用於遠距教學之服務開創環境建構





曾煥雯、田慶明

國立臺灣師範大學工業教育學系
台北市大安區和平東路一段一六二號
TEL:(02)23568217 EXT.812
EMAIL:hwtzeng@cc.ntnu.edu.tw, juvenia@ie.ntnu.edu.tw


摘要

  隨著遠距教學課程種類的倍增及多樣化,服務網路的複雜度也相對地提高,教學服務的 開創處理遂益形複雜,因此,本研究提出一簡化教學服務開創之環境,以強化遠距教學之應 用。本研究所開發之環境由上而下分成四層(Plane):教學服務特性層主要係淬取各種不同 課程教學服務之特性;整體功能層藉由教學建構方塊(LSB)以表現出教學服務之特性;分散 功能層則提供相對於LSB之功能;最後實體層將負責完成各種分散功能,如此之架構將使下 一層只需服務上一層。此外,本環境之開發,使用物件導向規劃模式,達成模組再生 (Reuse)之功能,以符合教學服務開創環境建構之精神。再者,為強化學習者使用介面,本 研究引用WWW、Java、JDBC及CORBA等技術來開發教學服務開創環境。因此,教學服務設計者 根據課程所提出之服務特性要求,於此環境選擇相關之LSB加上其邏輯關係,即可輕易快速 地完成遠距教學服務的開創。

關鍵詞:遠距教學、網路教育、教學建構方塊、Java、JDBC、CORBA





一、前言

  遠距教學服務是國家資訊基礎建設(National Information Infrastructure; NII)的目 標,而相對於傳統只提供部份功能的教學服務(如語音、低速傳輸資料等),NII上所提供的 乃是全方位的網路教學服務,包括視訊、音訊、文字、影像等多媒體課程[1,2]。有鑑於此 ,Content Providers、Service Providers及Network Owners相互配合地將各種不同之課程 植入高速成長的互通架構中以提供給學習者。

  遠距教學應用的變化萬千及教學服務網路的推陳出新,使得教學服務開創課題相當複雜 ,其涵蓋範圍上至各種不同的多媒體課程教學服務,下至各種不同的教學網路。提供全方位 網路教學服務的關鍵技術乃是一個彈性的網路教學服務架構,以及適切的教學服務管理,再 加上教學服務開創及控制。然而,為了更迅速且有效的建構遠距教學應用,教學服務開創組 件是不可或缺的[3,4,5,6]。





二、應用技術

  本研究結合了WWW、Java、JDBC及CORBA等技術,開發一遠距教學服務開創環境[7,8,9, 10],以強化電腦輔助教學應用。

1. Java

  Java比C、C++更容易學習及除錯,且Java程式可以在Internet環境中的任何平台中執行 。Java程式語言及其類別函式庫具有相當優異之特性,非常適合用來建構遠距教學之服務開 創環境。例如物件導向 (Object-Oriented)特性提供模組化物件規劃模式,分散式 (Distributed)特性可攫取網路上任何資源成為教學課程,可移植(Portable)性可輕易地將 服務開創環境轉移至任何平台上,動態 (Dynamic)特性提供提供師生良好互動之環境。Java 提供相當多元之環境,可適應不同層次的程式設計工作[11,12]。

2. JDBC

  JDBC(Java DataBase Connectivity)是一種讓Java連結資料庫的技術,是由Java語言所 寫的類別(Classes)及介面(Interfaces)所構成,JDBC提供標準的應用程式介面(API)給開發 人員,使他們能夠使用純正的Java API來撰寫資料庫應用程式。JDBC API定義了SQL statements、result sets、database metadata等等的Java類別,可以讓程式開發人員送出 SQL敘述和處理SQL查詢的結果。簡單來說,JDBC是一組利用Java來存取資料庫的API函式 [13]。

3. CORBA

  CORBA(Common Object Request Broker Architecture)所定義的分散式物件架構與規格 ,可讓不同廠商所發展出來的ORB物件元件可以在任何網路及作業系統上相互運作。CORBA之 標準可以讓CORBA物件互相引用,而不需要知道物件內部存取方式以及被Request之物件是由 哪一種語言所實作出來的。CORBA物件相較於傳統程式語言物件有以下幾個不同的地方:(1) 可以置於網路上的任何一個地方;(2)可以和其他平台上的物件相互運作;(3)透過IDL( Interface Definition Language)作為物件介面的映對,可以用任何程式語言來撰寫[14]。

  本研究運用CORBA之主從式(Client/Server)架構,扮演遠距教學資料庫與開創環境溝通 橋梁之角色,並且以CORBA的觀念與使用,來加強遠距教學開創環境之可攜性(Portability) 、再利用性(Reusability)以及互通性(Interoperability),提供了遠距教學服務透明化的 請求與回應功能的建構環境。





三、服務開創環境分析

  為了降低課程設計之複雜度及功能層次之考量,本研究所開發之遠距教學服務開創環境 (distance-Learning service Creation Environment; LCE)分成四層,分別為:教學服務 特性層、整體功能層、分散功能層及實體層,每一層各司其職。圖一為其各層關係架構圖:


圖一:遠距教學服務開創環境架構

1. 教學服務特性層

  教學服務特性層主要係以服務導向為觀點,分析各種不同的教學模式,淬取各種教學最 基本的特性。因此,每一種教學皆可由許多服務特性(Service Feature; SF)組合而成。在 本研究中,LCE提供的服務應用為教學課程、教學測驗以及補救教學,而教學服務特性層提 供選擇課程、顯示課文以及師生互動等服務。

2. 整體功能層

  此層將根據上層之教學服務特性,開發出教學服務建構方塊(Learning Service Building Block; LSB)。因此,上層之每一SF將由許多的LSB組合而成。如圖一的SF顯示課 文,將由使用者介面、Bit傳輸以及邏輯控制完成此特性。

3. 分散功能層

  分散功能層主要係探討教學服務網路之功能模組,如網路系統管理、資源控制以及資訊 傳輸與記錄等。在本研究中,此層之建構將採用CORBA-Based之分散標準架構以及JDBC API ,來取存資料庫資源並且傳輸給整體功能層使用。

4. 實體層

  相對上層Logical View的分散式模組,本層是以Physical View對應於其分散功能。它 包含實際的Entities及Protocols。本研究在本系所已建構之服務網路中進行服務應證的探 討,其架構如圖二所示。在圖中,我們採用Ethernet網路架構,並且以TCP/IP通訊協定來 提供分散功能層所需之功能。

圖二:服務網路測試環境架構

  當課程設計者提出了教學服特性之要求,這些Option將被轉換成SF,接著,每一SF將 由數個LSB組合而成,而CORBA-Based分散式架構將提供每一LSB相對的功能,最後,網路 Testbed中的Physical Entities將提供相對之實際功能。由上之敘述可知,下層只需服務 它的上一層即可,即教學服務設計者只需在此LCE下藉由組合LSB之關係,即可達成服務開 創之目的。因此,教學服務設計者無需詳盡知道最底層教學服務網路之架構,將可節省許 多遠距教學服務建構的時間。





四、環境設計與建構

  為了達成前述之各功能層,本研究將服務開創環境將分為上層服務開創環境設計、下 層服務開創環境建構以及人機介面規劃三方面來完成。

1. 上層服務開創環境設計

  我們採Object-Oriented Programming Style的方式,並依服務規格訂定(Service Specification)、服務發展(Service Development)及服務應證(Service Verification)等 幾個步驟施行,其工作流程如圖三所示:


圖三:軟體發展之工作流程圖

1.1 服務規格訂定

  服務規格訂定是教學服務開創之首要任務,它的主要工作在於詳細的描述教學服務需 求、擬定服務之資料及流程邏輯分析。因此,教學服務開創之前需詳列服務開創之需求, 因提供課程者可能無法Identify此需求,所以我們提供一個GUI-Based之選項供User選擇。

1.2 服務發展

  在我們的Testbed分成三個步驟完成上述之需求。

教學服務設計

  在此LCE下,藉由許多LSB的Link以建構完成開創之教學服務(如圖四所示)。此LSB Editor提供給服務設計者一個Web-based GUI以便容易地去Layout LSB。


圖四:教學服務設計架構圖

SF設計

  此模組供給教學服務設計者Web-Based GUI完成相關教學服務特性。因此,我們將對 所列之服務需求轉換成相關之SF。

LSB設計

  此Task中,我們開發一LSB Generation Tool,此工具提供一GUI為主的介面,我們 可以藉此介面定義LSB。其Implement觀念如圖五所示。


圖五:LSB之設計觀念

1.3 服務應證

  服務應證是遠距教學服務開創的最後一步驟,其主要目的是去驗證教學服務開創之 結果是否符合原來課程設計者所提的需求。

2. 下層服務開創環境建構

  我們採用主從式架構(Client/Server)來建構下層服務開創環境。Server端包含Web Server、LCE Server及Database等,而Client端為Web Browser,教師在此進行課程設計 ,而學生則在此進行學習。圖六為LCE之運作架構圖,各部份說明如下:


圖六:LCE之運作架構圖

2.1 Server端

Web Server

  Web Server是擔任遠距教學服務伺服器之工作,上面儲存有遠距教學開創環境之主 要網頁,以及課程設計者自行設計之教學網頁,Web Server提供給Web Browser存取網頁 之功能,而Web Server與Web Browser之間是以HTTP(Hyper Text Transfer Protocol)來 進行溝通。

LCE Server

  LCE Server是一個Java Application,我們在LCE Server上實作一個CORBA物件,此 物件利用JDBC API來存取Database的資料,而LCE Server與Web Browser之間是透過 CORBA ORB來溝通。

Database

  Database用來存放LCE Manager所儲存之資料,不過資料之儲存必須透過LCE Server。

2.2 Client端

  Web Browser上有三個主要的Java Applet,分別為LCE Login、LCE Manager以及LCE Learning,LCE Manager為課程設計者設計課程的地方;LCE Learning為學習者進行學習 的地方,而在使用LCE Manager及LCE Learning之前,均需要通過LCE Login檢核登入使用 者的身份方可使用。以下我們針對LCE Manager以及LCE Learning做一簡介。

LCE Manager

  主要提供給課程設計者對服務開創環境管理的功能。本研究所設計的LCE Manager共有 以下八項功能:(1)Learning:可供學習者選擇所欲學習的課程;(2)Profile:記錄上線使 用者之個人詳細資料;(3)Logout:登出LCE Manager回到LCE Login;(4)Monitor:課程設 計者可用利Monitor隨時監控上線學習者的學習進程;(5)User Editor:課程設計者可利用 User Editor編輯LCE使用者之個人資料;(6)Course Editor:課程設計者設計教學課程之 用;(7)Test Editor:課程設計者設計教學測驗之用;(8)Service Designer:即教學服務 設計中之LSB Editor,讓課程設計者設計學習者學習之進程。

LCE Learning

  LCE Learning提供學習者進行遠距學習。在此學習者可以控制學習的進程,例如回到上 一個課程或進入下一個課程,而學習者的學習進程則根據課程設計者利用Service Designer 所設計之課程來進行。

  關於教學服務建構方塊(LSB)設計部份,本研究一共設計了七個LSB,如表一所示。

編號 圖示 名 稱 功     能
1 Arrow 學習進程的方向。
2 Decision 提供判斷的功能,例如依學習記錄提供不同的進程選擇,或依Test的結果提供繼續的進程。
3 Security 系統安全檢核功能。
4 Course 進行教學課程。
5 Test 進行教學測驗。
6 Begin 進程開始。
7 End 進程結束學習,進程記錄回存。

表一:教學建構服務方塊

3.人機介面規劃

  本研究在教學服務開創環境之人機介面規劃方面,提供了使用者非常友善 (User-Friendly)之設計與學習環境。如Service Designer提供教學服務設計良好之開發環 境,對於各LSB之Layout與Link均可輕易地完成SF設計。另外在LSB設計方面,LCE Manager提 供物件導向式的開發工具,可完成LSB之設計與特性設定,如Course Editor及Test Editor即 為Course LSB及Test LSB之開發工具。

  以下我們將從課程設計者和課程學習者兩個觀點來探討教學服務開創環境:

3.1 課程設計者

  LCE提供課程設計者一個Web-based GUI設計環境,課程設計者進入LCE Manager後,首先 依據課程設計中的教學的內容,藉由Course Editor來編輯教學課程(即LSB),圖七所示為LSB 之設計例(一)。課程設計者乃是透過Course Editor攫取Web上任何教學資源,例如按章、節 、小節等架構,將文字、圖片、動畫及音效等各種背景的煤體,完全彈性的編撰成為完善之 教材。


圖七:Course Editor設計教學課程

  圖八為LSB設計例(二),課程設計者使用Test Editor來設計教學測驗,Test Editor所提 供之測驗題型包括是非、選擇、複選以及填充,並且可以設計各題之得分以及記錄成績。


圖八:Test Editor設計教學測驗

  圖九為LSB設計例(三),圖中Decision LSB將會根據學習者之測驗成績來決定下個學習進 程為基本課程、進階課程或補救課程。


圖九:Decision LSB之特性設定

  當教學課程及教學測驗等相關的LSB設計完成後,課程設計者再藉由Service Designer來 設計學習者學習之進程,圖十即為教學服務設計例,組合各LSB流程與邏輯關係成為一SF來提 供教學服務需求。在圖十中,學習者必須先通過安全檢核後才能進行教學課程,學習完成後 進行教學測驗,測驗完畢後會根據測驗成績決定繼續的學習進程為基本課程、進階課程或是 補救課程。


圖十:Service Designer設計教學進程

  在Service Designer中,課程設計者將設定各LSB之特性,並且決定LSB間之流程及邏輯 關係。

3.2 課程學習者

  LCE提供學習者一個Web-based GUI學習環境,學習者進入LCE Manager後,系統首先根 據身份與學習進程的記錄給予不同的選擇機會,學習者藉由Learning來選擇所要學習的課 程。圖十一顯示提供選擇之課程為一般電機機械課程中有關發電機、電動機以及變壓器之 理論等課程:


圖十一:利用Learning來選擇教學課程

  LCE Learning為學習者進行遠距教學之Applet,如圖十二所示為教學服務應證例。學習 者可以控制學習的流程,如繼續學習、複習或是進行教學測驗,當完成學習後,本次的進程 資料將自動回存。


圖十二:課程學習者利用LCE Learning進行遠距教學之畫面





五、結論與建議

1. 結論

  隨著多媒體與網際網路之發展,透過網路來進行遠距教學將是未來之趨勢,因此對於遠 距教學之服務環境應以審慎的態度來規劃。開發具生動性及互動性之教學課程,以及提供教 師與學生良好的遠距教學環境,是遠距教學非常重要之一環。

  本研究所開發之遠距教學服務開創環境,提供了遠距教學一個彈性的網路教學服務架構 、適切的教學服務管理以及良好的教學服務開創與控制。在課程設計方面,本研究提供課程 設計者一個簡單且迅速的設計環境,在此環境中課程設計者可以進行教學課程、教學測驗以 及教學進程之規劃,並且透過教學建構方塊及其相關邏輯關係之組合,即可開創出一良好之 遠距教學環境。在課程學習方面,本研究亦提供學習者一個優良之遠距學習環境,可進行教 學課程及教學測驗,而且學習者在學習的時候,課程設計者隨時都可以監控學習者的學習狀 態。不論是教學設計與學習,本研究均提供課程設計者與學習者一良好的遠距教學服務環境 。

  遠距教學最終的目標在與其他各國的遠距教學系統相互連接,以提供每一個人適時性學 習(Just-in-time learning)以及全球化教學服務(Education without walls)的學習環境, 使全球的每一個人不論在任何時間或任何地點,皆可進行跨校或是跨國的課程學習。

2.建議

  遠距教學的教學環境與傳統的教學方式比較,遠距教學雖然可不受時間、空間及距離之 限制,但是教師和學生之間的溝通及互動情形卻不如傳統教學來得良好。本研究之遠距教學 服務開創環境,雖然可提供教師與學生迅速且有效地進行教學設計與學習,但師生之間的互 動性應該還可以再加強。目前利用電腦網路提供遠距教學服務,大多是教師事先設計好課程 內容置於網路伺服器中,學生再上網攫取課程資料學習,若有問題則以留言或電子郵件之方 式與教師溝通,如此之教學方式雖甚稱互動,但未能稱得上及時互動。現在有所謂的多位址 傳輸架構(Multicast Backbone; MBONE)可提供即性資料之傳送,如影像、聲音及文字等等 ,本研究之後續研究若能融合MBONE,相信可以大幅度提昇師生互動之即時性,使教師隨時 皆可掌控學生之學習狀況,並且達成線上即時問答之功能。

  除了師生之間的互動之外,加強學生與課程之互動也是本研究未來努力之目標。遠距教 學除了可以利用多媒體(Multimedia)來加強課程內容的變化,另外也可以採用虛擬實境 (Virtual Reality; VR)方式來進行教學,學生不再只是單方向地閱讀課程內容,而是融入 (Immersion)虛擬實境課程,對課程內容進行巡視(Navigation)及操作(Operation),如此之 學習方式將對學生之學習成效有相當大之助益。

  目前透過電腦網路可提供遠距教學良好之學習環境,但網路大多採用有線的方式來通訊 ,學習者在學習的時候還是會受到通訊媒介之限制,若想要突破此限制則必須採用無線行動 通訊的方式。因此,本研究另一個努力的方向為結合無線網路 (Wireless Network)於遠距 教學服務之環境,期望透過無線相關協定來創造一個時時可學習(Every-when learning)、 處處可學習(Every-where learning)之遠距教學環境。

  本研究之後續研究將繼續開發更多LSB,除上述之MBONE及VR可加強學習之互動性及真實 性之外,其他諸如效能評估(Evaluation)等等皆是我們努力之目標,期望能夠提供一全方位 且完善之遠距教學服務開創環境。





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