移动智能终端的微课程结构分析与设计
2017-01-03马宁生吕军方凯马现超
马宁生+吕军+方凯+马现超
摘要：该文以智能手机作为移动教学工具，全面介绍和分析了移动学习系统中的结构与技术。结合物理实验教学中的实践教学经验，阐述了以Web App作为平台开发物理实验微课程的具体技术路线和教学应用。
关键词：移动学习系统；Web App；微课程
中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2016）23-0097-06
移动学习系统的结构与技术
1.移动应用程序
目前，移动应用程序主要有Native App、Web App和Hybrid App三种。Native App是依赖移动终端的操作系统而开发的应用程序，它需要针对不同的操作系统分别进行开发，用户可以直接在网上根据自己终端的操作系统进行下载安装。Native App具有开发周期长、成本高、维护成本高和更新缓慢的缺点，但在用户体验、性能的稳定性和对本地资源的调用等方面，具有不可替代的优势。Web App是可以直接运行在移动设备浏览器上的应用程序，它是利用Web技术开发的，无需下载和安装，但它可以拥有与在Native App上相似的用户体验，由于与操作系统平台无关，且具有良好的跨平台特性，因此具有开发周期短、成本低和易维护等特点，但Web App也有不足，如依赖网络、不能很好地调用本地移动设备资源和用户留存率低等。Hybrid App介于Native App和Web App之间，它看上去是Native App，但只是一个UI WebView，内核访问的是Web App。[1]考虑到Web App具有上述优点，而且微课程移动学习系统并不涉及调用本地移动设备资源，因此在开发过程中，宜选择Web App的形式。
Web App能够具有与Native App相似的用户体验的重要基础，即在于HTML5技术，各大浏览器都在不同程度上提供了对HTML5技术的支持。为了减轻服务器访问的负担和增强用户体验，微课程的技术设计在有些地方采用了Ajax技术。HTML5技术提供了良好的前端效果，系统后端开发采用的是SSH2（Struts2+Spring+Hibernate）的组合框架，这是一种轻量级的J2EE平台，被越来越多的开发者使用。因为Tomcat服务器对JSP程序可以提供较好的支持，所以整个移动学习系统被部署到Tomcat服务器上。移动学习系统主要针对物理实验的学生，因此采用MySQL这种适合中小型网站的数据库即可。
2.HTML5技术
狭义上的HTML5指的是在HTML4.01的基础上升级的版本，它包含了一些之前没有的标签，如
在微课程移动学习系统的开发过程中，除了运用到了
3.Ajax技术
Ajax是Asynchronous JavaScript and XML（异步JavaScript和XML）的缩写，是基于标准Web技术创建的、能够以更少的响应时间带来丰富的用户体验的一类Web应用程序所使用的技术集合。[3]Ajax技术的主要优势有无刷新更新页面局部数据、与服务器实现异步通信和实现前端与后端负载平衡等。这些优势功能的实现依赖于Ajax的实现流程。Ajax实现了浏览器与服务器的异步通信，Ajax通过后台进行数据的发送与接收，并在网页上进行显示，不会影响用户当前的操作。
4.SSH2组合框架
SSH2组合框架是由Struts2、Spring和Hibernate三个框架组合而成，这三个框架各有所长，其组合可以最大程度地发挥它们各自的优势，是目前使用较多的组合框架。SSH2作为轻量级的开源开发框架，其模块的组合方式具有清晰的结构，并可以降低开发成本。
5.Tomcat服务器
Tomcat是一个免费的开源的Serlvet容器，目前Tomcat的最新版本是8.0.X，它支持的是Servlet3.1和JSP2.3规范。因为Tomcat是一个免费的开放源代码的Web应用服务器，是一种轻量级应用服务器，并且具有先进的技术和稳定的性能，因而被广泛地应用于JSP应用程序的开发和调试，成为目前比较受欢迎的Web应用服务器。借助Java跨平台的特性，可以在提供Tomcat下载的官网上下载多种平台的版本，并可以被部署到不同操作系统的服务器上。
6.MySQL数据库
MySQL的源码经过多种编译器的编译，具有良好的可移植性，可以用于多种不同的操作系统。MySQL为C、C++和JAVA等多种编程语言提供了应用程序接口，使其可以被广泛地应用于继续开发和使用，采用多线程编程的方式，充分利用CPU资源，减少对系统资源的占用。MySQL不仅可以应用于客户端服务器的网络环境中，还可以以库的形式嵌入到软件中。MySQL通过使用专门的权限和口令系统，使得用户在开发和使用过程中更安全。MySQL的优点不仅限于此，它还有支持多种语言、支持大型数据库和多种存储引擎等特点。
JAVA的JDBC技术是一种将应用程序与数据库进行连接的技术。JDBC的应用程序接口可以实现访问大量的各种各样的数据库系统的操作，MySQL即是经常被连接的数据库系统之一。将JDBC应用于MySQL数据库系统，需要下载MySQL的JDBC驱动程序并建立与MySQL的连接。因为本系统是基于框架开发的，因此MySQL的连接可以在配置文件中进行配置。
微课程系统采取B/S（Browser/Server，浏览器/服务器）架构，其后端实现工具是Struts2+Spring+Hibernate组合框架，前端使用了HTML5技术，同时在生成图表信息的网页部分使用了Ajax技术。
移动学习系统的功能与软件结构
系统开发要以微课程的合理使用为核心，使微课程与教学进行高效的整合。在这一系统中，包括教师和学生两个主要的角色，系统的开发要满足教师和学生在功能上的需求。系统的开发除了要满足上述需求外，还应该考虑系统本身在安全性、可靠性、可维护性、实时性等非功能性的需求。
1.教师端功能需求
教师是课程的参与者和学生的管理者，教师端的功能需求主要包括个人信息管理、学生信息管理、观看实验微课程、参与课程讨论和统计分析学生学习数据五部分。个人信息管理是教师在完成注册登录后，可以对自己的用户名、密码、姓名等个人信息进行修改。学生信息管理功能可以让教师批量导入和删除学生的基本信息，包括用户名、密码、姓名等，教师也可以对已经注册的学生信息进行修改。在课程讨论的部分，教师可以回答学生提出的问题，也可以提出问题引发学生对该课程的思考。学生在微课程学习的过程中会产生很多数据，这些数据对教师分析学生的学习情况具有重要的意义，在统计分析模块中，教师可以看到一个课程被学习的次数的统计表，教师也可以下载每位学生观看课程的细节信息。
2.学生端功能需求
学生是物理实验微课程学习的主体，学生端的功能需求主要包括个人信息管理、观看实验微课程、参与课程讨论和记录学习笔记四个部分。个人信息管理是学生在完成注册登录后，可以对自己的用户名、密码、姓名等个人信息进行修改。观看实验微课程是学生学习的核心，基于Web App的实验微课程可以使学生在实验前、实验中和实验后各个阶段根据需要完成实验学习。学生在观看微课程的过程中可能会遇到各种各样的问题，在参与课程讨论的部分，学生可以提出自己的问题，学生也可以在讨论的部分发现别人的问题并给出解决问题的方法，使学生与学生及学生与教师之间互相学习，提升对实验的认识。长期的基于特定课程的问题的积累，形成问题集，将会成为学生以后学习的宝贵文本资源。除了讨论各种课程问题，学生也可以在记录学习笔记功能模块记录自己实验学习的心得，这种学习心得是只有学生本人可以看的。
3.非功能性需求
非功能性需求，主要指开发的软件系统为满足用户业务需求而必须具有除功能需求以外的特性，非功能性需求对软件稳定高效的运行有重要的意义，主要包括安全性、可靠性、可维护性、实时性等。
4.系统的软件设计
基于Web App的微课程系统，采用SSH2组合框架和HTML5技术共同开发完成。架构系统的业务流程为：在表示层中，用户通过JSP页面实现交互，发送请求（Request）和接收响应（Response），JSP页面在显示到浏览器前还要经过HTML5的渲染，使其具有良好的显示效果和交互性能，然后Struts根据配置文件Struts.xml，将接收到的请求委托给相应的Action进行处理。在业务逻辑层中，通过配置文件ApplicationContext.xml及Service组件，让管理服务组件的Spring IoC容器向Action提供业务模型Model组件，及该组件的协作对象数据处理Dao组件完成业务逻辑，并提供事务处理、缓冲池等容器组件以提升系统性能和保证数据的完整性。在数据持久层中，通过配置文件*.hbm.xml完成Hibernate对象化映射和数据的持久化，实现数据库的交互，完成Dao组件对数据的请求，并返回数据处理结果。SSH2组合框架可以实现清晰的系统结构，且各层之间只要通过接口即可实现调用，这对理解源代码有很大的帮助，同时对后期系统功能的拓展和维护具有重要意义。
（1）教师端逻辑设计
根据教师端功能的需要，对其实现的逻辑进行设计。教师通过首页进入到登录页，在登录页需要输入注册时使用的用户名和密码。在观看课程页，教师可以参与课程讨论，学生浏览课程的次数可形成统计图。在信息管理页，教师可以修改自己的个人信息和学生信息，并下载学生学习课程的数据。
（2）学生端逻辑设计
学生端逻辑设计与教师端相似，但在部分细节设计上有差异。学生通过系统首页进入到学生登录页，在登录页需要输入注册时使用的用户名和密码，在选择观看课程页，学生可以参与课程的讨论和记录课程学习笔记。
（3）数据库设计
根据总体设计的需要，并结合数据库设计的一般理论，设计数据库共有6张数据表，分别是教师信息表、学生信息表、课程信息表、评论信息表、笔记信息表和观看课程次数信息表。其关联主要是通过添加外键约束来实现。
微课程的结构设计
移动智能终端是微课程得以实现的重要载体之一，结合移动智能终端和微课程的特点，并从学习者使用的角度建立在移动智能终端上的微课程结构。
1.注册和登录
在注册和登录时，学生可以通过为移动智能终端专门开发的Web App输入基本信息。当然如果是学校为在校学生开发的微课程，学校可以为学生在服务器端完成注册，学生注册的信息有助于系统为用户推送符合学习者特征的课程。对微课程的开发人员而言，也可以通过分析学习微课程群体的基本特征来开发出更多适合学习者的课程。
2.选课
选课是学习者根据自己的需要选择相应的课程。因为移动智能终端的屏幕比较小，不利于学习者进行输入文字检索，所以为了让学习者能够快速地选出课程，移动智能终端上的Web app要对课程进行合理分类。对于在校学生可以首先根据学生的年级进行分类，然后再按照各年级的课程进行分类，如果注册信息中已经有了学生的年级信息则可以在学生登录后直接进入相应的年级课程进行选课。为了方便学生选课，各课程在智能终端上最好开发成图标的形式，这样学生可以直接在屏幕上点击进入课程学习。
3.课前自测
学生的学习总是围绕一定的学习目标展开的，微课程作为一门课程，也应该具有提供给学生的学习目标，但微课程的学习目标不同于一般意义上的课程学习目标。它是围绕一个教学重点或难点展开的，因此学习目标的陈述比较简单且目标的指向性比较明确。在移动智能终端上陈述微课程的学习目标应该充分利用多媒体特性，学习目标可以采用语音、思维导图等形式表现出来。
4.诊断性评价
诊断性评价是指为了使教学适合学习者的需要和背景，在一门课程和一个学习单元开始之前对学习者所具有的认知、情感和技能三方面的特征进行的评价。[4]在微课程中设计诊断性评价的目的之一是帮助学生回忆即将学习的知识点的下位知识，为学习者学习做好准备工作。就目前而言，移动智能终端对学生进行诊断性评价的能力还是比较有限的，主要采取的是选择题的形式。因为知识点的数量一般只有一个，所以题目设计的数量也比较少。如果学习者的诊断性评价的成绩符合学习下一知识点需要则进入下一环节，否则建议学习者重新选择适合自己的课程。
5.视频教学
视频教学是微课程的核心，是微课程短小精悍特点的具体体现。移动智能终端的数据传输能力有限，在有限的数据传输能力的情况下还要确保视频的清晰度来满足学习的需要，因此对视频格式的选择很重要。[5]如果是借助HTML5开发的App，应该尽量使用HTML5的
6.形成性评价
形成性评价指的是在某项教学活动开展过程中，为使教学活动更有效而进行的评价，它能及时了解阶段教学的效果和学生学习的进展情况、存在的问题等，以便及时反馈、及时调整和改进教学。移动智能终端对学生进行形成性评价的形式也主要是选择题的形式。如果学生通过形成性评价则完成了微课程的学习，如果形成性评价的成绩不合格则建议学生重新学习微视频。形成性评价的数据也可以通过终端反映给教师，教师根据学生形成性评价反映的情况给学习者提供个别化的辅导。
基于Web App的大学物理实验微课程的教学应用
信息技术与课程融合不只是信息技术在教育中的应用，更是信息技术支持下的教育理念的转变，它将有助于打破传统的学科本位和教师本位的教学体系，建立学生本位的学习体系，使学生实现基于信息化学习环境的知识建构。将基于Web App的物理微课程引入到实验教学过程中，无疑又增加了新的交互因素，可以使学生根据自己的需要选择实验学习的资源和方式。在混合学习和移动学习日益盛行的趋势下，微课成为当前我国教育信息化资源建设的重点和研究热点。[6]
目前物理实验的学习过程以具体的实验项目为中心，经历实验前的预习、实验课堂上的操作和实验后的复习三个阶段。在融合了实验微课程后的学习过程中，在课前，学生可以通过微课程熟悉实验室环境、理解实验原理以及实验操作的过程，通过上述步骤的自主学习，教师在课堂教学过程中只需对实验做简单讲解，而将更多的时间用来帮助尽可能多的学生；在实验课堂上，当学生在实验操作过程中遇到困难时，他们也可以随时利用移动设备查看微课程，减少教师对简单问题的重复回答，教师可将宝贵的课堂时间用来解决学生个别难以解决的问题；在课后，学生仍然可以通过微课程回顾整个实验的细节，巩固对实验的理解。学生在实验课程的各个环节，还可以观看和发表关于该课程的评论，获取来自其他同学的帮助。将移动端实验微课程融入到实验学习过程中，学生可以做到随时随地学习，也可以实现实验学习的课堂翻转。[7]
教学要依据学生个性的差异，使具有不同特质和倾向的学生，实现不同类型和层次的成长。物理实验的教学也应该考虑到学生的个性差异，根据不同学生的需要提供不同的帮助，而不是给所有的学生灌输统一的知识体系。在有微课程学习系统支持下的物理实验学习环境中，个别化教学主要有两个方面：一是学生可以根据自己的需要个别地选择微课程。所有实验的微课程都主要由实验原理、仪器介绍和实验操作三部分组成，学生可以根据自己在学习过程中遇到的困难的类型，选择观看哪一部分的微课程，同时也可以操作微课程视频，跳过已经理解的部分，选择自己薄弱的部分观看，实现按需选择课程。二是教师给有需要的学生提供个别化的指导。[8]这种个别化的教学不仅可以在实验室的条件下进行，还可通过微课程系统在线上完成。微课程移动学习系统的首页、实验微课程、微课程内容及课程学习统计如上图所示。
结语
随着科技的不断发展，智能移动设备平台下的移动学习开始受到人们广泛的关注。近年来出现的移动学习教学形式再一次推进传统教学方式的改革和创新，在移动端新技术、新设备被引入之后的移动教学方式与早期的移动学习方式相比呈现出许多新特点。移动智能设备在高等院校学生群中的广泛使用和教学资源的全面覆盖，使高等院校的教学方式迈入了新的研究阶段。[9]
