浅谈网格服务对于计算机辅助教学的重要性

　　在web servICe服务的基础上提出了“网格服务”的概念，它定义了一组接口，这些接口的定义明确并遵守特定的惯例，用于解决服务器发现，动态服务创建、服务生命周期管理、通知等与服务生命周期有关的问题。网格服务标记语言(Grid Service Markup Language, 简称GSML)是一种基于XML的网格应用编程（描述）语言，支持网格环境中用户端的"按需"编程，通过基于可复用组件和事件驱动的方式来描述网格应用灵活多变的处理逻辑和协同工作机制。GSML项目包括GSML语言和相关工具集。

　　GSML语言中的概念 Pipe, Event, EventSet启发自pi演算，通过它们用户能够以统一的异步事件通信机制来描述用户端各种软件组件和网格资源之间的交互关系。GSML相关工具集包括浏览器和编辑器（）。浏览器运行由GSML语言编写的应用程序；编辑器被用来编写GSML程序。GSML的目标是成为一种简单易用的网格编程语言,能够灵活、有效地整合网格资源,而且提供网格 资源、应用和用户进行协同工作的基础设施。

　　1  基于网格服务的CAI系统框架的提出

　　计算机辅助教学(Computer Aided Instruction ，简称CAI)是在计算机辅助下进行的各种教学活动，以对话方式与学生讨论教学内容、安排教学进程、进行教学训练的方法与技术。CAI为学生提供一个良好的个人化学习环境。综合应用多媒体、超文本、人工智能和知识库等计算机技术，克服了传统教学方式上单一、片面的缺点。它的使用能有效地缩短学习时间、提高教学质量和教学效率，实现化的教学目标。

　　在2002年的网格论坛(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。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。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、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。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。