛擬網絡已經在很大程度上代替了實際網絡，并廣泛應用于科研學術領域。在這兩者深入融合的大背景下，基于泛在學習的虛擬網絡實驗系統(tǒng)也正式被提出，它的發(fā)展具有十分重要的意義，它能很好地幫助破解當前網絡實驗教學中面對的諸多難題，并顯著增強虛擬網絡實驗平臺的多樣性、靈活性、泛在性、互動性等特點。

關鍵詞：泛在學習；虛擬網絡；實驗系統(tǒng)

中圖分類號：TP393.0；TP181 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）02-0100-03

Research on the Design of Virtual Network Experiment System Based on Ubiquitous Learning

SONG Jiayan

（Nanjing Institute of Railway Technology，Nanjing 210031，China）

Abstract：As a new kind of teaching idea，the production of ubiquitous learning theory is closely related to the development of education information. Especially with the growing maturity of virtual simulation technology，the virtual network will replace the actual network and will be widely used in the field of scientific research. With the integration of the two. The virtual network experiment system based on ubiquitous learning has been proposed，and its development has a great significance. It can solve many problems existing in current network experiment teaching. It also increases the diversity，flexibility，ubiquitous and interactive features of the virtual network experiment platform.

Keywords：ubiquitous learning；virtual network；experimental system

1 泛在學習的概念

所謂泛在學習，指的是以學習者為主體，以滿足知識構建為目標，以完成學習任務為重點，基于信息技術的新興“自然”學習方式。這種學習方式堅持以實際問題為切入點，并注重構建有效的學習情境，讓學習者融入實際生活，從而增強學生學習的自主性和學習興趣，進而幫助學生獲得全面的知識體系。對于學習者來說，在應用泛在學習的過程中，技術僅僅承擔改善學習環(huán)境的輔助作用，不會增加額外的學習壓力，這能保證學習者集中精力進行學習。

早在上世紀80年代末期，美國著名學者Mark Weiser就闡述了泛在計算的相關定義。他指出，泛在計算的核心理念是使用戶和計算技術相互分離，而將服務融于周圍環(huán)境之中，用戶只需處于這一特定環(huán)境下，在潛意識上就能與環(huán)境互動，并獲得相應的服務，但用戶自身并不知道服務的來源。泛在學習作為一種新的學習方法，它強調尊重學生的主體地位，通過計算機信息技術與教育地有機融合，營造出滿足學習需要的有利情境。在這種情境中，學生能夠深刻地理解問題本質，并與現(xiàn)實世界相融合，從而形成系統(tǒng)的知識體系構建。

2 基于泛在學習理念的實驗教學系統(tǒng)的組成

基于泛在學習理念的實驗教學系統(tǒng)的組成，人們通常認可其包括三個方面：一是通訊網絡，它是整個教學環(huán)境的基礎，它處于最底層，其主要作用是滿足教學的數(shù)據(jù)傳輸需求，并提供必要的軟件和硬件支撐，因此也可以說它是各種網絡課程資料的基礎；二是資源與服務網絡，簡單地說，它以互聯(lián)網通訊技術為基礎，實現(xiàn)網絡資源節(jié)點和服務節(jié)點的相互聯(lián)通，并形成基于語義關聯(lián)的課程資源網絡，承載各種學習資源；三是人際網絡，它是網絡課程資源的直接服務對象，也是整個教學系統(tǒng)的關注核心，指的是學習者所構成的關系組織，圖1直觀地描述了這一基本模型的結構關系。

與傳統(tǒng)教學模式相比較，這一基本模型所涉及的學習主體、資源及環(huán)境等方面均發(fā)生了根本性的改變。比如，學習者不再受到教室課程和老師的限制，而是能夠根據(jù)自己的需要從教學系統(tǒng)中搜索自己想要的知識內容，這些知識內容豐富、分散、靈活，對學生來說具有極大的便利性。基于這一教學模式，學習者能夠更好地進行知識互動與分享，其流動性十分明顯。此外，在學習期間，教學者能夠系統(tǒng)地分析共享知識內容，以便采取任務教學和模塊分類的方式，科學地設計實驗方案、學習內容和教學手段等，從而滿足不同學習者的需要。

3 基于泛在學習的虛擬實驗系統(tǒng)的需求分析

作為一種將現(xiàn)代信息技術和教學理念相結合的新教學方式，基于泛在學習的虛擬實驗系統(tǒng)首先要關注的對象是用戶，而與傳統(tǒng)教學相對比，這里的用戶既包括教師，也包括學生。其中，為了滿足學生的學習需求，提升學習主動性和綜合體驗，系統(tǒng)在進行設計時，關鍵是確保底層的透明性，也就是說用戶不用了解各種模塊的技術參數(shù)和數(shù)據(jù)處理原理等，也不用參與實驗腳本的編制，他們只需借助拓撲圖，就能自動完成腳本的產生和修改，而在執(zhí)行腳本以后，就能直觀地查看數(shù)據(jù)統(tǒng)計情況，方便地完成各項實驗程序。此外，實驗系統(tǒng)還需滿足不同的教學需要，例如通過開發(fā)資源管理功能實現(xiàn)資源的靈活儲存和使用。另外為滿足多點相互交流，系統(tǒng)還應具備在線互動、自主評價等功能。

4 虛擬實驗系統(tǒng)設計

4.1 系統(tǒng)總體設計

在遵從泛在學習理念的基礎上，可對照其基本特征進行需求分析，從而依據(jù)功能差別劃分不同的模塊。由此可將實驗系統(tǒng)分成以下幾類模塊：

（1）用戶管理模塊，主要進行用戶的初始注冊、登陸、資料修改等操作；

（2）實驗管理與交流模塊，該模塊主要滿足教學者的實驗任務布置、方法講授和資源管理等功能，同時還能滿足學生在線交流、互動教學和評價反饋等需要。

（3）實驗生成模塊，主要用于繪制拓撲圖，產生和修訂實驗腳本等。

（4）實驗平臺模塊，對模擬軟件進行整合，用于執(zhí)行腳本、處理數(shù)據(jù)，并輸出實驗結果和分析報告等。

4.2 實驗生成模塊設計

依據(jù)泛在學習理念，其主要優(yōu)勢在于滿足用戶的泛在性需要和自適應要求，也就是用戶無論何時何地都可以方便地進入系統(tǒng)進行學習。不過系統(tǒng)所選取的模擬軟件均對腳本編輯的專業(yè)性要求較高，對于學習者來說難以掌握和使用。所以，需要借助繪制拓撲圖這一方法來滿足實驗構建所要求的可視化需求。為了滿足泛在學習的交互性需求，相關拓撲圖必須作為資源管理對象長期保存，為此系統(tǒng)開發(fā)了拓撲圖生成程序。另外，為了實現(xiàn)系統(tǒng)的透明性，使用戶無需關注相關技術細節(jié)，還要設計統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結構，使其置業(yè)務邏輯層和表示層，從而隱藏腳本與拓撲圖之間的轉化。

在生成拓撲圖的時候，需要關注節(jié)點或鏈路這兩個目標對象。其中，節(jié)點指的是網絡協(xié)議、器材和設備等實物；鏈路代表了節(jié)點間的有關元素，如介于不同設備之間的物理連接以及基于網絡的數(shù)據(jù)發(fā)送與接受等。由于節(jié)點和鏈路類型較多，為了更好加以區(qū)分，系統(tǒng)在UI層設計了配套的元素屬性。比如，涉及鏈路的有文字、色彩、相連接點等等，涉及節(jié)點的則有文字、色彩、圖形、大小等。

拓撲圖的生成，以主要數(shù)據(jù)結構為基礎，它采用JavaScript的動態(tài)原型方式定義系統(tǒng)表示層，因而可以確保全部通用函數(shù)均適用于類的所有實例。同時，對各類的實例變量來說，還定義了一個專門的全局變量數(shù)據(jù)，其作用是存放全部實例變量引用，比如代理類實例全部存放于AgentNodeArray。此外，為了記錄各類生成的實例數(shù)量，系統(tǒng)還有一組全局變量id，它的作用是識別已有拓撲，以便為新元素節(jié)點編制合理的編號。生成拓撲圖的最后一個步驟，就是把實例化對象全部轉化為JSON字符串。

4.3 實驗平臺模塊設計

為滿足系統(tǒng)透明性需要，也就是使用戶看不見模擬、分析等程序，這就要求實現(xiàn)執(zhí)行腳本、數(shù)據(jù)處理分析的不可見性。對于用戶來說，執(zhí)行腳本均為異步操作，當不同任務被同時提交時，那么就需要解決任務排隊問題，系統(tǒng)所采用的方式為生產者—消費者模式，即相關任務通過請求線程寫進任務隊列，同時會提醒守護線程完成任務轉發(fā)操作，在中間件接收到任務后，會進一步分發(fā)到應用服務器。守護線程在無任務需處理的時候，會自動轉為等待狀態(tài)。

使用者對實驗教學系統(tǒng)的反饋需要建立在實驗結果這一基礎上。應該說，Dynamips的最大優(yōu)勢是能實現(xiàn)完整模擬，這能滿足不同組網模擬的實驗需要，但是其缺點也很明顯，那就是需要使用者自行配置虛擬網絡設備。而NS2和NS3的實驗結果幾乎覆蓋了協(xié)議模擬的所有細節(jié)，所以本文在進行功能設計時，主要對NS模塊加以分析。

4.4 實驗管理與交流模塊設計

4.4.1 消息與文件傳輸設計

對于實驗管理模塊來說，其中心功能是傳遞資料和信息。當用戶與網絡服務器相連時，模塊的業(yè)務邏輯層便會自動實例化一個對應的Socket管理類，此時用戶使用賬號和密碼進行登陸識別。使用過程中，用戶所發(fā)出的信息需要經過Socket容器來匹配接收者，從而完成信息傳遞。

用戶在傳輸文件的時候，不僅可手動完成，也可異步提交。系統(tǒng)的Upload Handler類可用于完成異步提交，所涉及的提交對象有：編輯實驗文本時候自動存儲、文檔中的圖片、與他人交流時候的附件上傳等。依據(jù)AJAX所提交的不同參數(shù)，系統(tǒng)能根據(jù)需要選定文件類型、上傳大小、存儲位置和上傳編碼等要求。

4.4.2 即時通信設計

交互性是基于泛在學習實驗課堂的要求，即學習者能夠在使用中自由交流。即時通訊模塊成為Web應用的首選。

通常來說，聊天室一般采用兩種方式實現(xiàn)聊天功能。一是輪詢，所謂輪詢，指的是借助AJAX在固定時段向服務器發(fā)送指令來得到信息，不過輪詢間隔主要取決于網絡負載情況，如果輪詢頻率較低，則信息可能缺乏時效性，但高頻輪詢則會增加服務器的運行壓力；二是長輪詢，它指的是維持服務器與瀏覽器之間的長連接，確保瀏覽器能夠發(fā)送指令請求，而服務器反饋消息，基于這種方式就需要專門的HTTP連接，不過與輪詢相比，當信息量過大的時候，長輪詢性能表現(xiàn)不佳。

4.5 中間件設計

4.5.1 中間件功能設計

依據(jù)泛在學習的可拓展和開放性需要，虛擬網絡實驗系統(tǒng)應滿足下面幾點要求：

（1）當功能需求增加時，系統(tǒng)模塊也要同步調整，有關模擬軟件也必須很好地融合，所以需要設計出規(guī)范的數(shù)據(jù)傳輸接口；

（2）由于不同的軟件適用不同地系統(tǒng)，比如NS只能運行于Linux系統(tǒng)，而Dynamips既有Windows版本，也有Linux版本。對此，應該考慮如何把系統(tǒng)和服務器分開，同時研究適合二者的通訊模式；

（3）當系統(tǒng)在泛在環(huán)境下運行時，用戶的訪問具有不可預測性，可能出現(xiàn)大量訪問和多來源訪問等情況。通過實驗可知，采用NS模塊時，當普通計算機對應高達幾十個節(jié)點的網絡數(shù)量時，其模擬時間為十多秒，有時甚至會達到幾分鐘。如果許多用戶在同一時間集中執(zhí)行任務，那么服務器的運行壓力會迅速增加，而任務不能同時處理，只能進行排隊，而等待時間有時會很長，因此這是系統(tǒng)必須解決的關鍵問題。

對此，系統(tǒng)配置了中間件，對發(fā)生于表示層和業(yè)務邏輯層之間的信息傳輸，統(tǒng)一的接口標準能夠實現(xiàn)功能模塊很好地拓展，而且借助遠程技術實現(xiàn)與服務器的信息交互，這就可以完成遠程操作和文件收發(fā)。期間，對于性能瓶頸問題可以采用負載均衡策略來破解。

4.5.2 數(shù)據(jù)交換接口設計

對于表示層和業(yè)務邏輯層來說，為滿足二者之間的數(shù)據(jù)交換，需要通過中間件規(guī)范接口調用標準，使系統(tǒng)解禍與前后端相互分離，這有利于系統(tǒng)模塊的繼續(xù)拓展。為此，應該設計統(tǒng)一的接口定義，確保全部模塊的表示層在與業(yè)務邏輯層之間進行信息傳遞時，必須遵循接口標準。當還需對系統(tǒng)功能進一步拓展時，僅需依據(jù)統(tǒng)一的接口標準進行信息傳遞，同時編寫所需的處理程序，就可以便捷地把新模塊融入系統(tǒng)中。

5 結 論

基于泛在學習的虛擬網絡實驗教學系統(tǒng)是技術發(fā)展與教育需求相結合的產物。文章在闡述了相關理論和概念內涵的基礎上，從整體上進行了系統(tǒng)設計，闡述了組成系統(tǒng)的不同模塊，主要有實驗生成模塊、平臺模塊，以及資源管理與交流模塊，并依據(jù)功能需要進行了設計分析，最后文章還對中間件設計進行了深入分析。通過文章研究可見，作為新時期的一種新興教學模式，該實驗系統(tǒng)能夠滿足當前絕大多數(shù)的實驗課程教學需要，它在對各種軟件進行有效整合的基礎上，通過可靠的資源管理和教學控制，能夠滿足使用者的靈活使用、交流互動和自主選擇等需求，充分展示了其多元性和實用性。另外，該系統(tǒng)具有很強的拓展功能，能夠依據(jù)未來的課程教學需要，對其結構和模塊進行進一步地優(yōu)化和整合，來適應新時期地教學需要，從而促進教學效率和教學質量地提升。

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