摘 要：提出了基于网格服务的计算机辅助教学(CAI)系统框架，探讨了不同种类CAI系统的功能和应用，指出了基于网格服务CAI系统的特点和实现的关键技术。系统实现了多网格应用的集成，促进了网格技术在CAI系统领域的应用研究和相关CAI技术与网格技术的结合研究。
关键词：计算机辅助教学应用服务提供网格集成网格服务 网格应用

　　计算机辅助教学(CAI)通过图、文、声、像和动画等形式将教学内容生动地表现出来，以辅助教和学，是对传统教学方式的重大变革。采用多媒体技术，为教学设置情景，可激发学生的想象力，培养学生的创造欲望；可拓展时空，发展学生的创新能力；可营造民主、和谐、宽松的学习气氛[1]。然而，由于CAI课件的制作难度和工作量大，加上广大教师对于计算机理论和操作水平的限制，在普及方面仍然存在问题[2]。近年来，随着网络技术的日臻成熟，Internet以前所未有的速度延伸，具有较高传输速率的Intranet以及校园网的普遍建立，使网络CAI逐渐成为研究的热点。网络CAI实现了多媒体课件的网络共享和重用，但由于课件的集中存储和网络带宽的限制，十分拥塞，课件的运行效果难以保证。计算机技术成了影响计算机辅助教学发展的重要因素。当前最引人注目和最热门的计算机技术就是第三代Internet技术，即网格技术。网格[3]是把整个因特网整合成一台巨大的超级计算机，实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源和专家资源的全面共享。专家预测网格是未来Internet的发展方向，在运输业、制造业、资源环境保护、生物医药、科学计算、劳动与社会保障、电子商务与电子政务、远程教育等多种领域将发挥重大的作用。
　　为了减少计算机辅助教学课件的制作难度和工作量，扩大多媒体课件的网络共享和重用，本文基于目前的计算机辅助教学系统和网格技术研究现状，提出了基于网格服务的CAI系统，并探讨了不同种类CAI系统的功能和应用，指出基于网格服务CAI系统的特点和实现的关键技术。
1 基于网格服务的CAI系统框架的提出
　　在2002年的全球网格论坛(GGF)会议上，提出了一个全新的网格标准——开放网格服务体系(OGSA)。基于OGSA，网格的一切对外功能都以网格服务(Grid Service)的形式来提供，并借助一些现有的、与平台无关的网络服务(Web Service)技术，如XML、SOAP、WSDL、UDDI、WSFL和WSEL来实现网格服务的描述、查找、访问和信息传输。这样不同网格中的应用和已有的符合网络服务标准的各种Web应用都可以方便地集成起来，而不必关心其实现平台和使用技术的异构性。网格为网络服务提供了一个与硬件无关的虚拟计算机，而网络服务是架构在虚拟计算机平台上的、与平台/语言无关的应用交互集成平台。将目前基于Intranet的CAI系统建立在网格平台上，并将系统各个模块之间的接口采用OGSA标准来封装，由用户根据需要集成，就形成了基于网格服务的CAI系统，其结构如图1所示。基于网格服务的CAI系统共有3层，分别是网格服务提供层(Grid Service Provider，GSP)、应用服务提供层(Application Service Provider，ASP)和用户层(Users)。

　　GSP层由已经建立的各种网格组成，如中国国家网格、数字地球网格、数字图书馆网格或其他信息共享与数据计算网格。网格中以网格服务方式提供的某些应用可以被应用服务提供层的某些应用请求访问。例如，系统中需要的地图数据可能来自数字地球网格。
　　ASP层由多个应用服务提供者组成。应用服务主要包括功能应用服务、管理服务和专用服务。功能应用服务指将应用系统进行标准化和适应性处理，建立在网格的应用层，并符合OGSA的服务。这种服务的提供者指进行关于CAI系统的应用服务开发和提供的软件公司或学校。每个单位提供不同CAI系统的、不同版本的多个服务，如面向不同版本教材的高等数学CAI系统。管理服务包括功能应用服务和专用服务的注册、发布、评价、计费和监控等服务。这种服务的提供者一般是教育主管部门、CAI科研机构或在某一社会领域享有盛誉的CAI系统开发单位。一个提供者只提供关于某几类CAI系统服务的管理，如：高中物理CAI系统、高等数学CAI系统或小学数学CAI系统。随着ASP服务的运行和规模的增大，该层会出现一些更专业的通用服务，如在线考试系统中的智能组卷算法服务[4]、学习评价算法服务、教学评价算法服务、自然语言生成与理解算法或其他基于网格服务的各种专用功能。这些专用服务可以被多个功能应用服务直接应用，以提高应用服务的开发效率。
　　用户层包含采用这种CAI系统的所有人员，一般是学生和教师。用户利用管理服务提供的辅助工具进行应用服务的搜索、评价和辅助决策，确定需要的应用服务；然后在辅助工具的引导下运行需要的应用。
2 基于网格服务的CAI系统类型
　　对于基于网格服务的CAI系统，按照其功能可以分为智能协同辅助课件生成系统、智能辅助学习系统、智能考试系统、协同虚拟实验系统、自动答疑系统、远程沉浸学习系统和教学评价系统。
　　(1)智能协同辅助课件生成系统：向教师提供各种辅助功能进行用于课堂教学的课件设计和生成。系统根教师提供的教材版本信息、教学章节内容和教学目标等信息，搜索类似的教学课件、积件和相关课件素材，并计算各自的评价信息，供教师选择参考。教师可以在已有课件的基础上，进行修改，生成新的课件；可以自己采用提供的积件和相关课件素材直接设计新的课件；也可以独立设计课件和课件素材，加入教学资源库，并直接应用。系统通过对学生资料库中全体学生出现错误分布的统计，进行智能诊断向教师提供教学重点、难点教学方式和方法的建议。系统也会根据教师提供的教材版本信息、教学章节内容和教学目标等信息，搜索在线备课的教师，形成虚拟教研室。虚拟教研室的教师都在进行同版本教材、相同教学章节内容的备课工作，可以协同工作，如共同就各种议题发表见解，或提供认为有争议和较好的方案或方式供讨论等。
(2)智能辅助学习系统：面向注册的学生在课堂外进行自学。系统根据学生提供的学习内容，搜索相关的教学课件并计算各自的评价信息，实现按需点播课件。系统能够按照学生的需求，按需生成课件，返回给学生。按需点播完全符合人性化的特点，因人而异，因材施教，这种形式的课件更加符合建构主义理论下以学生为中心的建构主义学习理论要求。系统自动对每个知识点给出不同层次的测试问题，通过智能诊断机制判断学生的学习水平，分析学生产生错误的原因，同时向学生提出更改建议，以及对进一步需学习内容的建议。系统提供虚拟社区[5]，不仅可以文本形式参与讨论，还会带上语音和按照需要传送视频图像，利用计算机虚拟现实技术建立起与真实环境相近的学习环境，使学生学习时似乎处于真实讨论学习环境中。
　　(3)智能考试系统：采用基于网格的试题库，提供符合用户需要的考试内容，支持在线考试、试卷与答案生成二种方式。在在线考试方式中可以实时评估考生的水平，并根据考生的水平按一定规则选择试题考试。它以教育测量中的项目反应理论为基础，提供试卷智能分析功能，判断学生的学习水平，分析学生产生错误的原因，并提供知识点、学习重点、学习方式和方法的建议。在试卷与答案生成方式中，系统根据教师提供的测试内容、题目数量和质量等要求，按照一定策略和算法进行智能组卷，并生成试卷与答案。
　　(4)协同虚拟实验系统：面向注册学生共同进行虚拟实验，如液压传动虚拟实验和汽车拆装虚拟实验。系统根据实验要求提供学生分组功能。组内的学生可以互相讨论问题，分工协作，在系统引导下，协同完成实验。系统根据实验过程的操作，提供智能化建议，并产生操作评价。系统的实现可以采用数据与应用一体化的方式，即一个应用服务只提供一种实验；也可以采用数据与应用分离的方式，即实验的素材做成实验资源库，供协同虚拟实验系统根据要求选用。
　　(5)自动答疑系统：采用问题库面向注册学生进行自动答疑。问题库用于存储课程的所有问题和答案。每当学生提出问题时，系统的答疑指导搜索问题库，逐步找出与问题相匹配的记录。若答疑指导不能解决，问题便提交给在线教师，由教师参与回答，并将问题与答案添加到问题库中。系统自动将问题答案与相关的知识点进行连接，并自动生成相关课件，供学生进一步学习。
　　(6)远程沉浸学习系统：与智能辅助学习系统不同，使用了更多视频和图像技术，采用计算机虚拟现实技术创造的虚拟环境更为逼真。它将“人/机交互”模式扩展成为“人/机/人协作”模式。学习者处于远程沉浸系统当中，不仅可以听、说、写与人机交互，还可以戴上数据手套触摸环境中的事物，戴上头盔感受三维空间的方向和距离。例如NICE是一种叙事式沉浸的建设者及协同环境，是伊利诺州大学芝加哥分校电子可视化实验室EVL和交互计算环境实验室CEL合作推出的。
　　(7)教学评价系统：根据注册学生的学习情况分析及对教师的教学方案和教学过程设计评价，根据一系列指标进行综合教学评价。系统可以与教学管理信息系统集成来进行辅助教学评价。
3 基于网格服务的信息系统的特点和关键技术
　　基于网格服务的CAI系统集成了多个网格，采用应用服务提供运行方式。与传统的CAI系统相比，具有下列优点：(1)系统采用了基于网格的课件、积件和课件素材库、试题库、问题库以及实验资源库，充分实现了资源和信息共享。(2)教师可以协同设计教学课件，学生可以协同学习和完成虚拟实验，实现了多人协作，便于提高教与学的质量，简化了课件的设计和生成过程。(3)采用应用服务提供运行方式，使专门提供应用服务的提供商分离出来，使得课件设计分工更细，便于促进系统的发展，符合社会发展趋势。(4)CAI系统的运行基于网格服务，突破了传统网络的网络带宽、服务能力和存储能力的限制，便于采用各种最新信息技术。(5)CAI系统的智能性、稳定性和可维护性更强。(6)系统的运行和访问不受时间、地点和方式的限制，完全消除了信息化孤岛。
　　网格技术在CAI系统领域的应用研究刚刚开始，有很多技术问题需要进一步研究。(1)安全技术。基于网格服务的CAI系统的分布性、开放性和开发维护的社会化对于安全问题提出了更高要求。CAI系统的授权机制要求与各种加密、认证等安全技术融合，保证系统的安全。CAI系统的安全建立在网格和Internet安全的基础上，需要各方面安全地协作。(2)应用服务的开发技术。处于应用服务提供层的各种应用服务从传统的CAI系统中独立出来，需要融合教育理论、虚拟现实、计算机协同工作技术和人工智能等技术，面向不同应用开展研究。(3)专用服务的开发技术。为了提高应用服务的开发效率，各种专用服务需要建立，如智能组卷算法、学习评价算法、教学评价算法、自然语言生成与理解等。(4)基于网格服务的CAI系统的软件工程技术。应用服务的开发不同于传统的软件开发，需要软件工程技术的革新。
　　本文提出了基于网格服务的CAI系统架构，探讨了不同种类CAI系统的功能和应用，指出了基于网格服务CAI系统的特点和实现的关键技术。该系统的开发促进了网格技术在CAI系统领域的应用研究和相关CAI技术与网格技术的结合研究。基于网格服务的CAI系统实现，必然能够简化并优化CAI系统的开发，催生新的行业和技术，加速我国教育事业的信息化进程。系统的进一步研究将着重于应用服务的开发技术，如：智能协同辅助课件生成系统、智能辅助学习系统和智能考试系统的应用服务等。
参考文献
1 尹志军.计算机辅助教学是对传统教学方式的重大变革.教育理论与实践，2004；24(11)
2 高文明.对计算机辅助教学几个问题的探讨.中国成人教育，2004；(10)
3 应宏，黄河.网格体系结构、关键技术及其应用.计算机应用 研究，2004；(9)
4 董敏，霍剑青，王晓蒲.基于自适应遗传算法的智能组卷研究.小型微型计算机系统，2004；25(1)
5 方美玉，吴朝晖.基于XML的课件网格模型的综述.计算机应用研究，2004；(4)