基于上下文感知的移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王羽瑩, 孫禮

(北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,北京,100876)

0 引言

近年來(lái),隨著移動(dòng)通信技術(shù)與移動(dòng)計(jì)算技術(shù)在教育領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,移動(dòng)學(xué)習(xí)備受關(guān)注。移動(dòng)學(xué)習(xí)是一種在移動(dòng)計(jì)算設(shè)備幫助下的能夠在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)發(fā)生的學(xué)習(xí),其所使用的移動(dòng)計(jì)算設(shè)備必須能夠有效的呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容并且提供教師與學(xué)習(xí)者之間的雙向交流[1]。傳統(tǒng)移動(dòng)學(xué)習(xí)有三種實(shí)現(xiàn)模式：基于短消息的移動(dòng)學(xué)習(xí)(SBML,SMS Based MLearning)、基于連接的移動(dòng)學(xué)習(xí)(CBML,Connect Based M-learning)、基于社會(huì)性軟件的移動(dòng)學(xué)習(xí)(SSBML,Social Software Based M-learning)。移動(dòng)學(xué)習(xí)遵循以學(xué)生為中心的個(gè)性化教學(xué)模式。這里關(guān)注的主要內(nèi)容是如何解決用戶(hù)的個(gè)體差異性,學(xué)習(xí)環(huán)境的多樣性及移動(dòng)設(shè)備在屏幕尺寸等方面存在的局限性這些問(wèn)題,從而構(gòu)建結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn),層次清楚的新型移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)。提出的系統(tǒng)將用戶(hù)的個(gè)人信息、學(xué)習(xí)經(jīng)歷、交互信息、設(shè)備信息等作為上下文,利用上下文感知技術(shù)為用戶(hù)構(gòu)建個(gè)性化的學(xué)習(xí)網(wǎng)站。

1 相關(guān)研究工作及發(fā)展

移動(dòng)學(xué)習(xí)領(lǐng)域與上下文感知領(lǐng)域在近年來(lái)逐步出現(xiàn)了融合。2000年 Guanling Chen等人總結(jié)并分析了現(xiàn)有的上下文感知移動(dòng)計(jì)算(CAMC,Context-Aware Mobile Computing)應(yīng)用,為上下文感知技術(shù)在移動(dòng)學(xué)習(xí)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)[2]。Yuan-Kai Wang等人于 2004年提出了上下文感知移動(dòng)學(xué)習(xí) (CAML,Context-Aware Mobile Learning)的概念及系統(tǒng)架構(gòu)雛形[3]。J Berri改進(jìn)了原有的 CMAL架構(gòu),將成熟的web架構(gòu)移植到移動(dòng)領(lǐng)域,利用 web中的感知技術(shù)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)學(xué)習(xí)中的上下文感知[4]。2008年 Ivan Ganchev提出了一種自適應(yīng)性的基于資源站的多代理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用資源站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),通過(guò)描述實(shí)體之間的具體交互說(shuō)明多種典型應(yīng)用場(chǎng)景[5]。近日Yoo-mi Park提出了一種可用于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中上下文感知服務(wù)的上下文模型[6],該模型可以改善本體在處理大量動(dòng)態(tài)信息時(shí)所帶來(lái)的開(kāi)銷(xiāo),為用戶(hù)提供更加高效的服務(wù)。

在前人的成果之上,通過(guò)對(duì)復(fù)雜學(xué)習(xí)環(huán)境中的上下文信息進(jìn)行本體建模,經(jīng)過(guò)一系列推理篩選,構(gòu)建適合于用戶(hù)及移動(dòng)終端訪(fǎng)問(wèn)的學(xué)習(xí)網(wǎng)站,為學(xué)習(xí)者提供了個(gè)性化的、自適應(yīng)的學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

2 基于上下文感知的移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

提出的系統(tǒng)從多個(gè)維度描述上下文信息,利用本體技術(shù)對(duì)上下文進(jìn)行建模,隨后交由上下文感知層,該層將提取出的能夠標(biāo)識(shí)學(xué)習(xí)對(duì)象的元數(shù)據(jù)提交給網(wǎng)站構(gòu)建模塊,該模塊負(fù)責(zé)向用戶(hù)呈現(xiàn)個(gè)智能的性化的學(xué)習(xí)網(wǎng)站。如圖 1所示,系統(tǒng)整體分為三層。

圖 1 移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)框架

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)層

數(shù)據(jù)庫(kù)采用 MySQL,主要負(fù)責(zé)儲(chǔ)存四個(gè)模塊的內(nèi)容。學(xué)習(xí)對(duì)象涵蓋了以元數(shù)據(jù)作為標(biāo)識(shí)的各類(lèi)學(xué)習(xí)元素[7],這些元素可以進(jìn)一步組成各類(lèi)學(xué)習(xí)資源。本體模塊運(yùn)用 XML語(yǔ)言對(duì)學(xué)習(xí)對(duì)象中所涉及到的各種概念及概念間的相互關(guān)系做出了規(guī)范化描述。用戶(hù)信息用于存儲(chǔ)用戶(hù)個(gè)人資料及學(xué)習(xí)經(jīng)歷等。移動(dòng)設(shè)備信息用于存儲(chǔ)設(shè)備的固有參數(shù),如聯(lián)網(wǎng)方式及屏幕尺寸等。

2.2 上下文處理層

該層是系統(tǒng)的主要邏輯層。為了能夠應(yīng)對(duì)復(fù)雜的學(xué)習(xí)環(huán)境,系統(tǒng)將上下文信息劃分為六個(gè)維度。用戶(hù)模型通過(guò)提取用戶(hù)信息構(gòu)建針對(duì)于該用戶(hù)的上下文;設(shè)備終端模型描述了設(shè)備的軟、硬件信息;學(xué)習(xí)內(nèi)容模型通過(guò)組合學(xué)習(xí)對(duì)象構(gòu)建個(gè)性化的學(xué)習(xí)內(nèi)容;連接模式模型描述了終端訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的具體方式;測(cè)試模型描述用戶(hù)完成測(cè)試所得分?jǐn)?shù);關(guān)系模型維系著以上五個(gè)模型之間的邏輯關(guān)系。

上下文管理模塊分析并處理六個(gè)維度的上下文信息。用戶(hù)登陸系統(tǒng)后,設(shè)備連接信息與用戶(hù)輸入的個(gè)人信息由上下文采集模塊傳送至上下文構(gòu)建模塊及推理模塊。在本體管理與元數(shù)據(jù)模塊的協(xié)助下,這些初始上下文信息被規(guī)范化,并推理出適合于該用戶(hù)的學(xué)習(xí)資源,摒棄無(wú)關(guān)內(nèi)容。隨后經(jīng)過(guò)上下文排序模塊的處理,系統(tǒng)將這些經(jīng)過(guò)刪減的,排列有序的并帶有設(shè)備連接信息的學(xué)習(xí)資源輸出給網(wǎng)站構(gòu)建模塊。同時(shí)系統(tǒng)會(huì)定時(shí)向用戶(hù) PUSH相關(guān)測(cè)試,以分?jǐn)?shù)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)下一次呈現(xiàn)給用戶(hù)的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整。

2.3 網(wǎng)站構(gòu)建層

WAP網(wǎng)站的開(kāi)發(fā)與 WEB網(wǎng)站的開(kāi)發(fā)具有極大的相似性。WAP2.0提供對(duì)TCP和 HTTP協(xié)議的支持及適合于無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境的、可互操作的優(yōu)化方案。手機(jī)客戶(hù)端通過(guò) GPRS或 3G網(wǎng)絡(luò)接入,經(jīng)過(guò) WAP網(wǎng)關(guān)就可以直接接入 Internet。WAP網(wǎng)站采用 XHTML MP和CSS的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開(kāi)發(fā),WEB網(wǎng)站采用XHTML和CSS的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。利用上下文處理層提供的移動(dòng)設(shè)備連接信息,網(wǎng)站構(gòu)建模塊為不同的接入方式構(gòu)建不同的網(wǎng)站。最終將個(gè)性化的內(nèi)容呈現(xiàn)給用戶(hù),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的個(gè)性化及智能化。

3 上下文建模

本系統(tǒng)的核心是上下文感知處理層,而對(duì)上下文信息進(jìn)行處理的重要步驟之一是對(duì)上下文進(jìn)行建模。系統(tǒng)利用基于本體的建模方式對(duì)六個(gè)維度的上下文進(jìn)行建模。本體是研究者針對(duì)某一領(lǐng)域所建立的一張公用表,該表描述了領(lǐng)域中的基本概念及概念之間的相互關(guān)系[8]。本體的使用使得上下文信息共享成為可能,它具備顯示語(yǔ)義表示能力,方便推理引擎進(jìn)行推理工作。Web本體語(yǔ)言O(shè)WL可以充分滿(mǎn)足本體建模的需求。本系統(tǒng)采用了 Protégé作為最直觀(guān)的本體建模工具[9]。在建模之前,對(duì)六個(gè)維度的上下文信息進(jìn)行分類(lèi)細(xì)化。每個(gè)維度的信息可以劃分成多個(gè)更加具體的上下文信息基本元素,如圖 2所示。

圖 2 上下文的層次分類(lèi)

對(duì)上下文信息進(jìn)行分類(lèi)細(xì)化的優(yōu)勢(shì)在于它使得上下文結(jié)構(gòu)更加的清晰,有利于上下文的采集及處理。將由傳感器或其他模型得到的原始數(shù)據(jù)作為上下文基本元素。系統(tǒng)融合與整理這些分散基本元素,將它們組成有意義的可共享的上下文。

圖3從縱向描述了上下文感知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。在構(gòu)建系統(tǒng)時(shí),需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自頂向下的分析,篩選歸納出所有對(duì)系統(tǒng)行為和用戶(hù)使用產(chǎn)生影響的因素,將其作為系統(tǒng)中的上下文信息。而后將每個(gè)上下文分解為若干語(yǔ)義成分,建立上下文知識(shí)庫(kù),并確定需要哪些傳感器作為這些語(yǔ)義成分的載體。經(jīng)過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)的獲取和處理,系統(tǒng)中的上下文以上下文元素的形式存在。這些元素由融合整理模塊按照知識(shí)庫(kù)中的信息進(jìn)行融合,上下文管理模塊與上層應(yīng)用保持通信。系統(tǒng)設(shè)有專(zhuān)門(mén)的存儲(chǔ)空間對(duì)上下文信息進(jìn)行保存,這些上下文的歷史記錄和用戶(hù)與高層交互的反饋信息相結(jié)合,構(gòu)成了知識(shí)庫(kù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和調(diào)整的依據(jù)。

圖 3 上下文感知系統(tǒng)

4 傳統(tǒng)移動(dòng)學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)模式

完成了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)與上下文建模之后,還需要為該系統(tǒng)選取一個(gè)可行的實(shí)現(xiàn)模式。第二代移動(dòng)通信網(wǎng) GSM、GPRS提供面向字符的短消息服務(wù),SBML模式通過(guò)短消息實(shí)現(xiàn)用戶(hù)間或用戶(hù)與互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器之間有限字符的通信。隨著 3G技術(shù)的推出,面向?yàn)g覽器的移動(dòng)設(shè)備得到廣泛的推廣,以第三代移動(dòng)設(shè)備(手機(jī)、PDA、手提電腦等)為主的移動(dòng)學(xué)習(xí)既 CBML模式在方便性及服務(wù)質(zhì)量上帶來(lái)了空前的變化。移動(dòng)設(shè)備自身功能的擴(kuò)展及 3G技術(shù)的發(fā)展加速了 SSBML模式的形成。

如表 1所示,CBML模式比 SBML模式擁有更為豐富的學(xué)習(xí)內(nèi)容及內(nèi)容含量,SBML的學(xué)習(xí)模式較為單一。在各大運(yùn)營(yíng)商極力下調(diào)流量費(fèi)用的今天,CBML模式在資費(fèi)方面必將處于優(yōu)勢(shì)地位。與 SSBML模式相比,CBML模式在學(xué)習(xí)內(nèi)容及后臺(tái)管理方面更具規(guī)范性和指導(dǎo)性。由于在SSBML模式中信息的提供者是用戶(hù)個(gè)人,從而難免會(huì)出現(xiàn)內(nèi)容不專(zhuān)業(yè)、格式不規(guī)范等問(wèn)題。不利于后臺(tái)對(duì)信息的管理及系統(tǒng)對(duì)上下文信息的獲取及處理。綜上所述,CBML模式是構(gòu)建本系統(tǒng)的最佳選擇。

表 1 三種傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模式比較

5 連接模式下的系統(tǒng)部署框架

基于CBML模式,采用 B/S架構(gòu)部署整個(gè)移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)。相對(duì)于C/S架構(gòu)而言,B/S架構(gòu)中的用戶(hù)工作界面是通過(guò)瀏覽器來(lái)呈現(xiàn)的,極少部分事務(wù)邏輯在前端(Browser)實(shí)現(xiàn),主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端(Server)實(shí)現(xiàn)。因此客戶(hù)端只需安裝瀏覽器就可以實(shí)現(xiàn)全部操作,對(duì)終端的計(jì)算能力要求較低。并且具有維護(hù)和升級(jí)方式簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。圖 4描述了該系統(tǒng)的部署框架。

圖 4 系統(tǒng)部署框架

通過(guò)WAP上網(wǎng)的手機(jī)用戶(hù)發(fā)出 URL請(qǐng)求后,移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(GSM、CDMA、3G等)通過(guò)本地服務(wù)提供商(ISP,Internet Service Provider)連接至WAP網(wǎng)關(guān)。WAP網(wǎng)關(guān)為該請(qǐng)求創(chuàng)建常規(guī)的 HTTP請(qǐng)求,從而實(shí)現(xiàn) WAP協(xié)議與 HTTP協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換,并將該請(qǐng)求發(fā)送至目標(biāo)服務(wù)器。服務(wù)器將處理后的信息按原路返回給手機(jī)終端,登陸頁(yè)面便呈現(xiàn)給用戶(hù)。用戶(hù)填寫(xiě)相應(yīng)的個(gè)人及設(shè)備信息,經(jīng)歷相同過(guò)程將信息傳送至目標(biāo)服務(wù)器。系統(tǒng)利用這些初始的上下文信息啟動(dòng)上下文感知中間件,調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)數(shù)據(jù),構(gòu)建 WAP學(xué)習(xí)網(wǎng)站。最終呈現(xiàn)給用戶(hù)一個(gè)有序的、符合用戶(hù)自身特點(diǎn)的、符合設(shè)備特性的學(xué)習(xí)資源列表。

通過(guò) WiFi、WiMAX上網(wǎng)的移動(dòng)終端用戶(hù)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)學(xué)習(xí)的流程與上述過(guò)程相似,系統(tǒng)為其構(gòu)建 WEB學(xué)習(xí)網(wǎng)站。教師也可以通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)方式向訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器,查詢(xún)學(xué)生學(xué)習(xí)情況,上傳學(xué)習(xí)資料。服務(wù)器對(duì)各種學(xué)習(xí)資料進(jìn)行分類(lèi)管理和儲(chǔ)存。

6 結(jié)語(yǔ)

移動(dòng)學(xué)習(xí)作為第四代教育模式已成為未來(lái)教育技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的新方向。上下文感知是提高人機(jī)交互智能性的重要途徑。在移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)中充分利用上下文感知技術(shù),增強(qiáng)系統(tǒng)的智能化與個(gè)性化,從而更好的提高學(xué)習(xí)效率是主要工作。提出了一種基于上下文感知的新型移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)。通過(guò)在語(yǔ)義層面對(duì)學(xué)習(xí)環(huán)境中的上下文信息的處理,利用目前流行的開(kāi)源WEB及 WAP2.0技術(shù)構(gòu)建適合于不同用戶(hù)的學(xué)習(xí)網(wǎng)站。提出了系統(tǒng)框架及部署方案。當(dāng)然,所述在該方面的研究還比較粗淺,系統(tǒng)的合理性及有效性還有待驗(yàn)證。今后需要完成的主要工作是實(shí)現(xiàn)該移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng),在實(shí)際環(huán)境中使用測(cè)試該系統(tǒng)。

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