[利用组件技术增强网络课件交互功能的探索] 交互组件

　　【摘要】介绍了多媒体网络课件中的交互式技术，提出利用网络组件，通过Web浏览器运行Linux平台生物信息软件，并实现网络课件中交互功能的方案。基于这一方案，开发了生物信息学网络课件的部分内容，构建了Blast、Emboss等常见生物信息学算法和软件的运行环境，实现了网络环境下生物信息学算法教学的实践环节。
　　【关键字】网络课件；生物信息学；交互操作；Linux
　　【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097 (2009) 02―0100―04
　　
　　引言
　　
　　随着计算机技术和教育信息化建设的发展，多媒体网络课件在教学活动中开始发挥重要作用。多媒体课件通常包含传统课本中的文字和图片，以及动画、音频、视频等数字化信息，展示能力很强。新发展的虚拟现实技术、流媒体技术等，为各类信息的展示提供了更丰富的效果和途径。网络课件还能够发挥网页的程序分析能力，从而开发出具有很强交互能力的应用。
　　利用网络课件，可以达到随时学习和自主学习的效果，实现多通道的知识传播。交互式功能的实现能够提高学生学习的兴趣，从而加深对一些知识的理解和掌握，促使自主学习过程的形成。此外，利用网络平台，构建大范围的协作关系，可以实现关联学习过程。因此开发高水平、内容丰富、具有交互特性的网络课件是教学改革和创新的重要内容。
　　
　　一 网络课件设计的主要技术
　　
　　许多传统技术已经被应用于设计多媒体课件[1]。动画GIF是一个非常简单、显示动态信息的方法，浏览器不需要额外的软件支持，本身就能够显示动画，许多课件用它实现了运动展示、过程模拟等功能。与此相类似的还有全景图像，它首先对物体进行360全景摄像，然后将图像进行拼接、视角变形等技术处理，借助插件，给浏览者展现虚拟物体的三维全貌。RM格式流媒体能够显示视频、音频信息，适合网络的传输。利用这些技术制作出的课件功能丰富，但缺乏交互性。近些年，一些新的交互方法的使用，增强了网页和网络课件的展示效果。
　　1 FLASH技术
　　FLASH是一种交互式矢量多媒体技术，可以将声音、动画以及交互式响应融合在一起，能制作出高品质的显示效果。它使用的矢量图形可任意缩放尺寸而不影响图形的质量，通过使用关键帧和图符使生成的动画文件非常小，流式播放技术使动画可以边播放边下载，适合网络传输的现实状况。声音格式支持MP3等高度压缩的格式，使包含音乐的动画文件也能保持小文件体积。此外，通过ActionScript和FSCommand的交互性，使Flash更加灵活，成为新的多媒体课件支持技术。
　　2 JavaScript动态网页编程
　　目前的WEB网页含有或多或少的JavaScript程序。它能对网页中的信息进行处理，实现许多应用程序才能够完成的功能。除了增强显示的效果之外，它还可以用于实现简单的数据分析。用于生物序列处理在线工具包（the Sequence Manipulation Suite，SMS）[2]就是利用JavaScript实现了数个生物信息学的应用的一个例子，它是DNA与蛋白序列分析的线工具集合，其功能涉及就是密码子使用、CpG岛识别、ORF查找、限制酶切位点识别等。
　　3 VRML、X3D技术
　　虚拟现实语言（VRML）能够描述三维场景中对象的尺寸、形状、色彩、材质、纹理、灯光等属性，通过对简单形状的组合，可以构建复杂的几何形状，描述三维物体，同时它也支持交互功能。通过程序接口和使用JavaScript编程，可以由外界程序实现对VRML场景的完全控制，完成VRML语言本身不能实现的转折、分支、循环等基本过程控制。在远程教育系统中，利用虚拟现实语言，结合Java、数据库技术可以建立基于Web 的交互型虚拟实验室[3]，学生不必亲临实验室，却能达到同样的效果。在课件的设计和制作方面也有广泛的应用[4][5]。许多生物分子的三维显示是通过该方法实现的[6][7]。
　　4 Java Applet技术
　　Java Applet是一种在网页中运行的Java小应用程序， 直接嵌入到Html语言中，通过网页发布。运行时需要在计算机上安装Java运行环境。可以创建集文字、声音和动画于一体的多媒体WEB页面。许多算法的示教也是通过该方法实现。例如，蛋白质相互作用网络使用Applet表现，有很好的显示效果[8]。由于能显示较好的三维效果，常用于医学图像的示教网页[9]和相互作用组学的显示[10]。
　　
　　5 具有较强交互功能的技术
　　通过使用服务端编程，可以实现更加复杂、功能强大的交互。当用户执行一些操作后，信息会返回到服务器端的程序，执行下一步的指令，实现真正的用户-服务器之间的交互，这些方法包括JSP技术和ASP技术等。JSP由Sun公司发布，ASP由Microsoft公司开发，两者技术非常相似，都提供了在Html代码中混合程序代码、并由语言引擎执行的能力。此时，Html代码负责描述信息的显示，而程序代码则用来执行相应操作。
　　
　　二 通过网页实现多服务器的交互-组件方法
　　
　　在生物信息学的教学中，许多算法对应有源程序，而且大多都是基于Linux系统的程序，对这些软件的安装、运行和使用能加深对算法的理解。这些软件中许多是命令行程序，可以通过Telnet的方式运行。网络课件所展示的信息都位于Web服务器上，而当需要更多交互式应用时，完全依赖Web服务器本身就比较困难。通过在网络服务器上添加网络通讯的服务，连接到其它计算机执行交互式操作，再把结果返回给用户，就能够减轻服务器的负担，并实现一些在此之前不可能实现的功能。
　　为了更为有效的实现“算法学习”――“测试运行”的结合，可以通过服务器端编程，在网页上实现Telnet的功能，把程序测试和算法介绍融合在一起。本文的一个目的就是实现这样的功能：在网页上实现Telnet，远程登录到安装有生物信息学算法软件的Linux主机上，主机上的生物信息学资源就可以在B/S环境中得到更加充分的利用。要实现这样的功能，一些组件可以使用，它们包括：Webtelnet，XceedSoft，TeraTerm、PowerTCP Telnet Tool，ActiveSocket等，这里对它们做一简单介绍。
　　1 TeraTerm
　　是一个开源的终端模拟通讯软件，能够实现和其它计算机的通讯功能。当运行在服务器上，可以通过调用URL传递的参数，执行通讯功能。它的最新版本是TeraTerm Professional 4.58，对应的下载地址是 http://ttssh2.sourceforge.jp
　　2 PowerTCP Telnet Tool
　　是美国Dart Communications公司开发的ActiveX控件。支持Visual Studio、ASP、C++Builder、Delphi等开发环境，提供了建立、使用和终止会话的方法，使用者不必关心协议实现细节，极大的简化了使用这些协议的编程难度。控件可以和Unix主机、路由器、终端服务器等设备直接进行Telnet通信，并支持间接的Telnet访问。通过ASP中的ActiveX控件编程，可以使用Telnet协议访问Unix主机，从而实现网页中的Telnet功能。
　　3 ActiveSocket
　　是ActiveXperts公司（http://www.省略）开发的网络通讯组件。把各种网络通讯的协议进行了封装，使普通编程人员也能够利用网络实现通讯，而不需要特别的专业知识。能够实现Http，Ftp，UDP，DNS，ICMP等应用，当然，也能够实现Telnet的功能。ActiveSocket控件使用简单，使用方法是利用程序创建一个针对具体通讯协议的对象，如需要Telnet时，创建一个Telnet对象，就可以使用一些专门针对Telnet定制的一些属性和方法，进而利用这些属性和方法，在程序中的有目的的调用，实现通讯的工作。
　　（1） 组件的主要属性：
　　ConnectionState：表明当前的连接状态，通过该属性可以了解组件和网络的连接状态。
　　RemoteAddress：表示当前连接的IP地址。
　　LastError：返回最后一次方法调用时的出错信息，用于判断方法调用是否成功，可以用来获取控件执行每个指令的结果。
　　（2） 组件的主要方法：
　　Connect：建立一个连接，格式为：Object.Connect Host，Port。其中Host为要连接的主机地址，Port为需要连接的端口，对于Telnet服务Port缺省为23。
　　Disconnect：关闭一个已经打开的网络连接，格式为 Object.Disconnect。
　　SendString：当网络连接已经建立好后，向服务器发送数据，实现通讯过程中的数据传输。
　　ReceiveString：通过网络连接接收字符串，即从服务器获取数据。
　　Sleep：控件等待服务器响应的时间，以便服务器所进行的操作执行完毕并返回结果，用于处理网络延迟。
　　
　　三 生物信息学算法实时交互网络课件的开发
　　
　　在生物信息学课程的教学中，对基本算法的理解和掌握非常重要。这些算法属于多个领域，如序列比对、系统发生分析、蛋白质二级结构预测、数据库查询、格式转换等。在生物数据的信息学分析过程中，基本的算法会经常用到，熟悉每个算法的参数，掌握软件的使用技巧尤为重要。对于BLAST程序，这些参数包括WordSize、打分矩阵名称、空位罚分等。这些参数对算法的结果影响很大，通过使用不同的参数运行这些程序，并比较结果之间的差异，可以达到对算法的较好掌握。
　　对于Linux环境下的生物学相关软件和算法，因为涉及到Linux系统的一些专门知识，安装、运行和试用并不容易。同时，由于学生的课程较多，配置一个可以进行生物学软件的运行环境需要耗费大量的精力，对于本科生来说几乎不现实。此外，许多软件还涉及生物数据库的配置，也增加了安装和调试的困难。借助互联网，把配置好的计算机提供给用户使用，可以避免学生学习过多的Linux系统专门知识，使他们的注意力集中在算法本身上，因此具有很好的应用价值。
　　1 系统规划
　　一台网络服务器，在其上可以安装网络课件。一台Linux的服务器，安装多个生物信息学的软件、生物数据库，网络服务器能够访问Linux服务器。用户通过网络服务器浏览网络课件，当浏览到包含一些算法的时候，网页中就会出现一个专门开发的页面区域，也就是连接到Linux服务器的区域，由服务器端的程序控制。在该区域可以输入Linux的命令，这些命令会传递到网络服务中的程序，程序调用控件中的方法连接到指定的Linux服务器，并进行数据的双向传输工作，如图2：
　　
　　2 服务器软硬件配置
　　(1) Linux服务
　　Linux服务器主要安装生物信息软件。在生物信息的应用中，Blast是最为常见的一个程序，有着广泛的用途，具有一定的代表性。虽然许多网站有WEB格式的Blast程序，但这些程序大多是WEB服务器调用命令行版Blast程序，并处理其结果。为了更好的了解其程序的功能，需要熟悉其中的若干参数，而作为Web服务的Blast，许多参数都是用的是默认值，以至于不被注意。
　　命令行的Blast可以自由设置这些参数，通过使用不同参数运行程序，并比较其结果，可以加深对该程序的理解。在这里，我们利用一台计算机配置了一个Linux服务器，并在其上安装了Blast软件和Emboss软件包，配置了Telnet服务。安装的数据库包括：swissprot、ecoli等。Emboss生物信息软件包有多个类别的生物信息学程序，每一个都可以单独执行。其中的许多软件对应于非常简洁、明确的算法，如GOR程序和Smith-waterman程序。
　　(2)Web服务器
　　Web服务器安装Telnet控件ActiveSocket、IIS、网络课件和服务器端Asp程序，包含有调用ActiveSocket组件的代码。生物信息学算法介绍、程序的使用方法等也都位于该服务器上。
　　(3)硬件
　　Web服务器：Dell Precision T5400工作站：Intel Xeon E5410，4G内存，250G硬盘。
　　Linux服务器：Dell PowerEdge 1300服务器：Intel pentium III，733MHz（主频），256M内存，18G硬盘
　　3 使用方法和界面
　　在浏览器地址栏输入http://192.168.0.1/webcourse/ testpage.asp后，就可以进入测试页面，同普通的网页一样，包含有算法的文字介绍、对应软件、运行参数、测试数据等信息。
　　页面的左边是一个树形的节点列表，每个都对应一个知识点，中间是每部分的内容介绍。当需要进行测试的时候，在页面右边有一个类似窗口的区域，在该区域能够实现Telnet的功能。可以通过该区域向Linux服务器发送各种命令，执行该服务器上的生物信息学程序，等同于连接到真正的Linux服务器。程序的返回结果也在该区域能够查看。若结果较多时，也可以通过提供的链接下载文本格式的结果文件到本地计算机进行查看。
　　
　　4 系统的测试运行
　　Blast程序：
　　登陆到页面，填好IP地址，用户名，执行连接，显示连接成功，在命令文本框输入：
　　blastall -p blastn -d ecoli.nt -i test.txt
　　在命令结果文本框就会出现Blast的结果。
　　由于在调用Blast程序的时候，没有使用-o 参数，若使用通用的Telnet 软件执行该命令后，结果会显示在Telnet软件的终端，而不会输出到文件。当通过ActiveSocket执行该命令时候，ActiveSocket会模拟一个Telnet的终端，获得执行结果的数据，这些数据最终被服务器端ASP脚本语言接收，并显示在命令结果区域，出现图4所示的结果。
　　
　　实际上，对于任何一个安装在Linux服务器上的生物信息软件，都可以通过网页调用Telnet的方法运行，并在结果区域查看运行结果，了解算法对应的参数、使用技巧等知识。通过把Telnet功能和WEB页面集成在一起，可以非常方便地实现算法介绍、测试运行、分析结果的一套完整方案，多目标段学习内容都能够通过一个网页实现，达到随时学习、随时测试的目的，比传统的网络课件功能广泛而强大。
　　
　　四 结论
　　
　　网络新技术由于有更出色的表现力和功能，逐渐增强并取代着传统的技术。不断发掘和应用这些新的技术，使网络课程的设计和建设能达到高效、快捷、多功能的目标，它们的应用能使网络课件获得更加出色的表现形式。
　　本文通过使用网络组件提供的计算机间通讯，实现网络课件的交互功能。利用ASP程序开发了动态页面，在页面中加入了访问运行生物信息软件的局域网其它计算机的功能，由WEB Server端的ASP程序登录到Linux主机，完成指定操作，运行相关生物信息学软件。以Blast程序为例，介绍了系统构架和使用方法。实际上，只需要在Linux服务器上配置更多的算法和软件，它们也都可按照类似的方法运行，即通过WEB页面显示算法的信息，并实现通过WEB的测试运行。在学习过程中，学生只需要访问网络课件所在的服务器，根据课件教程，在网页实现相关算法的运行测试，提升了教学效果。
　　
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