吳曉明　杜建強(qiáng)　劉麗麗　王　旭　祁長(zhǎng)樂(lè)　張虎勤　王　波

【摘要】介紹了多媒體網(wǎng)絡(luò)課件中的交互式技術(shù)，提出利用網(wǎng)絡(luò)組件，通過(guò)Web瀏覽器運(yùn)行Linux平臺(tái)生物信息軟件，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)課件中交互功能的方案?；谶@一方案，開發(fā)了生物信息學(xué)網(wǎng)絡(luò)課件的部分內(nèi)容，構(gòu)建了Blast、Emboss等常見生物信息學(xué)算法和軟件的運(yùn)行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下生物信息學(xué)算法教學(xué)的實(shí)踐環(huán)節(jié)。

【關(guān)鍵字】網(wǎng)絡(luò)課件；生物信息學(xué)；交互操作；Linux

【中圖分類號(hào)】G40-057 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【論文編號(hào)】1009—8097 (2009) 02—0100—04

引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和教育信息化建設(shè)的發(fā)展，多媒體網(wǎng)絡(luò)課件在教學(xué)活動(dòng)中開始發(fā)揮重要作用。多媒體課件通常包含傳統(tǒng)課本中的文字和圖片，以及動(dòng)畫、音頻、視頻等數(shù)字化信息，展示能力很強(qiáng)。新發(fā)展的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、流媒體技術(shù)等，為各類信息的展示提供了更豐富的效果和途徑。網(wǎng)絡(luò)課件還能夠發(fā)揮網(wǎng)頁(yè)的程序分析能力，從而開發(fā)出具有很強(qiáng)交互能力的應(yīng)用。

利用網(wǎng)絡(luò)課件，可以達(dá)到隨時(shí)學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)的效果，實(shí)現(xiàn)多通道的知識(shí)傳播。交互式功能的實(shí)現(xiàn)能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，從而加深對(duì)一些知識(shí)的理解和掌握，促使自主學(xué)習(xí)過(guò)程的形成。此外，利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，構(gòu)建大范圍的協(xié)作關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)過(guò)程。因此開發(fā)高水平、內(nèi)容豐富、具有交互特性的網(wǎng)絡(luò)課件是教學(xué)改革和創(chuàng)新的重要內(nèi)容。

一 網(wǎng)絡(luò)課件設(shè)計(jì)的主要技術(shù)

許多傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于設(shè)計(jì)多媒體課件[1]。動(dòng)畫GIF是一個(gè)非常簡(jiǎn)單、顯示動(dòng)態(tài)信息的方法，瀏覽器不需要額外的軟件支持，本身就能夠顯示動(dòng)畫，許多課件用它實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)展示、過(guò)程模擬等功能。與此相類似的還有全景圖像，它首先對(duì)物體進(jìn)行360?全景攝像，然后將圖像進(jìn)行拼接、視角變形等技術(shù)處理，借助插件，給瀏覽者展現(xiàn)虛擬物體的三維全貌。RM格式流媒體能夠顯示視頻、音頻信息，適合網(wǎng)絡(luò)的傳輸。利用這些技術(shù)制作出的課件功能豐富，但缺乏交互性。近些年，一些新的交互方法的使用，增強(qiáng)了網(wǎng)頁(yè)和網(wǎng)絡(luò)課件的展示效果。

1 FLASH技術(shù)

FLASH是一種交互式矢量多媒體技術(shù)，可以將聲音、動(dòng)畫以及交互式響應(yīng)融合在一起，能制作出高品質(zhì)的顯示效果。它使用的矢量圖形可任意縮放尺寸而不影響圖形的質(zhì)量，通過(guò)使用關(guān)鍵幀和圖符使生成的動(dòng)畫文件非常小，流式播放技術(shù)使動(dòng)畫可以邊播放邊下載，適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)默F(xiàn)實(shí)狀況。聲音格式支持MP3等高度壓縮的格式，使包含音樂(lè)的動(dòng)畫文件也能保持小文件體積。此外，通過(guò)ActionScript和FSCommand的交互性，使Flash更加靈活，成為新的多媒體課件支持技術(shù)。

2 JavaScript動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)編程

目前的WEB網(wǎng)頁(yè)含有或多或少的JavaScript程序。它能對(duì)網(wǎng)頁(yè)中的信息進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)許多應(yīng)用程序才能夠完成的功能。除了增強(qiáng)顯示的效果之外，它還可以用于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)分析。用于生物序列處理在線工具包（the Sequence Manipulation Suite，SMS）[2]就是利用JavaScript實(shí)現(xiàn)了數(shù)個(gè)生物信息學(xué)的應(yīng)用的一個(gè)例子，它是DNA與蛋白序列分析的線工具集合，其功能涉及就是密碼子使用、CpG島識(shí)別、ORF查找、限制酶切位點(diǎn)識(shí)別等。

3 VRML、X3D技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)語(yǔ)言（VRML）能夠描述三維場(chǎng)景中對(duì)象的尺寸、形狀、色彩、材質(zhì)、紋理、燈光等屬性，通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)單形狀的組合，可以構(gòu)建復(fù)雜的幾何形狀，描述三維物體，同時(shí)它也支持交互功能。通過(guò)程序接口和使用JavaScript編程，可以由外界程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)VRML場(chǎng)景的完全控制，完成VRML語(yǔ)言本身不能實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)折、分支、循環(huán)等基本過(guò)程控制。在遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)語(yǔ)言，結(jié)合Java、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)可以建立基于Web 的交互型虛擬實(shí)驗(yàn)室[3]，學(xué)生不必親臨實(shí)驗(yàn)室，卻能達(dá)到同樣的效果。在課件的設(shè)計(jì)和制作方面也有廣泛的應(yīng)用[4][5]。許多生物分子的三維顯示是通過(guò)該方法實(shí)現(xiàn)的[6][7]。

4 Java Applet技術(shù)

Java Applet是一種在網(wǎng)頁(yè)中運(yùn)行的Java小應(yīng)用程序， 直接嵌入到Html語(yǔ)言中，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)發(fā)布。運(yùn)行時(shí)需要在計(jì)算機(jī)上安裝Java運(yùn)行環(huán)境?？梢詣?chuàng)建集文字、聲音和動(dòng)畫于一體的多媒體WEB頁(yè)面。許多算法的示教也是通過(guò)該方法實(shí)現(xiàn)。例如，蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)使用Applet表現(xiàn)，有很好的顯示效果[8]。由于能顯示較好的三維效果，常用于醫(yī)學(xué)圖像的示教網(wǎng)頁(yè)[9]和相互作用組學(xué)的顯示[10]。

5 具有較強(qiáng)交互功能的技術(shù)

通過(guò)使用服務(wù)端編程，可以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜、功能強(qiáng)大的交互。當(dāng)用戶執(zhí)行一些操作后，信息會(huì)返回到服務(wù)器端的程序，執(zhí)行下一步的指令，實(shí)現(xiàn)真正的用戶-服務(wù)器之間的交互，這些方法包括JSP技術(shù)和ASP技術(shù)等。JSP由Sun公司發(fā)布，ASP由Microsoft公司開發(fā)，兩者技術(shù)非常相似，都提供了在Html代碼中混合程序代碼、并由語(yǔ)言引擎執(zhí)行的能力。此時(shí)，Html代碼負(fù)責(zé)描述信息的顯示，而程序代碼則用來(lái)執(zhí)行相應(yīng)操作。

二 通過(guò)網(wǎng)頁(yè)實(shí)現(xiàn)多服務(wù)器的交互-組件方法

在生物信息學(xué)的教學(xué)中，許多算法對(duì)應(yīng)有源程序，而且大多都是基于Linux系統(tǒng)的程序，對(duì)這些軟件的安裝、運(yùn)行和使用能加深對(duì)算法的理解。這些軟件中許多是命令行程序，可以通過(guò)Telnet的方式運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)課件所展示的信息都位于Web服務(wù)器上，而當(dāng)需要更多交互式應(yīng)用時(shí)，完全依賴Web服務(wù)器本身就比較困難。通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上添加網(wǎng)絡(luò)通訊的服務(wù)，連接到其它計(jì)算機(jī)執(zhí)行交互式操作，再把結(jié)果返回給用戶，就能夠減輕服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，并實(shí)現(xiàn)一些在此之前不可能實(shí)現(xiàn)的功能。

為了更為有效的實(shí)現(xiàn)“算法學(xué)習(xí)”——“測(cè)試運(yùn)行”的結(jié)合，可以通過(guò)服務(wù)器端編程，在網(wǎng)頁(yè)上實(shí)現(xiàn)Telnet的功能，把程序測(cè)試和算法介紹融合在一起。本文的一個(gè)目的就是實(shí)現(xiàn)這樣的功能：在網(wǎng)頁(yè)上實(shí)現(xiàn)Telnet，遠(yuǎn)程登錄到安裝有生物信息學(xué)算法軟件的Linux主機(jī)上，主機(jī)上的生物信息學(xué)資源就可以在B/S環(huán)境中得到更加充分的利用。要實(shí)現(xiàn)這樣的功能，一些組件可以使用，它們包括：Webtelnet，XceedSoft，TeraTerm、PowerTCP Telnet Tool，ActiveSocket等，這里對(duì)它們做一簡(jiǎn)單介紹。

1 TeraTerm

是一個(gè)開源的終端模擬通訊軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)和其它計(jì)算機(jī)的通訊功能。當(dāng)運(yùn)行在服務(wù)器上，可以通過(guò)調(diào)用URL傳遞的參數(shù)，執(zhí)行通訊功能。它的最新版本是TeraTerm Professional 4.58，對(duì)應(yīng)的下載地址是 http://ttssh2.sourceforge.jp

2 PowerTCP Telnet Tool

是美國(guó)Dart Communications公司開發(fā)的ActiveX控件。支持Visual Studio、ASP、C++Builder、Delphi等開發(fā)環(huán)境，提供了建立、使用和終止會(huì)話的方法，使用者不必關(guān)心協(xié)議實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，極大的簡(jiǎn)化了使用這些協(xié)議的編程難度。控件可以和Unix主機(jī)、路由器、終端服務(wù)器等設(shè)備直接進(jìn)行Telnet通信，并支持間接的Telnet訪問(wèn)。通過(guò)ASP中的ActiveX控件編程，可以使用Telnet協(xié)議訪問(wèn)Unix主機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)中的Telnet功能。

3 ActiveSocket

是ActiveXperts公司（http://www.activexperts.com）開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)通訊組件。把各種網(wǎng)絡(luò)通訊的協(xié)議進(jìn)行了封裝，使普通編程人員也能夠利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通訊，而不需要特別的專業(yè)知識(shí)。能夠?qū)崿F(xiàn)Http，F(xiàn)tp，UDP，DNS，ICMP等應(yīng)用，當(dāng)然，也能夠?qū)崿F(xiàn)Telnet的功能。ActiveSocket控件使用簡(jiǎn)單，使用方法是利用程序創(chuàng)建一個(gè)針對(duì)具體通訊協(xié)議的對(duì)象，如需要Telnet時(shí)，創(chuàng)建一個(gè)Telnet對(duì)象，就可以使用一些專門針對(duì)Telnet定制的一些屬性和方法，進(jìn)而利用這些屬性和方法，在程序中的有目的的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)通訊的工作。

（1） 組件的主要屬性：

ConnectionState：表明當(dāng)前的連接狀態(tài)，通過(guò)該屬性可以了解組件和網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)。

RemoteAddress：表示當(dāng)前連接的IP地址。

LastError：返回最后一次方法調(diào)用時(shí)的出錯(cuò)信息，用于判斷方法調(diào)用是否成功，可以用來(lái)獲取控件執(zhí)行每個(gè)指令的結(jié)果。

（2） 組件的主要方法：

Connect：建立一個(gè)連接，格式為：Object.Connect Host，Port。其中Host為要連接的主機(jī)地址，Port為需要連接的端口，對(duì)于Telnet服務(wù)Port缺省為23。

Disconnect：關(guān)閉一個(gè)已經(jīng)打開的網(wǎng)絡(luò)連接，格式為 Object.Disconnect。

SendString：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接已經(jīng)建立好后，向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)通訊過(guò)程中的數(shù)據(jù)傳輸。

ReceiveString：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接接收字符串，即從服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)。

Sleep：控件等待服務(wù)器響應(yīng)的時(shí)間，以便服務(wù)器所進(jìn)行的操作執(zhí)行完畢并返回結(jié)果，用于處理網(wǎng)絡(luò)延遲。

三 生物信息學(xué)算法實(shí)時(shí)交互網(wǎng)絡(luò)課件的開發(fā)

在生物信息學(xué)課程的教學(xué)中，對(duì)基本算法的理解和掌握非常重要。這些算法屬于多個(gè)領(lǐng)域，如序列比對(duì)、系統(tǒng)發(fā)生分析、蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢、格式轉(zhuǎn)換等。在生物數(shù)據(jù)的信息學(xué)分析過(guò)程中，基本的算法會(huì)經(jīng)常用到，熟悉每個(gè)算法的參數(shù)，掌握軟件的使用技巧尤為重要。對(duì)于BLAST程序，這些參數(shù)包括WordSize、打分矩陣名稱、空位罰分等。這些參數(shù)對(duì)算法的結(jié)果影響很大，通過(guò)使用不同的參數(shù)運(yùn)行這些程序，并比較結(jié)果之間的差異，可以達(dá)到對(duì)算法的較好掌握。

對(duì)于Linux環(huán)境下的生物學(xué)相關(guān)軟件和算法，因?yàn)樯婕暗絃inux系統(tǒng)的一些專門知識(shí)，安裝、運(yùn)行和試用并不容易。同時(shí)，由于學(xué)生的課程較多，配置一個(gè)可以進(jìn)行生物學(xué)軟件的運(yùn)行環(huán)境需要耗費(fèi)大量的精力，對(duì)于本科生來(lái)說(shuō)幾乎不現(xiàn)實(shí)。此外，許多軟件還涉及生物數(shù)據(jù)庫(kù)的配置，也增加了安裝和調(diào)試的困難。借助互聯(lián)網(wǎng)，把配置好的計(jì)算機(jī)提供給用戶使用，可以避免學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)多的Linux系統(tǒng)專門知識(shí)，使他們的注意力集中在算法本身上，因此具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)規(guī)劃

一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，在其上可以安裝網(wǎng)絡(luò)課件。一臺(tái)Linux的服務(wù)器，安裝多個(gè)生物信息學(xué)的軟件、生物數(shù)據(jù)庫(kù)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器能夠訪問(wèn)Linux服務(wù)器。用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器瀏覽網(wǎng)絡(luò)課件，當(dāng)瀏覽到包含一些算法的時(shí)候，網(wǎng)頁(yè)中就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)專門開發(fā)的頁(yè)面區(qū)域，也就是連接到Linux服務(wù)器的區(qū)域，由服務(wù)器端的程序控制。在該區(qū)域可以輸入Linux的命令，這些命令會(huì)傳遞到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中的程序，程序調(diào)用控件中的方法連接到指定的Linux服務(wù)器，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向傳輸工作，如圖2：

2 服務(wù)器軟硬件配置

(1) Linux服務(wù)

Linux服務(wù)器主要安裝生物信息軟件。在生物信息的應(yīng)用中，Blast是最為常見的一個(gè)程序，有著廣泛的用途，具有一定的代表性。雖然許多網(wǎng)站有WEB格式的Blast程序，但這些程序大多是WEB服務(wù)器調(diào)用命令行版Blast程序，并處理其結(jié)果。為了更好的了解其程序的功能，需要熟悉其中的若干參數(shù)，而作為Web服務(wù)的Blast，許多參數(shù)都是用的是默認(rèn)值，以至于不被注意。

命令行的Blast可以自由設(shè)置這些參數(shù)，通過(guò)使用不同參數(shù)運(yùn)行程序，并比較其結(jié)果，可以加深對(duì)該程序的理解。在這里，我們利用一臺(tái)計(jì)算機(jī)配置了一個(gè)Linux服務(wù)器，并在其上安裝了Blast軟件和Emboss軟件包，配置了Telnet服務(wù)。安裝的數(shù)據(jù)庫(kù)包括：swissprot、ecoli等。Emboss生物信息軟件包有多個(gè)類別的生物信息學(xué)程序，每一個(gè)都可以單獨(dú)執(zhí)行。其中的許多軟件對(duì)應(yīng)于非常簡(jiǎn)潔、明確的算法，如GOR程序和Smith-waterman程序。

(2)Web服務(wù)器

Web服務(wù)器安裝Telnet控件ActiveSocket、IIS、網(wǎng)絡(luò)課件和服務(wù)器端Asp程序，包含有調(diào)用ActiveSocket組件的代碼。生物信息學(xué)算法介紹、程序的使用方法等也都位于該服務(wù)器上。

(3)硬件

Web服務(wù)器：Dell Precision T5400工作站：Intel Xeon E5410，4G內(nèi)存，250G硬盤。

Linux服務(wù)器：Dell PowerEdge 1300服務(wù)器：Intel pentium III，733MHz（主頻），256M內(nèi)存，18G硬盤

3 使用方法和界面

在瀏覽器地址欄輸入http://192.168.0.1/webcourse/ testpage.asp后，就可以進(jìn)入測(cè)試頁(yè)面，同普通的網(wǎng)頁(yè)一樣，包含有算法的文字介紹、對(duì)應(yīng)軟件、運(yùn)行參數(shù)、測(cè)試數(shù)據(jù)等信息。

頁(yè)面的左邊是一個(gè)樹形的節(jié)點(diǎn)列表，每個(gè)都對(duì)應(yīng)一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，中間是每部分的內(nèi)容介紹。當(dāng)需要進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候，在頁(yè)面右邊有一個(gè)類似窗口的區(qū)域，在該區(qū)域能夠?qū)崿F(xiàn)Telnet的功能。可以通過(guò)該區(qū)域向Linux服務(wù)器發(fā)送各種命令，執(zhí)行該服務(wù)器上的生物信息學(xué)程序，等同于連接到真正的Linux服務(wù)器。程序的返回結(jié)果也在該區(qū)域能夠查看。若結(jié)果較多時(shí)，也可以通過(guò)提供的鏈接下載文本格式的結(jié)果文件到本地計(jì)算機(jī)進(jìn)行查看。

4 系統(tǒng)的測(cè)試運(yùn)行

Blast程序：

登陸到頁(yè)面，填好IP地址，用戶名，執(zhí)行連接，顯示連接成功，在命令文本框輸入：

blastall -p blastn -d ecoli.nt -i test.txt

在命令結(jié)果文本框就會(huì)出現(xiàn)Blast的結(jié)果。

由于在調(diào)用Blast程序的時(shí)候，沒有使用-o 參數(shù)，若使用通用的Telnet 軟件執(zhí)行該命令后，結(jié)果會(huì)顯示在Telnet軟件的終端，而不會(huì)輸出到文件。當(dāng)通過(guò)ActiveSocket執(zhí)行該命令時(shí)候，ActiveSocket會(huì)模擬一個(gè)Telnet的終端，獲得執(zhí)行結(jié)果的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)最終被服務(wù)器端ASP腳本語(yǔ)言接收，并顯示在命令結(jié)果區(qū)域，出現(xiàn)圖4所示的結(jié)果。

實(shí)際上，對(duì)于任何一個(gè)安裝在Linux服務(wù)器上的生物信息軟件，都可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)調(diào)用Telnet的方法運(yùn)行，并在結(jié)果區(qū)域查看運(yùn)行結(jié)果，了解算法對(duì)應(yīng)的參數(shù)、使用技巧等知識(shí)。通過(guò)把Telnet功能和WEB頁(yè)面集成在一起，可以非常方便地實(shí)現(xiàn)算法介紹、測(cè)試運(yùn)行、分析結(jié)果的一套完整方案，多目標(biāo)段學(xué)習(xí)內(nèi)容都能夠通過(guò)一個(gè)網(wǎng)頁(yè)實(shí)現(xiàn)，達(dá)到隨時(shí)學(xué)習(xí)、隨時(shí)測(cè)試的目的，比傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)課件功能廣泛而強(qiáng)大。

四 結(jié)論

網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)由于有更出色的表現(xiàn)力和功能，逐漸增強(qiáng)并取代著傳統(tǒng)的技術(shù)。不斷發(fā)掘和應(yīng)用這些新的技術(shù)，使網(wǎng)絡(luò)課程的設(shè)計(jì)和建設(shè)能達(dá)到高效、快捷、多功能的目標(biāo)，它們的應(yīng)用能使網(wǎng)絡(luò)課件獲得更加出色的表現(xiàn)形式。

本文通過(guò)使用網(wǎng)絡(luò)組件提供的計(jì)算機(jī)間通訊，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)課件的交互功能。利用ASP程序開發(fā)了動(dòng)態(tài)頁(yè)面，在頁(yè)面中加入了訪問(wèn)運(yùn)行生物信息軟件的局域網(wǎng)其它計(jì)算機(jī)的功能，由WEB Server端的ASP程序登錄到Linux主機(jī)，完成指定操作，運(yùn)行相關(guān)生物信息學(xué)軟件。以Blast程序?yàn)槔榻B了系統(tǒng)構(gòu)架和使用方法。實(shí)際上，只需要在Linux服務(wù)器上配置更多的算法和軟件，它們也都可按照類似的方法運(yùn)行，即通過(guò)WEB頁(yè)面顯示算法的信息，并實(shí)現(xiàn)通過(guò)WEB的測(cè)試運(yùn)行。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生只需要訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)課件所在的服務(wù)器，根據(jù)課件教程，在網(wǎng)頁(yè)實(shí)現(xiàn)相關(guān)算法的運(yùn)行測(cè)試，提升了教學(xué)效果。

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