户外地理移动学习系统的设计与实现

钟正，胡鹏，张晓露，周东波

(华中师范大学国家数字化学习工程技术研究中心，湖北武汉 430079)

户外地理移动学习系统的设计与实现

钟正∗，胡鹏，张晓露，周东波

(华中师范大学国家数字化学习工程技术研究中心，湖北武汉 430079)

随着移动互联网的广泛应用，移动学习和泛在学习正成为新的学习趋势。针对中小学户外教学的需求，设计并开发一个以问题为导向的地理移动学习系统，具备地图导览、路线导航、在线学习、成果上传等功能，同时利用LBS实现户外教学过程中学生位置的实时监控，可满足教学过程中安全需要。最后，以“武汉市东湖风景区自然地理学习”为例，展示户外探究学习的过程。

移动学习；LBS；户外地理教学；基于问题的学习

1 引 言

户外教学是学校正规课程和环境教育的媒介，让学生运用相关知识来理解地理现象、培养自身的地理素养与技能[1]。户外教学环境存在着场地的开放性、学生分散程度、教师随队人数不足等不利因素，导致产生一些无法预期的教学情境，影响户外教学的效果。通过移动设备(智能手机、平板电脑)进行移动学习，可克服时空限制，协助学生开展个性化学习[2]，已出现一系列的移动学习系统，根据学习者位置提供对应的服务及信息[3～7]。这些系统均是根据户外学习模式的通用特征构建，大多利用RFID(Radio Frequency IDenfication)或二维码(Quick Response，QR)标签来感应、扫描以识别数据，但仅限于固定数据的接受，师生无法参与任务编辑，构建成本较高。充分利用当前移动GIS的发展，本文采用百度地图移动开发包，设计并开发一款面向中小学的户外移动学习系统，不仅具有通用地图显示功能、POI查询、学习路线导航、相关知识学习等功能；而且允许教师设定教学任务。为保证户外教学质量和学生安全，结合移动监控与定位技术，教师端能够实时监测学生位置及其活动范围。

2 系统设计

户外教学必须具备明确的主题、场地，教学过程中必须保证学生的安全，才能达到户外教学目标。本系统共包含三种角色，即管理员、教师和学生。教师或管理员可以设定和更新教学路线、学习内容与主题。教学过程中，系统还具有监控功能，实时监测学生的活动范围。

系统共包含三层，即:用户层、业务逻辑层以及数据服务层，支持多客户端并发访问数据库，其架构见图1。

图1 系统架构设计

遵循模块化设计原则，根据户外地理教学的需求，系统划分为四大功能模块:地图显示模块、知识学习模块、数据管理模块和监控模块。其中，地图显示模块主要用于基本地图操纵功能，包括地图显示、模式切换、放大或缩小、标注景点和活动，通过触摸或点击POI(Point of Interest，兴趣点)，可以获得其位置、文字、图片、用户评价等信息；知识学习模块主要包含户外教学中，教学知识点与教学内容的查询，并能实时分享个人学习成果，师生之间实时互动；数据管理模块主要包括学习资料上传和下载、拍照功能，可将所拍照片上传到服务器端；监控模块主要包括GPS定位、路径规划及查询、学生活动范围设定、事务提醒，利用GPS定位技术确定学生位置，如若超出设定的活动范围，可通过事务提醒功能发送提示消息，约束学生行为，系统功能结构如图2所示。

图2 系统功能设计

3 主要功能模块实现及关键技术

系统采用Apache Tomcat作为服务器，利用JQuery Mobile开发系统页面、MySQL作为数据库平台，存放文本、图片、地理信息等数据。采用百度地图作为地图服务器，可标注教学信息的POI、不同形态地图的切换、展示功能控制等。教师通过该系统可添加相关知识信息，并能监控学生活动，对不在设定范围内的学生发送提示或警告信息。

3.1 地图显示模块

地图是地理信息的重要载体，利用百度地图移动SDK，定制百度地图服务及LBS功能，譬如，图3(a)和(d)展示线划图、卫星图；可对地图进行平移、缩放、旋转等操纵操作；如图3(b)所示，可选择感兴趣的POI，展示在地图上，如选择梨园、海洋世界、濒湖画廊等兴趣点，图3(c)中将会显示这些兴趣点。

图3 地图显示模块

3.2 监控模块

通过定时更新监控页面，教师可查看学生分布情形与移动状况，从而监测学生所在位置。图4上半部分的列表展示了学生的编号、姓名、权限、经纬度、更新时间等；下半部分显示地理底图及学生实时位置。如果学生数量增加，可利用查询功能，查看学生资料，进而快速确定学生所在位置。教师通过设定活动范围(如图5所示)，标记学生位置，若是超出设定的活动范围，系统将发送警示信息，提醒教师注意学生动态，从而保证学生的安全。

图4 学生分布情况

图5 活动范围设定

3.3 服务器模块

服务器端主要负责户外教学资源的增加、修改、删除等管理功能，客户端通过向其发送请求可与其建立联系。服务器端的实现方案有多种，本系统使用Tomcat作为Web服务器，利用Java EE分层结构，分为视图层、控制器层、业务逻辑层和DAO层。分层体系将业务规则、数据访问等工作放到中间层处理，客户端不直接与数据库交互，通过控制器与中间层建立连接，再由中间层与数据库交互，中间层采用JSP+Servlet实现，数据存放在MySQL数据库中。

3.4 关键技术

(1)基于位置的服务(Location Based Service，LBS)

基于位置的服务，是指通过电信运营商的无线通讯网络或外部定位方式，获取移动终端用户的位置信息，为用户提供相应服务的一种增值业务。系统利用LBS确定学生所在的地理位置，然后再寻找相应范围内具有地图标记点信息，以供学生浏览，为学生提供与位置相关的各类信息服务。

(2)移动监控

利用LBS可以实现对学生位置实时监控，通过内置在移动终端中的GPS装置，实时上传位置信息，并将该信息标注在地图上，教师或者管理者可在地图上查看学生的位置信息，通过点击标记的位置点获得学生详细信息，进而达到监控学生的目的。系统通过移动终端来进行位置感知。

4 系统户外教学应用

为验证系统可行性，依据教学计划，在武汉市某中学开设自然地理户外教学活动。实习地点为武汉市东湖磨山景区，目的是让学生从熟悉环境中获取乡土地理知识。实习时间为八年级第二学期4月份，通过老师讲解、发布任务等以及学生自主探究学习等途径，训练学生地图使用能力、方位辨别能力，并对东湖植物分布、水文、土壤、气候等自然地理情况进行实地考察，提高学生在自然地理方面的探究能力。笔者从植物地理考察学习入手，将本系统在具体学习过程中的应用作简单介绍。

4.1 户外教学准备

在活动开展前，教师在后台数据库中编辑任务数据、标识地理标签并完成对学生分组，并在网络上发布，学生可提前登录系统进行在线学习。户外地理教学路线是从磨山景区南门出发，由于景区内植物分布比较分散，因此没有既定的路线，设定的主要实习地点有:梅园、樱花园、水生花卉园、友谊桂花林、朱碑亭等。各实习点作为POI标记在地图中，学生可在系统中查询各实习点详细信息(系统具有多窗口查看功能，如图6(c)所示)，从而提前熟悉学习地点周边环境。

4.2 户外教学过程

(1)教师任务发布

教师通过系统发布任务消息，学生接到任务提醒，查看相应任务，譬如教师发布的任务为到达樱花园所在地，学生接到任务后，在系统中将磨山景区南门设置为起始地点，樱花园设置为终点，系统将会在地图中绘制路线，如图6(a)和图6(b)所示。到达指定地点后学生通过GPS定位功能反馈位置信息，教师接收到各个学生的位置信息，可对学生活动范围实时监控。

(2)实习记录

到达各个设有任务的地点，学生可点击移动终端地图上的POI点，获取对应的学习任务，教师也可通过系统，将新的任务以消息的模式推送给各个学生。譬如樱园任务:考察樱花树的形态特征、樱花的花瓣形态、园内樱花品种等，记录樱花名称、地点、科属特征，将相关结果上传到服务器。系统均以任务方式，引导学生自主探究学习，寻找问题解决方法。学生在学习过程中，遇到任何教学问题或者想法，都可借助系统中的学习反馈功能提交给教师(功能如图6(d)所示)，教师可及时给学生以帮助。

(3)自主学习

教师发布的教学任务仅是户外学习的一部分，主要针对园内大部分常见植物。同学们可以对照景区植物显示牌以及访问系统知识库自行学习。在实习过程中善于思考和勤于发问的学生往往会有丰富地收获，学生利用系统中的地图显示功能、POI查询、路线导航等功能自主探究学习。

(4)成果分享阶段

学生可利用系统中的成果分享功能将学习成果与他人分享，例如将拍摄的图片或者手绘的樱花园地理位置图片上传至服务器，系统将图片存储进成果资料库中，供其他同学浏览学习。

(5)结果检测阶段

学生完成户外学习任务后，一方面要将任务报告提交到成果数据库中，图6(f)表示教师浏览学生作业，即可查看户外教学情况；另一方面要对学生进行在线测验，系统多以客观题(如填空题、选择题)方式设置与教学内容相关的题目，对学生户外学习情况进行测评，并能自动评分，在线测试形式如图6(e)所示。

图6 用户端效果图

5 结 论

户外地理教学是一种开放性的探究性学习，教学内容具有很大的自由度，本文设计并构建一个户外地理移动学习系统，以“武汉市东湖景区自然地理学习”为例，进行户外教学实验，应用表明该系统能够充分调动学生的学习积极性，提高学生之间的协同创新能力；移动监控功能可令教师或者管理者在地图上监测学生实时所处位置，通过设定活动范围，可达到约束学生行动的目的。

[1] 教育部基础教育司地理课程标准研制组.地理课程标准解读(实验稿)[R].

[2] Aleksander Dye.Mobile Education-A Glance at The Future [DB/OL].http://www.nettskolen.com/forskning/mobile_ edu-cation.pdf，2001-10-04.

[3] 李恒凯，王秀丽，况雄.基于ArcGISFlex API和Mobile的地理实习教辅系统[J].城市勘测，2013，(3):34～37.

[4] 詹云军，袁艳斌，黄解军等.地理野外综合实习教学系统的设计与应用[J].理工高教研究，2008，27(2):143～145.

[5] 张辉.基于WebGIS的野外实习教学辅助系统研究[D].南京:南京大学，2012.

[6] 邓峣，叶春.地理野外实习远程实时监控系统的设计与应用[J].南京师范大学学报:工程技术版，2010，10(4):88～91.

[7] 曹文德，董东林，原菲菲等.基于Windows Phone的地理野外实习系统[J].地理空间信息，2013，11(1):172～174.

Design and Realization of Outdoor Geography M obile Learning System

Zhong Zheng，Hu Peng，Zhang Xiaolu，Zhou Dongbo
(National Engineering Research Center for E-Learning，Central China Normal University，Wuhan 430079，China)

With the wide application of Mobile Internet，Mobile learning and Ubiquitous learning is a new trend.In order tomeet the requirement of outdoor fieldwork for primary and secondary schools，the paper designed and realize a Geographic M-learning system based on the problem，which providemany functionality，such asmap navigation，route design，online learning，assignment download and upload.Meanwhile，through LBS，the system can real-time monitor the students’whole learning process，which can ensure the security needs of outdoor teaching.Finally，a case，natural geography learning in East Lake scenic area in Wuhan，show the process of outdoor exploring learn.

mobile learing；LBS；outdoor geography teaching；problem-based learning

1672-8262(2013)05-5-04

P208.2

A

2013—09—03

钟正(1978—)，男，博士，副教授，主要研究3D GIS、移动GIS和GIS在地理教学中的应用。

国家自然科学基金(41101406，41201413)；华中师范大学高校自主科研基金项目(CCNU13A05019)