基于Silverlight的可视化协作知识建构工具的设计与实现

[摘 要] 随着信息技术和学习理论的发展，传统的传递接受式学习模式向共同参与的学习模式转变，如何为学习者创造有利于协作学习的环境，开发协作知识建构工具成为了非常重要的问题。RIA技术的出现，可以弥补目前协作知识建构的工具在用户体验感上的缺乏，实现具有高度互动性和丰富用户体验的新一代工具。Silverlight作为主流RIA技术之一，具有其他RIA技术无法比拟的界面效果好、开发效率高、通信能力强等优点。利用Silverlight创建具有文字、图形实时交互的可视化工具，有助于学习者减轻认知负荷，促进深度知识建构。

[关键词] Silverlight； 协作知识建构； 知识可视化； 图形交互

[中图分类号] G434 [文献标志码] A

[作者简介] 郭丽娜（1985―），女，河北承德人。硕士研究生，主要从事计算机支持的协作学习研究。E-mail：。

一、 研究背景及问题提出

互联网技术的飞速发展促进了新一代互联网模式Web2.0产生和发展，这就使得以B/S架构为基础的Internet应用越来越普及化，更注重知识的讨论交流，互相分享，网上行为由单纯的阅读模式转向共同建设的写的模式发展。此外，Ajax、Flex、Silverlight等主流RIA（Rich Internet Applications，富互联网应用程序）技术，突破了传统HTML技术的局限性，可以创造更为复杂的应用程序，满足用户的更高的体验要求，使网络应用程序更人性化，并具有更多的交互性。因此，随着技术的发展，技术介入到教学中已经势不可挡，信息技术在教育中的作用越来越受到重视，人类的教育和学习方式也发生了很大的变革。

20世纪80年代以后，学习理论发生了很大的变革，建构主义理论、情境认知理论、活动理论、分布式认知理论的产生，从不同的角度揭示了人类学习的机制，使我们更好地理解学习的组织形式、手段、方法。这些理论都超越了个人层面进行分析，强调小组的共同知识建构、以工具为中介的学习，也关注学习环境的创造。先进的理论可以对信息技术应用在教育中的方式给予有效的指导，提高技术应用的科学性和有效性。

信息技术和学习理论的发展，促进了传统的传递接受式学习模式向共同参与的学习模式转变，因此，如何为学习者设计有利于协作学习的环境，开发协作知识建构工具就成为了非常重要的问题。当前大多数支持协作知识建构的工具或系统，在设计策略和技术支持这两方面都存在缺陷：

一是在设计策略方面。协作环境中的各种因素的设计都对在线协作学习和协作知识建构有影响，需要建构良好的学习环境。但是最主要的原因在于缺少策略对学习过程加以引导。小组成员通过实时同步交流平成学习任务，很难自发地协商好，往往会出现讨论混乱、跑题的状况，有的学生一直掌握核心话语权，有的学生总是不发言，交互的深度不够，协作不能有效地进行。异步交流也存在学生参与的积极性低、讨论的内容只是流于表面等问题。

二是在技术支持方面。多数协作知识建构工具的实现方式并不能满足学习需要，很多时候消息的传递和转化不及时，在同步讨论过程中常常出现发言冲突，很多发言一闪而过，使得讨论成员来不及查看和思考，并且仅依靠文字交互往往会有学习内容受限、意思表达不明确等问题。此外，界面的效果也不够美观和人性化，这些都带来很不好的用户体验，造成学习者的认知负荷，影响学习者的知识建构。

二、RIA与Silverlight

随着Web2.0概念的提出和发展，互联网对于Web表现层的要求也越来越高，希望在Internet上可以提供一种舒适、快捷、方便的服务和体验。传统的以文本传输为主的表示技术，对用户和对开发人员来说都存在很大的局限性，开发人员一直致力于构建一种比传统HTML更丰富的客户端，可以实现令人感兴趣的、具有多种可视化特性的用户界面。因此，RIA技术的出现，提出了一种很好的解决方案。

RIA是英文Rich Internet Applications的缩写，中文译为富互联网应用程序，它是提供了应答性的Web应用程序，它具有“富”特征和近似于桌面应用程序的功能。RIA是当今先进技术的产物，它具有更好的应答性和更先进的GUI。[1] RIA的最突出特点为“Rich”，包含了两层含义：一层含义是指数据模型的丰富。使用RIA可以将部分原本需要在后台程序处理的问题转移到客户端，使数据能够被缓存在客户端，从而实现一个比传统HTML页面响应速度更快的用户界面，同时也减少了数据往返于服务器的次数，减轻了服务器的负荷。另一层含义是指丰富的界面元素。RIA技术提供了比HTML更为丰富的界面表现元素，响应速度快和图形丰富的页面元素与数据模型结合在一起，为用户提供更好的使用体验。

Silverlight是微软公司推出的RIA解决方案，Silverlight是构建内容丰富的、速度有保证的应用程序的一个极好的“运行时”。这种应用程序可以在桌面、浏览器以及手机上运行。以 Framework为基础的Silverlight在Windows和Mac中都可使用，而且在未来的所有Windows Phone设备上都得到了支持。Silverlight是一个健壮的开发平台，支持全面的布局和样式选项、强大的通信协议、灵活的数据访问以及高清晰媒体。它帮助你构建快速的、平滑的和具有丰富视觉效果的用户体验。[2]

利用Silverlight开发RIA应用程序有诸多优势：第一，Silverlight是一种跨平台、跨浏览器技术，安装非常方便，可以在常见的浏览器或平台中运行。第二，Silverlight使用XAML语言描述界面，可以创建动画、3D等效果，给用户带来丰富的用户体验。第三，读取和更新数据不通过刷新整个页面，实现局部刷新，可以创建高效高交互性的应用程序。第四，开发简单方便，基于有强大的.NET 框架，还可以选择多种脚本语言创建Silverlight应用程序，例如c#、JavaScript、Ruby、python等。

三、工具的设计思想

“协作”是学习者相互合作，共享信息与资源，共同担任学习任务。目前基于网络的支持协作的系统大多数只是加入了BBS、即时聊天通讯功能模块，并不能真正体现知识建构。协作知识建构工具必须具备的特征有：

1. 主动性：社会建构主义认为，学习活动是学习者主动进行知识建构的过程，传统的知识建构是学生被动地建构的过程，而在先进技术支撑下的工具，为知识建构提供了更加有效的途径和手段，促进学习者主动地重组和建构自己的知识。

2. 互动性：学生利用工具进行协作知识建构，不是简单地把学生聚集在一起，而是要促进学习者进行真正的社会协商和意义建构。大多数的协作系统或者平台，只能在同一时间提供单一的交互功能，不能实现多种方式的无缝连接。而信息交流与知识共享程度的高低会直接影响协作的效果，工具要在环境中提供给学习者充分的交流空间，实现多种方式的交互方式，促进学习者之间的充分互动。

3. 可视化：工具要能帮助学习者清晰而简洁地表达自己的想法和理解，让知识更易于理解和吸收，需要提供可以将知识进行可视化表达的工具，以改善知识建构效果。一般来说，知识可视化是研究如何运用视觉表征促进知识在至少两人之间的创新和传播的理论、技术和方法，是指所有用来建构和传达负载意识的图形形式（Eppler & Burkard，2004）。开发支持知识可视化的工具有助于学习者正确地重构和应用知识，促进知识的获取、转化、传递和创新。知识可视化的优势表现为社会、情感、认知三大优势，具体可总结见表1。[3]

4. 指导性：开展协作知识建构的过程中，嵌入交互活动的支架策略，设置指导性信息对学习者进行线索指引，促进讨论的深度和广度，使学习者从“边缘性”到“充分参与”，促使真正意义的学习共同体的形成，提升共同体的集体知识。

四、工具的功能与实现

（一）功能介绍

学习者在输入完用户名之后，就可以进入协作知识建构工具页面，如图1所示。包括图形交互区域、文字交互区域、脚手架区域、在线学习者显示区域、信息选择和输入区域。工具把文字和图形的实时交互结合在一起，并且在整个讨论过程中，在对疑难问题讨论的过程中，文字表达不能支持时，学习者可以把自己的思想绘制成图形，清晰表述自己的观点，创造一种实时的知识标注和呈现环境，以防发生学习目标不明确、讨论过程发生混乱等问题。左侧加入了脚手架策略，引导学习者分步讨论，保证知识的有效建构。

1. 文字共享区域

学习者在讨论内容文本框中输入文字，点击发送按钮即可显示在文字共享区域。此外，学习者可以对所有人发言或者选择某个对象进行交流，在选择某个对象之后，交流内容只可被正在交流的双方所见。

2. 图形共享区域

即可以手动绘制图形，也可以直接画直线、矩形、圆形，并且具有选择颜色和清除画板的功能。当一名学习者绘制图形之后，其他学习者的界面会马上显示出更新的结果，实现了“你见即我见”（What You See Is What I See），如图2所示。

此外，可以点击选择作业按钮，上传图片格式的文件到图形共享区域，学习者对上传文件进行批注，每个学生的笔迹都可以实时地显示在页面中，并且点击保存作业按钮，可以保存留有笔记的图片到本地，如图3所示。图中学习者针对计算机网络组成的概念进行讨论，有的学生不赞成计算机网络由城域网、局域网、广域网、互联网四部分组成，认为广域网可以称作互联网，所以在页面中划去了计算机网络与互联网之间的连线，把广域网与互联网之间连接起来。

3. 脚手架区域

嵌入了任剑锋在“分步讨论型远程CSCL交互活动的组织策略及相应系统的研究”中提出的六步骤的交互活动组织策略，把一个交互过程分成六个步骤：起点合会、观点各表、质询解释或寻找差异、协商修正、中间共享结论、最终共享结论。[4]小组成员先就任务的目的进行交流，对讨论起点和问题有一致的认识，然后小组成员表达各自的观点，成员可以对发言者的观点进行提问或者对自己观点进行解释，在与别人观点进行对比之后，修正自己的观点，使各方的理解不断一致，最终形成汇集小组智慧的统一结论。这六个步骤在工具中需要点击按步骤讨论按钮，依次点亮每个讨论阶段按钮。每个阶段的按钮对应不同的微交互语言类型，每个类型又对应不同的引导语对讨论过程加以引导，使讨论有序地、目标明确地进行，如图4所示。

（二）实现方法

从软件设计的角度考虑，先后经历了面向过程、面向对象、面向服务这几个阶段。目前，大多数的Web应用程序都采用SOA(Service Oriented Architecture)的设计模式。这种模式具有松耦合的特点，是一种更灵活的编程理念，使得需要通信和交互的部分与技术无关，把所有需要共享的部分包装成服务，通过发送和接受消息与外界进行交互。WCF(Windows Communication Foundation)是微软平台上的SOA架构，主要是用来构建分布式和可交互操作的应用程序。WCF最大的优点在于统一了多种开发模型，可专门用于用户服务定制、与运行以及进程间乃至机器间消息的传递与处理。WCF的配置非常灵活，有很好的扩展性，它封装了不同通信场所下所使用的配置，内置了多个绑定，每种绑定决定了WCF的通信方式、消息的编码方式以及通道的协议等。因此利用WCF使面向服务编程变得更加简单、高效。本文的CSCL工具就是借助SOA的设计模式，利用WCF服务实现。

WCF的创建主要分为五个步骤：创建服务契约、实现服务、配置WCF服务、添加服务引用、使用异步方式调用WCF服务。服务契约声明WCF服务所具有的功能有什么，以接口的形式出现。实现服务说明了WCF服务功能具体是怎么实现的，要实现服务契约中已经创建的接口。配置WCF服务需要配置地址、通信的协议、端口号等。在WCF服务创建完成之后，需要在客户端添加服务引用，然后客户端创建服务，用异步调用服务的方法。本文的WCF服务具有的基本功能有：学习者加入协作学习小组、离开协作学习小组、发送文字消息、发送会话消息等。工具的图形共享区域对性能要求比较高，对通信要求比较高，它的同步性直接影响协作学习的效果。因此本文的工具采用基于TCP协议进行消息传递。Silverlight版本4中把Net.tcp协议引入进来，实现了本地的双向通信机制，在吞吐量和客户端连接数量上有很大的改进。但是目前，Silverlight对端口进行限制，只能适用于局域网。由于采用这种双工的消息传递方法，所以在定义服务契约的时候，不仅要定义客户端调用服务的接口，还要创建服务可以调用客户端的回调接口。除此之外，Silverlight提供了API对Json数据进行序列化和反序列化，Json是 WCF服务时进行消息传递的格式，当发送图形等复杂消息时，使用Json进行消息传递比较合适。

五、总 结

随着Web技术和各种学习理论的发展，从协作知识建构角度，本文设计并实现了支持文字和图形实时交互的B/S架构的工具，并且嵌入已经被证实对协作学习有积极影响效果的脚手架来指导整个的协商过程。Silverlight在支持学习者互动方面有很大的优势，具有较强的通信能力和丰富的用户界面，允许学习者以可视化、言语化的方式进行表达，促进知识的传递，创建了具有良好学习者体验的协作知识建构环境。

[参考文献]

[1] Paul J.Deitel & Harvey M.Deitel，Ajax，RIA与Web开发程序员教程[M].周雯，邓勇进，李晓辉，等译.北京：电子工业出版社，2010：24.

[2] Laurence Moroney.Microsoft Silverlight 4 从入门到精通[M].马振萍，文瑞译.北京：清华大学出版社，2010.

[3] Eppler M J， Burkard，R A Knowledge Visualization:Towards A New Discipline and Its Fields of Application[C].ICA Working Paper.Lugano：University of Lugano，2004.

[4] 任剑锋.分步讨论型远程CSCL交互活动的组织策略及相应系统的研究[J].中国电化教育，2007，（8）:44~48.

基金项目：北京人才强教深化计划骨干人才项目“基于RIA的远程CSCL协同知识建构促进策略与工具研究”（项目编号：PHR201008068）；北京市优秀人才资助项目“北京市中小学教师基于网络的跨域协作专业发展模式研究”（项目编号：2010D005016000007）