基于对等网络的协作学习系统研究

刘宇　金瑜　李鹏

摘 要 文章针对传统协作学习系统所存在的问题，研究了基于对等网络的协作学习系统。该系统可利用对等网络的技术优势，从资源共享、学习资料备份、激励/惩罚机制以及流媒体展现等方面提升协同学习系统的功能，可满足协同学习时不同应用场景中用户对信息交互的需求，进而增强协同学习参与者的学习效果。

关键词 协同学习 对等网络 信息系统

中图分类号：TP311 文献标识码：A

Collaborative Learning System Based on Peer Network

LIU Yu， JIN Yu， LI Peng

（Computer Science and Technology， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan， Hubei 430065）

Abstract Traditional collaborative learning system problems studied based on peer network collaborative learning system. The system can take advantage of the technological advantages of the peer network， from resource sharing， learning data backup， incentive / penalty mechanism and streaming media to show other aspects to enhance collaborative learning system features to meet different application scenarios when the user collaborative learning in information exchange demand， thus enhancing collaborative learning participants' learning effectiveness.

Key words collaborative learning； peer network； information system

随着高校的扩招，学生数量的增加阻碍了教师与学生在常规课堂上的交流，降低了教学的效果，因此如何运用互联网的技术来促进教师与学生、学生与学生之间的交流已成为广泛研究的课题。比如，BBS（Bulletin Board System）作为一种互联网上的电子信息服务系统，已被运用到网络公选课①和英文本科教学；②针对传统协作学习系统代价昂贵的问题，开源的课程与教学管理系统Sakai被运用到网络教学，从而鼓励学生自主学习和小组协作。③尽管上述信息系统能够在一定程度上解决教师和学生、学生与学生之间的交流问题，但存在对网络环境要求较高、学习资料较难检索、无协作学习激励/惩罚机制等问题。为了解决上述问题，基于互联网的协作学习系统亟需引入更为先进的信息服务技术，比如：对等网络技术（Peer-to-Peer）、网格计算和云计算技术等。

1 现有的互联网协作学习系统

在协作学习的过程中，参与者相互交流、帮助以及合作，充分利用成员之间的差异性和互补性，从而达到所有参与者学习效果最大化的目的。当今，互联网技术的日益普及逐步消除了人与人之间交流的时空限制，同时也深刻地影响着协作学习过程中每位参与者。在互联网环境下，每位参与者均可共享学习资料、解答疑问，甚至同时在线解决大型课题。因此，在互联网学习系统中，教师从知识的传授者转变为学习的引导者、学习任务的管理者，比如：教师可以根据学生的学习情况动态地调整教学进度和教学方式；同时，学生从知识的接受者转变为学习的主导者、知识的共享者，比如：每个学生可以与其他参与者共享学习资料，或者进行问题解答。虽然基于互联网的协作学习优势明显，但是依然面临着以下问题有待解决。

首先，基于传统互联网技术的信息系统对教育机构的硬件、软件资源和网络资源要求较高，需要投入大量的人力和物力维护系统的稳定运行。信息系统的稳定决定着用户的体验，而在线协作学习系统直接影响着学生学习知识的兴趣。在线学习的不良体验甚至会导致学生失去动力参与线下常规的教学活动。其次，传统的协作学习系统所提供的资料管理功能较简易，既无法高效地检索资源也没有冗余备份的功能，往往会导致学生无法获取资料，而学习资料在协作学习过程中至关重要。最后，传统的协作学习系统所提供的交互方式较为简单，比如：BBS主要是通过文字和图片的方式进行信息的交流，而该方式在某些协作学习场景中效率较低。因此，声音和视频等多种流媒体形式需要在协作学习系统中采用，以提高协作学习的效率。

2 基于对等网络的协作学习系统

2.1 对等网络

对等网络是当今运用最为广泛的分布系统体系结构之一。不同于传统互联网的体系结构，对等网络中的节点既是服务的提供者，也是服务的使用者，充分了体现了人类社会中“我为人人，人人为我”的理念。基于该体系结构，以往较复杂甚至无法完成的任务，可被分割并分配到各个节点进行处理，充分地利用对等网络中的各种资源，提高资源的利用率，从而加速了任务的完成。当前，对等网络技术已被广泛地应用于文件共享、④流媒体⑤和科学计算⑥等多个领域。

2.2 协作学习系统中资源的共享

在基于对等网络的协作学习系统中，资源可以从不同角度进行分类。从资源的类型分类，资源可分为硬件资源、软件资源和网络资源。当需要计算问题或者存储资料时，协作学习的参与者可以根据系统的分配使用相关硬件资源；当需要查找学习资料时，协作学习的参与者可以运用对等网络内置的检索引擎查阅系统中的软件资源，包括：学习所需的软件和资料；当参与者需要发布学习资源时，可以充分地利用系统中的网络资源，提高发布任务的效率。从资源的所有者进行分类，资源可分为教师资源和学生资源。教师资源是指由教师所有并发布到协作学习系统中的资源，具有较高的可靠性和可信度，例如：教师在系统中所公开的服务器应具有相当的稳定性，保证为协作学习的参与者提供不间断的服务；教师所发布的学习资料可信度较高，应当被参与者广泛认可。学生资源是指学生在参与协作学习时所共享的资源，因此相对于教师资源而言，硬件资源的可靠性和资料的可信度均较低。从资源的使用权限进行分类，资源可分为可编辑和不可编辑类型。在协作学习过程中，可编辑的资源是必不可少的。通过可编辑资源，参与者可以相互交换信息，即时地传递每个人的想法。不可编辑资源通常为系统权威人士所发布的资源，比如：教师发布的课程课件等。endprint

2.3 学习资料的冗余备份

传统的协作学习系统常采用的体系结构为C/S（Client/Server）模式，该模式决定了要实现对学习资料的备份，以保证系统的可用性，必须在现有系统中增加额外的备份服务器，从而增加了系统的搭建成本和维护成本。基于对等网络的协作学习系统则可充分地利用对等网络的优势：每个节点均可对重要的学习资料进行冗余备份，即使部分节点退出系统，依然能够保证协作学习的参与者能下载到所需的学习资料。

如何快速地检索所需的学习资源是所有协作学习系统必须考虑的重要问题之一。基于C/S模式的系统常采用单一服务器来提供检索服务，而基于对等网络的协作学习系统则可以采用更为先进的分布式检索技术，比如：结构化对等网络中的分布式哈希表。该技术不仅能帮组学习的参与者更加快速地找到自己所需的资源，而且在一定程度上避免单点失效的问题。此外，改进的分布式哈希表能帮助用户找到更合适的资源。⑦

2.4 协作学习的激励/惩罚机制

在协作学习过程中，如何激励各个角色都积极地参与到学习的每个环节是被广泛研究的课题。良好的激励/惩罚机制不仅能够使学习效果最大化，而且对参与者的社交能力和团队合作能力均有较大的提升；无激励/惩罚机制或不合适的激励/惩罚机制往往会导致某些学生参与协作学习的热情不高，仅仅只是被动地接受知识，并没有与系统中的其它用户进行互动。其实，基于对等网络的应用系统同样存在类似的问题，如：搭便车现象——指对等网络中的节点只享受信息资源服务而不为系统作贡献的行为。实践表明搭便车的现象会随着时间的推移，日趋严重甚至导致系统无法正常工作。因此，基于对等网络的协作学习系统可以充分地借鉴现有对等网络中的激励/惩罚机制来激发参与者的学习热情。

首先，基于对等网络的协作学习系统需要科学地度量每位学习参与者的贡献度。贡献度的度量可以从自我评价和他人评价两个方面进行。自我评价主要参考的是参与者贡献知识的信息量和获取知识的信息量，可分别对应于向系统上传的文件数量和从系统中下载文件数量。他人评价是指学习过程中其他人对某参与者的评价，如：上传的资料是否有用、回答的问题是否正确等。

运用上述已测量的贡献度，协作学习系统可以运用不同的方法对各位学习参与者进行激励/惩罚。在社会经济活动中，博弈论常被用于选择最优行为策略的问题。显然，协作学习系统可以采用该方法来惩罚不积极的参与者。此外，社会网络方法和市场机制模型也可用于同样的目的，从而提升学习效率的整体提升。

2.5 基于流媒体的交互式协作学习

对于采用C/S模式的协作学习系统，参与者数量的增加会造成服务器负载加重和网络拥塞，因此大部分协作学习系统无法支持基于流媒体的交互式学习。基于对等网络的协作学习系统规定节点之间需相互共享数据，可充分地利用各个节点的网络资源，而且无需额外的网络基础设施的支持。当实时播放课程视频时，系统中的节点可以采用树状结构进行组织——每个收到视频数据包的节点，只需将视频数据转发给其子节点；当进行交互式讨论时，系统可以采用数据驱动的方法——每当数据有改变时，节点将数据发送给讨论组的其他成员。对于基于对等网络的协作学习系统，流媒体技术的引入可以更加形象地展现知识，增加了参与者之间交互的方式，弥补了传统协同学习系统的不足。

3 总结

本文研究了基于对等网络的协作学习系统，分析了对等网络技术可以从资源共享、资料备份、激励/惩罚机制和流媒体展现等方面提升协作学习系统的性能，可满足协同学习时不同应用场景中用户对信息交互的需求，从而提升协作学习的效果。

本文由以下项目提供支持：湖北省教育厅科学研究计划项目B2014085，武汉科技大学教学研究项目2007058x

注释

① 武丽志，缪玲. 多校学生共同参与课程BBS讨论的交互分析. 中国远程教育，Vol.9，2013.

② 肖俊洪. 基于BBS平台的生生异步交互模式研究. 中国远程教育，Vol.17.2005.

③ 陆正球， 何广军. Sakai协作学习系统在高校的应用. 杭州师范大学学报，Vol.8， No.6，2009.

④ 欧阳荣， 雷振明. BitTorrent类型P2P系统模型研究与性能分析.北京邮电大学学报，Vol. 29，2006.

⑤ 李真真， 张志斌， 杜跃进. P2P在线视频研究综述. 计算机应用研究，Vol.26， No.6，2009.

⑥ 文元桥. 协同地球科学计算环境的架构设计. 计算机工程与应用. Vol.46， No.19，2010.

⑦ 刘宇， 李鹏. 基于蚁群搜索算法的语意对等网络协议.计算机应用研究，Vol.27，No.12，2007.endprint