基于P2P的计算机辅助教学系统

信息技术和互联网技术飞速发展，并于当前已逐渐普及，越来越多的信息和互联网技术被应用于传统教学方法当中。随着计算机在教学中的深入应用，从简单的计算功能到现如今的辅助教学，其变化发展可谓是日新月异，把传统的教学经验与现代化的信息技术相结合，大幅提升了教学品质。“未来教育=人脑+电脑+网络”未来教育就曾被科学家钱学森这样描述过，单一的、原始的教学形式已经向多元化、丰富的方向发展，在教学领域也进入了数字化、信息化和智能化。所以，近几年来，利用信息技术来实现辅助教学的系统越来越受到人们关注，这一课题也成为了科研热点。

Computer Assisted Instruction被称之为计算机辅助教学^[1]，简称为CAI，主要是涉及教学信息传递、传授知识、技能训练以及服务学生和老师等方面内容，通过对计算机的合理利用，辅佐或替代教师完成相关教学任务。从60年代开始，IBM就为计算机辅助教学开发了第一个应用系统，随着计算机、电子信息技术等飞速发展，这一系统也随之强大、普及。时至今日，该类系统发展的规模、应用以及影响力都是前人始料未及的。

截至今日，计算机辅助教学的发展历程已有50年之久，通过这么多年来的实践，我们发现，计算机在辅助教学方面确实有促进教学改革、提升教学品质、减轻教师负担和提高学生能力等作用。受到计算机辅助教学的影响，现如今，我们在教学方面的手段、结构、形式和思想等方面都发生着巨大的变化。而且，随着网络技术的不断深入，网络应用的不断普及，计算机辅助教学系统与之相结合取得了长足进步。计算机的使用通过建立网络连接，接入不断成熟的互联网技术，网络连接方式也从拨号演变成了宽带^[2]。近年来，中国大学校园的网络建设也是突飞猛进，校园网的发展也是日新月异。由于互联网技术给计算机辅助教学带来的便利，越来越多的高等学府愿意投入大量资金进行校园网的建设，让计算机和网络深入到了广大师生学习、工作、生活的方方面面。主要在教学管理、科学研究、学术探讨方面为广大师生建立了实验、沟通、建设的平台。

以客户端/服务器（C/S）为主要模式的系统仍然是当前计算机辅助教学的主要选择，这一模式的特点就是让大型服务器处于网络应用的核心位置，由于服务器具有强大计算能力、丰富的计算资源和优势的网络带宽，所以为日常教学提供数据信息、教学课件等教学资源。使用步骤为，先集中上传后分别下载，把有用的教学资源通过网络集中上传到核心服务器上保存，使用者再通过账户、密码的识别分别进行下载。还有一种方法就是运用电子邮件的方式，把信息按照服务器的要求进行处理后通过网络进行传递。运用服务器模式，还可以实现教学中的交互内容，如视频点播、聊天室、留言板等交互应用程序进行课堂教学和师生沟通，可以对教学情况和效果进行有效的交流和反馈。这种模式虽然强大，但美中不足的是，如果服务器出现异常或负荷超大，就会给服务器带来负担，从而影响客户端的正常通信和使用。

另外，服务器模式还存在以下不足，就是所有的教学资源都保存在核心服务器上，如果使用，必须访问服务器才能获得所需信息，这仅仅满足了课堂教学的基本需求，由于教学是一个系统过程，它包括课堂的教与学、教师备课、学生课前课后的预习、复习等方面的内容，如果要使每个环节都能够有效利用计算机辅助教学系统，那么服务器模式的这种局限就很大了。因为这种模式的交互应用不及时、带宽消耗很大。而且客户端与客户端之间不能实现交互，必须通过服务器才能完成交流，日后随着客户端的不断增加，这将成为这种模式的致命缺点，核心服务器就会成为设备交流的瓶颈，给整个系统带来问题。目前，由于教学形式的多变，流媒体课件越来越受宠爱，随着它数量的增加，其数据量也越来越大，这就对网络资源提出了更高的要求，更会加重服务器处理和宽带出口的无形负担，使服务品质下降，从而影响教学。

总结了计算机辅助教学的优势，也发现了服务器模式的不足，我们为了妥善处理好计算机辅助教学系统在今后教学改革中的完美应用，对计算机辅助教学系统的研究，并适时提出一些改进建议是具有很强的现实意义的。

通过对计算机辅助教学内容的文献学习，可以讲计算机辅助教学系统的发展历程分为三个基本阶段，从上世纪七十年代的尝试到逐渐兴起，最后到日前的蓬勃发展，每一阶段的演变无一不显示着现代教育手段和技术的不断提高。

最先利用计算机对辅助教学进行研究，并且最早应用的国家是美国，大多国外计算机辅助教学系统的历史基本上市沿袭了美国的历史发展主线，其发展五十多年来，基本上经历了六个发展阶段^[3]：

1）1958年——1965年

这一阶段称为计算机辅助教学发展的初级阶段。这一时期的杰出代表就是PLATO系统^[4]，这一系统出自伊利诺斯大学，是世界上的第一个CAI。这个系统仅仅是一个精致的终端，拥有触摸感应屏幕，学生作答时就能通过触摸屏幕的适当位置或者点击键盘的相关按键就可以完成对计算机所提问题的回答。在PLATO系统中的部分课件，其质量还是比较高的，但其内容还是有局限的，不免平庸一些。在计算机辅助教学发展的初级阶段，主要研究工作还是倾向于以大学和某些计算机公司为中心的软硬件的开发。1982年开始，当微型计算机问世，当时计算机辅助教学系统的典范PLATO系统将课件存入到了软盘，使用于单机运行，逐步踏入了PC机领域。

2）1965年——1970 年

这一阶段可以叫做应用实践阶段，这个阶段的主要内容就是将初级阶段的研究内容扩大规模，将研究成果在实践中应用。60年代，最有代表性的是斯坦福大学研制的IBM1500教学系统，此系统包含内容较全面，包括外语、数学、理工、逻辑、音乐、高数和哲学等课程。此外还有加利福尼亚大学创建了教育技术中心，研发了物理等自然科学方面的辅助教学课件。同期，美国数字设备公司也研制成功了PDP-1，在教学过程中得到了成功应用，这一举措标志着教学中小型计算机的第一次应用。60年，美国伊利诺大学的唐. 贝泽和查莫斯. 谢文合作研发了PLATO I，被称为第一代柏拉图系统。在计算机辅助教学系统研究领域中颇有建树的斯坦福大学帕特里克·素帕斯教授，作为此领域的鼻祖，他对IBM 1500和 PDP-1在教学中的研究和开发提出了自己的观点，对CAI的发展起到了极大的促进作用。

3）1970年——1975年

Internet出现之前，1970年左右，柏拉图辅助教学系统就实现了在线聊天、公告板等功能，与Internet上的BBS类似；PLATO IV在1975年继续推广升级其触摸屏，推出了高分辨率的等离子显示屏。后来到了80年代，计算机辅助教学系统应用范围不断延伸，逐步趋于实用化，研发人员基于先进理念的贯彻，为柏拉图辅助教学系统设计开发了100门学科，长达15000小时的单元课程，其科目涉及了物理、语言、医学、经济和音乐等不同学科领域。

4）1975年——80 年代后期

这一阶段是微型计算机应用的推广阶段。微型计算机拥有其特有优势，在教育领域，对于大型计算机而言具有极大的冲击力，是多种教育环境中的最佳工具。在80年代后期，微型计算机发展迅速，为了适用于多种当时主流的微型计算机LOGO语言开发了特别的版本。这种语言为用户提供了友好的、灵活的和易操控的微机系统，并且这个系统可以大量广泛推广应用到各种教学过程中，相反，PLATO与之相比，仅仅提供了课题范围相当的课程。

5）80 年代末——2000年

这一阶段可谓是CAI的蓬勃发展阶段。在80年代末，全世界掀起了一场计算机的革命，出现了多媒体计算机。它能够对文字、图像和音频等信息进行综合处理，这些功能彰显了多媒体计算机可以为辅助教育提供更有利的平台，所以这种多元化发展也成为了CAI的主要发展方向。ScoftForesman & CO 开发的CAI在辅助教学的发展过程中，它基本上涵盖了中学阶段数学教育的全部内容，这是很值得一提的，它标志着CAI的又一进步。辅助教学的软件为学生和教师提供了丰富的试题库，由于其教学内容全面、教学界面友好、易操作等方面的优势，在80年代被广泛应用。虽然这一系统起源于美国，但80年代以后，逐步发展到了许多国家，而在当时，中国的应用只是局限于对这种软件的分析、研究，并没有在教学实践中推广。另外，当时美国的很多中小学已经可以根据本学校的具体情况，教师可以设计、制作自己特有的CAI软件，这些软件可以结合教师的实际教学习惯和内容充分体现计算机在辅助教学中的便利，在实践中取得了很好的效果。但仍有遗憾的是，这些优秀的辅助教学软件缺乏通用性，由于它们不是被专门人员设计、编制的，丧失了极大的推广价值。

下面我们用英国计算机辅助教学使用的软件为例，简单介绍一下计算机辅助教学软件的类型及特点^[5]：

1981年、82年和84年，英国贸易和工业部分别三次资助学校购置了微型计算机，之后，1986年实施了“Software in Schools”计划，当时英国的计算机辅助教学软件大致有三种类型：随机型软件、模型软件和模拟软件。

（1）随机型：很多数字类问题和计算机游戏等相关内容往往被编制成随机型软件。主要涉及教学演示和练习等操作，操作人员可以随意选择，计算机随机给相应结果。

（2）模型类：通常情况下模型类软件用于解决某种二维、三维等几何问题，后来这类软件逐步可以解决一个物体或者一套系统方面的形态。例如地理方面的各类地图、化学方面的元素周期表等。

（3）模拟类：这种类型的软件是在模型类软件的基础上发展起来的，它可以表现随着时间的改变而发生变化的过程。例如：生物方面的池塘生态现象，它可以展现植物、食肉动物和食草动物之间的食物链问题，还能展现这些生物随时间发生的规律性变化。截至目前，根据统计数据显示，英国已经研发应用的教学辅助软件多达1600种以上。

6）2000年之后

这一阶段的主要特点是，计算机辅助教学系统的网络化发展。2000年以后，世界计算机网络化发展是信息技术发展的主流，并且在这一专业领域成功实现了计算机的联网，互联网用户数量的直线上升，计算机用户端的激增，再加上各种信息资源的互联共享，相当大的程度上提高了计算机的使用率，诸如此类现象，都在推动计算机辅助教学系统发展网络化的必然发展趋势。计算机网络大到国家与国家之间，小到学校与学校之间、实验室与实验室之间、教室与教室之间都形成了一个庞大的CAI网络，利用搭建的网络平台，教师与学生就能够无空间与时间的限制进行教学交流、学术讨论，大大提高了教学品质和效率。用CAI网络平台丰富信息集中共享资源，以计算机为这种便利介质作为用户终端，把各个国家的师生联结在一起，让人类文明成果共享至世界的每个角落，这是CAI网络的实现目标。除此之外，CAI的另一主流趋势就是多媒体。这一点得益于计算机技术的飞速发展，目前的计算机具有运行速度快、硬盘容量大、存储数据速度高等基本特点，更主要的是还结合了人机界面和虚拟现实技术，使音视频文件、图形图像文件更能活灵活现。所以在计算机辅助教学中，引入多媒体技术，不仅能够让学生听到、看到学习信息，更能够深入到学习内容中去，甚至可以足不出户、身临其境得去感受世界各地的风土人情，穿越时空的隧道去重温历史的发展，体验遗传变异、原子裂变的再现……总而言之，多媒体在辅助教学中的应用能够使原来的被动学习变为学生的主动探索，能够实现感性知识和理性知识的融合，直接经验和间接经验的衔接，所以在CAI中运用多媒体技术必然将推动我们教学质量质的变化。

计算机辅助教学系统在我国的运用是在1981年，起步相对比较早一些，在那时我们就已经拥有了自己的CAI和辅助教学的管理系统。例如：北京师范大学和华东师范大学拥有“微机辅助 BA-SIC 语言教学系统”，北京师范大学和大连理工大学拥有“高校课程表自动编排系统”等。随着世界CAI的蓬勃发展，我国国家和地方教育行政部门也给予了大力支持，1984年以后，CAI在我国也迎来了飞速发展时代^[6]。为了推动国内微机市场，于1986年在国家的支持下，很多高校和工厂研制并生产出了我们的“中华学习机”。随后一年，我国对中华学习机的适用软件进行了有计划有组织的研发，并且这一举措被国家设立成了“七五”重点攻关项目，奠定了教育软件研发的基础，更重要的现实意义是积累了丰富的教育软件研发经验。80年代后期，我国中小学计算机配置总量超过了10万台，可以成功使用的教学软件的中小学校有上千家，此类软件通过评审，并且正式发行的就达到了150个。

经过80年代的飞速发展，90年代又迎来了计算机技术的飞跃，很快PC系列计算机逐渐遍布了学校和家庭，并且多媒体计算机也在教学中得到初步应用，由于多媒体计算机的初步尝试效果显著，随即计算机技术在教育领域的需求日益强大，同时也对教育软件提出了更高的要求。这一现实变革，将中国教育软件真正推入了市场，提升了教育软件研发的竞争力和品质。在此次市场化变革中，北京科利华公司的CSC校长办公系统、北京新未来电子技术公司的园丁校长办公系统等成为了最先走入市场教育管理软件的表率，在此推动下，一大批从事教育软件研发的公司涌入市场，使教育软件市场化发展迅速升温。

我国教育软件市场基本形成是在1995年左右，当时的教育软件已经成为了产品，其内容涵盖了教育实施的各个方面，比如家庭教育、学校教育、社会教育等。“CSC电脑家庭教师”是北京科利华公司推出的，其版本分为小学版、初中版和高中版；还有“无师通”、“华软”、翰林汇、“鹏博士”等多媒体系列软件纷纷上市。除此之外，还有一些小型的学习应用软件，例如轻轻松松背单词、苏林英语等。1993年以来，原国家教委组织专家先后成立了计算机辅助教学系统协作组，涉及高校的文、理、工、农、医、外语等学科，研发了大批量的教学应用软件。根据当年的教学软件使用情况调查发现，在122所工科院校中，有117所院校研发或应用了1764件辅助教学软件。截止目前，由教育部组织并研发的课件、试题库等多达100钟以上，其中“计算机辅助大学物理系列教学软件”在国内外很多专家那里都受到了不同程度的好评。诸如方正奥思、神州之鹰之类的多媒体创作工具，作为课件开发工具也受到了人们的热宠。

近十多年来，为了符合教师与学生这种一对多的关系，绝大多数计算机辅助教学系统都采用了C/S技术，这种技术可以实现互联网络上的集中，信息和成本资源相对集中，且向同一方向。但近年来，文件共享、分布式存储、搜索引擎、分布式计算、传感器网络和协作软件的应用发展使得P2P技术得到了广泛推广和运用。P2P技术具有自组性、私密性、分布性、高性能、健壮性和流量均衡性等特点，尤其是在互联网飞速发展的今天，与集中式网络相比，P2P网络具有绝对优势，它的可扩展性强、成本低、容错性好以及能够有效利用分布资源，它在软件技术开发中拥有更为广阔的前景。

P2P技术能够让计算机不仅仅成为客户端，更重要的是它能够使计算机也成为服务器，使得计算机具有了双重身份，这样以来，大大减轻了服务器端的软硬件要求，使得计算机在处理客户通讯时更轻松，增强了系统的服务能力，用户数增加，计算机的服务能力就自然增长，这是P2P技术可扩展性实现的。因此，像前文所提的C/S结构的服务器的负载重和资源瓶颈等问题得到了最好的解决。还有，这种技术的工作方式采用了自己组织节点的方式，更强调无中心结构，可以有效适应节点的动态性，所以具有绝对优势，P2P技术更通用、更实时、更可扩展、更具有数据可用性。

优势分析^[7]：

（1）通用性：P2P技术实现了与多数网络教育系统的无缝对接。它不靠依赖高端商用设备和大型数据处理软件来实现稳定，它的系统运行平台可以是任何通用的操作系统、数据库软件和有关的网络服务器，具有相当强大的通用性。

（2）实时性：P2P技术实现了数据传输的实时性，能够提供用户实时在线交流的便捷方式，很大程度上超越了网络系统的局限性，为多媒体网络教育系统增强了性能、提高了效率，使教育系统更稳定。以上优势使P2P技术在多媒体网络教育系统的研发中更具有吸引力，促使教育系统获得更高的用户满意度。

（3）高性能：与C/S结构的网络服务性能比，P2P使服务器从之前的臃肿中解脱出来，提高了网络服务响应效率。尤其是在配置高级的计算机的支持下，能够更好的实现网络通讯的低成本和高效率，提升了客户端的响应速度，摆脱了服务器性能的局限性。把整个网络构建成了一个超级计算机，它可以存储海量数据，并且具有强大的数据处理能力。

（4）可扩展性：P2P技术使得网络不再存在单点性能上的瓶颈，基于这种技术的网络是属于完全分布式的。利用P2P技术构建的网络，在用户数量增加时，无形中就增加了服务需求，为了匹配需求，系统整体的资源和服务能力也可以实现同步扩充，理论上，这种可扩展性是无限的，能够永远满足用户的需求。同理，服务器利用P2P技术组成网络，也只需要增加P2P网络的服务器就可以实现扩容，P2P扩充很方便，因为它具有自组织、自动负载均衡的特性。

本文深入研究了P2P技术，对P2P技术进行了详细的阐述和分析，并且提出了基于计算机辅助教育系统P2P技术的合理利用，尝试设计了一个运用P2P技术的CAI，该系统具有较强的灵活性和互动性，在该系统中可以有效展现P2P技术的绝对优势，为计算机辅助教学系统的发展做了一次新的体验和尝试。

本文的研究工作主要如下：

1）对计算机辅助教学系统的结构和实现技术做了分析和研究；

2）论文论述了怎样把P2P技术合理运用到计算机辅助教学系统之中，可以有效提高流媒体数据网络传输的实时性；

3）研究并设计了具有用户模块、讨论组、电子白板、课件管理、作业管理和网上考试子系统六大功能模块的计算机辅助教学系统，该系统运用了P2P技术，通过对相关函数的分析设计，还在该系统中实现了更强大的功能，诸如视音频通信、文字通信和远程控制等。

本论文紧密结合当前教学管理信息化建设的实际要求，在当前国内、国际上的先进标准上创新，把P2P技术大胆尝试运用在计算机辅助教学系统中，有效解决了当前教学管理信息化面临的矛盾和冲突，研究设计了适合CAI的技术框架、促进了计算机辅助教学的管理、组织和共享。论文研究目的明确，内容具有针对性，主要是为了解决目前国内计算机辅助教学实施的效果不理想、资源重复率低等关键问题。通过本论文中新观点的提出和设计，可以极大的解决工作效率和服务质量问题，还能为高校的发展进行人才储备、有效节省人力、物力和财力。

本文共分为七个章节，具体内容如下：

第一章是引言内容。介绍了计算机辅助教学系统的定义、相关背景和研究意义，分段介绍了该系统在国内外的发展现状，以及发展历史，分析了P2P网络技术的优势，将该技术应用于CAI是必然趋势，最后将论文的整体结构分别进行了表述。

第二章相关技术综述。本章着重介绍了P2P技术，从该技术的定义、结构入手，分析了P2P技术在网络中的应用，并将P2P在网络应用中的关键技术做了重点介绍，最后分析了NAT设备。

第三章首先详细阐述了计算机辅助系统的设计目标，其次对系统任务进行了描述，结合用户需求和系统性能的需求分析了计算机辅助教学系统的可行性。

第四章设计了一整套的计算机辅助教学系统，并对每个功能模块进行了分析。

第五章实现了计算机辅助教学系统的每个功能模块、网络教学中等点之间的通信以及多媒体网络教学系统的主要模块。

第六章测试了论文的设计系统，并测试了系统的功能和性能，找到了一些存在问题，对课题的下一步工作进行了展望。

第七章总结归纳了论文设计的计算机辅助教学系统的优势和缺陷，也明确了今后需要继续改进的方向，为之后的研发工作奠定了基础。