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网络教育应用网络教育应用第三章 网络教育应用的技术基础 2020-04-01天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院学习目标学习目标v1了解计算机网络的发展趋势及其对网络教育的影响。v2了解网络多媒体数据解压缩技术的基本原理，掌握流媒体技术的基本概念，阐述流媒体技术在教育中的用途。v3归纳VRML虚拟现实技术在教育中应用的特点。v4了解Agent技术的基本概念、原理，阐述其在教育中的作用。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.1 计算机网络技术v计算机网络技术是网络教育最重要的技术基础，计算机网络构成了网络教育的物质基础。计算机网络技术经过近半个世纪的发展，迄今为止，已经发展到第四代计算机网络。v计算机网络技术发展的基本方向是开放、集成、高速、移动、智能以及分布式多媒体应用。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.1 计算机网络技术v一、网格技术v1网格定义v“网格是继传统互联网、Web之后的第三个大浪潮，可以称之为第三代互联网。”（李国杰）v即传统互联网实现了计算机硬件的连通，Web实现了网页的连通，而网格试图实现互联网上所有资源的全面连通，包括计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源等。它们都连接成一个整体，整个网络如同一台巨大无比的计算机，向每个用户提供一体化的服务。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.1 计算机网络技术v“网格是将互联网上的分布式计算资源整合在一起而构成的一种大型虚拟计算系统。它打破了原有资源集中的数据共享模式，实现了不同地域资源的协作与共享，从而达到充分利用全球IT资源的目的。”(IBM公司)v具体地说，网格是通过互联网将服务器群集连接起来，并通过Globus开放源代码提供的协议和其他开放技术组建的计算系统。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.1 计算机网络技术v网格技术就是要利用互联网把分散在不同地理位置的电脑组织成一台“虚拟的超级计算机”，实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、通信资源、专家资源等的全面共享。v网格技术中每一台参与的计算机就是一个节点，就像摆放在围棋棋盘上的棋子一样，而棋盘上纵横交错的线条对应于现实世界的网络，所以整个系统就叫做“网格”。在网格上做计算，就像下围棋一样，不是单个棋子完成的，而是所有棋子互相配合形成合力完成的。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.1 计算机网络技术v网格由网格节点、数据库、贵重仪器、可视化设备、宽带网络系统及网格软件等六部分组成。网格节点是一些高性能的计算机；数据库是存储包括天文、基因等信息和数据的“仓库”；贵重仪器包括理论物理研究的粒子加速器、大口径雷达、天文望远镜等科学仪器和精细的打印设备；网格计算软件包括网格操作系统、网格编程与使用环境以及网格应用程序。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.1 计算机网络技术v网格系统由三个基本层次构成：资源层、中间件层和应用层。资源层是构成网格系统的硬件基础，实现计算资源物理上的连通；中间件层完成广域计算资源有效共享；应用层上开发的应用系统性能如何，是衡量网格性能的关键。v2网格研究现状网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.1 计算机网络技术美国国家科学基金会资助的NPACI、“国家技术网格”(NTG)、分布万亿次级计算设施(DTF)、美国宇航总署的IDG、美国能源部的ASCIGrid，以及欧盟的Data Grid等。863计划支持的“中国网格(China Grid)”建设，有多家单位参加；“上海教育科研网格”，多所上海的大学参加；“仿真网格”的研究，由航天二院和清华大学共同开展；“织女星网格”，由中科院计算所领衔开发。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.1 计算机网络技术v二、下一代Internet技术v下一代Internet NGI(Next Generation Internet)是1997年5月在美国的计算机研究学会召开的工作组会议上提出的，指的是比现行的Internet具有更快的传输速率、更强的功能、更安全和更多的网址，能基本达到信息高速公路计划目标的新一代Internet。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.1 计算机网络技术vNGI的研究课题主要集中在6个方面：应用、中间件、QoS(Quality of Service)服务质量控制技术、Internet流量工程、网络安全和网络体系结构。vNGI的研究主要有三个计划：NGI、VBNS(超高带宽网络服务)和Internet 2。v实施NGI计划的目的是为Internet“更新换代”，以全面保持美国在信息和通信技术上的领先优势。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.1 计算机网络技术v实施NGI计划直接目的：v把各大学和国家实验室的网络速度提高100倍。v推动下一代网络技术的研究。v满足国家重点项目的需求。vInternet 2的主要目标是开发出用2.4Gb/s高速网络连接大学校园的新方法，开发出服务于大学研究和教学的新一代计算机网络，并为某些重要的网络研究提供足够的带宽，突破今天的带宽瓶颈。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.1 计算机网络技术v在国内的Internet 2项目中，中国高速互连研究试验网络“NSFCNET”()是在国家自然科学基金委的资助下，由清华大学、中国科学院计算机信息网络中心、北京大学、北京邮电大学、北京航空航天大学等单位承担建设的重大联合研究项目。项目从1999年11月正式启动，2000年9月试验网络开通。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.1 计算机网络技术v项目的研究目标是：建设我国第一个基于密集波分多路复用DWDM光传输技术的高速计算机互连学术性试验网络，研究下一代互联网络关键技术和基础理论，开发若干重大应用系统，为我国开展下一代互联网络技术研究提供实验环境。v基于高速骨干网的实时交互远程多媒体教学试验系统基于IP组播方式(IP Multicasting)，支持网上交互式访问，适用于多学科、多模式，支持实时的远程教学，实现了完整的网上课堂。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.1 计算机网络技术v用于远程教育的交互式VOD点播试验系统，则是包含多媒体课件点播服务器、多媒体课件管理服务器、基于WWW的客户端视频播放插件和多媒体课件辅助制作模块的分布式远程教育视频点播系统。v三、无线网络技术v无线网络技术正得到日益普及的应用。常见的无线网络接入技术有无线局域网技术和蓝牙技术。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.1 计算机网络技术v1无线局域网(WLAN)v无线局域网作为一种灵活的数据通信系统，是固定局域网的有效的延伸和补充。vWLAN利用电磁波在空气中发送和接受数据。WLAN的数据传输速率现在已经能够达到54Mb/s，传输距离可远至20km以上，使网上的计算机具有可移动性，能快速方便地解决使用有线方式不易实现的网络连通问题。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.1 计算机网络技术v无线局域网系统包括为电脑终端配置的无线局域网卡；进行数据发送和接受的设备，称为接入点(Access Point，AP)；其他一些接入控制设备。vWLAN的应用有两类情况：v(1)独立的WLAN。v指整个网络都使用无线通信的情形。在这种方式下可以使用AP，也可以不使用AP。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.1 计算机网络技术网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.1 计算机网络技术v(2)非独立的WLANv无线通信可以作为有线通信的一种补充和扩展，这种情况称为非独立的WLAN。在这种配置下，多个AP通过线缆连接在有线网络上，以使无线用户能够访问网络的各个部分。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.1 计算机网络技术v2蓝牙技术(Bluetooth)v蓝牙技术是一种将多种家庭与办公室中的数据和语音设备通过无线方式联网的技术，在便携式计算机、移动电话以及其他的移动设备之间建立起一种小型、经济、短距离的无线链路。v蓝牙标准(IEEE 802.15)是由移动通信公司与移动计算公司联合起来开发的传输范围约为10米左右的短距离无线通信标准。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.2 网络多媒体技术及应用v一、多媒体数据压缩编码技术v多媒体信息具有数据海量性，与当前硬件技术所能提供的计算机存储资源和网络带宽之间有很大差距。v1多媒体数据压缩的可行性v多媒体视频信号上存在大量的冗余，并且这种冗余在编解码后可以无失真地恢复；多媒体视频信号的冗余度存在于结构和统计两方面。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.2 网络多媒体技术及应用v可以利用人的感官特性，在信息变化不被觉察的条件下减少存储、传输的信息量，以一定的客观失真换取数据压缩。v2多媒体数据压缩方法v多媒体数据压缩方法根据不同的依据可产生不同的分类：根据质量有无损失可分为无损压缩和有损压缩。根据用于多媒体系统的技术划分成熵编码、源编码和混合编码等。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.2 网络多媒体技术及应用网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.2 网络多媒体技术及应用v3多媒体数据国际标准v被国际社会广泛认可和应用的通用压缩编码标准大致有如下三种：H.261、JPEG和MPEG标准。v(1)H.261/H.263v由CCITT(国际电报电话咨询委员会)通过的用于音频视频服务的视频编码解码器(也称P*64标准)，主要适用于视频电话和视频电视会议。v使用两种类型的压缩：一帧中的有损压缩和用于帧间压缩的无损编码。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.2 网络多媒体技术及应用v(2)JPEGv全称是Joint Photographic Experts Group(联合图片专家组)，是一种基于DCT的静止图像压缩和解压缩算法，它由ISO(国际标准化组织)和CCITT(国际电报电话咨询委员会)共同制定，并在1992年后被广泛采纳后成为国际标准。v用于连续色调、多级灰度、彩色/单色静态图像压缩。具有较高的压缩比，在压缩过程中的失真程度很小。这种有损压缩在牺牲较少细节的情况下用4:1到10:1的压缩比来存档静态图像。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.2 网络多媒体技术及应用v(3)MPEGvMPEG是Moving Pictures Experts Group(动态图像专家组)的英文缩写，实际上是指一组由ITU和ISO制定发布的视频、音频、数据的压缩标准。包括MPEG视频、MPEG音频和MPEG系统(视音频同步)三个部分。vMPEG压缩标准是针对运动图像而设计的，采用有损失的帧内压缩和帧间压缩技术。MPEG压缩标准平均压缩比可达50:1，压缩率比较高，且又有统一的格式，兼容性好。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.2 网络多媒体技术及应用vMPEG-1用于传输1.5 Mb/s数据传输率的数字存储媒体运动图像及其伴音的编码，经过MPEG-1标准压缩后，视频数据压缩率为1/100-1/200，音频压缩率为1/6.5。vMPEG-1提供每秒30帧352x240分辨率的图像，当使用合适的压缩技术时，具有接近家用视频制式(VHS)录像带的质量。vMPEG-1允许超过70分钟的高质量的视频和音频存储在一张CD-ROM盘上。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.2 网络多媒体技术及应用vMPEG-2主要针对高清晰度电视(HDTV)的需要，传输速率为10Mb/s，与MPEG-1兼容，适用于1.5-60 Mb/s甚至更高的编码范围。MPEG-2有每秒30帧704*480的分辨率，是MPEG-1播放速度的四倍。vMPEG-4标准是超低码率运动图像和语言的压缩标准，用于传输速率低于64kb/s的实时图像传输，它不仅可覆盖低频带，也向高频带发展。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.2 网络多媒体技术及应用v二、流媒体技术及应用v1流媒体技术原理v(1)基本概念v流媒体(Streaming Media)是一种可以使音频、视频和动画等多媒体文件能在Internet及Intranet上以实时的、无需下载等待的方式进行播放的技术。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.2 网络多媒体技术及应用v流式传输方式是将多媒体文件经过特殊的压缩方式分成一个个压缩包，并附加上与其传输有关的信息，形成实时数据流，由视频服务器向用户计算机连续、实时传送。v在采用流式传输方式的系统中，用户不必像非流式播放那样等到整个文件全部下载完毕后才能看到当中的内容，而是只需经过几秒或几十秒的启动延时即可在用户的计算机上利用相应的播放器进行播放，多媒体文件的剩余部分将在后台的服务器内继续下载。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.2 网络多媒体技术及应用v(4)流媒体系统的组成v流媒体系统包括五个方面的内容：v编码工具：用于创建、捕捉和编辑多媒体数据，形成流媒体格式；v流媒体数据；v服务器：存放和控制流媒体的数据；v网络：适合多媒体传输协议甚至是实时传输协议的网络；v播放器：供客户端浏览流媒体文件。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.2 网络多媒体技术及应用v2流媒体技术的网络教育应用方案v流媒体技术对网络教学的最大贡献是实现了网上实时内容的同步传输和播放，从而可建立教师与学生、学生与学生之间实时交互的网络教学。v(1)实时同步教学方式的实现v实时同步网络教学系统是通过Internet将教师授课教室的设备和学生听课教室的设备连接在一起的。可同时支持多个学生端和多个教师端，每个学生端在同一时间只能和一个教师端相对应，一个教师端可同时和多个学生端相对应。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.2 网络多媒体技术及应用v实时同步网络教学系统的组成大致分为三部分：教师授课部分、学生听课部分、信号控制传输部分。v(2)异步教学方式的实现v异步教学方式的实现需要将制作好的流媒体课件放在网上供学生随时浏览学习。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.3 虚拟现实技术及应用v一、虚拟现实技术的概念与类型v1虚拟现实的概念v虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。v由计算机产生一个三维的、基于感知信息的临场环境，对使用者的控制行为做出动态的交互反应，将计算机处理的数字化信息变为人所能感受的具有各种表现形式的多维信息，从而产生亲临真实环境的感受和体验，使人机交互自然和谐。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.3 虚拟现实技术及应用v虚拟现实思想的起源可追溯到1965年Ivan Sutherland在IFIP会议上所做的题为“终极的显示”的报告；20世纪80年代初，美国VPL公司的创建人之一Jaron Lanier正式提出了“Virtual Reality”一词。v虚拟现实技术的特征可归纳为三个“I”，即沉浸(Immersion)、交互(Interaction)、想像性(Imagination)。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.3 虚拟现实技术及应用v(1)沉浸性v虚拟现实技术是根据人类的视觉、听觉的生理心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像，使用者配备虚拟交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。v使用者与虚拟环境中的各种对象的相互作用，就如同在现实世界中的一样。使用者在虚拟环境中，一切感觉都很逼真，有身临其境的感觉。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.3 虚拟现实技术及应用v(2)交互性v虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。v计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动，来调整系统呈现的图像及声音。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.3 虚拟现实技术及应用v(3)想像 v由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而达到身临其境的感受。v根据用户参与VR的不同形式以及沉浸的程度不同，可以把虚拟现实技术划分为四种类型：桌面虚拟现实、沉浸的虚拟现实、增强现实性的虚拟现实和分布式虚拟现实技术。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.3 虚拟现实技术及应用v2虚拟现实技术在网络教育中的应用v(1)虚拟现实技术在网络教育中的作用v弥补远程教学条件的不足v避免真实实验或操作所带来的各种危险v彻底打破空间、时间的限制v(2)实际应用方案v中国科技大学运用虚拟现实技术在物理实验方面已经形成了比较成熟的产品，广播电视大学物理虚拟实验、几何光学设计实验平台、大学物理虚拟实验远程教学系统。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.4 Agent技术及应用v一、Agent技术简介v1基本概念vAgent技术来源于分布式人工智能(DAI)领域，它被誉为是“软件开发的又一重大突破”、“软件界的革命”。v一般认为Agent是一种处于一定环境下包装的计算机系统，为实现设计目的，它能在那种环境下灵活地、自主地活动。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.4 Agent技术及应用vWooldrige(1995)给出的Agent的两种定义：v定义1(弱定义)：Agent用以最一般地说明一个软硬件系统，其特性：自治性(autonomy)，Agent可以在没有人或其他Agent干预的情况下运作，而且对自己的行为和内部状态有某种控制能力；社会性(social ability)：Agent和其他Agent(或人)通过某种Agent语言进行信息交流；反应性(reactivity)：Agent能够理解周围的环境，并对环境的变化做出实时的响应；能动性(pre-activeness)：Agent不仅简单地对其环境做出反应，也能够通过接受某些启动信息，表现出有目标的行为。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.4 Agent技术及应用v定义2(强定义)：Agent除了具备定义1中的所有特性外，还应具备一些人类才具有的特性，如知识、信念、义务、意图等。v2单个Agent的BDI模型简介v常用的Agent理论模型有Bratman提出的BDI(Belief Desire Intention)理论、Konolige的演绎模型(Deduction model)理论、Moore的知识和行为(Knowledge&Action)逻辑、Cohen和Levesque的意图(Intention)理论。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.4 Agent技术及应用vBDI模型是Bratman在哲学和认知科学的基础上对理性Agent研究得出的理论，认为每一个Agent都应该有三个心智状态：v理念：Agent对客观世界的信念。v愿望：Agent根据外界事件状态而产生的某种情绪状态。如果外界事件满足信念，但却不为真时，Agent就会产生要使其为真的情绪状态。v意图：Agent在产生了愿望之后，确定的一系列类似子目标的心理状态。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.4 Agent技术及应用v3应用于教育的Agent系统的一般构成v教育Agent系统的设计一般过程如下：首先确定教学系统的工作流程，然后把工作流程抽象成一系列的行为表征，进而确定Agent及其能力，设计相关的系统模式，最后形成整个的系统模型。v各个不同的教育机构对Agent的系统构造不尽相同，从一般性的结构角度可分为三类。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.4 Agent技术及应用v教学Agent：组成比较复杂，涉及教学过程的各个方面，一般包括教学策略Agent、学生建模Agent、教学内容Agent、测验和评价Agent，以及其中负责协调合作的协调Agent。v接口Agent：负责学习者与系统内部的信息交流以及和其他系统的接口Agent交流。v过程管理Agent：负责监控学习过程，收集分析数据，为教学决策Agent采取策略提供基础等。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.4 Agent技术及应用v二、Agent技术在网络教育中的应用v1国内外Agent教育应用的现状v(1)加利福尼亚大学Johnson等人的研究 v美国南加利福尼亚大学信息科学研究中心Johnson等人开发了两个Agent原型：ADELE和STEVE。v在他们主持的高级远距离工程(ADE)项目中，为了使远距离学习系统适合每个学生的需要，并支持教师与学生的相互作用，他们提出了一个叫做Adele的教学Agent，以监视学生与计算机的交互并提供指导和建议。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.4 Agent技术及应用v当学生通过网上课件学习时，Adele的备份在每一个学生计算机上运行，与每个学生交互作用。Adele负责监控学生、记录学生行为、根据需要调整课件呈现内容等。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.4 Agent技术及应用vSTEVE是一个教学Agent的高级原型，用于网络虚拟环境中同学生交互。沉浸式虚拟环境允许人和Agent之间的丰富交互，学生看到一个三维的Agent人，听到它说话，Agent依靠虚拟环境的跟踪硬件监视学生在环境中的位置和方位。vADELE和STEVE都是通过三维图像构造的Agent人方式实现的，Agent人像一个站在讲台上的教师，形象地在屏幕里讲授或指导学习者，起着教练的作用。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.4 Agent技术及应用v(2)构建WEBCL上的E-TUTOR()vWEBCL平台是由北京师范大学网络教育实验室开发的一个全面支持协作学习的网络教学支撑平台。鉴于实际协作中学生需要大量的指导和支持，传统的方法需要大量的人力来解决协作过程中的简单工作，因此产生了采用Agent的思路。vE-TUTOR的Agent系统构成如下：BCA(Behavior Captured Agent)、BPA(Behavior Processing Agent)、IFA(Information Feedback Agent)。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.4 Agent技术及应用网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.4 Agent技术及应用v当学习者的行为被BCA捕获之后，BCA就将行为进行分析和预处理，然后转化成BPA能够理解的表示；BPA接受到BCA传来的信息后就连接数据库，采取对此行为的处理，并将处理结果传给IFA；IFA最终完成和用户或系统的交互。v2基于Agent的智能教学系统(Agent-based Tutor，ABT)的设计v基于Agent的智能教学系统ABT是由北京师范大学教育技术学系设计并开发完成的，系统的目标是设计和开发适于在Web环境下运行的智能教学系统。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.4 Agent技术及应用v系统设计的基本出发点是：v在教与学的过程中，没有任何一种教学策略可以解决教与学过程中的所有问题，优秀的教学系统必须能够根据教学目标、教学内容和学生的具体情况，在教与学的过程中智能性地选择教学策略以及动态地调整教学的微策略。因此，必须赋予教学系统以人类优秀教师的特点。网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院3.4 Agent技术及应用网络教育应用网络教育应用天津师范大学教育学院天津师范大学教育学院