基于云计算的MR移动学习可视化交互技术研究

赵莉,涂雅轩,吴金凤,张宇轩

(1.信阳农林学院 信息工程学院,河南 信阳 464000;2.武汉轻工大学 管理学院,湖北 武汉 430000)

5G(5th Generation Mobile Communication Technology,第五代移动通信技术)的到来,助力信息技术蓬勃发展的同时也颠覆了传统的教育模式,让人们的学习方式呈现出多元化。其中移动学习(Mobile Learning,缩写为M-Learning)的出现满足了当下用户个性化学习需求,将学习者从传统的课堂藩篱中解放出来,实现利用碎片化的时间进行随时、随地、随需的学习,尤其是近几年席卷全球的疫情期间更让移动学习成为教育技术领域的新热点。但学习者通过各种移动终端(如手机或平板电脑等)快速获取学习资源的同时,如何实现师生间虚实场景的可视化交互,如何营造沉浸式学习体验从而增加用户粘性并提升学习实效,成为移动学习亟待解决的关键技术问题。

5G技术的迅速发展催生了移动终端设备的日益普及,让移动学习成为一种趋势。同时,5G网络推广发展和与时俱进的校园WiFi广泛覆盖,更为学习者提供了高速、便捷的学习环境。MR(Mixed Reality,即混合现实)是VR(Virtual Reality,虚拟现实)和AR(Augmented Reality,增强现实)的发展与延伸,通过与空间定位、传感和人机交互等多领域技术联动,融合虚拟世界和现实场景而产生的全息影像可视化环境[1]。MR作为元宇宙的重要入口,能把虚拟信息叠加到真实场景中并与用户实现互动,为用户带来虚实结合的沉浸式显性体验及更加自然的交互氛围,增强用户身临其境的真实感,对于实现移动学习可视化交互及增加用户粘性且提升学习实效具有重要意义。

1 MR移动学习国内外研究现状与发展趋势

国外的移动学习研究起步较早,它起源于美国卡内基梅隆大学的Wireless Andrew项目,吸引了许多国外学者对其进行研究[2]。最早移动学习的研究主要集中分布在欧洲和北美的部分经济发达、科技发展迅速的国家,其应用领域已经全面开展,他们的研究方向主要应用于企业培训和学校教育领域,如挪威互联网学院、德国的开放大学等诸多国家都在进行移动学习的探讨,并以“终身学习”为目标,为后期的移动学习可视化交互研究增添了宝贵的经验[3]。MR是在VR与AR的基础上发展起来的混合技术,是由Intel在2016年旧金山IDF16开发者大会上首次推出,会上Intel亮出了多项新技术。MR最早进入大众视野的是一段网上疯传的视觉盛宴“谷歌黑科技全息投影裸眼3D”视频,MR有别于传统的虚拟包装,其数字模拟技术生成逼真的集视觉、听觉、触觉为一体的虚拟仿真环境,让可视化环境里物理和数字对象共存,并实时互动。MR技术与传统行业的结合,比如:MR+教育、MR+金融等,已拥有诸多成功的垂直落地场景,其代表性的是微软的Hololens[4]。云计算概念从2007年首次提出到至今,云计算早已渗透到各个研究领域,亚马逊已经开始赋能元宇宙的运行,利用云计算辅助教学研究的项目更是层出不穷,比如苹果公司的iCloud手机移动云服务、微软公司的Window Phone移动云计算平台等[5]。

国内移动学习的先河是从2001年教育部授权北京大学的移动教育项目开始,正式将移动学习的概念引入中国[6]。随着互联网时代的到来,尤其是近两年5G技术的飞速发展催生了智能移动终端设备的日益普及,为移动学习创造了可靠的硬件环境,国内对移动学习的研究正在由理论研究逐步转向应用研究,开展了各种基于移动设备和移动网络的教学,使移动学习应用研究越来越广泛。与此同时,国内的MR产业经过近十年的发展已经日趋成熟,形成了五大MR核心产业聚集区,产业生态初步形成。目前,全国共有VR/AR/MR企业3000余家,由清华大学、北京大学、北京师范大学合力联建的移动教育研究中心,为全国学生建立全国联网的基础学习平台,且实行手机用户享受优惠政策,助力实现教育资源的均衡化,使每位学生都能享受到优秀均衡的教育资源[7]。再加上与时俱进的校园WiFi迅速覆盖以及5G+MR的发展,为移动学习者提供了高速、便捷的可视化交互学习环境,使移动学习成为智能经济社会发展的强大引擎。

2 5G赋能云计算MR移动学习的优势

云计算(Cloud Computing)是网络分布式计算的一种,分布式计算和大规模异构系统资源共享是实现移动学习的关键技术[8]。它通过互联网搭建资源池,将学习资源布置到云端,实现资源的统一管理和调度,为用户提供实时更新、灵活扩展和虚拟化的资源(CPU、内存,网络,存储),使移动学习资源得到最大整合。另外,云计算依托5G网络低时延、高宽带、广连接的优势,将复杂的计算任务与海量的数据存储投放到云端完成,使移动终端的计算与存储脱离本机,通过云服务按需定制,极大降低了终端设备的配置要求。同时,5G网络实现万物互通互联,加之云计算推进元宇宙的运行,借助MR融合移动终端的小程序协同工作,让学习突破课堂延伸至户外,轻松实现移动式远程教育的教与学,这也为移动学习可视化交互的发展带来了更多的契机与挑战。

云计算是IT产业发展到一定阶段的必然产物,利用云计算原理突破终端硬件和时间地域的限制,为师生更好地开展移动学习提供廉价便捷的服务和支持。本文充分利用5G赋能云计算的优势特征与MR移动学习深度融合,结合API(Application Programming Interface,应用程序接口)访问控制及MySQL数据库,搭建面向高校移动学习交互平台的弹性服务器端架构,实现移动终端与云端之间的数据通信[9],打破信息壁垒,实现全国各地教学资源的共享;并设计开发移动学习可视化交互的总体架构及教学平台、学习平台、交互平台、资源平台、个人中心、管理平台等主要功能模块,实现云计算虚拟技术与交互平台的资源按需分配无缝衔接;另外,利用“翻转课堂”教学模式设计基于5G赋能云计算的MR移动学习可视化交互仿真流程;最后,借助移动终端的小程序,依托此平台通过整合高校网络课程为开发基点展开论证。

3 MR移动学习可视化交互的关键技术

利用5G赋能云计算技术+MR技术+Vue+小程序+ SpringCloud +MyBatis技术栈进行业务开发面向高校的移动学习可视化交互平台,前端采用终端小程序自定义组件和样式,后台使用SpringCloud和MyBatis框架搭建,前后端交互部分使用小程序定义的API。MR可视化交互平台构建三步走的技术关键,如图1所示。

图1 MR移动学习可视化交互平台技术关键

MR深度融合现实和虚拟场景而产生立体可视化环境,通过混合叠加的呈现方式让用户真实地感受到身临其境的交互和体验。搭建移动学习可视化交互平台的功能模块,如:教学平台、学习平台、交互平台、资源平台、个人中心、管理平台等功能结构;同时建立移动学习个性化模型,实现资源个性化定制,并利用“翻转课堂”教学模式以课前、课中、课后三者并重的方式,设计基于5G赋能云计算MR移动学习可视化交互仿真流程。

3.1 基于5G赋能云计算移动学习平台的分层结构部署

基于传统网络学习中存在的问题,以构建主义学习理论及人本主义学习理论为支点,探讨5G赋能云计算进行移动学习的优势及可行性,构建移动学习平台。前端采用终端小程序自定义组件和样式,后端使用SpringCloud和MyBatis框架搭建,前后端交互部分使用小程序定义的API,构建5G视域下云计算技术+Vue+小程序+SpringCloud+MyBatis技术栈进行业务开发面向高校的移动学习交互平台。

本平台采用分层架构设计,主要包括用户层、视图层、控制层、业务逻辑层、数据持久化层及基础设施层,具体如图2所示。通过分层部署,使得每一层只需专注本层工作,遵从开闭原则,便于后期的修改与扩展。

图2 5G云计算服务下移动学习技术架构

(1)用户层:该平台主要有两种角色,即普通用户和管理员用户,普通用户又包含教师与学习者。

(2)视图层:即系统的业务实现。本层使用Vue和小程序进行开发,其中Vue开发的前端面向教师和管理员,通过浏览器直接对前端进行访问,学习者通过移动终端小程序扫一扫即可对前端进行访问,它们通过AJAX请求信号将请求数据传输到控制层。

(3)控制层:该层主要使用Spring MVC对用户的请求进行拦截,进而获得用户的访问请求,然后调用业务逻辑层的业务逻辑对前端(Vue+小程序)传过来的数据进行分析处理,最后将处理后的结果传递给相应的视图层用于视觉呈现。

(4)业务逻辑层:该层主要使用Spring处理用户的访问请求,并通过调用数据持久层的接口与映射XML文件与数据库进行交互,完成各个模块之间的数据处理。

(5)数据持久层:该层主要为业务逻辑层的数据存取提供方法,实现对数据库的增、删、改、查等操作。本平台使用目前主流的ORM中的MyBatis 框架,它支持定制化SQL、存储过程,并消除了几乎所有JDBC代码和参数的手工设置以及结果集的检索,极大方便了开发人员对于数据的管理。

(6)基础设施层:主要提供计算、存储和网络等IT硬件资源。基础设施资源可根据任务需求动态扩展,采用MySQL进行数据存储。

3.2 构建MR移动学习交互平台的总体架构

根据云用户对移动学习偏好需求的调研分析,建立移动学习个性化建模,实现资源个性化定制。遵循MR应用的构建,采用MR技术+Vue+小程序,云技术深度融合MR,设计可视化交互平台总体架构为4层,分别为终端层、数据层、计算层和资源层,架构设计如图3所示。该4层相互配合、协同工作实现实时交互。终端层依据任务的需求来调用数据层与计算层的负载均衡、集群管理等功能;计算层根据数据层的要求来动态地调整资源层的使用,这样既能满足大规模的并发需求,又能适时地释放资源。同时,构建后台管理功能结构、移动学习平台界面、平台网络安全架构、业务交互平台(包括教学平台、学习平台、互动平台、资源平台、个人中心、管理平台)等主要功能结构。

图3 MR可视化交互平台总体架构设计

3.3 移动学习个性化定制

移动学习面向的对象各有特色,为满足用户的个性化需求,在云平台捕捉并分析用户的学习行为轨迹,挖掘提取用户偏好性特征量,提供不同触点的学习策略,建立移动学习个性化模型,实现资源个性化定制。

首先,利用云计算的存储和计算功能定义API,可以方便快捷地实时采集、分析云服务平台上用户的学习行为轨迹;然后,依据用户偏好性特征量提供相匹配的学习方案,精准推送个性化定制资源,为进一步优化资源框架的灵活性和整合性,用户可根据自身需求随时对学习的内容、进度及掌握程度等进行自由选择和调整,如图4所示;最后,依托此平台,借助移动终端中的小程序,通过整合高校网络课程为开发基点展开论证,实现基于5G 赋能云计算的MR移动学习可视化个性化交互,营造沉浸式学习体验,从而提升用户的粘性学习。

图4 移动学习个性化定制流程示意图

4 以翻转课堂开展MR移动学习可视化交互实践教学

为了有效地保证平台开发的质量,整个平台建设的全过程划分为前期准备、平台设计、平台开发、灰度上线及上线五个阶段,每个阶段完成相应的任务,如图5所示。同时为推进与保障平台开发的质量,项目建设的实施划分为二个小组进行。

图5 移动学习可视化交互平台实施方案

一组为理论研究及平台设计组。主要包括项目启动准备、需求调研分析、平台总体设计及各功能模块设计。本小组从方案的制定、人员的分工、结构设计、功能实现等都经过项目组充分讨论。从理论上以研究相关开发方法为支撑,对移动学习交互平台的总体架构及教学平台、学习平台、交互平台、资源平台、管理平台、个人中心等设计都是项目组成员在深入调研分析的基础上确定的。以基础理论、支撑体系、关键技术、创新应用四个层面构筑知识群、技术群和应用群的生态环境。

二组为开发实施及上线推广组。该组根据事先设计好的技术路线,按照平台结构设计及开发的技术方法,在5G视域下利用云计算技术+MR技术+Vue+小程序+ SpringCloud+MyBatis技术栈进行面向高校的移动学习交互平台的搭建与实施。从搭建移动学习可视化互动平台的总体构架、后台管理功能结构、移动学习平台界面、网络安全架构及该交互平台的各个主要功能模块结构等皆要严格规范地按照标准来实施,每个阶段的顺利完成是保证下一阶段的工作开展的基础。以5G赋能移动学习推动技术持续创新和与经济社会深度融合为主线,按照并跑、领跑两步走战术保障项目的顺利进行。

为进一步验证基于5G赋能云计算的MR移动学习所开展的可视化交互实践教学,对提高师生教与学综合能力的有效性,利用“翻转课堂”教学模式设计出基于5G赋能云计算的面向高校移动学习可视化交互平台仿真流程,如图6所示。依托此平台,通过整合高校计算机组成原理课程,结合翻转课堂教学实施方案步骤与该网络课程特点需求,并以“翻转课堂”教学模式实施开展移动学习可视化实践教学,进一步促进和优化线上线下教学效能。

学生通过移动终端随时随地实现自主探究、小组合作、师生探讨等学习方式,历经翻转课堂的课前、课中、课后三大阶段对应的“提出疑惑—协助学习—总结评价”的知识补救,实现了三次知识内化,内化于心、外化于行、实化于效,在内化和外显中提升专业知识素养。最后,师生可以根据探讨、测验和作业评定等量化评分来反思和总结学习效果,实现移动学习可视化交互及增加用户粘性,提升学习实效。

在教学过程中,教师倡导课前要预习、准备与积极交流;提升课中时效、设计与实施;强调课后及时巩固、总结与评价。为了能上好每一堂课,教师应创设情境,营造气氛,实现师生间实时交互,及时查缺补漏,且根据学生反馈信息调整教学。最终,摸索出高效课堂的三个步骤:功在课前、效在课中、思在课后。教学期间自然融入课程思政,重点突出教学要点,力保课前、课中、课后三者并重,磨、练、讲、评一个不能少。这样,才能提高课堂实效。

5 总结

云技术与MR移动学习的深度融合,不仅实现学习环境和资源的云化,还立足教育云平台的设计,充分利用MR虚实叠加、实时交互及5G网络高速度、低时延的技术优势,营造出沉浸式学习体验从而提升用户粘性学习,对移动学习可视化交互过程进行全方位打造并提高学习实效。构建云计算环境下MR移动学习可视化交互平台,为高校教育云平台与移动学习的无缝衔接提供快速扩展和可复制的实现方案,拓展基于5G赋能云计算的MR教育研究视角,为推进校园信息化建设和实现MR移动学习可视化交互在教育领域中的应用起到融合创新及示范作用。