基于智能移動(dòng)設(shè)備的學(xué)習(xí)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐軍紀(jì), 劉 偉

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710064)(2.長(zhǎng)安大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710064)

目前，高等教育在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著重要的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1949年到2019年，我國(guó)在校大學(xué)生人數(shù)增加了490倍，2019年在校大學(xué)生人數(shù)突破4 000萬(wàn)，如此龐大的學(xué)生人數(shù)導(dǎo)致教師和學(xué)生之間缺乏交流、互動(dòng)。對(duì)教師來(lái)說(shuō)，很難去關(guān)注數(shù)以百計(jì)的學(xué)生，更不可能關(guān)注未在課堂上提問(wèn)或給出反饋的學(xué)生。多媒體教育軟件由于其擴(kuò)展性和使用的便捷性，是當(dāng)前移動(dòng)教育的新趨勢(shì)[1]。由于多媒體移動(dòng)學(xué)習(xí)應(yīng)用的彈性，大學(xué)和教育機(jī)構(gòu)正試圖開(kāi)發(fā)不同的移動(dòng)學(xué)習(xí)解決方案來(lái)支持不同的課程。移動(dòng)學(xué)習(xí)不僅提高了學(xué)生學(xué)習(xí)新課程的興趣和動(dòng)力，還能使教學(xué)從基于課堂的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)閰f(xié)作學(xué)習(xí)[2]。

此外，移動(dòng)設(shè)備和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也在不斷發(fā)展，這些技術(shù)的發(fā)展使得電子學(xué)習(xí)擴(kuò)展到移動(dòng)學(xué)習(xí)成為可能。如用敏捷模型構(gòu)建的多媒體移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，就被用于我國(guó)的高等教育[3]。在構(gòu)建多媒體移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)時(shí)采用敏捷模型，可以保證系統(tǒng)的可靠性、可持續(xù)性和高質(zhì)量[4]，該模型可以增強(qiáng)用戶界面設(shè)計(jì)和用戶體驗(yàn)，增強(qiáng)系統(tǒng)使用的可持續(xù)性，創(chuàng)造一個(gè)不斷重新劃分優(yōu)先級(jí)的機(jī)會(huì)，并細(xì)化系統(tǒng)功能以滿足學(xué)生的需求。

本文探討多媒體移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，旨在為學(xué)生數(shù)較多班級(jí)中的教師和學(xué)生提供支持，以簡(jiǎn)化在大學(xué)課程學(xué)習(xí)中使用移動(dòng)設(shè)備的過(guò)程。

1 移動(dòng)學(xué)習(xí)的現(xiàn)狀研究

1.1 移動(dòng)學(xué)習(xí)

移動(dòng)學(xué)習(xí)可以是通過(guò)移動(dòng)技術(shù)進(jìn)行的任何教育交互。早期的定義認(rèn)為移動(dòng)學(xué)習(xí)就是簡(jiǎn)單地使用手持設(shè)備來(lái)支持的學(xué)習(xí)[5]。也有研究認(rèn)為，移動(dòng)學(xué)習(xí)是安裝在移動(dòng)設(shè)備上的應(yīng)用程序，用于檢查不同類(lèi)型的學(xué)習(xí)資源[6]，與其他學(xué)生交流、分享學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，共同解決問(wèn)題。廣義上，移動(dòng)學(xué)習(xí)不僅僅是使用移動(dòng)設(shè)備來(lái)支持學(xué)習(xí)，還包括了教師、學(xué)生、環(huán)境、學(xué)習(xí)理論以及任何人、任何地點(diǎn)、任何時(shí)間所有可能發(fā)生的學(xué)習(xí)行為。使用移動(dòng)設(shè)備學(xué)習(xí)的核心好處是，它允許學(xué)生在合適的時(shí)間出現(xiàn)在合適的地方，因此無(wú)論身在何處，學(xué)生都可以在真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境中獲得經(jīng)驗(yàn)。

1.2 協(xié)作學(xué)習(xí)

協(xié)作學(xué)習(xí)是兩個(gè)或兩個(gè)以上的學(xué)生一起學(xué)習(xí)的一種學(xué)習(xí)方式[7]。與個(gè)體學(xué)習(xí)不同，學(xué)生們依靠彼此的技能和資源(相互詢問(wèn)信息、監(jiān)督彼此的工作、評(píng)估彼此的想法等)共同協(xié)作學(xué)習(xí)。具體來(lái)說(shuō)，在協(xié)作學(xué)習(xí)中，知識(shí)可以在大量的個(gè)體中創(chuàng)建，其中成員通過(guò)共享經(jīng)驗(yàn)和想法進(jìn)行積極的交互。協(xié)作學(xué)習(xí)是指學(xué)生共同參與一項(xiàng)共同任務(wù)的環(huán)境和方法。通過(guò)相互交流和互動(dòng)，學(xué)生可以擴(kuò)展自己的個(gè)人知識(shí)，分享觀點(diǎn)、見(jiàn)解。

1.3 基于場(chǎng)景的學(xué)習(xí)

基于場(chǎng)景的學(xué)習(xí)將電子學(xué)習(xí)和基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)混合在一起。這是一種數(shù)字學(xué)習(xí)模式，它通過(guò)設(shè)置積極的互動(dòng)場(chǎng)景來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)。好的場(chǎng)景可以幫助學(xué)生想象所學(xué)知識(shí)和概念的實(shí)際應(yīng)用?；趫?chǎng)景的學(xué)習(xí)將學(xué)生置于學(xué)習(xí)環(huán)境的中心,學(xué)生可以在場(chǎng)景中參加許多不同的活動(dòng)，并且可以控制自己的學(xué)習(xí)過(guò)程。

1.4 高等教育中的移動(dòng)學(xué)習(xí)解決方案

高等教育的移動(dòng)學(xué)習(xí)解決方案應(yīng)該支持有意義的學(xué)習(xí)，并為學(xué)生學(xué)習(xí)提供動(dòng)力。文獻(xiàn)[8]認(rèn)為，為學(xué)習(xí)而設(shè)計(jì)的移動(dòng)應(yīng)用程序供應(yīng)不足。一項(xiàng)關(guān)于計(jì)算機(jī)科學(xué)教育中移動(dòng)學(xué)習(xí)趨勢(shì)的調(diào)查顯示，移動(dòng)學(xué)習(xí)可以增加學(xué)生的情感特征?，F(xiàn)在已經(jīng)有各種各樣的移動(dòng)學(xué)習(xí)解決方案，包括高等教育中的商業(yè)解決方案。文獻(xiàn)[9]提出了一個(gè)基于Android的移動(dòng)學(xué)習(xí)應(yīng)用程序來(lái)支持Java編程的學(xué)習(xí)。該文獻(xiàn)指出，移動(dòng)學(xué)習(xí)作為一種新方法，可以提供機(jī)會(huì)來(lái)最小化學(xué)習(xí)編程的困難。但是，缺點(diǎn)是它是針對(duì)特定編程語(yǔ)言的應(yīng)用程序，不支持其他編程語(yǔ)言，并且不支持學(xué)習(xí)者之間的協(xié)作，被認(rèn)為是自學(xué)習(xí)應(yīng)用，缺乏教師和學(xué)生之間的交流。文獻(xiàn)[10]開(kāi)發(fā)了一個(gè)Android應(yīng)用程序，支持排序算法學(xué)習(xí)。文獻(xiàn)[11]在移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)了一個(gè)微講座系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以幫助學(xué)生查看視頻和其他微課程資源。然而，該系統(tǒng)缺乏學(xué)習(xí)者之間的協(xié)作活動(dòng)。此外，通過(guò)微課學(xué)習(xí)后，也沒(méi)有小測(cè)驗(yàn)來(lái)測(cè)試學(xué)生的技能。

2 基于敏捷方法的多媒體移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出的移動(dòng)學(xué)習(xí)應(yīng)用的主要實(shí)際要求是能夠隨時(shí)支持大量學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)和參與。學(xué)習(xí)者參與移動(dòng)學(xué)習(xí)的一個(gè)方法是使用移動(dòng)通信功能，如論壇、公告、通知等。所有這些功能都可以通過(guò)多媒體移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)進(jìn)行訪問(wèn)，從而創(chuàng)建對(duì)信息的按需訪問(wèn)[12]。多媒體移動(dòng)學(xué)習(xí)應(yīng)用還支持講座資料的上傳,可以幫助學(xué)習(xí)者獲得不同格式的學(xué)習(xí)材料，如pdf、電子書(shū)和視頻等。學(xué)生在多媒體移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)里可以查看公告，進(jìn)入討論論壇，解決適應(yīng)性場(chǎng)景測(cè)試，并接收通知。圖1顯示了使用不同Web服務(wù)的移動(dòng)學(xué)習(xí)框架。該框架側(cè)重于為學(xué)生提供協(xié)作性的情景學(xué)習(xí)[13]。

圖1 移動(dòng)學(xué)習(xí)框架

本文提出的移動(dòng)學(xué)習(xí)框架包括5個(gè)部分：1)移動(dòng)設(shè)備(用戶基礎(chǔ)設(shè)施)；2)移動(dòng)應(yīng)用程序(安裝在移動(dòng)設(shè)備上)；3)移動(dòng)中間件；4)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施(5G/4G/WiFi)；5)后端系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和Web服務(wù)器(主機(jī)用戶數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)課程、材料、問(wèn)題數(shù)據(jù)庫(kù)和服務(wù))。

1)用戶基礎(chǔ)設(shè)施。

該基礎(chǔ)設(shè)施框架除了支持電腦訪問(wèn)連接到多媒體移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的Web應(yīng)用外，還支持iPhone和iPad等移動(dòng)設(shè)備。

2)移動(dòng)應(yīng)用程序。

安裝在移動(dòng)設(shè)備上的移動(dòng)應(yīng)用程序具有引人注目且獨(dú)特的用戶界面，可以幫助學(xué)習(xí)者調(diào)用與移動(dòng)學(xué)習(xí)場(chǎng)景相關(guān)的不同服務(wù)。該應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)為在線模式，可以通過(guò)WiFi等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或5G/4G等移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接到后端服務(wù)器。應(yīng)用程序是基于模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，每個(gè)模塊與其他模塊一起工作，以提供所需的功能。該應(yīng)用程序支持多種數(shù)據(jù)，如音頻、視頻、電子書(shū)、pdf文件和其他文件格式。

3)移動(dòng)中間件。

該中間件使用model view controller (MVC) Web API構(gòu)建，用于使用JavaScript對(duì)象表示法(JSON)提供的Web服務(wù)。移動(dòng)中間件接收來(lái)自移動(dòng)客戶端的請(qǐng)求，并將此請(qǐng)求轉(zhuǎn)換為Web服務(wù)，以便通過(guò)Internet連接從后端服務(wù)器獲取內(nèi)容。從后端服務(wù)器收集的原始數(shù)據(jù)根據(jù)請(qǐng)求它的移動(dòng)設(shè)備配置文件進(jìn)行格式化[14]，然后將格式化的內(nèi)容以一種可呈現(xiàn)的方式發(fā)送回調(diào)用它的移動(dòng)應(yīng)用程序，如圖2所示。

圖2 中間件連接

4)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

移動(dòng)設(shè)備大多使用家庭網(wǎng)絡(luò)或大學(xué)里的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接。學(xué)生們通過(guò)WiFi連接從移動(dòng)設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求，也可以通過(guò)5G/4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接移動(dòng)設(shè)備。

5)后端系統(tǒng)。

后端系統(tǒng)可以與其他服務(wù)器集成，如身份驗(yàn)證服務(wù)器、視頻服務(wù)器、郵件服務(wù)器或使用中間件作為服務(wù)向移動(dòng)用戶提供請(qǐng)求數(shù)據(jù)的任何其他服務(wù)器。

多媒體移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)利用Web和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器在所有移動(dòng)設(shè)備之間共享數(shù)據(jù)和資源[15]，并利用管理子系統(tǒng)在其中進(jìn)行所有用于協(xié)作學(xué)習(xí)和基于場(chǎng)景學(xué)習(xí)的活動(dòng)。

多媒體移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)由學(xué)習(xí)中心、Web應(yīng)用、儀表板、桌面應(yīng)用和服務(wù)器組成。學(xué)習(xí)中心是多媒體移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的核心，其代表了連接所有系統(tǒng)組件的中心單元。學(xué)習(xí)中心由4個(gè)主要模塊組成，以實(shí)現(xiàn)圖3所示的不同功能。基于場(chǎng)景的學(xué)習(xí)以場(chǎng)景測(cè)試的形式訪問(wèn)不同的智能自適應(yīng)級(jí)別問(wèn)題。合作討論區(qū)支持學(xué)生和教師之間的合作討論，學(xué)生可以分享想法或問(wèn)題，其他學(xué)生可以互相問(wèn)答，教師可以向?qū)W生提供幫助或從學(xué)生的回答中選擇正確的答案并標(biāo)記。此外，學(xué)生如果想要將問(wèn)題添加到問(wèn)題庫(kù)中，可以向教師提出申請(qǐng)，此功能可以幫助學(xué)生參與到教育過(guò)程中。通知和公告區(qū)域提供即將到來(lái)的活動(dòng)和事件的更新。

圖3 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

2.1 敏捷信息系統(tǒng)和軟件開(kāi)發(fā)

敏捷開(kāi)發(fā)以用戶的需求進(jìn)化為核心，采用迭代、循序漸進(jìn)的方法進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。敏捷是基于迭代和增量的方法，敏捷方法不是在項(xiàng)目的開(kāi)始就進(jìn)行深入的規(guī)劃，而是對(duì)需求變化持開(kāi)放態(tài)度，并從最終用戶和利益相關(guān)者處獲得反饋。每次迭代的目標(biāo)是產(chǎn)生一個(gè)可以正常工作的原型。敏捷開(kāi)發(fā)是一種能應(yīng)對(duì)快速變化需求的軟件開(kāi)發(fā)能力。

2.2 采用敏捷方法開(kāi)發(fā)多媒體移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)

圖4展示了如何在多媒體移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)敏捷方法，其中，需求隨著迭代而變化?？焖俜答亴?duì)于幫助團(tuán)隊(duì)考慮結(jié)果并提供解決方案非常重要。測(cè)試允許對(duì)可部署原型的發(fā)布進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

圖4 敏捷方法在移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的應(yīng)用

3 多媒體移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的實(shí)施

多媒體移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)管理員負(fù)責(zé)設(shè)置課程和管理用戶。教師注冊(cè)為新用戶并進(jìn)行身份驗(yàn)證后，可以設(shè)置他/她的配置文件并選擇課程。之后，教師可以通過(guò)Windows應(yīng)用程序上傳學(xué)習(xí)資源，也可以將問(wèn)題和答案添加到問(wèn)題庫(kù)中，用于解決基于場(chǎng)景的問(wèn)題。通過(guò)儀表板Web應(yīng)用程序，教師可以編寫(xiě)和發(fā)送通知，查看學(xué)生的測(cè)驗(yàn)成績(jī)，批準(zhǔn)將學(xué)生的問(wèn)題添加到問(wèn)題庫(kù)，并閱讀來(lái)自學(xué)生的反饋消息。通過(guò)移動(dòng)應(yīng)用程序，教師可以通過(guò)選擇正確的問(wèn)題答案來(lái)與學(xué)生互動(dòng)，還可以查看希望將其問(wèn)題添加到問(wèn)題庫(kù)中的學(xué)生標(biāo)志。如果教師看到新的獨(dú)特問(wèn)題，可以通過(guò)添加最多4個(gè)答案并將其發(fā)送到問(wèn)題庫(kù)，作為測(cè)試題目。學(xué)生進(jìn)入移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)同樣需要獲得認(rèn)證。認(rèn)證是強(qiáng)制性的，以保護(hù)教師和學(xué)生的作品、版權(quán)、隱私和身份。用戶可以更改自己登錄系統(tǒng)的密碼。

本文提出的系統(tǒng)具有足夠的適應(yīng)性來(lái)感知學(xué)生的技能。若學(xué)生正確地回答了大部分問(wèn)題，系統(tǒng)就會(huì)彈出消息詢問(wèn)學(xué)生是否想回答更高級(jí)別的問(wèn)題，或者是停留在同一級(jí)別。事實(shí)上，增加這一功能將會(huì)吸引許多對(duì)低水平感到厭煩的學(xué)生。移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)置了內(nèi)容模塊、提問(wèn)模塊、通知模塊以及基于場(chǎng)景的模塊。通過(guò)內(nèi)容模塊，學(xué)生可以先選擇課程，然后查看教師的教學(xué)資料。提問(wèn)模塊支持學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作，每個(gè)學(xué)生都可以提出問(wèn)題，其他學(xué)生也都可以回答，教師可以參與互動(dòng)并將正確答案標(biāo)記為正確，以便其余學(xué)生知道正確答案。學(xué)生的問(wèn)題不能直接添加到問(wèn)題庫(kù)中，需要教師的批準(zhǔn)。教師在儀表板Web應(yīng)用程序中接收和查看問(wèn)題，然后決定是否添加到問(wèn)題庫(kù)中。通知模塊負(fù)責(zé)傳遞關(guān)于課程活動(dòng)、講座時(shí)間和其他新聞的信息。多媒體移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)是一個(gè)包羅萬(wàn)象的系統(tǒng)，它為大量的學(xué)生提供了協(xié)作和混合學(xué)習(xí)的支持。

4 多媒體移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的潛在影響和效果

本文提出的多媒體移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)可以幫助學(xué)生和教師互相交流，可以使學(xué)生很容易地訪問(wèn)學(xué)習(xí)材料，幫助學(xué)生參加考試并適應(yīng)教育過(guò)程。此外，系統(tǒng)還可以通過(guò)改變難度來(lái)適應(yīng)學(xué)習(xí)者的水平，通過(guò)討論和協(xié)作解決學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的問(wèn)題。

為了評(píng)估多媒體移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的使用效果，組織了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，多媒體移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)被用作管理課程的技術(shù)工具，支持學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和參與。實(shí)驗(yàn)的參與者是由同一名教師教導(dǎo)的100名學(xué)生。這些學(xué)生在學(xué)習(xí)了C#編程課程的基本編程知識(shí)后，參與者被隨機(jī)分為兩組(實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組)，用兩種不同的教學(xué)方式授課。實(shí)驗(yàn)組采用本文提出的多媒體移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，對(duì)照組采用傳統(tǒng)的面對(duì)面教學(xué)方式。

為了檢驗(yàn)使用多媒體移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)后學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)是否有提高，需要對(duì)測(cè)試前和測(cè)試后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。測(cè)試前通過(guò)獨(dú)立的測(cè)驗(yàn)檢查每組成員關(guān)于C#編程的基本知識(shí)水平，初步結(jié)果表明，這兩組學(xué)生的水平是相當(dāng)?shù)模鐖D5所示。實(shí)驗(yàn)組的預(yù)測(cè)成績(jī)均值M=18.560 0，標(biāo)準(zhǔn)差SD=1.763 11；對(duì)照組的預(yù)測(cè)成績(jī)均值M=18.600 0，標(biāo)準(zhǔn)差SD=1.603 57。對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組學(xué)生報(bào)告的預(yù)測(cè)結(jié)果差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，意味著兩個(gè)組在課程開(kāi)始時(shí)具有相同的知識(shí)水平。一個(gè)月后的測(cè)試成績(jī)表明，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的平均學(xué)習(xí)成績(jī)明顯優(yōu)于對(duì)照組(實(shí)驗(yàn)組成績(jī)均值M=48.120 0,方差SD=1.661 57；對(duì)照組均值M=43.560 0,方差SD=3.084 92)。這說(shuō)明多媒體移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的使用有助于提高學(xué)生的成績(jī)，如圖6所示。

圖5 測(cè)試前結(jié)果對(duì)比

圖6 測(cè)試后結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)大專(zhuān)院校每年都面臨著學(xué)生人數(shù)過(guò)多的問(wèn)題，導(dǎo)致很多任課教師沒(méi)有精力去關(guān)注未在課堂上提問(wèn)或給出反饋的學(xué)生。由于在教師和學(xué)生之間缺乏適當(dāng)?shù)臏贤?，教師難以全面掌握課程教學(xué)效果。鑒于此，本文提出了基于智能移動(dòng)設(shè)備的多媒體移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于敏捷方法，支持不同功能的混合和協(xié)作學(xué)習(xí)，能幫助學(xué)習(xí)者輕松、高效地與課程材料進(jìn)行交互。同時(shí)，該系統(tǒng)可以通過(guò)調(diào)整課程來(lái)滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)時(shí)間和生活情況，提供了比傳統(tǒng)教育方法更好的解決方案。使用本文提出的多媒體移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，學(xué)生和教師還可以交換學(xué)習(xí)材料或信息。此外，所有的課程材料都可以通過(guò)移動(dòng)應(yīng)用程序找到，學(xué)習(xí)使用的材料成本顯著降低。