面向智能手机与Web平台的微课移动教学系统的设计*

□ 温川雪 周洪建

一、引言

现今热议的微课程(Micro-lecture)概念是2008年由美国新墨西哥州圣胡安学院的高级教学设计师、学院在线服务经理David Penrose提出的。Penrose认为“微课”的核心是“微视频”，同时可包含与该教学视频内容相关的“微教案、微课件、微习题、微反思”等内容，其中“微视频”长一般为5～8分钟，最长不超过10分钟[1]。

移动学习是结合移动终端运算能力和无线网络传输能力形成的一种新型学习模式。学习者可以使用各种移动终端（如智能手机等），通过移动通信网、无线局域网进行学习[2]。移动学习（M-Learning）逐渐引入泛在学习体系（U－Learning）[3]这个全新的研究领域，学习者可以在任何时间任何地点获取想要的信息，充分利用碎片时间，实现真正意义上的自主学习。微课与移动学习融合是本文的核心思想。

目前，智能手机的数据处理能力已经非常强大，能够与计算机媲美，移动通信技术高速发展，校园越多越多的区域覆盖WIFI信号，这些都为构建移动学习平台提供了有力的支持。当“微课”碰到移动学习，两者的价值可以得到最大的体现，学习者可以随时随地利用移动终端，学习零散知识。短小精悍、针对性强的“微课”，正需要移动学习平台为其服务。

当前微课得到越来越多的关注，但研究文献的讨论仅限于微课的制作和教学[4][5][6]，仅以计算机远程教学的形式开展[7][8]，关于微课应用在移动学习、与移动学习平台的设计与构建方面的研究鲜有阐述。

二、“微课”与移动学习的结合

1.“微课”的概念与意义

“微课”是指按照新课程标准及教学实践要求，以教学视频为主要载体，反映教师在教学过程中针对某个知识点或教学环节开展教与学活动的各种资源的有机组合，以教学视频为主要呈现方式，是围绕学科知识点、例题习题、疑难问题、实验操作等教学过程及相关资源的有机结合体。

对学习者而言，“微课”能更好地满足对不同学科知识点的个性化学习和按需学习，既可查缺补漏又能强化巩固知识。调查发现，网络课堂中学习者注意力集中的最佳时间是10分钟，而网络课堂通常都是45分钟左右，很难集中精力。对教师而言，“微课”将革新传统的教研方式，突破传统的听评课模式，教师的电子备课、课堂教学和课后反思将更具有针对性和实效性。因此，微课平台应该既方便学生利用零碎时间进行学习，又具有师生沟通等功能。

2.移动学习与泛在学习

移动学习是在数字化学习的基础上通过有效结合移动计算技术，带给学习者随时随地学习的全新感受，它被认为是一种未来的学习模式[9]。通过移动学习，学习者不仅可以利用移动终端搜集大量学习资源，还可以根据自身情况设置学习进度。移动终端的浏览记录、播放记录、书签、注释等功能可以清晰地保存学习痕迹，让学习者理清自己的学习进度和问题所在，随时随地学习或复习，取得更好的学习效果。

泛在学习顾名思义就是指无时无刻的沟通，无处不在的学习，是一种任何人可以在任何地方、任何时刻获取所需信息的方式。泛在学习的目标就是创造让学习者随时随地、利用任何终端进行学习的教育环境，实现更有效、以学习者为中心的教育。

微课是整合教学课件、教学素材、教学案例的一种重要学习资源，当微课碰到移动学习，移动学习、泛在学习变得更加高效与可行。

3.手机移动终端的微课应用

目前，关于微课的研究大多在阐释其理念与应用前景，对实施方法的研究还不充分，基本采用网络课程的形式呈现；另一方面，移动终端的硬件技术和通信技术日益成熟，智能手机发展势如破竹，先进的技术加上终身的需求，促进了移动学习的发展。各种移动终端学习平台的开发与研究相继提出[10][11][12][13]，但把微课与手机终端结合起来的研究还比较少。

当前的网络教学平台包括MOOC、开源网络教学平台和商业网络教学平台等。著名的MOOC平台有Coursera、Udacity和edX；开源网络教学平台的代表有Moodle、Sakai和Drupal；而Blackboard和清华教育在线THEOL是著名的商业网络教学平台。这些平台基本都采用了三级架构的开发模式。其中开源网络教学平台的源代码、API和编程规则向所有人免费开放，支持平台的二次开发。

MOOC平台需要用Chrome、Firefox或IE来保证界面显示效果，如果服务器在国外，可能会造成国内访问不稳定，服务器和数据库都需要配置。开源网络教学平台和商业网络教学平台都能支持主流浏览器访问，常用的包括服务器系统和数据库Linux/Win⁃dow/Unix、MySQL/Oracle。在移动服务的支持上，这些平台都支持HTML5的Web访问方式，但目前只有Moodle、Sakai支持移动终端的APP访问[14]。

目前关于E-learning平台的研究受到国内外众多机构的关注，但M-learning的平台、微课与应用研究，则主要集中在欧洲和北美美国部分经济发达国家，在我国起步较晚，规模较小，主要是局域网内进行基于短消息的移动教育研究[15]。

利用移动终端进行学习的新模式，能够有效利用零碎的时间片段。针对碎片化学习，移动学习比传统的网络课程更有优势。微课短小精悍、针对性强的特点，与利用碎片时间、随时随地地移动学习正好是完美的组合。把微课从网络课程推广到移动终端上，是教育模式的一个新尝试，将有利于微课的推广普及。

三、“微课”移动教学系统的设计

根据功能的不同，可将“微课”移动教学系统分为3部分：学习者终端、教师终端和中心服务器（如图1所示）。其中教师终端和学习者终端可用智能手机和计算机Web平台登录，既保留传统的学习平台又加入新型移动学习平台。除了一般的视频上传和播放功能外，系统针对微课学习设计了一系列特色功能，如学习者终端的视频标注技术、视频与标注文字关联显示、Lucene全文搜索技术、微课综合评价分析等。多终端、多平台、多功能的微课移动学习系统使微课学习和移动学习更好地结合在一起。

系统业务顺序图如图2所示。教师可通过Web服务器上传微课资源至流媒体服务器，学习者通过手机终端或Web平台访问微课资源，在学习过程中对微课资源进行视频标注、评价以及提出问题。在学习者提问后，教师可以收到短信提醒，并通过教学互动平台进行回复和解答。教学互动平台为师生提供了沟通交流的渠道。同时，运用聚类分析等算法计算出相似的优质视频资源，把结果推送至学习者终端。

中心Web服务器端采用Lucene技术对微课资源建立索引，提升搜索视频资源的准确率和覆盖率，并对视频资源的访问量和评价情况进行统计分析，把结果推送给学习者和教师，为学习和教学提供参考。

四、智能移动终端

智能移动学习平台是一个综合应用了计算机技术、现代数字技术、多媒体技术、无线移动通信技术等的数字学习平台。Android操作系统是一种基于Linux内核、主要面向移动平台的开源智能操作系统，具有丰富的软硬件资源，支持大多数主流网络协议，并且具有开源、免费等特点，成为最流行的智能手机操作系统。因此，本移动学习平台基于Android开发，采用扩展性强、数据流量小、操作简便灵活的C/S架构。APP在Eclipse、软件开发工具包（Soft⁃ware Development Kit，SDK）、安卓开发工具（An⁃droid Development Tools，ADT）开发环境下进行设计和开发，并采用Sqlite3轻量级数据库。

1.智能移动终端的主要功能模块

1）身份验证模块

身份验证模块主要用于确定学习者、教师和系统管理员的身份，以便记录学习者的学习过程。在成功进入系统后，学习者和教师可以进行学习和教学活动，管理员可以进行系统维护与升级操作。

2）数字化学习资源的数据库

数字化学习资源不仅可以是微课视频，还可以是和教学内容配套的各种学习资源，如程序代码、Flash动画、相关软件等。

3）学习评价模块

一方面，移动学习平台可以根据学习进展和结果对学习者给出形成性评价；另一方面，学习者可以从教师和其他学习者那里获得评价和帮助。

4）学习资源和共享模块

数字化微课学习资源的设计和开发不只是教师的工作，而是学习者和教师一起完成的。学习者可以向数据库上传微课资源或自己制作的学习资源。经管理员审核通过，可以被其他用户使用。

5）视频标注、视频与标注关联的视频播放模块

学习者在访问微课视频时，可对某个视频片段标注学习笔记，客户端播放平台利用AJAX技术在视频播放的相应时间点，实时显示出学习者曾经标注的信息内容，实现标注和视频的有机关联。学习者也可以先搜索到学习笔记的标注信息，然后点击便可关联到视频的相应时间片段，实现视频检索。

6）信息通信模块

学习者可以就微课视频内容向教师发送留言提问，留言内容同时以短信提醒的方式发送至教师手机。在教师登录后，可以看到提问留言信息并回复。学习者终端平台会把提问、回答和视频关联地显示出来，点击问题可以打开视频相应片段，结合教师回复进行具体的理解。与其他教学平台不同，本文设计的教学互动平台与视频标注和微课视频关联在一起，是视频标注的一个扩展应用。师生间不仅可以通过语音和文字，还可以通过视频和其他方式进行实时交流，让学习者可以及时得到反馈。同时，学习者之间也可以互相传输文件，提高学习的热情和兴趣。

2.智能移动终端的关键技术

1）WAP

无线应用协议（Wireless Application Proto⁃co l，WAP）在互联网和移动通信协议之间建立了统一的开放式协议。把Internet网上的HTML（标准通用标记语言下的一个应用）信息转换成用WML（Wire less Markup Language）描述的信息，显示在移动终端上。目前，WAP技术已成为移动终端访问无线信息服务标准，广泛地应用于GSM、CDMA、TDMA、3G等多种网络。

2）Java ME

Java ME（Java M ic ro Ed ition）是为机顶盒、移动电话和PDA之类嵌入式消费电子设备提供的Ja⁃va语言平台，特别适合于复杂的智能客户端开发，适用于所有网络技术，与其他无线应用程序兼容。Java ME技术将Java语言的平台无关性移植到小型电子设备上，允许无线移动设备之间共享应用程序。

3）流媒体视频播放器

Android客户端在线流媒体视频播放使用专门的流媒体服务器，由服务器提供Servlet动态生成的XML视频描述文档，程序通过HTTP请求获取XML，同步显示在ListView中，用户通过点击List⁃View里相应的视频获取URL地址来播放视频。An⁃droid视频播放器由Java的ListEvideoAc tivity类实现，在Android界面上显示ListView列表，借助PULL的XML处理工具获得数据。List Evideo Activity重载android.widget.Aapter View适配器EvideoList⁃Adapter，将数据绑定到ListView列表。

4）视频标注

视频标注技术一直是教育界关注的热点话题[16]，虽然已在YouTuBe这样的视频网站实现[17]，但在教育中的应用还没有得到推广。目前，国内仅有华东师范大学、华南师范大学等高校把这项技术应用到视频资源中。视频标注的流程如图3所示。

学习者在访问微课视频时，可以通过点击按钮记录该标注的起始时间，然后输入文本框完成标注信息，标注信息和视频位置会提交到本地数据库，然后上传至远程服务器[18]。学习者再次访问该视频时，就会触发标注信息。

客户端视频播放器采用flashair，利用flash技术集成多个类似桌面应用，是一个跨操作系统的集成平台，外观优美，接口流畅，用户体验较好。

五、服务器架构及特色功能

服务器端开发采用主流的HTML、JavaScript、CSS和PHP，数据库模块采用Access和SQL Server进行存储，通过开放数据库连接（Open Database Connection，ODBC）驱动程序连接数据库。服务器采用分布式结构，由流媒体服务器、Web服务器、云计算模块、应用服务器和数据存储模块组成，为所有用户提供计算、存储空间和软件服务。采用数据挖掘技术，对用户需求和微课资源进行分析，并把相似和优质的微课资源利用XMPP协议（Extensible Messageing and Presence Protocol，可扩展通讯和表示协议）智能推送到学习者界面，帮助学习者高效地发掘有价值的微课视频。

1.服务器系统结构

为获得高效、简单的管理方式，根据计算、存储、网络三大核心要素，远程服务器端由流媒体服务器、Web服务器、云计算模块和数据存储模块组成。

1）流媒体服务器

流媒体服务器的主要功能是以流式协议（RTP/RTSP、MMS、RTMP等）将微课视频文件传输到客户端，供用户在线观看。本文选用Adobe Flash Me⁃dia Server，支持Flash播放器。

2）Web服务器

Web服务器主要用于接受用户请求，并根据用户请求返回所需内容，并适应多种设备，达到界面的人性化设计，根据用户信息推荐学习资源。

3）云计算模块

大量的微课资源和用户数据需要专门的计算模块。云计算模块采用数据挖掘技术对数据进行分析，得出优质微课资源，并根据学习者需求进行预测。

4）数据存储

数据存储单元具有超大容量，配置了SAS硬盘和RAID5磁盘阵列，对微课资源、用户数据进行存储管理，主要采用关系型数据库存储。

2.Lucene全文搜索引擎

服务器采用基于Lucene技术的全文搜索引擎对微课资源进行检索[19]。全文搜索的方式不仅可以解决查询词和数据库内容不能完全一致导致无法找到结果的情况，而且搜索性能远远高于数据库查询[20]。全文搜索原理的时序图如图4所示。平台首先对视频资源信息用Lucene技术建立数据库索引，然后对关键字进行分词处理，再利用Lucene读取索引，对关键字进行模糊查询或高级搜索。采用Lucene技术提高了搜索的查全率和查准率，同时也提升了搜索速度。

3.数据挖掘技术与智能推送

图4 全文搜索原理图

数据挖掘技术可以帮人们从数据库中挑选出感兴趣、相关的数据，不仅可描述过去的数据，也可以预测未来的趋势。云计算模块采用数据挖掘技术对微课资源进行综合分析，把统计结果反馈给学习者和教师。学习者可以据此获得优质教学资源信息；教师可以据此了解学习者的学习情况，调整授课计划，使教与学有一个良好的沟通和反馈平台。

同时，计算模块利用聚类分析算法对用户需求进行分析，分析出相似度高的微课资源，并采用XMPP协议把相似和优质的微课资源智能推送到学习者界面，帮助学习者高效地发掘有价值的微课视频。XMPP协议是一种基于XML的传递协议，具有很强的灵活性和可扩展性，是目前主流的四种IM（In⁃stant Messaging，即时消息）协议之一。它的基本模式就是先建立一个stream，然后协商一系列安全属性，中间通信过程就是客户端一个接一个地发送XML Stanza。服务器根据客户端发送的信息以及程序的逻辑，发送XML Stanza给客户端，也就是智能推送的微课信息。但是这个过程并不是一问一答的，任何时候都有可能从一方发信给另外一方。通信的最后阶段是＜/stream＞关闭流，关闭TCP/IP连接。

智能推送和数据分析技术不仅为学习者提供了主动学习的机会，也使微课信息的获取具有一定的智能性[21]。

六、系统实施与评价

本研究设计的微课系统已完成Android移动终端APP开发和Web服务器、流媒体服务器、应用服务器以及数据库的搭建。已开发的微课资源包括数据挖掘、数字信号处理、Matlab、Visual Basic程序设计等12门课程，课件和课程视频大多是由我校一线优秀教师录制，部分来源于国际著名教授。微课系统的服务器设在我校信息中心机房，暂时只对本校师生开放。图5和图6是在手机上运行的系统界面。图5是微课系统的主页，每个微课视频时长1～5分钟；图6是视频标注的微课播放界面，学习者可以对视频添加标注，也可以看到该课程所有的标注内容。

为测试微课移动教学系统对学习产生的积极意义和体现其使用效果，本文选取《数据挖掘》课程，对我校信息管理与信息系统专业两个年级的学生进行实验和统计。2010级学生为实验组，60人，在传统课堂教学的基础上，使用本微课移动学习系统。要求实验组的学生每人学习的微课数量不少于20个；2009级的学生为对照组，60人，移动微课学习系统在2009级还没投入使用，只进行了传统的课堂教学。

在学期末课程结束后，组织两个年级的学生对《数据挖掘》课程和微课移动学习系统评分和投票。对《数据挖掘》课程的评分如表1所示，10分为满分，分别表示课程难度最大、理解程度最高、兴趣最大。从表1可见，在引入微课移动学习系统后，学生对课程的难度感降低，对课程的兴趣和理解都有所改善，提升了教学效果。

表1 学生对课程的调查结果

作者对两组学生的期末考试成绩进行了统计分析。学生成绩以100分为满分，60分以下为不及格，90分以上为优秀。表2显示了两组学生的成绩分布，可以看出，成绩分界点在70～80分之间。通过微课移动系统的辅助学习后，成绩出现显著的区分，高于80分的比例增加，低于70分的学生比例下降（=0.002）。

表2 期末成绩分段统计

学生对微课移动系统的优缺点反馈调查结果分别显示在图7和图8。学生在投票中可选择多个选项。在多个积极因素中，88.5%学生选择了“根据个人的情况选择性学习”。“移动学习的便利性”和“学习资源丰富”是另外两个主要的吸引学生的地方。“不习惯用手机学习”和“移动设备娱乐性强，易分散注意力”是系统的两个最大的不利因素。

七、结语

本文在分析微课和移动学习的概念和意义后，提出微课与移动学习相结合的全新理念，设计了一个多平台的移动微课学习系统。该平台把微课、移动学习、泛在学习等新兴概念糅合在一起，综合应用智能推送、Lucene全文搜索、Android手机开发、视频标注、聚类分析等新技术，使学习者能够利用碎片化时间学习视频片段，并对使用过和没使用过移动学习微课系统两个年级学生进行对比分析。统计发现，移动微课学习系统提高了学生的期末考试成绩，提升了他们对课程的理解度和兴趣。学生在新型学习模式中遇到的最大问题是移动设备本身娱乐性较强，导致学习过程中容易分散注意力；也有相当一部分同学不习惯用手机学习。新型学习模式的兴起，必然有一个适应与改善的过程。总的来说，本系统有以下创新：

1.把微课与移动学习、泛在学习结合起来，提供PC终端与智能手机终端两种接入方式，学习者可以随时随地利用碎片化时间，有针对性地学习微课。

2.微课资源承载平台具有视频标注功能，并把微课视频与标注等文字关联显示，方便用户对微课视频进行检索。此外，在Android移动终端，还可以利用语音识别等多种途径进行视频标注。

3.运用聚类分析等数据挖掘技术，综合分析微课资源的热度、访问量和相似度，把分析结果智能推送给学习者，使平台具有主动性和智能性的特点。

4.Web和手机移动平台采用基于Lucene技术的全文搜索引擎对微课资源进行检索，通过建立数据库索引，对关键词进行分词处理，实现学习者方便快速、全面地查找相关学习资源。

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