戶外地理移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

鐘正，胡鵬，張曉露，周東波

(華中師范大學(xué)國家數(shù)字化學(xué)習(xí)工程技術(shù)研究中心，湖北武漢 430079)

戶外地理移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

鐘正?，胡鵬，張曉露，周東波

(華中師范大學(xué)國家數(shù)字化學(xué)習(xí)工程技術(shù)研究中心，湖北武漢 430079)

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，移動學(xué)習(xí)和泛在學(xué)習(xí)正成為新的學(xué)習(xí)趨勢。針對中小學(xué)戶外教學(xué)的需求，設(shè)計并開發(fā)一個以問題為導(dǎo)向的地理移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)，具備地圖導(dǎo)覽、路線導(dǎo)航、在線學(xué)習(xí)、成果上傳等功能，同時利用LBS實現(xiàn)戶外教學(xué)過程中學(xué)生位置的實時監(jiān)控，可滿足教學(xué)過程中安全需要。最后，以“武漢市東湖風(fēng)景區(qū)自然地理學(xué)習(xí)”為例，展示戶外探究學(xué)習(xí)的過程。

移動學(xué)習(xí)；LBS；戶外地理教學(xué)；基于問題的學(xué)習(xí)

1 引 言

戶外教學(xué)是學(xué)校正規(guī)課程和環(huán)境教育的媒介，讓學(xué)生運用相關(guān)知識來理解地理現(xiàn)象、培養(yǎng)自身的地理素養(yǎng)與技能[1]。戶外教學(xué)環(huán)境存在著場地的開放性、學(xué)生分散程度、教師隨隊人數(shù)不足等不利因素，導(dǎo)致產(chǎn)生一些無法預(yù)期的教學(xué)情境，影響戶外教學(xué)的效果。通過移動設(shè)備(智能手機、平板電腦)進行移動學(xué)習(xí)，可克服時空限制，協(xié)助學(xué)生開展個性化學(xué)習(xí)[2]，已出現(xiàn)一系列的移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)，根據(jù)學(xué)習(xí)者位置提供對應(yīng)的服務(wù)及信息[3～7]。這些系統(tǒng)均是根據(jù)戶外學(xué)習(xí)模式的通用特征構(gòu)建，大多利用RFID(Radio Frequency IDenfication)或二維碼(Quick Response，QR)標(biāo)簽來感應(yīng)、掃描以識別數(shù)據(jù)，但僅限于固定數(shù)據(jù)的接受，師生無法參與任務(wù)編輯，構(gòu)建成本較高。充分利用當(dāng)前移動GIS的發(fā)展，本文采用百度地圖移動開發(fā)包，設(shè)計并開發(fā)一款面向中小學(xué)的戶外移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)，不僅具有通用地圖顯示功能、POI查詢、學(xué)習(xí)路線導(dǎo)航、相關(guān)知識學(xué)習(xí)等功能；而且允許教師設(shè)定教學(xué)任務(wù)。為保證戶外教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生安全，結(jié)合移動監(jiān)控與定位技術(shù)，教師端能夠?qū)崟r監(jiān)測學(xué)生位置及其活動范圍。

2 系統(tǒng)設(shè)計

戶外教學(xué)必須具備明確的主題、場地，教學(xué)過程中必須保證學(xué)生的安全，才能達到戶外教學(xué)目標(biāo)。本系統(tǒng)共包含三種角色，即管理員、教師和學(xué)生。教師或管理員可以設(shè)定和更新教學(xué)路線、學(xué)習(xí)內(nèi)容與主題。教學(xué)過程中，系統(tǒng)還具有監(jiān)控功能，實時監(jiān)測學(xué)生的活動范圍。

系統(tǒng)共包含三層，即:用戶層、業(yè)務(wù)邏輯層以及數(shù)據(jù)服務(wù)層，支持多客戶端并發(fā)訪問數(shù)據(jù)庫，其架構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

遵循模塊化設(shè)計原則，根據(jù)戶外地理教學(xué)的需求，系統(tǒng)劃分為四大功能模塊:地圖顯示模塊、知識學(xué)習(xí)模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和監(jiān)控模塊。其中，地圖顯示模塊主要用于基本地圖操縱功能，包括地圖顯示、模式切換、放大或縮小、標(biāo)注景點和活動，通過觸摸或點擊POI(Point of Interest，興趣點)，可以獲得其位置、文字、圖片、用戶評價等信息；知識學(xué)習(xí)模塊主要包含戶外教學(xué)中，教學(xué)知識點與教學(xué)內(nèi)容的查詢，并能實時分享個人學(xué)習(xí)成果，師生之間實時互動；數(shù)據(jù)管理模塊主要包括學(xué)習(xí)資料上傳和下載、拍照功能，可將所拍照片上傳到服務(wù)器端；監(jiān)控模塊主要包括GPS定位、路徑規(guī)劃及查詢、學(xué)生活動范圍設(shè)定、事務(wù)提醒，利用GPS定位技術(shù)確定學(xué)生位置，如若超出設(shè)定的活動范圍，可通過事務(wù)提醒功能發(fā)送提示消息，約束學(xué)生行為，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能設(shè)計

3 主要功能模塊實現(xiàn)及關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)采用Apache Tomcat作為服務(wù)器，利用JQuery Mobile開發(fā)系統(tǒng)頁面、MySQL作為數(shù)據(jù)庫平臺，存放文本、圖片、地理信息等數(shù)據(jù)。采用百度地圖作為地圖服務(wù)器，可標(biāo)注教學(xué)信息的POI、不同形態(tài)地圖的切換、展示功能控制等。教師通過該系統(tǒng)可添加相關(guān)知識信息，并能監(jiān)控學(xué)生活動，對不在設(shè)定范圍內(nèi)的學(xué)生發(fā)送提示或警告信息。

3.1 地圖顯示模塊

地圖是地理信息的重要載體，利用百度地圖移動SDK，定制百度地圖服務(wù)及LBS功能，譬如，圖3(a)和(d)展示線劃圖、衛(wèi)星圖；可對地圖進行平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等操縱操作；如圖3(b)所示，可選擇感興趣的POI，展示在地圖上，如選擇梨園、海洋世界、瀕湖畫廊等興趣點，圖3(c)中將會顯示這些興趣點。

圖3 地圖顯示模塊

3.2 監(jiān)控模塊

通過定時更新監(jiān)控頁面，教師可查看學(xué)生分布情形與移動狀況，從而監(jiān)測學(xué)生所在位置。圖4上半部分的列表展示了學(xué)生的編號、姓名、權(quán)限、經(jīng)緯度、更新時間等；下半部分顯示地理底圖及學(xué)生實時位置。如果學(xué)生數(shù)量增加，可利用查詢功能，查看學(xué)生資料，進而快速確定學(xué)生所在位置。教師通過設(shè)定活動范圍(如圖5所示)，標(biāo)記學(xué)生位置，若是超出設(shè)定的活動范圍，系統(tǒng)將發(fā)送警示信息，提醒教師注意學(xué)生動態(tài)，從而保證學(xué)生的安全。

圖4 學(xué)生分布情況

圖5 活動范圍設(shè)定

3.3 服務(wù)器模塊

服務(wù)器端主要負責(zé)戶外教學(xué)資源的增加、修改、刪除等管理功能，客戶端通過向其發(fā)送請求可與其建立聯(lián)系。服務(wù)器端的實現(xiàn)方案有多種，本系統(tǒng)使用Tomcat作為Web服務(wù)器，利用Java EE分層結(jié)構(gòu)，分為視圖層、控制器層、業(yè)務(wù)邏輯層和DAO層。分層體系將業(yè)務(wù)規(guī)則、數(shù)據(jù)訪問等工作放到中間層處理，客戶端不直接與數(shù)據(jù)庫交互，通過控制器與中間層建立連接，再由中間層與數(shù)據(jù)庫交互，中間層采用JSP+Servlet實現(xiàn)，數(shù)據(jù)存放在MySQL數(shù)據(jù)庫中。

3.4 關(guān)鍵技術(shù)

(1)基于位置的服務(wù)(Location Based Service，LBS)

基于位置的服務(wù)，是指通過電信運營商的無線通訊網(wǎng)絡(luò)或外部定位方式，獲取移動終端用戶的位置信息，為用戶提供相應(yīng)服務(wù)的一種增值業(yè)務(wù)。系統(tǒng)利用LBS確定學(xué)生所在的地理位置，然后再尋找相應(yīng)范圍內(nèi)具有地圖標(biāo)記點信息，以供學(xué)生瀏覽，為學(xué)生提供與位置相關(guān)的各類信息服務(wù)。

(2)移動監(jiān)控

利用LBS可以實現(xiàn)對學(xué)生位置實時監(jiān)控，通過內(nèi)置在移動終端中的GPS裝置，實時上傳位置信息，并將該信息標(biāo)注在地圖上，教師或者管理者可在地圖上查看學(xué)生的位置信息，通過點擊標(biāo)記的位置點獲得學(xué)生詳細信息，進而達到監(jiān)控學(xué)生的目的。系統(tǒng)通過移動終端來進行位置感知。

4 系統(tǒng)戶外教學(xué)應(yīng)用

為驗證系統(tǒng)可行性，依據(jù)教學(xué)計劃，在武漢市某中學(xué)開設(shè)自然地理戶外教學(xué)活動。實習(xí)地點為武漢市東湖磨山景區(qū)，目的是讓學(xué)生從熟悉環(huán)境中獲取鄉(xiāng)土地理知識。實習(xí)時間為八年級第二學(xué)期4月份，通過老師講解、發(fā)布任務(wù)等以及學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)等途徑，訓(xùn)練學(xué)生地圖使用能力、方位辨別能力，并對東湖植物分布、水文、土壤、氣候等自然地理情況進行實地考察，提高學(xué)生在自然地理方面的探究能力。筆者從植物地理考察學(xué)習(xí)入手，將本系統(tǒng)在具體學(xué)習(xí)過程中的應(yīng)用作簡單介紹。

4.1 戶外教學(xué)準(zhǔn)備

在活動開展前，教師在后臺數(shù)據(jù)庫中編輯任務(wù)數(shù)據(jù)、標(biāo)識地理標(biāo)簽并完成對學(xué)生分組，并在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布，學(xué)生可提前登錄系統(tǒng)進行在線學(xué)習(xí)。戶外地理教學(xué)路線是從磨山景區(qū)南門出發(fā)，由于景區(qū)內(nèi)植物分布比較分散，因此沒有既定的路線，設(shè)定的主要實習(xí)地點有:梅園、櫻花園、水生花卉園、友誼桂花林、朱碑亭等。各實習(xí)點作為POI標(biāo)記在地圖中，學(xué)生可在系統(tǒng)中查詢各實習(xí)點詳細信息(系統(tǒng)具有多窗口查看功能，如圖6(c)所示)，從而提前熟悉學(xué)習(xí)地點周邊環(huán)境。

4.2 戶外教學(xué)過程

(1)教師任務(wù)發(fā)布

教師通過系統(tǒng)發(fā)布任務(wù)消息，學(xué)生接到任務(wù)提醒，查看相應(yīng)任務(wù)，譬如教師發(fā)布的任務(wù)為到達櫻花園所在地，學(xué)生接到任務(wù)后，在系統(tǒng)中將磨山景區(qū)南門設(shè)置為起始地點，櫻花園設(shè)置為終點，系統(tǒng)將會在地圖中繪制路線，如圖6(a)和圖6(b)所示。到達指定地點后學(xué)生通過GPS定位功能反饋位置信息，教師接收到各個學(xué)生的位置信息，可對學(xué)生活動范圍實時監(jiān)控。

(2)實習(xí)記錄

到達各個設(shè)有任務(wù)的地點，學(xué)生可點擊移動終端地圖上的POI點，獲取對應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)，教師也可通過系統(tǒng)，將新的任務(wù)以消息的模式推送給各個學(xué)生。譬如櫻園任務(wù):考察櫻花樹的形態(tài)特征、櫻花的花瓣形態(tài)、園內(nèi)櫻花品種等，記錄櫻花名稱、地點、科屬特征，將相關(guān)結(jié)果上傳到服務(wù)器。系統(tǒng)均以任務(wù)方式，引導(dǎo)學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)，尋找問題解決方法。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，遇到任何教學(xué)問題或者想法，都可借助系統(tǒng)中的學(xué)習(xí)反饋功能提交給教師(功能如圖6(d)所示)，教師可及時給學(xué)生以幫助。

(3)自主學(xué)習(xí)

教師發(fā)布的教學(xué)任務(wù)僅是戶外學(xué)習(xí)的一部分，主要針對園內(nèi)大部分常見植物。同學(xué)們可以對照景區(qū)植物顯示牌以及訪問系統(tǒng)知識庫自行學(xué)習(xí)。在實習(xí)過程中善于思考和勤于發(fā)問的學(xué)生往往會有豐富地收獲，學(xué)生利用系統(tǒng)中的地圖顯示功能、POI查詢、路線導(dǎo)航等功能自主探究學(xué)習(xí)。

(4)成果分享階段

學(xué)生可利用系統(tǒng)中的成果分享功能將學(xué)習(xí)成果與他人分享，例如將拍攝的圖片或者手繪的櫻花園地理位置圖片上傳至服務(wù)器，系統(tǒng)將圖片存儲進成果資料庫中，供其他同學(xué)瀏覽學(xué)習(xí)。

(5)結(jié)果檢測階段

學(xué)生完成戶外學(xué)習(xí)任務(wù)后，一方面要將任務(wù)報告提交到成果數(shù)據(jù)庫中，圖6(f)表示教師瀏覽學(xué)生作業(yè)，即可查看戶外教學(xué)情況；另一方面要對學(xué)生進行在線測驗，系統(tǒng)多以客觀題(如填空題、選擇題)方式設(shè)置與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的題目，對學(xué)生戶外學(xué)習(xí)情況進行測評，并能自動評分，在線測試形式如圖6(e)所示。

圖6 用戶端效果圖

5 結(jié) 論

戶外地理教學(xué)是一種開放性的探究性學(xué)習(xí)，教學(xué)內(nèi)容具有很大的自由度，本文設(shè)計并構(gòu)建一個戶外地理移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)，以“武漢市東湖景區(qū)自然地理學(xué)習(xí)”為例，進行戶外教學(xué)實驗，應(yīng)用表明該系統(tǒng)能夠充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生之間的協(xié)同創(chuàng)新能力；移動監(jiān)控功能可令教師或者管理者在地圖上監(jiān)測學(xué)生實時所處位置，通過設(shè)定活動范圍，可達到約束學(xué)生行動的目的。

[1] 教育部基礎(chǔ)教育司地理課程標(biāo)準(zhǔn)研制組.地理課程標(biāo)準(zhǔn)解讀(實驗稿)[R].

[2] Aleksander Dye.Mobile Education-A Glance at The Future [DB/OL].http://www.nettskolen.com/forskning/mobile_ edu-cation.pdf，2001-10-04.

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Design and Realization of Outdoor Geography M obile Learning System

Zhong Zheng，Hu Peng，Zhang Xiaolu，Zhou Dongbo
(National Engineering Research Center for E-Learning，Central China Normal University，Wuhan 430079，China)

With the wide application of Mobile Internet，Mobile learning and Ubiquitous learning is a new trend.In order tomeet the requirement of outdoor fieldwork for primary and secondary schools，the paper designed and realize a Geographic M-learning system based on the problem，which providemany functionality，such asmap navigation，route design，online learning，assignment download and upload.Meanwhile，through LBS，the system can real-time monitor the students’whole learning process，which can ensure the security needs of outdoor teaching.Finally，a case，natural geography learning in East Lake scenic area in Wuhan，show the process of outdoor exploring learn.

mobile learing；LBS；outdoor geography teaching；problem-based learning

1672-8262(2013)05-5-04

P208.2

A

2013—09—03

鐘正(1978—)，男，博士，副教授，主要研究3D GIS、移動GIS和GIS在地理教學(xué)中的應(yīng)用。

國家自然科學(xué)基金(41101406，41201413)；華中師范大學(xué)高校自主科研基金項目(CCNU13A05019)