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一、多媒體遠(yuǎn)程教育
遠(yuǎn)程教育是為克服傳統(tǒng)的面對(duì)面教育模式的某些不足(招生人數(shù)有限、教育方法不靈活、教育資金浪費(fèi)等)而產(chǎn)生的一種新型教育模式.最初的遠(yuǎn)程教育是函授教育;此后出現(xiàn)了由廣播電臺(tái)傳播信息的廣播大學(xué);當(dāng)電視普及以后,電視大學(xué)應(yīng)運(yùn)而生.在上述三種遠(yuǎn)程教育方法中,以電視大學(xué)的教學(xué)方式最優(yōu).不僅能聽到聲音,而且可以看到圖像.我國(guó)從1978年開通了電視大學(xué)至今,已有數(shù)以百萬計(jì)的人接受了這種教育.但是,電視大學(xué)作為一種教學(xué)方法,也有其不足.首先,這種方式不靈活、不方便,授課須定點(diǎn)定時(shí).其次,教學(xué)內(nèi)容有局限性,文科專業(yè)(外語(yǔ)、財(cái)會(huì)、管理等)和部分理科專業(yè)(數(shù)學(xué)等)適于電視大學(xué).以實(shí)驗(yàn)為不可或缺的某些專業(yè)(多數(shù)工科專業(yè)、部分理科專業(yè))在電視大學(xué)中不能充分實(shí)現(xiàn)或根本無法實(shí)現(xiàn).近些年來,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的迅速發(fā)展,出現(xiàn)了教育多媒體系統(tǒng),它能夠交互地同時(shí)處理、傳輸、管理文本、圖形、圖像、語(yǔ)言、視頻、動(dòng)畫等多種形式的信息.多媒體遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)在一定程度上彌補(bǔ)了電視大學(xué)的某些不足,但仍不能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作.網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室的出現(xiàn),使遠(yuǎn)程教育更趨完善,為教育發(fā)展史寫下了光輝的一頁(yè).在不足20年時(shí)間里,因特網(wǎng)在全球得到了迅速發(fā)展,已成為當(dāng)今世界上覆蓋面最大、信息資源最豐富的計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò).作為遠(yuǎn)程教育的關(guān)鍵———教學(xué)信息的傳遞,因特網(wǎng)無疑具有明顯的優(yōu)勢(shì).虛擬實(shí)驗(yàn)室正是建立在以因特網(wǎng)為信息載體的基礎(chǔ)上,它的產(chǎn)生向人們展示了信息時(shí)代一種全新的教育方式和科學(xué)研究方式[1].
二、虛擬實(shí)驗(yàn)室是今后高層次遠(yuǎn)程教育的發(fā)展主流
函授、廣播、電視等遠(yuǎn)程教育模式的所有功能,在因特網(wǎng)上均能輕易實(shí)現(xiàn).只要建立一個(gè)教育網(wǎng)站,用戶就不再受時(shí)空的限制,訪問教育網(wǎng)站就能夠接受到遠(yuǎn)程教育.但僅限于此還不能充分體現(xiàn)出因特網(wǎng)強(qiáng)大的信息傳遞功能.基于因特網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室的出現(xiàn),將遠(yuǎn)程教育提升到更高的層次上.虛擬實(shí)驗(yàn)室(VirtualLaboratory)概念,是由美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)(UniversityofVirginia)的威廉•沃爾夫(WilliamWolf)教授于1989年首先提出的,它描述了一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境,致力于構(gòu)筑一個(gè)綜合不同工具和技術(shù)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化的集成環(huán)境.在這個(gè)環(huán)境里,用戶可以非常有效地利用世界上分布的各種數(shù)據(jù)、信息、儀器設(shè)備及人力等資源[2].
虛擬實(shí)驗(yàn)室提出的初衷是為了方便科學(xué)研究工作,科研人員在遠(yuǎn)程即可從事研究工作:使用儀器設(shè)備、共享數(shù)據(jù)資源、交流信息等.虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)質(zhì)上是一個(gè)分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),在該系統(tǒng)中,配置有遙控、遙測(cè)能力的網(wǎng)絡(luò)化研究設(shè)備和數(shù)據(jù)采集平臺(tái),有支持協(xié)作活動(dòng)的各種工具,建有可以支持?jǐn)?shù)據(jù)共享的數(shù)字式圖書館.加入到因特網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室可視為建立了一個(gè)可以演示、操縱、控制實(shí)驗(yàn)的特殊網(wǎng)站.用戶可以在任何時(shí)候,從任何地點(diǎn)訪問虛擬實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站.它的建立大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的伸縮性和適應(yīng)性.不同的學(xué)科專業(yè)的虛擬實(shí)驗(yàn)室有各自的特點(diǎn).但無論是哪個(gè)學(xué)科專業(yè)的虛擬實(shí)驗(yàn)室都是由各自的虛擬儀器(VirtualInstrumentation)組成的.虛擬儀器是指通過應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)與功能化硬件結(jié)合起來,用戶通過友好的圖形界面來操作計(jì)算機(jī),從而完成了對(duì)被測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)采集、分析、判斷、顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等.虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比,有其相同的一面,又有不同的一面.相同點(diǎn)是:虛擬儀器同樣具有三大功能,即數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、結(jié)果顯示.虛擬儀器以透明的方式把計(jì)算機(jī)資源和儀器硬件的測(cè)控能力結(jié)合起來,實(shí)現(xiàn)儀器的功能運(yùn)作.
與傳統(tǒng)儀器不同的是:在給定計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力和必要的儀器硬件以后,構(gòu)造和使用虛擬儀器的關(guān)鍵技術(shù)在于軟件,“軟件即儀器”.應(yīng)用軟件程序?qū)⒖蛇x硬件(如GPIB、VXI、RS-232、DAQ等)和可重復(fù)使用源碼庫(kù)函數(shù)等軟件結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)模塊間的通信、定時(shí)與觸發(fā),源碼庫(kù)函數(shù)為用戶構(gòu)造自己的虛擬儀器系統(tǒng)提供了基本的軟件模塊[3].當(dāng)用戶的學(xué)習(xí)目的或測(cè)試要求改變時(shí),可以方便地由用戶自行增減硬軟件模塊或重新配置系統(tǒng)以滿足測(cè)試要求.綜上所述,虛擬儀器是由用戶自己定義、自由組合的計(jì)算機(jī)平臺(tái)、硬件、軟件以及完成系統(tǒng)功能的必需附件組成的.虛擬儀器的這個(gè)特點(diǎn)是功能固定、彼此分離的傳統(tǒng)儀器所不具備的.在虛擬實(shí)驗(yàn)室中所使用的儀器設(shè)備一般都具有可編程接口(例如GPIB接口等),終端的PC機(jī)通過GPIB接口和總線發(fā)送命令字符串控制儀器,也可通過GPIB接口和總線從儀器端獲得結(jié)果信息.為了實(shí)現(xiàn)通過計(jì)算機(jī)對(duì)可編程儀器的控制,美國(guó)國(guó)家儀器公司(NationalIn-struments,簡(jiǎn)稱NI)開發(fā)了虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)———LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWork-bench).作為目前世界上惟一的編譯型圖形化編程語(yǔ)言,LabVIEW提供了虛擬儀器的圖形編程環(huán)境,把復(fù)雜、繁瑣、費(fèi)時(shí)的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成用菜單或圖標(biāo)提示的方法選擇功能或圖形,只需連接各個(gè)功能或圖形即可構(gòu)成程序.LabVIEW除了具備其他語(yǔ)言所提供的常規(guī)函數(shù)功能外,還集成了大量生成圖形界面的模板、豐富實(shí)用的數(shù)值分析、數(shù)字信號(hào)處理功能,以及多種硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能,包括RS-232、GPIB、VXI、VISA、數(shù)據(jù)采集卡DAQ等.虛擬儀器的出現(xiàn)不僅是實(shí)驗(yàn)室的一場(chǎng)革命,同時(shí)也為遠(yuǎn)程教育注入了活力.基于因特網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室必將成為今后遠(yuǎn)程教育發(fā)展的推動(dòng)力.
三、虛擬實(shí)驗(yàn)室在國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
虛擬實(shí)驗(yàn)室概念的提出至今僅為十余年的時(shí)間,但因其誘人的應(yīng)用前景,各國(guó)均在大力開發(fā),已經(jīng)取得了一些進(jìn)展.目前,虛擬實(shí)驗(yàn)室在發(fā)達(dá)國(guó)家已十分普及.美國(guó)作為當(dāng)今的科技強(qiáng)國(guó),為繼續(xù)保持其在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位,尤其重視信息技術(shù)的研究,并已將虛擬實(shí)驗(yàn)室列入其科研發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃.在1991年底,美國(guó)科學(xué)基金會(huì)、美國(guó)國(guó)家科學(xué)研究顧問委員會(huì)所屬的計(jì)算機(jī)與遠(yuǎn)程通信部組成了一個(gè)“全國(guó)(科學(xué))合作實(shí)驗(yàn)室委員會(huì)”,其任務(wù)是調(diào)查科學(xué)家對(duì)信息技術(shù)的需求,協(xié)調(diào)科研合作關(guān)系,組織并實(shí)施具體的信息技術(shù)開發(fā).此后,美國(guó)聯(lián)邦政府投入資金在海洋學(xué)、天體物理學(xué)和分子生物學(xué)三大領(lǐng)域建造了各自的虛擬實(shí)驗(yàn)室作為示范工程,開展了一系列探索性研究并取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展.
美國(guó)一些政府部門,如能源部,正在制定計(jì)劃將其所屬的科研機(jī)構(gòu)過渡到虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中.目前,越來越多的科學(xué)家正投身于構(gòu)筑一個(gè)覆蓋全美國(guó)的虛擬實(shí)驗(yàn)室的工作中來.作為首先提出虛擬實(shí)驗(yàn)室概念,并具有雄厚的科研實(shí)力和強(qiáng)大財(cái)力的美國(guó),從一開始就十分重視虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究與開發(fā),在該領(lǐng)域的研究已處于領(lǐng)先地位.虛擬儀器系統(tǒng)及其圖形編程語(yǔ)言已成為各大學(xué)理工科學(xué)生的一門必修課,其普及程度是相當(dāng)廣泛的.國(guó)外的一些大學(xué)已組建了遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室.德國(guó)的漢諾威大學(xué)建立了虛擬自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室;西班牙大學(xué)電子系開發(fā)了電子儀器虛擬工作平臺(tái);意大利帕瓦多大學(xué)建立了遠(yuǎn)程虛擬教育實(shí)驗(yàn)室;新加坡國(guó)立大學(xué)開發(fā)了遠(yuǎn)程示波器實(shí)驗(yàn)和壓力容器實(shí)驗(yàn)[4-7].
在國(guó)內(nèi),虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)也得到了應(yīng)有的重視.目前,已有部分高校初步建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室.例如:清華大學(xué)利用虛擬儀器構(gòu)建了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng);華中理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院工程測(cè)試實(shí)驗(yàn)室將其虛擬實(shí)驗(yàn)室成果在網(wǎng)上公開展示,供遠(yuǎn)程教育使用;四川聯(lián)合大學(xué)基于虛擬儀器的設(shè)計(jì)思路,研制了“航空電臺(tái)二線綜合測(cè)試儀”,將8臺(tái)儀器集成于一體,組成虛擬儀器系統(tǒng);復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、廣州暨南大學(xué)等一批高校,也開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研[8-11].
四、虛擬實(shí)驗(yàn)室的功能特點(diǎn)及應(yīng)用前景
虛擬實(shí)驗(yàn)室具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室無法比擬的功能特點(diǎn),決定了它在科研、教育(特別是遠(yuǎn)程教育)中的良好應(yīng)用前景.1.功能特點(diǎn)虛擬實(shí)驗(yàn)室具有以下特點(diǎn):(1)透明性虛擬實(shí)驗(yàn)室的所有數(shù)據(jù)庫(kù)、硬件,甚至人員集成于一個(gè)系統(tǒng),使用標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一命令來實(shí)現(xiàn)功能服務(wù),這種透明的結(jié)構(gòu)決定了虛擬實(shí)驗(yàn)室的透明特征.(2)資源共享性建立虛擬實(shí)驗(yàn)室的宗旨之一就是為了做到資源共享.為達(dá)到此目的,需要建立統(tǒng)一查詢標(biāo)準(zhǔn)的電子圖書館、數(shù)據(jù)庫(kù)、智能化檢索系統(tǒng)、應(yīng)用軟件庫(kù)等,用戶可以共享數(shù)據(jù)、軟件、硬件等相關(guān)資源.這個(gè)特性能夠減少重復(fù)投資,大大節(jié)約投資成本.(3)互動(dòng)操作性虛擬實(shí)驗(yàn)室一旦開放,即具有互動(dòng)性,遠(yuǎn)程用戶同樣可以操作本地實(shí)驗(yàn)室,同時(shí)用戶之間可以交流信息.
開放遠(yuǎn)程用戶程序需要有一系列軟硬件的支持,它們都是虛擬實(shí)驗(yàn)室的組成部分.(4)用戶自主性用戶可以制定自己使用的虛擬儀器的方式,允許用戶采取必要的措施保護(hù)自己的數(shù)據(jù)、資料,用戶具有充分的自主性.(5)擴(kuò)展性在當(dāng)今的信息時(shí)代里,知識(shí)更新速度十分迅速,新型的、性能更優(yōu)的儀器設(shè)備更新周期越來越短.因此,虛擬實(shí)驗(yàn)室的硬件必須隨時(shí)更新,軟件也要隨時(shí)升級(jí),服務(wù)功能也要隨時(shí)增加,虛擬實(shí)驗(yàn)室必須具備性能升級(jí)、服務(wù)功能增加的特性.(6)安全性安全性是開放的、透明的、資源共享的合作環(huán)境所必需的保障條件.虛擬實(shí)驗(yàn)室采取必要的措施和技術(shù)手段維護(hù)系統(tǒng)軟件、硬件以及用戶知識(shí)產(chǎn)權(quán)的安全.通常采用用戶鑒別注冊(cè)、權(quán)限驗(yàn)證技術(shù),郵件、文獻(xiàn)加密技術(shù)等手段保證系統(tǒng)的安全性.具有安全措施的虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)能夠做到拒絕非法訪問者進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室,也可以將合法訪問者的不當(dāng)操作及時(shí)中止[12].2.應(yīng)用前景因特網(wǎng)上的虛擬實(shí)驗(yàn)室在遠(yuǎn)程教育中具有良好的應(yīng)用前景.⑴計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速普及為遠(yuǎn)程教育提供了有利條件目前我國(guó)上網(wǎng)計(jì)算機(jī)已超過2000萬臺(tái),而且還將以每年增加20%的速度增長(zhǎng).這個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)為虛擬實(shí)驗(yàn)室的普及和發(fā)展提供了便利條件.⑵
虛擬實(shí)驗(yàn)室的性能優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室相比,虛擬實(shí)驗(yàn)室性能更為優(yōu)秀,組建虛擬實(shí)驗(yàn)室必須考慮到選用當(dāng)今世界上性能優(yōu)秀、儀器齊全的一流設(shè)備,這些設(shè)備并不是所有院校都能擁有的,而虛擬實(shí)驗(yàn)室卻能夠提供給用戶使用一流的設(shè)備.甚至像電子顯微鏡、天文望遠(yuǎn)鏡、邏輯分析儀、大型核裝置等這些昂貴、難以接觸到的儀器設(shè)備,用戶也能夠通過訪問虛擬實(shí)驗(yàn)室來進(jìn)行學(xué)習(xí)和使用.開發(fā)用于遠(yuǎn)程教育的虛擬實(shí)驗(yàn)室的重點(diǎn)放在電子、電工、機(jī)械、土木、環(huán)境等學(xué)科更為現(xiàn)實(shí).而像天體物理、核物理、海洋、分子生物學(xué)等學(xué)科的虛擬實(shí)驗(yàn)室用于遠(yuǎn)程科研較為適宜.⑶虛擬實(shí)驗(yàn)室的低成本特點(diǎn)有利于其發(fā)展遠(yuǎn)程教育通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)教育資源共享,某一學(xué)科的先進(jìn)教學(xué)方法和卓越的實(shí)驗(yàn)條件可以為校內(nèi)外的各學(xué)科廣泛使用,從而可以節(jié)省許多基礎(chǔ)設(shè)施的低水平重復(fù)建設(shè)和儀器設(shè)備重復(fù)引進(jìn)的資金投入,有利于從整體上改善辦學(xué)條件和提高教學(xué)水平.虛擬實(shí)驗(yàn)室在信息高速公路的運(yùn)行,必然帶來人們觀念的更新和實(shí)驗(yàn)室革命.⑷教學(xué)方式靈活、方便基于因特網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程教育模式不同于傳統(tǒng)的面對(duì)面的統(tǒng)一、死板的教學(xué)模式,它能夠靈活地提供給用戶(學(xué)生)不同的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,用戶(學(xué)生)可以根據(jù)實(shí)際情況確定學(xué)習(xí)內(nèi)容和安排學(xué)習(xí)進(jìn)程,從而可以最大限度地滿足用戶(學(xué)生)的不同需要.這樣,既可以普及知識(shí),又能夠提高、更新知識(shí).此外,遠(yuǎn)程教育不受時(shí)間、地域的限制,用戶(學(xué)生)只要通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)便可以及時(shí)獲得知識(shí).⑸我國(guó)國(guó)情適合于發(fā)展網(wǎng)上遠(yuǎn)程教育我國(guó)人口眾多,國(guó)民平均知識(shí)水平相對(duì)較低.在知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代和科教興國(guó)方針的指引下,國(guó)民中蘊(yùn)藏著接受高層次教育和知識(shí)更新的迫切需求.由于客觀條件的限制,能夠進(jìn)入高等院校接受教育的人畢竟有限.網(wǎng)上的遠(yuǎn)程教育可以滿足人們渴望獲得知識(shí)的要求,為因特網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程教育的發(fā)展提供了廣闊前景.
五、虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過程中的幾點(diǎn)建議
我國(guó)雖然與發(fā)達(dá)國(guó)家在虛擬實(shí)驗(yàn)室研究方面有一定差距,至今尚未建成大規(guī)模的可覆蓋全國(guó)的實(shí)用的虛擬實(shí)驗(yàn)室,但是已有許多高校重視并致力于虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究、開發(fā)工作,并取得了一定的進(jìn)展.為了使我國(guó)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)趕上發(fā)達(dá)國(guó)家,使其發(fā)揮應(yīng)有的作用,根據(jù)我國(guó)的現(xiàn)狀,提出如下建議:
⑴虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立必須有組織、有規(guī)劃地進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)室從其誕生起,就因其具有資源共享、多方合作、提供多種服務(wù)、信息交流等功能,而顯示出它的公益性和社會(huì)化屬性.因此,虛擬實(shí)驗(yàn)室是屬于全社會(huì)的.借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn),它應(yīng)由政府支持并由有關(guān)部門出面組織、統(tǒng)籌、規(guī)劃和協(xié)調(diào).
⑵認(rèn)真做好虛擬實(shí)驗(yàn)室的需求調(diào)查工作理工科的大多數(shù)學(xué)科專業(yè)是可以建立虛擬實(shí)驗(yàn)室的,但是社會(huì)對(duì)它們需求程度卻是差異甚大.根據(jù)我國(guó)的國(guó)情和資金支持能力,不可能全部學(xué)科專業(yè)都建立虛擬實(shí)驗(yàn)室,只能是在“有所為,有所不為”的原則下,選擇社會(huì)需求迫切的學(xué)科專業(yè)優(yōu)先建立.這就需要調(diào)查虛擬實(shí)驗(yàn)室的需求,根據(jù)需求程度,分出輕重緩急,進(jìn)行統(tǒng)籌安排.
⑶充分利用國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施和人力資源目前,我國(guó)的中國(guó)教學(xué)科研網(wǎng)(CERNET)已經(jīng)建立,已有百余所高校聯(lián)入該網(wǎng),并通過多條國(guó)際通道進(jìn)入因特網(wǎng).我國(guó)開展虛擬實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)設(shè)施和合作條件已初步具備,應(yīng)充分發(fā)揮該網(wǎng)在我國(guó)遠(yuǎn)程教育、科研的重要作用.目前,中國(guó)教學(xué)科研網(wǎng)還只是一個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施,在此基礎(chǔ)上建立虛擬實(shí)驗(yàn)室示范工程,有利于促進(jìn)信息交流、合作、教育資源共享.
⑷加強(qiáng)國(guó)際交流、合作借鑒、學(xué)習(xí)和吸收發(fā)達(dá)國(guó)家在虛擬實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)域的研究成果是十分有益的,不僅要學(xué)習(xí)國(guó)外成功的經(jīng)驗(yàn),同時(shí)也要重視國(guó)外在虛擬實(shí)驗(yàn)室及其相關(guān)研究的前期工作中暴露出的一些理論問題、技術(shù)問題、管理問題及政策法規(guī)問題.加強(qiáng)國(guó)際交流、合作是十分重要的.六、結(jié)束語(yǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)室是信息時(shí)代的產(chǎn)物,它在教育、科研領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景,是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)新的發(fā)展方向.它必將促進(jìn)教學(xué)觀念與教學(xué)形式的變革,也促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法的變革,是今后遠(yuǎn)程教育發(fā)展的主流與趨勢(shì).
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