基于智能移动设备的学习平台设计与实现

徐军纪, 刘 伟

(1.陕西工业职业技术学院机械工程学院，陕西 西安 710064)(2.长安大学机械工程学院，陕西 西安 710064)

目前，高等教育在社会经济发展中起着重要的作用。据统计，从1949年到2019年，我国在校大学生人数增加了490倍，2019年在校大学生人数突破4 000万，如此庞大的学生人数导致教师和学生之间缺乏交流、互动。对教师来说，很难去关注数以百计的学生，更不可能关注未在课堂上提问或给出反馈的学生。多媒体教育软件由于其扩展性和使用的便捷性，是当前移动教育的新趋势[1]。由于多媒体移动学习应用的弹性，大学和教育机构正试图开发不同的移动学习解决方案来支持不同的课程。移动学习不仅提高了学生学习新课程的兴趣和动力，还能使教学从基于课堂的学习转变为协作学习[2]。

此外，移动设备和无线网络技术也在不断发展，这些技术的发展使得电子学习扩展到移动学习成为可能。如用敏捷模型构建的多媒体移动学习系统，就被用于我国的高等教育[3]。在构建多媒体移动学习系统时采用敏捷模型，可以保证系统的可靠性、可持续性和高质量[4]，该模型可以增强用户界面设计和用户体验，增强系统使用的可持续性，创造一个不断重新划分优先级的机会，并细化系统功能以满足学生的需求。

本文探讨多媒体移动学习系统的设计与实现，旨在为学生数较多班级中的教师和学生提供支持，以简化在大学课程学习中使用移动设备的过程。

1 移动学习的现状研究

1.1 移动学习

移动学习可以是通过移动技术进行的任何教育交互。早期的定义认为移动学习就是简单地使用手持设备来支持的学习[5]。也有研究认为，移动学习是安装在移动设备上的应用程序，用于检查不同类型的学习资源[6]，与其他学生交流、分享学习经验，共同解决问题。广义上，移动学习不仅仅是使用移动设备来支持学习，还包括了教师、学生、环境、学习理论以及任何人、任何地点、任何时间所有可能发生的学习行为。使用移动设备学习的核心好处是，它允许学生在合适的时间出现在合适的地方，因此无论身在何处，学生都可以在真实的学习环境中获得经验。

1.2 协作学习

协作学习是两个或两个以上的学生一起学习的一种学习方式[7]。与个体学习不同，学生们依靠彼此的技能和资源(相互询问信息、监督彼此的工作、评估彼此的想法等)共同协作学习。具体来说，在协作学习中，知识可以在大量的个体中创建，其中成员通过共享经验和想法进行积极的交互。协作学习是指学生共同参与一项共同任务的环境和方法。通过相互交流和互动，学生可以扩展自己的个人知识，分享观点、见解。

1.3 基于场景的学习

基于场景的学习将电子学习和基于问题的学习混合在一起。这是一种数字学习模式，它通过设置积极的互动场景来进行学习。好的场景可以帮助学生想象所学知识和概念的实际应用。基于场景的学习将学生置于学习环境的中心,学生可以在场景中参加许多不同的活动，并且可以控制自己的学习过程。

1.4 高等教育中的移动学习解决方案

高等教育的移动学习解决方案应该支持有意义的学习，并为学生学习提供动力。文献[8]认为，为学习而设计的移动应用程序供应不足。一项关于计算机科学教育中移动学习趋势的调查显示，移动学习可以增加学生的情感特征。现在已经有各种各样的移动学习解决方案，包括高等教育中的商业解决方案。文献[9]提出了一个基于Android的移动学习应用程序来支持Java编程的学习。该文献指出，移动学习作为一种新方法，可以提供机会来最小化学习编程的困难。但是，缺点是它是针对特定编程语言的应用程序，不支持其他编程语言，并且不支持学习者之间的协作，被认为是自学习应用，缺乏教师和学生之间的交流。文献[10]开发了一个Android应用程序，支持排序算法学习。文献[11]在移动端实现了一个微讲座系统，该系统可以帮助学生查看视频和其他微课程资源。然而，该系统缺乏学习者之间的协作活动。此外，通过微课学习后，也没有小测验来测试学生的技能。

2 基于敏捷方法的多媒体移动学习系统设计

本文提出的移动学习应用的主要实际要求是能够随时支持大量学习者的学习和参与。学习者参与移动学习的一个方法是使用移动通信功能，如论坛、公告、通知等。所有这些功能都可以通过多媒体移动学习系统进行访问，从而创建对信息的按需访问[12]。多媒体移动学习应用还支持讲座资料的上传,可以帮助学习者获得不同格式的学习材料，如pdf、电子书和视频等。学生在多媒体移动学习系统里可以查看公告，进入讨论论坛，解决适应性场景测试，并接收通知。图1显示了使用不同Web服务的移动学习框架。该框架侧重于为学生提供协作性的情景学习[13]。

图1 移动学习框架

本文提出的移动学习框架包括5个部分：1)移动设备(用户基础设施)；2)移动应用程序(安装在移动设备上)；3)移动中间件；4)无线网络基础设施(5G/4G/WiFi)；5)后端系统数据库服务器和Web服务器(主机用户数据库、数据库课程、材料、问题数据库和服务)。

1)用户基础设施。

该基础设施框架除了支持电脑访问连接到多媒体移动学习系统的Web应用外，还支持iPhone和iPad等移动设备。

2)移动应用程序。

安装在移动设备上的移动应用程序具有引人注目且独特的用户界面，可以帮助学习者调用与移动学习场景相关的不同服务。该应用程序开发为在线模式，可以通过WiFi等无线网络或5G/4G等移动网络连接到后端服务器。应用程序是基于模块化结构设计的，每个模块与其他模块一起工作，以提供所需的功能。该应用程序支持多种数据，如音频、视频、电子书、pdf文件和其他文件格式。

3)移动中间件。

该中间件使用model view controller (MVC) Web API构建，用于使用JavaScript对象表示法(JSON)提供的Web服务。移动中间件接收来自移动客户端的请求，并将此请求转换为Web服务，以便通过Internet连接从后端服务器获取内容。从后端服务器收集的原始数据根据请求它的移动设备配置文件进行格式化[14]，然后将格式化的内容以一种可呈现的方式发送回调用它的移动应用程序，如图2所示。

图2 中间件连接

4)网络基础设施。

移动设备大多使用家庭网络或大学里的无线网络连接。学生们通过WiFi连接从移动设备发送请求，也可以通过5G/4G移动网络连接移动设备。

5)后端系统。

后端系统可以与其他服务器集成，如身份验证服务器、视频服务器、邮件服务器或使用中间件作为服务向移动用户提供请求数据的任何其他服务器。

多媒体移动学习系统利用Web和数据库服务器在所有移动设备之间共享数据和资源[15]，并利用管理子系统在其中进行所有用于协作学习和基于场景学习的活动。

多媒体移动学习系统的物理结构由学习中心、Web应用、仪表板、桌面应用和服务器组成。学习中心是多媒体移动学习系统的核心，其代表了连接所有系统组件的中心单元。学习中心由4个主要模块组成，以实现图3所示的不同功能。基于场景的学习以场景测试的形式访问不同的智能自适应级别问题。合作讨论区支持学生和教师之间的合作讨论，学生可以分享想法或问题，其他学生可以互相问答，教师可以向学生提供帮助或从学生的回答中选择正确的答案并标记。此外，学生如果想要将问题添加到问题库中，可以向教师提出申请，此功能可以帮助学生参与到教育过程中。通知和公告区域提供即将到来的活动和事件的更新。

图3 系统的结构与功能

2.1 敏捷信息系统和软件开发

敏捷开发以用户的需求进化为核心，采用迭代、循序渐进的方法进行软件开发。敏捷是基于迭代和增量的方法，敏捷方法不是在项目的开始就进行深入的规划，而是对需求变化持开放态度，并从最终用户和利益相关者处获得反馈。每次迭代的目标是产生一个可以正常工作的原型。敏捷开发是一种能应对快速变化需求的软件开发能力。

2.2 采用敏捷方法开发多媒体移动学习系统

图4展示了如何在多媒体移动学习系统中实现敏捷方法，其中，需求随着迭代而变化。快速反馈对于帮助团队考虑结果并提供解决方案非常重要。测试允许对可部署原型的发布进行持续改进。

图4 敏捷方法在移动学习系统中的应用

3 多媒体移动学习系统的实施

多媒体移动学习系统管理员负责设置课程和管理用户。教师注册为新用户并进行身份验证后，可以设置他/她的配置文件并选择课程。之后，教师可以通过Windows应用程序上传学习资源，也可以将问题和答案添加到问题库中，用于解决基于场景的问题。通过仪表板Web应用程序，教师可以编写和发送通知，查看学生的测验成绩，批准将学生的问题添加到问题库，并阅读来自学生的反馈消息。通过移动应用程序，教师可以通过选择正确的问题答案来与学生互动，还可以查看希望将其问题添加到问题库中的学生标志。如果教师看到新的独特问题，可以通过添加最多4个答案并将其发送到问题库，作为测试题目。学生进入移动学习平台同样需要获得认证。认证是强制性的，以保护教师和学生的作品、版权、隐私和身份。用户可以更改自己登录系统的密码。

本文提出的系统具有足够的适应性来感知学生的技能。若学生正确地回答了大部分问题，系统就会弹出消息询问学生是否想回答更高级别的问题，或者是停留在同一级别。事实上，增加这一功能将会吸引许多对低水平感到厌烦的学生。移动学习系统设置了内容模块、提问模块、通知模块以及基于场景的模块。通过内容模块，学生可以先选择课程，然后查看教师的教学资料。提问模块支持学生的团队协作，每个学生都可以提出问题，其他学生也都可以回答，教师可以参与互动并将正确答案标记为正确，以便其余学生知道正确答案。学生的问题不能直接添加到问题库中，需要教师的批准。教师在仪表板Web应用程序中接收和查看问题，然后决定是否添加到问题库中。通知模块负责传递关于课程活动、讲座时间和其他新闻的信息。多媒体移动学习系统是一个包罗万象的系统，它为大量的学生提供了协作和混合学习的支持。

4 多媒体移动学习系统的潜在影响和效果

本文提出的多媒体移动学习系统可以帮助学生和教师互相交流，可以使学生很容易地访问学习材料，帮助学生参加考试并适应教育过程。此外，系统还可以通过改变难度来适应学习者的水平，通过讨论和协作解决学习者学习过程中遇到的问题。

为了评估多媒体移动学习系统的使用效果，组织了一项实验。实验中，多媒体移动学习系统被用作管理课程的技术工具，支持学生的学习体验和参与。实验的参与者是由同一名教师教导的100名学生。这些学生在学习了C#编程课程的基本编程知识后，参与者被随机分为两组(实验组和对照组)，用两种不同的教学方式授课。实验组采用本文提出的多媒体移动学习系统，对照组采用传统的面对面教学方式。

为了检验使用多媒体移动学习系统后学生的学习成绩是否有提高，需要对测试前和测试后的数据进行分析。测试前通过独立的测验检查每组成员关于C#编程的基本知识水平，初步结果表明，这两组学生的水平是相当的，如图5所示。实验组的预测成绩均值M=18.560 0，标准差SD=1.763 11；对照组的预测成绩均值M=18.600 0，标准差SD=1.603 57。对照组与实验组学生报告的预测结果差异无统计学意义，意味着两个组在课程开始时具有相同的知识水平。一个月后的测试成绩表明，实验组学生的平均学习成绩明显优于对照组(实验组成绩均值M=48.120 0,方差SD=1.661 57；对照组均值M=43.560 0,方差SD=3.084 92)。这说明多媒体移动学习系统的使用有助于提高学生的成绩，如图6所示。

图5 测试前结果对比

图6 测试后结果对比

5 结束语

国内大专院校每年都面临着学生人数过多的问题，导致很多任课教师没有精力去关注未在课堂上提问或给出反馈的学生。由于在教师和学生之间缺乏适当的沟通，教师难以全面掌握课程教学效果。鉴于此，本文提出了基于智能移动设备的多媒体移动学习系统。该系统基于敏捷方法，支持不同功能的混合和协作学习，能帮助学习者轻松、高效地与课程材料进行交互。同时，该系统可以通过调整课程来满足学生的学习时间和生活情况，提供了比传统教育方法更好的解决方案。使用本文提出的多媒体移动学习系统，学生和教师还可以交换学习材料或信息。此外，所有的课程材料都可以通过移动应用程序找到，学习使用的材料成本显著降低。