基于cscw的虛擬教室中電子白板的設(shè)計與實現(xiàn)

基于cscw的虛擬教室中電子白板的設(shè)計與實現(xiàn)

虛擬教室是為了模擬物理教室環(huán)境而使用計算機和網(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)作為虛擬教室一個工具模塊,是計算機支持的協(xié)同工作系統(tǒng)中的一個重要同步交流工具,它利用一定的通信手段建立一個電子環(huán)境的虛擬功用區(qū)域,使位于不同地點的人員可以在“共同”的屏幕上討論問題,其中任何一方的活動(繪圖、對話、標(biāo)注和其它動作等)都能實時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)用計算機支持的協(xié)同工作CSCW(ComputerSupportedCollaborativeWork),即一個群體中的多個成員,同時使用分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的多臺計算機系統(tǒng)工作,共同完成某一項任務(wù).它體現(xiàn)了信息時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)揮計算機網(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.計算機支持協(xié)同工作主要涉及計算機網(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)庫和分布式系統(tǒng)技術(shù),并與心理學(xué)、系統(tǒng)工程、社會學(xué)等多門學(xué)科緊密結(jié)合.CSCW的應(yīng)用是虛擬學(xué)習(xí)過程中的協(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,強調(diào)協(xié)同工作、交互討論、分工合作、共同完成某項教學(xué)任務(wù).CSCW應(yīng)用可按照時間與空間進(jìn)行分類,從時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)和同步會議系統(tǒng).2開展虛擬教室共享電子白板的關(guān)鍵技術(shù)和具體實現(xiàn)2.1事件消息共享機制應(yīng)用共享(SharingApplication)是支持群組通信活動的一個重要機制.當(dāng)被共享的應(yīng)用程序執(zhí)行任一用戶的輸入時,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)用共享按運行應(yīng)用程序的站點來分一般有兩種實現(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)用程序在一個站點運行,所有參與者對該程序的輸入都要傳輸?shù)竭@個站點,而程序的輸出通過網(wǎng)絡(luò)傳送到其它站點,其它站點相應(yīng)的軟件負(fù)責(zé)在屏幕上產(chǎn)生相同的輸出界面.在任一時刻,只能有一個參與者對這個程序擁有控制權(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)用程序在每個站點都同時運行,每個站點對應(yīng)用程序的輸入事件都要發(fā)送給所有其它站點上運行的應(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制.如圖1所示,編輯電子白板的繪圖動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)來的消息,并進(jìn)行處理,然后修改服務(wù)器中的白板對象隊列,并將修改后的隊列消息(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)的繪圖動作.因此,整個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)送來實現(xiàn)的.事件的截獲:截獲用戶對共享應(yīng)用程序的輸入是實現(xiàn)共享電子白板的關(guān)鍵,JAVA提供了事件接收器接口XXXListener().要實現(xiàn)專用接口,創(chuàng)建接收器對象,并且在被激活實踐的組件中進(jìn)行注冊.Event-firing組件調(diào)用addXXXListener()方法來完成注冊,以描述XXX事件類型接收.消息的形成:在實現(xiàn)應(yīng)用程序時,有兩種類型的輸出被發(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),缺點是需傳輸?shù)男畔⒘看?傳送繪制函數(shù)的優(yōu)點是只傳送繪制函數(shù)命令和它所要求的參數(shù),缺點是若兩個站點軟件環(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的實時性,再加上網(wǎng)絡(luò)帶寬相對較窄等原因,我們在通訊線路上采用傳輸命令參數(shù)的方式,任一課堂成員對白板的編輯(輸入文本,繪圖,注釋或移動等)都以命令加參數(shù)的方式在網(wǎng)絡(luò)上傳輸.因為傳輸?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機制.用戶對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Socket傳到服務(wù)器.服務(wù)器收到對白板操作的消息后,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)控制在實時協(xié)同工作中,正在協(xié)作的地理上分散的多個站點可能產(chǎn)生相互獨立的操作,同時作用于同一共享應(yīng)用,它們通過交互事件達(dá)到共享應(yīng)用的一致性.當(dāng)多個用戶在同一時刻對同一共享對象進(jìn)行操作時,為確保一個操作在遠(yuǎn)端與在本地的執(zhí)行效果一致,必須使用并發(fā)控制策略對來自多方的事件進(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,不會產(chǎn)生失序;令牌傳遞法:系統(tǒng)中流動著一張令牌,在同一時刻只允許一個用戶擁有令牌,令牌擁有者處于活動狀態(tài),有權(quán)操作協(xié)作對象;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機,截獲和釋放鎖的方法,以及鎖的粒度等3個問題;事務(wù)機制法:所謂“事務(wù)”是指一個操作集,它被提交到所有站點,這個方法采用Floor控制機制,即在同一時刻只允許一個用戶處于活動狀態(tài).共享電子白板模塊中的并發(fā)問題包括多個用戶同時控制電子白板中間一對象時的控制處理和共享電子白板中并發(fā)信息流的處理.(1)對電子白板對象的并發(fā)控制采用對象鎖和白板鎖兩種方式.對象鎖一次鎖住一個媒體對象;而白板鎖可以一次鎖住整個白板.電子白板中的任一對象在同一時刻只能被一個課堂成員所編輯.當(dāng)一個課堂成員想要對白板某一對象進(jìn)行編輯時,服務(wù)器首先要確認(rèn)該對象是否已被鎖定.如果沒有被鎖定,該客戶對這個對象所做的編輯被接受,否則任何編輯都做無效處理.白板鎖控制機制就是在整個白板的編輯區(qū)域?qū)嵭幸粋€時刻只允許一個用戶操作,本虛擬教室系統(tǒng)中,只有老師有控制白板鎖的權(quán)限.(2)對電子白板中并發(fā)信息流的處理.對客戶和服務(wù)器間傳送的各種消息,無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提供的對象串行化功能.所謂串行,就是對象的拷貝過程,此對象可以是事件或數(shù)據(jù).當(dāng)串行器接收到對象后,就會分配給此對象一個編號,以保證事件按編號順序執(zhí)行.對這些消息所進(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,對多個用戶同時產(chǎn)生的輸入消息的處理方法是利用一個全局白板隊列,將課堂中同時輸入的消息串行化.MessageVector是JAVA中的Vector類,該類中的各種方法保證了對Vector內(nèi)容的串行化操作.2.3課堂活動主體用戶的通信導(dǎo)致本地操作由于虛擬教室是一個群體協(xié)作系統(tǒng),因而實現(xiàn)課堂成員間的多點通信是必不可少的.目前基于Internet網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,模擬多點通信的體系結(jié)構(gòu)有兩種:主從方式和對等方式.主從方式:基本Client/Server通信模式可方便的實現(xiàn)一對用戶間的通信.要想實現(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)特點為系統(tǒng)中每個成員只與中央服務(wù)器建立實際的通信,成員間的通信需通過服務(wù)器的轉(zhuǎn)發(fā)來完成.在主從方式下,用戶不需要保存Socket對象列表.每個用戶只需和服務(wù)器進(jìn)行連接,服務(wù)器建立相應(yīng)的用戶列表和Socket對象列表.用戶進(jìn)行操作時,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)就是對信息包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā).對等方式:在對等方式下,要實現(xiàn)多點傳輸,就必須讓參加課堂的任何一個成員和其他所有成員都建立通訊連接.只有課堂管理者對用戶列表具有控制權(quán).每個新加入課堂的用戶一開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對象,與新加入的用戶建立相應(yīng)的虛電路,并把Socket對象加入到Socket對象隊列表中.當(dāng)用戶操作時,必須掃描一遍自己的用戶列表,獲得每個參與者的權(quán)限后,再掃描Soc