基于泛在学习的虚拟网络实验系统的设计研究

宋佳艳

摘 要：泛在学习理论作为一种全新的教学思想，其产生与教育信息化发展密不可分，尤其是伴随虚拟仿真技术的日益成熟，虚拟网络已经在很大程度上代替了实际网络，并广泛应用于科研学术领域。在这两者深入融合的大背景下，基于泛在学习的虚拟网络实验系统也正式被提出，它的发展具有十分重要的意义，它能很好地帮助破解当前网络实验教学中面对的诸多难题，并显著增强虚拟网络实验平台的多样性、灵活性、泛在性、互动性等特点。

关键词：泛在学习；虚拟网络；实验系统

中图分类号：TP393.0；TP181 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）02-0100-03

Research on the Design of Virtual Network Experiment System Based on Ubiquitous Learning

SONG Jiayan

（Nanjing Institute of Railway Technology，Nanjing 210031，China）

Abstract：As a new kind of teaching idea，the production of ubiquitous learning theory is closely related to the development of education information. Especially with the growing maturity of virtual simulation technology，the virtual network will replace the actual network and will be widely used in the field of scientific research. With the integration of the two. The virtual network experiment system based on ubiquitous learning has been proposed，and its development has a great significance. It can solve many problems existing in current network experiment teaching. It also increases the diversity，flexibility，ubiquitous and interactive features of the virtual network experiment platform.

Keywords：ubiquitous learning；virtual network；experimental system

1 泛在學习的概念

所谓泛在学习，指的是以学习者为主体，以满足知识构建为目标，以完成学习任务为重点，基于信息技术的新兴“自然”学习方式。这种学习方式坚持以实际问题为切入点，并注重构建有效的学习情境，让学习者融入实际生活，从而增强学生学习的自主性和学习兴趣，进而帮助学生获得全面的知识体系。对于学习者来说，在应用泛在学习的过程中，技术仅仅承担改善学习环境的辅助作用，不会增加额外的学习压力，这能保证学习者集中精力进行学习。

早在上世纪80年代末期，美国著名学者Mark Weiser就阐述了泛在计算的相关定义。他指出，泛在计算的核心理念是使用户和计算技术相互分离，而将服务融于周围环境之中，用户只需处于这一特定环境下，在潜意识上就能与环境互动，并获得相应的服务，但用户自身并不知道服务的来源。泛在学习作为一种新的学习方法，它强调尊重学生的主体地位，通过计算机信息技术与教育地有机融合，营造出满足学习需要的有利情境。在这种情境中，学生能够深刻地理解问题本质，并与现实世界相融合，从而形成系统的知识体系构建。

2 基于泛在学习理念的实验教学系统的组成

基于泛在学习理念的实验教学系统的组成，人们通常认可其包括三个方面：一是通讯网络，它是整个教学环境的基础，它处于最底层，其主要作用是满足教学的数据传输需求，并提供必要的软件和硬件支撑，因此也可以说它是各种网络课程资料的基础；二是资源与服务网络，简单地说，它以互联网通讯技术为基础，实现网络资源节点和服务节点的相互联通，并形成基于语义关联的课程资源网络，承载各种学习资源；三是人际网络，它是网络课程资源的直接服务对象，也是整个教学系统的关注核心，指的是学习者所构成的关系组织，图1直观地描述了这一基本模型的结构关系。

与传统教学模式相比较，这一基本模型所涉及的学习主体、资源及环境等方面均发生了根本性的改变。比如，学习者不再受到教室课程和老师的限制，而是能够根据自己的需要从教学系统中搜索自己想要的知识内容，这些知识内容丰富、分散、灵活，对学生来说具有极大的便利性。基于这一教学模式，学习者能够更好地进行知识互动与分享，其流动性十分明显。此外，在学习期间，教学者能够系统地分析共享知识内容，以便采取任务教学和模块分类的方式，科学地设计实验方案、学习内容和教学手段等，从而满足不同学习者的需要。

3 基于泛在学习的虚拟实验系统的需求分析

作为一种将现代信息技术和教学理念相结合的新教学方式，基于泛在学习的虚拟实验系统首先要关注的对象是用户，而与传统教学相对比，这里的用户既包括教师，也包括学生。其中，为了满足学生的学习需求，提升学习主动性和综合体验，系统在进行设计时，关键是确保底层的透明性，也就是说用户不用了解各种模块的技术参数和数据处理原理等，也不用参与实验脚本的编制，他们只需借助拓扑图，就能自动完成脚本的产生和修改，而在执行脚本以后，就能直观地查看数据统计情况，方便地完成各项实验程序。此外，实验系统还需满足不同的教学需要，例如通过开发资源管理功能实现资源的灵活储存和使用。另外为满足多点相互交流，系统还应具备在线互动、自主评价等功能。

4 虚拟实验系统设计

4.1 系统总体设计

在遵从泛在学习理念的基础上，可对照其基本特征进行需求分析，从而依据功能差别划分不同的模块。由此可将实验系统分成以下几类模块：

（1）用户管理模块，主要进行用户的初始注册、登陆、资料修改等操作；

（2）实验管理与交流模块，该模块主要满足教学者的实验任务布置、方法讲授和资源管理等功能，同时还能满足学生在线交流、互动教学和评价反馈等需要。

（3）实验生成模块，主要用于绘制拓扑图，产生和修订实验脚本等。

（4）实验平台模块，对模拟软件进行整合，用于执行脚本、处理数据，并输出实验结果和分析报告等。

4.2 实验生成模块设计

依据泛在学习理念，其主要优势在于满足用户的泛在性需要和自适应要求，也就是用户无论何时何地都可以方便地进入系统进行学习。不过系统所选取的模拟软件均对脚本编辑的专业性要求较高，对于学习者来说难以掌握和使用。所以，需要借助绘制拓扑图这一方法来满足实验构建所要求的可视化需求。为了满足泛在学习的交互性需求，相关拓扑图必须作为资源管理对象长期保存，为此系统开发了拓扑图生成程序。另外，为了实现系统的透明性，使用户无需关注相关技术细节，还要设计统一的数据结构，使其置业务逻辑层和表示层，从而隐藏脚本与拓扑图之间的转化。

在生成拓扑图的时候，需要关注节点或链路这两个目标对象。其中，节点指的是网络协议、器材和设备等实物；链路代表了节点间的有关元素，如介于不同设备之间的物理连接以及基于网络的数据发送与接受等。由于节点和链路类型较多，为了更好加以区分，系统在UI层设计了配套的元素属性。比如，涉及链路的有文字、色彩、相连接点等等，涉及节点的则有文字、色彩、图形、大小等。

拓扑图的生成，以主要数据结构为基础，它采用JavaScript的动态原型方式定义系统表示层，因而可以确保全部通用函数均适用于类的所有实例。同时，对各类的实例变量来说，还定义了一个专门的全局变量数据，其作用是存放全部实例变量引用，比如代理类实例全部存放于AgentNodeArray。此外，为了记录各类生成的实例数量，系统还有一组全局变量id，它的作用是识别已有拓扑，以便为新元素节点编制合理的编号。生成拓扑图的最后一个步骤，就是把实例化对象全部转化为JSON字符串。

4.3 实验平台模块设计

为满足系统透明性需要，也就是使用户看不见模拟、分析等程序，这就要求实现执行脚本、数据处理分析的不可见性。对于用户来说，执行脚本均为异步操作，当不同任务被同时提交时，那么就需要解决任务排队问题，系统所采用的方式为生产者—消费者模式，即相关任务通过请求线程写进任务队列，同时会提醒守护线程完成任务转发操作，在中间件接收到任务后，会进一步分发到应用服务器。守护线程在无任务需处理的时候，会自动转为等待状态。

使用者对实验教学系统的反馈需要建立在实验结果这一基础上。应该说，Dynamips的最大优势是能实现完整模拟，这能满足不同组网模拟的实验需要，但是其缺点也很明显，那就是需要使用者自行配置虚拟网络设备。而NS2和NS3的实验结果几乎覆盖了协议模拟的所有细节，所以本文在进行功能设计时，主要对NS模块加以分析。

4.4 实验管理与交流模块设计

4.4.1 消息与文件传输设计

对于实验管理模块来说，其中心功能是传递资料和信息。当用户与网络服务器相连时，模块的业务逻辑层便会自动实例化一个对应的Socket管理类，此时用户使用账号和密码进行登陆识别。使用过程中，用户所发出的信息需要经过Socket容器来匹配接收者，从而完成信息传递。

用户在传输文件的时候，不仅可手动完成，也可异步提交。系统的Upload Handler类可用于完成异步提交，所涉及的提交对象有：编辑实验文本时候自动存储、文档中的图片、与他人交流时候的附件上传等。依据AJAX所提交的不同参数，系统能根据需要选定文件类型、上传大小、存储位置和上传编码等要求。

4.4.2 即时通信设计

交互性是基于泛在学习实验课堂的要求，即学习者能够在使用中自由交流。即时通讯模块成为Web应用的首选。

通常来说，聊天室一般采用两种方式实现聊天功能。一是轮询，所谓轮询，指的是借助AJAX在固定时段向服务器发送指令来得到信息，不过轮询间隔主要取决于网络负载情况，如果轮询频率较低，则信息可能缺乏时效性，但高频轮询则会增加服务器的运行压力；二是长轮詢，它指的是维持服务器与浏览器之间的长连接，确保浏览器能够发送指令请求，而服务器反馈消息，基于这种方式就需要专门的HTTP连接，不过与轮询相比，当信息量过大的时候，长轮询性能表现不佳。

4.5 中间件设计

4.5.1 中间件功能设计

依据泛在学习的可拓展和开放性需要，虚拟网络实验系统应满足下面几点要求：

（1）当功能需求增加时，系统模块也要同步调整，有关模拟软件也必须很好地融合，所以需要设计出规范的数据传输接口；

（2）由于不同的软件适用不同地系统，比如NS只能运行于Linux系统，而Dynamips既有Windows版本，也有Linux版本。对此，应该考虑如何把系统和服务器分开，同时研究适合二者的通讯模式；

（3）当系统在泛在环境下运行时，用户的访问具有不可预测性，可能出现大量访问和多来源访问等情况。通过实验可知，采用NS模块时，当普通计算机对应高达几十个节点的网络数量时，其模拟时间为十多秒，有时甚至会达到几分钟。如果许多用户在同一时间集中执行任务，那么服务器的运行压力会迅速增加，而任务不能同时处理，只能进行排队，而等待时间有时会很长，因此这是系统必须解决的关键问题。

对此，系统配置了中间件，对发生于表示层和业务逻辑层之间的信息传输，统一的接口标准能够实现功能模块很好地拓展，而且借助远程技术实现与服务器的信息交互，这就可以完成远程操作和文件收发。期间，对于性能瓶颈问题可以采用负载均衡策略来破解。

4.5.2 数据交换接口设计

对于表示层和业务逻辑层来说，为满足二者之间的数据交换，需要通过中间件规范接口调用标準，使系统解祸与前后端相互分离，这有利于系统模块的继续拓展。为此，应该设计统一的接口定义，确保全部模块的表示层在与业务逻辑层之间进行信息传递时，必须遵循接口标准。当还需对系统功能进一步拓展时，仅需依据统一的接口标准进行信息传递，同时编写所需的处理程序，就可以便捷地把新模块融入系统中。

5 结 论

基于泛在学习的虚拟网络实验教学系统是技术发展与教育需求相结合的产物。文章在阐述了相关理论和概念内涵的基础上，从整体上进行了系统设计，阐述了组成系统的不同模块，主要有实验生成模块、平台模块，以及资源管理与交流模块，并依据功能需要进行了设计分析，最后文章还对中间件设计进行了深入分析。通过文章研究可见，作为新时期的一种新兴教学模式，该实验系统能够满足当前绝大多数的实验课程教学需要，它在对各种软件进行有效整合的基础上，通过可靠的资源管理和教学控制，能够满足使用者的灵活使用、交流互动和自主选择等需求，充分展示了其多元性和实用性。另外，该系统具有很强的拓展功能，能够依据未来的课程教学需要，对其结构和模块进行进一步地优化和整合，来适应新时期地教学需要，从而促进教学效率和教学质量地提升。

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