本发明所属技术领域

本发明涉及利用工作站网络提供教材的方法和系统，借此在有 教师工作站的教师与众多有学生工作站的各个学生之间实时地交 换教材。

与本发明相关的背景技术

目前在计算机上运行的教学系统被分成两个大类，即基于知识 的那类系统和基于可视会议的那类系统。在基于知识的系统中， 强调将一套预先产生的教材提交给每个学生。然后，要求学生与 教材相互作用，例如回答预定的问题。这些系统就其性质而言通 常是静态的，并且被用于某些严格格式或硬性格式的题目。这些 系统通常是以CD ROM型媒体为基础实现的，因此可以是分布式 的。

在基于可视会议的系统中，强调不同班组之间实时的点对点相 互作用。这样的系统是借助共享的电视、可能共享的白板或其他 类似的媒体实现的并且大量地依靠昂贵的专用硬件加速器，如电 视接收卡和压缩卡，没有这些硬件，实时的相互作用是不可能的。

此外，在向学生提供教学数据所用的装备方面，传统的训练对 话通常还需要使用投影仪和显示屏之类的辅助设备。

本发明的概述

本发明揭示一种不需要这样的辅助设备和硬件就能够提供教材 的方法和系统。每个学生都仅仅利用他们自己的工作站通过看他 们自己的屏幕跟着教学会话学习。结果，本发明提供全体参加者 或学生展示在他们各自的工作站上的材料。它提供一种现实的系 统，该系统能够在通用的计算机网络上实现，除了本身的基本网 络硬件之外不需要额外的专用硬件。它还提供一种通用的教学系 统，该系统比现有系统成本低得多。

本发明的目标是由一个教师向众多学生共享和传送教材，而且 对教材的格式或类型没有限制。任何应用程序软件都可以与本发 明一起使用，借此在教师工作站上运行的特定的应用程序将连续 地被俘获并源源不断地发送给每个分享的学生工作站。

按照本发明的第一方面，提供了一种在通信网络上将教材从一 个教师工作站提供给一个或多个学生工作站的方法，该方法包括 几个步骤：

把代表所述教材的数据实时地从所述教师工作站传送给每个学 生工作站，以致显示在所述教师工作站上的图像在每个学生工作 站上都被显示；

在把教材传输给学生工作站期间，每个学生在他们各自的工作 站看所述教材，该工作站还为每个学生提供一种与所述教师通信 的方法。

该方法可以包括限制访问的步骤，该步骤在教师工作站的控制 下限制每个学生在学生工作站上显示图像期间用任何一种或多种 输入设备对他们的工作站进行访问，以保证每个学生把注意力集 中在教材上。

按照本发明的第二方面，提供一种在通信网络上从教师工作站 向一个或多个学生工作站提供教材的方法，所述方法包括如下步 骤：

在所述教师工作站上安装教师部分软件；在一个或多个学生工 作站上安装学生部分软件，借此使教师部分软件和学生部分软件 在所述的教师工作站和所述的一个或多个学生工作站之间进行双 向通讯成为可能的。

教师部分软件可以限制一个或多个输入设备访问所述的一个或 多个学生工作站，以保证每个学生把注意力集中在提交给每个学 生的教材上。

本发明还提供一种在通信网络上提供教材的系统，所述系统包 括：

教师工作站；

一个或多个通过所述通信网络与所述教师工作站连接起来的学 生工作站；

其中代表所述教材的数据被实时地从所述教师工作站传送到每 个参与的学生工作站，以致在所述教师工作站上显示的图像都显 示在每个参与的学生工作站上；以及

一种接触方法，该方法将使每个学生可以在所述教材向每个学 生工作站传输期间与所述教师接触。

这个系统可以包括限制访问的方法，在所述教师工作站的控制 下，该方法可以限制任何一种或多种学生输入设备在学生工作站 显示图像期间访问各自的学生工作站，以保证每个学生都把注意 力集中在教材上。

本发明进一步提供一个记录在存储器装置或数据储存装置上用 于通过通信网络传输教材的计算机程序，所述程序包括：

储存在教师工作站的教师部分软件，以及储存在一个或多个学 生工作站的学生部分软件；

其中代表所述教材的数据被实时地在所述教师部分软件的控制 下从所述教师工作站传送到每个分享的学生工作站，在这种场合 所述数据是用图像表示的，而所述学生部分软件使所述图像显示 在各个学生工作站上，所显示的图像本质上与教师工作站上所显 示的相同。

附图简要说明

本发明的优选实施方案将参照附图仅仅通过实例予以说明，其 中：

图1是按照发明的一个提供教材的系统示意图，其中每个相应 的学生工作站以链接方式与教师工作站相连；

图2是展示图1所示系统另一方面的示意图，其中教师工作站 使用广播频道把数据送到学生工作站；

图3是一张流程图，它说明教师和几个学生之间进行教学会话 的实例；以及

图4是取自教师工作站的屏显，说明在教室环境中学生工作站 的实际布局。

优选实施方案

参照图1和图2，它们展示了系统10，该系统利用通信网络， 如局域网(LAN)把教材从教师工作站即工作站12提供给许多学 生工作站。具体地说，学生工作站14、16、18、20和22与教师 工作站12相连，以便在站点12与学生工作站14至22中的每一 个之间都能够进行数据交换。工作站14至22中的每一个都按图1 中的菊花链方式排列，因此该系统是可升级的，允许追加任何数 量的学生工作站。工作站12位于链头，以便教学数据只需在单向 数据链路24上发送给第一个学生工作站14。一旦教学数据被接收 并且储存在工作站14中，该数据就从工作站14通过单向数据链 路26传递到工作站16，以便储存在工作站16上，工作站16依次 通过类似的链路28把该数据发送给工作站18。一旦教学数据被储 存在工作站18上，它就通过链路30传送给工作站20，再依次通 过链路32传送给工作站22。

另外，参照图2，教学数据可以通过双向的数据和控制链路34 同时播放给每一个学生工作站，或者多点播送给一组学生工作站， 或者用另一种办法通过分开的数据和控制链路有选择地传送给工 作站14至22中的某个工作站。

例如，链路34可以是从教师工作站12向每个分享的学生工作 站广播教学数据的广播信道，或者是从教师工作站12向分享的学 生工作站的一个子集即选定的一组分享的学生工作站多点播送教 学数据的多点播送信道。链路34可以支持互联网协议(IP)广播 和IP多点播送。

在从教师工作站12向任何一个分享的学生工作站传送数据中 出现错误时，使用否定应答(NAK)协议，而不是肯定应答协议。 换句话说，在某个学生工作站检测到一个传输错误时，例如一个 或多个数据包没有收到或有毛病，该学生工作站将通过链路34向 教师工作站传送一个NAK信号。错误检测可以这样实现，例如通 过给全部网络数据包加上独特的顺序号并且在学生工作站检验接 收顺序。如果是按顺序接收的，那么学生工作站不应答教师工作 站。如果检测到错误，学生工作站向教师工作站发送一个NAK信 号，以便向发生错误的教师工作站报警。通过教师工作站再次向 特定的学生工作站发送同样的数据包可以恢复失去的或有毛病的 数据。其他的学生工作站如果已经收到正确的顺序，它们将不理 睬再次发送的数据包。

教师工作站12通过借助链路36、38、40、42和44来识别的 一组双向的控制信道个别地访问所有学生。使用这些链路以便教 师能够看到某个学生的荧屏，看看那个学生是怎样回答教学数据 的，和/或控制对那个荧屏的数据输入。从每个学生工作站返回 教师工作站12的单向数据路径是通过链路46、48、50、52、和54 提供的，以便象下面介绍的那样允许学生向教师工作站12提出中 断请求或发送数据。类似地，为了允许在教师工作站12和每个学 生工作站之间进行数据交换，譬如，使教师可以看任何学生的屏 幕或者与任何个别的学生进行私有数据交换，在图2中提供了双 向的数据和控制路径56、58、60、62和64。

尽管在图1和图2中每个都展示了通信网络的环形和星形拓扑 结构，但是任何特定类型的拓扑都可以与任何传递数据的特定的 媒体以及任何适合在工作站之间交换数据的通信协议一起使用。 教材可以采用任何特定的数据形式，而用来产生这样的教材的应 用软件都与本发明无关。换句话说，本发明可以用于运行任何用 来产生特定教材的特定的应用软件。

系统10的工作站12具有储存在其中的程序，该程序运行特定 软件中的教师部分。每个学生工作站14至22都有储存在其中的 程序，这些程序运行与所述教师部分软件相关的学生部分软件。 因此，在本发明中使用的软件包括在教师工作站12上的教师部分 和在每个学生工作站上的学生部分。在教师部分软件的控制下， 学生部分软件限制学生访问学生的工作站和/或为教师提供了解 学生正在与他们的工作站进行人机对话的手段。通过限制学生访 问他们自己的工作站来阻止特定的学生破坏教学数据流的正常过 程。通过通知教师学生正在与他们的工作站进行人机对话的手段， 使教师可以了解特定的学生对教材的反应并允许教师采取相应的 行动和应答。

教师在他们的工作站12上运行教师部分软件，并且在这样做 时通过教师部分软件把教学软件中有代表性的数据传递给常驻在 每个学生工作站上的该软件的所有学生部件。教材中的这种有代 表性的数据可以采用几种形式，包括但不仅仅限于图形数据、声 音、指令、控制和数据文件和/或任何其它适当的数据。

一旦有代表性的数据被传递到每个学生工作站，它将在每个学 生工作站的屏幕上提供带一套数据的学生部分软件，这套数据导 致教材的表达法本质上与教师的材料完全相同。因此，在学生接 收教材时，他或她在实时的基础上跟着教师的材料进行学习，不 可能对教学会话数据流的传送产生任何干扰。

如上所述，本发明的系统和方法包括在教师工作站与许多学生 工作站之间共享和传送教学数据。作为一个实例，教师可以选择 教许多学生怎样使用字处理软件包。实现本发明的软件将由教师 在他们的工作站启动或运行，该软件将在后台运行、连续地监视 教师工作站上的显示器并且把它分配给每个分享的包括上述提到 的限制的学生工作站。教师继续通过操作实例文件演示怎样使用 该字处理软件包的全部特征，而每个学生能够边看在各自的学生 工作站上的显示器边模仿教师在他或她的显示器上所做的事情。 这个字处理软件包，一个应用软件实例，不“知道”“后台”正在 训练该软件实现该演示。该应用软件不必安装在任何学生工作站 上，因此教师可以演示在任何学生工作站上都没有安装的字处理 包。

每个学生都可以借助与教师之间的请求机制与其他学生交互作 用。这种请求可以通过不在教师部分软件施加给所有的学生部分 软件的一系列限制之内的一个或多个指定的功能来生成。这样的 功能可以为学生在任何时间介入创造条件。如果工作站14上的学 生有一个请求，任何请求都是经链路46传送到教师工作站12的， 或者可选择的通过图2所示的链路56传送。然后，教师按顺序接 收请求报告。在接收请求时教师可以个别地或者按小组使来自任 何其它学生的反馈象来自该学生的请求那样能够在教师工作站12 中分配本地缓冲区。因此，教师在允许全班进行全面的相互作用 的同时保持对全体学生的控制。教师可以选择限制来自学生的反 馈信息传播到他或她自己的系统中，也可以允许传播给其余的学 生以便改善在这组学生即正在接收教学数据的一组学生之间的通 信。

如前所述，可以限制学生访问他或她的工作站，这是通过减少 学生借以与他们的计算机对话的功能或输入设备的数量实现的。 授权给学生用他们的工作站进行对话的数量直接受教师的控制， 并且这种控制可以是全面的(即没有可能发生相互作用)也可以 是局部的。所以，一旦限制学生访问他们的工作站，将迫使他们 把他们的注意力集中在通过屏幕提交给他们的教材上。

在学生的工作站已经将代表学生相互作用的数据传递到教师的 工作站之后，教师通过教师部分软件了解每个学生与他们特定的 工作站之间的对话。

在特定的教学数据表达法授课结束之后，教师可以允许学生通 过在他们自己的个人工作站上练习来积极地参与。教师部分软件 暂停从教师工作站12向每个学生工作站传输教学数据。然后，教 师象下文介绍的那样放开施加给每个学生工作站的限制。在任何 特定的时间，教师都可以远程观看任何学生的计算机屏幕并且可 以检查每个学生的进度。学生的有代表性的数据通过返回数据路 径46至54传送给教师作为对教师通过任何一条控制路径(路径36 至44之一)的传送请求的回应。所以，教师可以观察任何学生的 计算机屏幕，并且可以选择把展示在该屏幕上的这个数据传送给 在各自的工作站屏幕上参与学习的全体学生或其中一部分学生。 因此，这提供了在全体参与会话的学生之间全面地进行数据交换 的能力。

如前所述，教师还具有凌驾于每个学生工作站之上的控制能 力，从而为教师提供了在教师自己的工作站上为每个学生修改和 演示的能力。然后，可以释放凌驾于学生的计算机之上的控制， 以便学生继续他们自己的工作。

图3展示了一张流程图，它说明在教师与几个学生之间典型的 会话实例。在步骤302，教师启动他们的工作站12，然后在步骤304 想参加教学会话的学生与教师工作站联网并且登记参与会话。这 通常是通过用识别代码把指令从学生工作站送到教师工作站来完 成的。在步骤306，教师通过他们的工作站锁定全体参与学习的学 生工作站的输入，这是通过向每个学生工作站传送由学生部分软 件解释，并禁止访问学生的计算机输入设备的指令来作到的。这 些输入设备通常包括键盘和任何装配在特定的学生工作站上的指 示设备(在视窗环境中)。因此，通过发送这个指令，教师可以保 证每个学生都不会打搅功课的进程。但是，每个学生工作站都能 够有一个输入设备，允许每个学生具备，比如说，用学生工作站14， 在返回数据路径46上生成对教师的请求的能力。

一旦全体学生都与教师工作站12联网，就可以通过教师借助 上述的方法把连续的教学数据流传递到每个学生工作站来开始实 际的会话。这发生在步骤308。只要该教师部分软件保证对新参加 的学生进行正确的初始化，补充的学生就可以通过登记然后获得 教学数据，从而在较迟的阶段加入特定的会话。

在向每个参与的学生显示教学数据时，在教师工作站12上教 师的计算机图形显示被连续地监视并且源源不断地传送给全体参 与的学生以便远程显示，以便每个学生都能跟着教师在他们的工 作站12上输入的操作显示，一模一样地模仿。教师的显示数据经 过分析，只有显示中的动态部分被处理。这些部分是该显示中需 要更新的部分。这可以通过俘获显示指令(在Windows环境中) 和解释这些指令，以确定在该显示中正在修改哪些区域来实现。 然后将数据压缩并且传送给每个学生工作站。因为仅仅将显示中 动态部分压缩并传送到每个学生工作站，所以，传递给每个学生 的实际数据量被减少到最小并且将满足典型的通用通信网络的带 宽要求。

可替换的，将实际显示指令的等价指令发送给每个工作站，以 使它们在学生的工作站上被执行，从而组成与教师工作站的那些 图像完全相似的图像，以此来代替传送给全体参与的学生工作站 的受监视的图象数据。指令信息是作为系统图形指令的序列被传 送的。例如，带灰色背景的空窗以及“空窗”的标题可以用应用 程序通过首次调用系统命令用灰色清除窗口区再通过调用第二命 令把“空窗”标题放在窗口内的指定位置来画。因此，采用这第 二种方法并且把显示信息传送给学生，这个窗口的产生仅仅包括 按正确的顺序和用适当的参数传送这两个系统的显示命令。采用 这种特定的方法不涉及压缩来自教师的显示器的像素数据。此外， 这两种方法可以结合起来使用，因此用于每个显示帧的传送数据 都包括像素数据和指令信息两部分。

在传送压缩数据时，通常使用压缩算法，这种算法通常是某种 版本的标准游程长度编码计划的一个版本。该算法的输入是表现 被俘获的显示图像的像素或颜色的顺序数组。在该算法的输出中 有表示表现输入图像的压缩形式的指令数据数组。每条指令都有 颜色字段和计数字段。指令被解释成“计数”乘以带那个特定“颜 色”的连续像素。这是标准的游程长度编码计划。通常每条指令 的全色数据，通常是16或24位，都被传送，这代表了庞大的数 据量。一种改进是把索引用于高速缓存表，取决于与教师工作站12 缔合的存储器中选定的高速缓存表的大小，其速度可以象2位一 样低。这个高速缓存表表示最近才用过的颜色的数组，例如，如 果选定3位表示指令中的颜色字段，那么每种颜色可以到有8个 入口的高速缓存表中检索。换言之，采用3位表示每种颜色，8个 可能的索引，每种颜色就可以使用8种可能的索引。因此，通常 将使用与毗邻象素相似的颜色，并且可以将这些颜色包括在特定 的高速缓存表内。

某些索引可能是为了具有某种特定的含义而保留的，而不是用 于高速缓存表的索引，例如索引0可以表示该颜色不在高速缓存 表中，因此全色数据将被包括在特定的指令中。就被传送的图像 中的第一个像素而言，将是这种情况。另一个索引可以表明当前 位置的颜色与上一个显示帧相同，因此就那条命令而言，给定的 象素计数将不更新直接跳过。作为只用几位表示颜色字段的直接 含义，指令的规模被彻底地减少。例如，用3位表示颜色字段和 用5位表示计数字段使指令被打包到单一字节中成为可能。

作为被传送的压缩的实时视觉数据的一部分，教师的声音也可 以以类似的方式被俘获和传送。教师工作站上的全部图形和声音 输出都被传递到每个学生工作站，不管在教师工作站上运行的是 哪种类型的软件应用程序。这是本发明区别于传统的可视会议系 统的特征，并且使本发明适合用于专业训练和团体训练两种形式。

在步骤310，任何学生都可以利用允许他们使用的输入把中断 请求传送给教师工作站。教师可以选择不理睬这些请求也可以采 取相应的行动，例如在链路46或56上开通学生返回声音的信道 并且为在步骤312中接收来自某个特定学生的问题创造条件。在 图3的步骤314，在完成借此分配教学数据的特定课程时，教师释 放(即开启)学生计算机的输入。于是学生可以自由地使用他们 的工作站，如有必要，运行教学应用程序中他们自己的会话。在 步骤316，教师监视特定的学生并且在必要时可以把指令发送给任 何一个学生的工作站，以便请求把学生的屏显传递到教师的工作 站。然后，教师可以了解学生的进度情况，并且可以在步骤318 决定控制该特定学生的屏幕，以便帮助该学生。然后，教师可以 决定把学生数据配送或传送给全体或一部分其他学生，以便把交 互式学习会话提供给全体学生。因此，教师可以选择远程控制特 定学生的计算机输入设备和在学生处运行应用程序，以便演示或 修改学生的工作。一旦完成这项工作，教师将释放在步骤320对 该特定学生的工作站的控制并且可以在步骤322决定是否监视其 他学生的进步。

图4展示一个增强型的系统，借此在教师工作站12的屏幕上 显示和实现教室中的学生工作站的实际布局的屏显400。因此，为 教师提供了正在进行会话的班级布局的直接而且直观的表达。它 提供了一种观察和控制与传送和共享数据的会话有关的事件的手 段。每个学生工作站都用图标表示，例如图标410在这情况下识 别第二号学生的学生工作站。图标提供关于学生工作站的状态信 息，例如用彩色代码或闪烁的图标作为指示方法。因此，绿色图 标可以表示正在工作的工作站，例如用图标420和430识别的那 些工作站，而红色图标表明存在与那个特定的图标相关的通信问 题，例如在440和450处(用更暗的阴影)识别的那些。教师通 过教师工作站所进行的控制(如限制访问学生工作站的输入、回 答质疑等)可以在屏显400上通过单击与特定的学生工作站相关 的图标选定窗口框/菜单直接实现这种控制。在传送教学数据的会 话中发生的事件始终是通过屏显400直接监视的。它是控制和观 察参与特定会话的整个班级的压缩和独特的源。