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1、基于Socket.IO的互动教学即时反馈系统的设计与实现 一、互动教学即时反馈系统互动反馈系统（Interactive Response System，简称IRS）是一种以多媒体、计算机网络等现代信息技术为基础的网络平台1。互动反馈系统使学生人手一个设备，具有测查、统计和记录功能，实现即时反馈和互动。目前，市场上流行的各种互动反馈系统产品都使用无线通讯技术，遥控器由早期的红外线（IR）逐步进化到采用无线射频（RF）技术。投票是互动反馈系统的基本功能，题型一般为选择题或是非题，题目可以是纯文字的或带有多媒体素材的题干或选项。当学生提交答案后，系统可以显示出长条图、圆饼图或其他类型的统计图。互动反
2、馈系统普遍应用于课堂形成性评量，教师可在教学过程中随时穿插问题，以了解学生对知识的掌握情况，达到实时教学（JustinTime Teaching，JiTT）的效果。研究发现，互动反馈系统可以提高学生的课堂参与度，促进学生对于复杂学科的理解，提高学生学习的兴趣和愉悦感，增强课堂互动性。尤其是IRS的匿名特性，能使学生在没有压力的状态下提供个人答案，不用担心被其他同学取笑2。随着一对一数字化学习环境的出现和电子书包逐渐进入课堂教学，可以利用现有无线网络环境，通过Web应用方式开展互动即时反馈教学，这是值得研究的一个方向，其中关键是要解决即时性问题。二、HTML5与WebSocket以往的Web应用
3、为了实现即时通讯，都是采用轮询的方式，即每隔特定时间由浏览器向服务器发出HTTP request，然后服务器将最新的数据返回客户端的浏览器。这种传统的模式具有明显的缺点，即浏览器需要不断地向服务器发出请求，这样会占用很多带宽和服务器资源。针对这种状况，HTML5定义了WebSocket协议，能更好地节省服务器资源和带宽，并达到实时通讯。WebSocket是HTML5的一种新的通信协议，是下一代“客户端服务器”的异步通信方法。它使用ws或wss协议，实现了任意的客户端（浏览器）和服务器程序的双向通讯。在WebSocket中，浏览器通过JavaScript向服务器发出建立WebSocket连接的请
4、求，连接建立以后，两者之间就可以直接进行数据传送，同时还允许跨域通信。因为WebSocket连接本质上就是一个TCP连接，所以在数据传输稳定性和数据传输量大小方面，和轮询以及Comet技术相比，具有很大的性能优势。在流量和负载增大的情况下，WebSocket方案相比传统轮询方案有极大的性能优势（如图1所示）。因此，WebSocket将是小型实时Web应用的首选方案，十分适合互动即时反馈系统的开发。图1 轮询和WebSocket实现方式的网络负载对比图3三、Node.js与Socket.IONode.js是一个服务器端的解决方案，基于V8引擎开发，提供了高效的服务器端JavaScript框架运行
5、环境，可以运行JavaScript，并可作为Web服务来处理各种HTTP请求。Node.js通过大量扩展库（模块）实现各种网络、HTTP、文件系统、连接数据库等功能。Socket.IO是Node.js的一个扩展模块，基于Node.js并简化了WebSocket，统一了通信的API，使得交互式、多用户Web应用成为可能。Socket.IO支持WebSocket，Flash Socket，AJAX longpolling，AJAX multipart streaming，Forever IFrame和JSONP polling，有效解决了实时通信的问题，统一了服务端与客户端的编程方式，服务器端和客
6、户端可以互发事件，互发数据，相互通信，甚至支持服务器端对所有客户端的数据广播。在Node.js中，可以通过创建一个典型的HTTP服务器，把服务器的实例传递到Socket.IO，再创建连接、断开连接、建立消息监听器，跟在客户端一样。Node.js通过socket.emit（）函数向当前客户端发送自定义消息和参数，也可以通过socket.broadcast.emit（）广播发送给所有客户端，同时服务器端和客户端均通过socket.on（）响应特定消息并触发相应的处理。一个简单的服务器端JS脚本（app.js）如下：/创建一个Socket.IO实例并在80端口启动服务器var io = requir
7、e（socket.io）.listen（80）；/添加一个连接监听器io.sockets.on（connection， function （socket） /向客户端发送news消息socket.emit（news， hello： world ）；/响应处理客户端发来的my other event消息socket.on（my other event， function （data） console.log（data）；）；）；客户端程序（index.html）：var socket = io.connect（http：/localhost）；socket.on（news， function （
8、data） console.log（data）；socket.emit（my other event， my： data ）；）；由此可见，Node.js与Socket.IO的编程相当简单，可以快速构建多用户交互和即时性的Web应用。四、Node.js和Socket.IO联合开发 Web模式的互动教学即时反馈系统分为服务器端、教师端和学生端三部分，教师和学生端通过网页形式，均视为Node.js的客户端。以最简单的投票和单选功能为例，具体介绍如何运用Node.js和Socket.IO联合开发互动教学即时反馈系统。首先，服务器端采用express框架，express是Node.js的一种Web框架
9、。在服务器端脚本中创建express实例和Socket.IO，并设置好连接监听器，专门处理教师端和学生端发送的消息，并将处理结果以消息形式发送给相应的客户：/t_SendQues2Server消息：响应教师端发布投票或选择题目后的处理socket.on（t_SendQues2Server， function （data） /通过server_senddx_s消息广播题目给学生客户端socket.broadcast.emit（server_senddx_s ， question ： data.question ， a1 ： data.a1 ， a2 ： data.a2 ， a3 ： data.a
10、3 ， a4 ： data.a4 ）；）；/s_dx_reply_msg消息：响应学生端反馈投票单选结果的处理socket.on（s_dx_reply_msg， function （data） switch （data.answer）case A：iTJA+；break；case B：iTJB+；break；/通过server_dxtj_t消息将各选项投票统计人数发送给教师端socket.broadcast.emit（server_dxtj_t， tja ： iTJA.toString（） ， tjb ： iTJB.toString（） ， tjc ： iTJC.toString（） ， tj
11、d ： iTJD.toString（）；）；教师客户端程序（teacher.html）：var socket = io.connect（http：/192.168.0.1）；/响应server_dxtj_t消息： 服务器端发送投票单选最新统计结果到教师端。socket.on（server_dxtj_t，function（data）var v1=data.tja， v2=data.tjb， v3=data.tjc， v4=data.tjd；var total=Number（v1）+Number（v2）+Number（v3）+Number（v4）；/根据返回数据绘制长条图统计图）；/点击发布投票单
12、选按钮的响应函数function start_question1（）var question=$（#questionBox1）.val（），a1=$（#ch_A_Box1）.val（），a2=$（#ch_B_Box1）.val（），；/向服务器端发送t_SendQues2Server消息和投票单选的相关内容参数socket.emit（t_SendQues2Server，question ： question， a1 ： a1， a2 ： a2， a3 ： a3， a4 ： a4）；学生客户端程序（student.html）：var socket = io.connect（http：/192.1
13、68.0.1）；/响应server_senddx_s消息： 服务器发送投票单选内容给学生端socket.on（server_senddx_s，function（data）/学生端显示投票单选内容$（#dx_title）.text（data.question）；$（#dx_a_text）.text（data.a1）；）；/学生端点击选项A按钮触发的动作function dx_a_click（）/向服务器端发送s_dx_reply_msg消息及表示选择选项Asocket.emit（s_dx_reply_msg，answer ： A）；function dx_b_click（） function d
14、x_c_click（） function dx_d_click（） 上述便是互动教学即时反馈系统最基本的代码。实际上为了实现更方便快捷的师生交互和更丰富的功能，各程序的代码还是较为复杂的，但最核心的还是Node.js和Socket.IO的消息发送和事件驱动机制。基于Node.js和Socket.IO联合开发的互动教学即时反馈系统如图2所示。图2 基于Node.js和Socket.IO联合开发的互动教学即时反馈系统五、结束语随着信息技术与学科的整合，信息技术将在中小学课堂上发挥更大的作用，基于Socket.IO设计并实现课堂互动教学即时反馈系统是一个新的尝试，也是一种简单、有效而又成本低廉的IRS实现方式。相信不久的将来，Socket.IO技术将为一对一数字化学习环境和电子书包学习方式提供更多快捷、实用的即时课堂互动教学工具，促进信息技术与课堂教学的深度融合。