AAA

Zastosowanie technologii peer-to-peer
do kooperatywnego e-learningu

Aleksander Bułkowski

E-learning jest dynamicznie rozwijającą się formą edukacji. Jednym z obszarów, który może przyczynić się do zrewolucjonizowania e-edukacji jest technologia peer-to-peer (P2P). W niniejszym artykule autor opisuje podstawy funkcjonowania systemów P2P i rozpatruje możliwości ich wykorzystania w e-learningu.

E-learning jest jednym z najbardziej dynamicznie rozwijających się obszarów edukacji. Jego funkcjonowanie opiera się głównie na dwóch podstawowych technikach. W pierwszej, tradycyjny wykład prezentowany przez wykładowcę nagrywany jest jako dokument audiowizualny i rozpowszechniany jednocześnie (online) lub z opóźnieniem (off-line) za pomocą strumieni multimedialnych do grupy uczących się. Obraz i dźwięk wykładowcy może być wzbogacony poprzez inne materiały nauczające, takie jak przeźrocza PowerPoint, tworząc złożoną strukturę multimedialną, w której każdy element zawartości jest zsynchronizowany w czasie tak, aby jego prezentacja wypadła w odpowiednim momencie. Jako przykłady technologii umożliwiających realizację takich funkcji możemy wymienić narzędzia firmy RealNetworks (RealAudio, RealPlayer), jak również SMIL, zespół norm definiujących zsynchronizowane dokumenty multimedialne, wypracowany przez Konsorcjum W3C. Nowym narzędziem, które zyskuje coraz większe powodzenie w rozpowszechnianiu wykładów dźwiękowych jest podcast, dzięki któremu można otrzymać nagrania dźwiękowe odtwarzane na urządzeniach MP3 (nazwa pochodzi od iPod, playera MP3 Apple).

Druga technika e-learningu wykorzystuje materiały nauczające o często złożonej strukturze, które udostępniane są poprzez serwery WWW. Nauczający tworzy dokumenty na określony temat, przewiduje ich podział na jednostki nauczające (lekcje), wzbogaca je poprzez ćwiczenia lub zadania i kontroluje postęp nauki formułując sprawdziany lub egzaminy. Takie materiały nauczające mogą mieć złożoną strukturę i wymagają odpowiednich standardów do zdefiniowania formatu plików, aby umożliwić ich wymianę i wykorzystanie. Rozpowszechnianie materiałów opiera się w tym przypadku na standardowych systemach WWW i protokołach komunikacyjnych, takich jak HTTP. Zaletą techniki zdalnego nauczania jest pewnego stopnia niezależność uczącego się od nauczającego - uczący może korzystać z materiałów w dowolnej chwili. Jednak często wymaga to pomocy nauczającego, co jest realizowane poprzez narzędzia komunikacyjne, takie jak e-mail, forum, czat. Standardy, takie jak SCORM (Sharable Courseware Object Reference Model) i IMS (Instructional Management Systems), zaczynają być używane do integrowania materiałów w tym typie zdalnego nauczania.

Pomimo dynamicznego rozwoju, e-learning nie osiągnął jeszcze możliwej do uzyskania popularności i efektywności. Istnieje kilka przyczyn takiego stanu rzeczy:

  1. Wyżej przedstawione metody przedstawiają tradycyjny asymetryczny model nauczania - nauczający przekazuje wiedzę lub umiejętności uczącym się;
  2. W wypadku nauczania typu online, wymagana jest jednoczesna obecność nauczającego i uczących się;
  3. Uczący się pracują w izolacji i zwykle brak jest pomiędzy nimi koordynacji i komunikacji;
  4. Rozwiązania aktualne wymagają stosunkowo dużych inwestycji (sprzęt do nagrywania, serwer WWW), nakładów operacyjnych (zarządzanie, uaktualnianie informacji) i specjalistycznej obsługi;
  5. Zdalne wykłady nie są szeroko rozpowszechnione z uwagi na potrzebę zastosowania wyspecjalizowanych narzędzi (np. player/interpreter formatu SCORM) i potrzebną wiedzę techniczną do ich użytkowania.
Celem artykułu jest naszkicowanie nowych kierunków badań, które mogą rozszerzyć możliwości w dziedzinie e-learningu.

Nowe idee

Obecne rozwiązania e-learningu opierają się na wypróbowanych tradycyjnych technikach WWW lub na przesyłaniu strumieni multimedialnych. Dotychczas nowsze techniki typu peer-to-peer (P2P) nie zostały jeszcze rozpatrzone jako element, który mógłby wzbogacić funkcjonalność systemów e-learningu. Techniki P2P mogą pozwolić na:

  • łatwe i szybkie rozpowszechnianie materiałów,
  • demokratyzację uczenia się,
  • tworzenie grup współpracy uczących się i uczenie się poprzez współpracę,
  • łatwą komunikację pomiędzy wszystkimi uczestnikami (autor, nauczający, uczący się).
Ten ostatni rezultat będzie wymagać najprawdopodobniej równoczesnego użycia nowych środków komunikacji, takich jak telefonia internetowa (VoIP), które należałoby zintegrować z technikami P2P. Aby przedstawić możliwości technik P2P w dziedzinie e-learningu, zaprezentowano poniżej zasady ich funkcjonowania.

Podstawy technik P2P

Peer-to-peer w dosłownym tłumaczeniu z j. angielskiego oznacza "równy z równym". Jest to stosunkowo młody model komunikacji w sieci internetowej, który w przeciwieństwie do modelu "klient-serwer" (jeden zbiór oprogramowania zapewnia usługi dla innego zbioru, a z usług jednego serwera korzysta wielu klientów) opiera się na równorzędności obu stron procesu komunikacji. W sieci P2P każdy komputer może jednocześnie pełnić obie funkcje. Najbardziej rozpowszechnionym przykładem stosowania modelu peer-to-peer? w sieci są programy służące do wymiany plików w internecie. Każdy komputer użytkownika tworzy tzw. "węzeł" sieci i odgrywa rolę serwera, przyjmując połączenia od innych użytkowników oraz klienta, łącząc się i pobierając dane z innych "węzłów" działających w tej samej sieci, przy czym wymiana danych jest prowadzona bez pośrednictwa centralnego serwera. Funkcjonowanie sieci P2P wykorzystuje zasadę overlay: węzeł sieci nawiązuje kontakt z innymi węzłami na poziomie protokołu TCP w zupełnym odizolowaniu od struktury fizycznej internetu. Struktura sieci P2P podlega zatem nieustannej dynamice w zależności od tego, jakie komputery, z jakimi udostępnionymi danymi są aktualnie do niej zalogowane.

Rysunek 1. Zasada działania systemu Napster

Źródło: opracowanie własne

Pierwszym przykładem wykorzystania na szeroką skalę P2P w dzisiejszym rozumieniu była sieć Napster, a główną przesłanką jej utworzenia - popyt użytkowników sieci na pliki muzyczne. Napster jako pierwsza aplikacja umożliwiał użytkownikom komputerów udostępnienie wybranych zasobów swojego domowego PC. Opierał się na scentralizowanym katalogu plików, który pozwalał użytkownikom znalezienie poszukiwanego pliku i skontaktowanie się z komputerem, który go następnie przesyła (nie był więc czystym przykładem modelu peer-to-peer). Zasada jego funkcjonowania ilustrowana jest na rysunku 1: komputer B zadaje pytanie chcąc znaleźć plik X.mp3 (operacja 1), dowiaduje się, że jest on w komputerze A (operacja 2) i kontaktuje się z nim, żeby go otrzymać (operacja 3). Wadą systemu Napster jest scentralizowana architektura, w której trzeba odwoływać się do katalogu.

Rysunek 2. Zasada działania systemu Gnutella

Źródło: opracowanie własne

System Gnutella proponuje rozproszoną strukturę poszukiwania opartą na propagowaniu zapytań w sieci tak, aby znaleźć poszukiwany plik. Rysunek 2 ilustruje ten proces: zapytanie użytkownika propagowane jest do systemów znanych każdemu komputerowi (jego "peers", cf. operacje 1-3). Systemy mające dany plik odpowiadają na zapytanie, które wraca poprzez ścieżkę odwrotną do systemu, wysyłającego zapytanie (operacje 4-5). Plik jest ostatecznie ściągany z wybranego systemu (operacja 6). Dostęp może być również przyśpieszony poprzez równoległe ściąganie rożnych części pliku z kilku lub kilkunastu serwerów.

Rysunek 3. Zasada działania systemu FastTrack (Kazaa)

Źródło: opracowanie własne

Propagowanie zapytań w sieciach z dużą liczbą serwerów może być kosztowne i zabierać zbyt wiele czasu. Biblioteka Fast Track, na której oparte są popularne systemy P2P, takie jak Kazaa lub Grokster, wykorzystuje rozproszone tablice haszujące, które odwzorowują unikalny identyfikator pliku do jego lokalizacji. Niektóre węzły w takiej sieci pełnią specjalną rolę - są to superwęzły (supernodes), które przechowują część tablicy haszującej w lokalnym katalogu. Ilustruje to rysunek 3, w którym węzeł B posiada informacje o plikach przechowywanych w systemach B, C i D. Zapytanie o dany plik kierowane jest do pierwszego znanego superwęzła, który przegląda swoją tablicę i przesyła je do innych superwęzłów (operacja 1) - propagacja zapytania podobna jest do mechanizmu Gnutelli, jednak ograniczona jest tylko do superwęzłów. Jeżeli plik figuruje w katalogu, superwęzeł odpowiada pozytywnie (operacja 2), co pozwala na ściągnięcie pliku (operacja 3). Ogólne charakterystyki systemów P2P są zaprezentowane w tabeli 1.

Tabela 1. Porównanie popularnych sieci P2P

Nazwa / Typ Charakterystyka
eDonkey (ed2k)
wiele serwerów
Największa sieć P2P. Aktualnie posiada 3,5 mln użytkowników. Bardzo dobra do dystrybucji dużych plików. Im więcej udostępniasz, tym krócej czekasz.
FastTrack
rozproszona z wyróżnionymi komputerami
Samoorganizująca, wielowarstwowa. Użytkownik posiadający komputer o dużej mocy i przepustowości staje się "super-węzłem". Bardzo popularna dzięki jednemu z jej klientów: Kaaza. Niestety, zawiera wiele programów typu Spyware i Adware.
Gnutella
rozproszona z wyróżnionymi komputerami
Posiada system wyszukiwania, który w znacznym stopniu absorbuje możliwości transmisyjne. Powstała też sieć Gnutella2, która łącząc zalety Gnutelli i Fasttracka oferuje nowe możliwości.
BitTorrent
wiele serwerów
Rozpoczynając poszukiwania ściągamy niewielki plik z rozszerzeniem *.torrent. Uruchomienie go powoduje podłączenie użytkownika do mini sieci P2P, która zostaje stworzona specjalnie dla tego pliku. Zapewnia szybką dystrybucję plików.

Źródło: http://www.p2p.info.pl/mod-subjects-viewpage-pageid-175.phtml, [25.09.2006]

Z punktu widzenia e-learningu systemy P2P przedstawiają szerokie możliwości, jednak wyspecjalizowane są przede wszystkim pod kątem poszukiwania i rozpowszechniania plików audio lub wideo. Z tego powodu dotychczas nie wykorzystywano ich do celów nauczania w szerszym zakresie. Dodatkową przeszkodą jest prosta forma indeksowania plików na podstawie słów kluczowych, a złożona zawartość materiałów nauczających może wymagać indeksacji na podstawie metadanych. Celem aktualnie działających systemów P2P jest transfer plików, więc nie ma możliwości nawiązania kontaktu pomiędzy systemami użytkownika, który poszukuje pewnej zawartości a systemem, który ją udostępnia. W pewnych wypadkach, interesujące byłoby tworzenie grup zainteresowań i ich kooperacja na podstawie dostępu do plików o podobnych charakterystykach.

Rozwój e-learningu z wykorzystaniem P2P

W jaki sposób technologie P2P mogą być wykorzystane do nauczania? Co mogą wnieść nowego do e-learningu? Wydaje się, że ta nowa technologia pozwoli na wzbogacenie możliwości e-learningu poprzez kooperacyjne zdalne nauczanie. Można je będzie osiągnąć na podstawie technik P2P dzięki:

  • definicji nowych obiektów nauczania rozprowadzanych poprzez zmodyfikowane technologie P2P;
  • asocjacji metadanych z obiektami nauczania do precyzyjnego indeksowania ich zawartości;
  • wzbogaceniu obiektów nauczania o możliwości łatwego kontaktu pomiędzy użytkownikami, tak aby umożliwić tworzenie się spontanicznych grup współpracy (wymagać to będzie na przykład zintegrowania komunikacji interaktywnej z obiektami nauczania);
  • zmianie tradycyjnego hierarchicznego modelu nauczania (nauczyciel-uczeń) na model płaski, w którym każdy może nauczyć kogoś innego, jak również każdy może się czegoś nauczyć.
Pierwszy problem dotyczy wykorzystania technologii P2P do przekazywania materiałów wykorzystywanych do nauczania, a nie tylko plików muzycznych lub wideo. Zwykle materiały dydaktyczne mają złożoną strukturę i skład, na przykład są to artykuły, prezentacje PowerPoint, zarejestrowane segmenty wideo lub audio, częściowo lub całkowicie zsynchronizowane. Refleksja na ten temat musi dotyczyć formatów aktualnie zdefiniowanych w e-learningu, takich jak SCORM lub IMS i ich użycie w definicji obiektów rozprowadzanych poprzez technologie P2P.

Zawartość złożonych obiektów nauczania powinna być odpowiednio indeksowana dla łatwego wyszukiwania. Pierwszą próbą w tym kierunku była Edutella1. System ten wykorzystuje standardy metadanych zdefiniowanych dla stron WWW opartych na specyfikacji RDF (Resource Description Framework) oraz używa zbioru protokołów komunikacyjnych JXTA pozwalających na komunikację bez pośrednictwa serwerów centralnych. Edutella uzupełnia proces nauczania w systemie e-learningu i reprezentuje nowatorskie podejście do systemu komunikowania się uczestników procesu kształcenia. Dążeniem twórców Edutelli jest stworzenie zdecentralizowanej infrastruktury e-learningowej. Podobne idee na temat zastosowania technik P2P do celów edukacyjnych zaczynają również sie pojawiać w literaturze. Berman i Annexstein proponują integracje technik P2P z personalnymi systemami zarządzania wiedzą (Personal Knowledge Management), aby stworzyć nowy system nauczający2.

Podobną ideą jest rozpatrzenie problemu kooperacyjnego korzystania z materiałów edukacyjnych na bazie technologii P2P. Obecne systemy nauczające przystosowane są do użytku przez jednego ucznia, natomiast lepsze efekty można osiągnąć poprzez wspólną naukę w grupie kilku osób, które razem pracują nad tym samym zagadnieniem. Efektywność takiego nauczania wychodzi z nowych postulatów pedagogicznych, takich jak learning by teaching - uczeń doskonale się uczy, gdy musi wytłumaczyć jakiś problem innej osobie. Można zatem dojść do stwierdzenia, że obok zawartości rozpowszechnianej technologią P2P, potrzebna jest nam również komunikacja interaktywna. Taką technologią jest Voice over IP (VoIP). Jest ona wykorzystywana przez komunikatory ogólnie używane oraz w telefonii internetowej umożliwiając łatwą, tanią komunikację pomiędzy użytkownikami sieci (systemy Skype lub Gizmo).

Wydaje się zatem, że nowoczesne systemy edukacyjne będą mogły rozszerzyć swą funkcjonalność na bazie technologii P2P wspomaganej poprzez interaktywną komunikację. Przykładami takich możliwości mogą być dwa następujące scenariusze:
  1. Grupy nauki kooperacyjnej: kilka osób korzysta z materiałów do nauczania otrzymanych drogą P2P i dzięki nim nawiązuje ze sobą kontakt, aby dyskutować o zagadnieniach, z którymi same mają problem;
  2. Kooperacja nauczający - uczeń: osoba korzysta z materiałów edukacyjnych otrzymanych drogą P2P i dzięki nim nawiązuje kontakt z nauczającym lub autorem materiałów, który efektywnie pomaga rozwiązać problemy lub odpowiada na pytania.
Wzbogacenie aktualnych systemów nauczania o takie funkcje wymaga więc zastanowienia się, w jaki sposób należy zmodyfikować technologie P2P do celów nauczania i jak je zintegrować z innymi technologii, takimi jak VoIP, aby wprowadzić nowy model zdalnego nauczania. Problemy te są przedmiotem aktualnych badań wykonywanych we współpracy między Wyższą Szkołą Ekonomii i Administracji w Bytomiu, Akademią Górniczo-Hutniczą w Krakowie i Politechniką w Grenoble (Institut National Polytechnique de Grenoble).

Podsumowanie

Systemy P2P stanowią niewykorzystany jeszcze obszar możliwości edukacyjnych. Celowe wydają się prace nad zdefiniowaniem nowego zasobu reprezentującego treści zdalnego nauczania (pakietu nauczającego). Zasób taki mógłby zintegrować rożne typy danych i dokumenty (tekst, prezentacja PPT, zapis dźwiękowy lub wideo, formularze HTML), tak aby tworzyły jedną całość. Precyzyjna indeksacja na podstawie metadanych da możliwość wyszukiwania materiałów spośród repozytorium wiedzy. Techniki P2P pozwolą na łatwe rozpowszechnianie obiektów nauczania bez narzutów i specjalistycznej pomocy niezbędnej w tradycyjnym modelu opartym o serwery WWW. Prowadzone tą drogą nauczanie pozwoli na kooperacyjne dyskusje i interaktywną współpracę uczestników. Celowi temu służyć będzie integracja pakietu nauczającego z nowoczesnymi narzędziami komunikacji.

INFORMACJE O AUTORACH

ALEKSANDER BUŁKOWSKI

Autor jest pracownikiem dydaktycznym w Wyższej Szkole Ekonomii i Administracji (WSEiA) w Bytomiu. Jego zainteresowania naukowe koncentrują się wokół zagadnień związanych z niekonwencjonalnymi rozwiązaniami w e-learningu. Powyższy artykuł jest związany z tematyką przygotowywanej pracy doktorskiej.