3G移動模式下遠程實驗教學平臺的研究與應用

孔藝權

（湛江師范學院 教育技術研究所，廣東 湛江 524048）

根據教育部《教育信息化十年發展規劃（2011—2020）》［1］，高等教育信息化的主要任務是：“進一步加強基礎設施和信息資源建設。重點推進信息技術與高等教育的深度融合，促進教育內容，教學手段和方法現代化，促進高等教育質量全面提高［2］。”

為了推進信息技術與實驗教學的深度融合，3G移動模式下［3］遠程實驗教學平臺底層數據是各種常規、傳統和創新實驗的資源，可利用當前知識工程、虛擬仿真技術、云計算和移動學習等技術［4］建立多維度立體化的高效的教學空間。遠程實驗教學平臺在傳統實驗室的基礎上，利用先進的網絡通信技術、計算機技術、多媒體技術等相關的信息加工處理傳播技術，將現實實驗室中豐富的實驗資源數字化，通過計算機構建實驗教學管理的綜合性、開放型的實驗教學環境，使得實驗教學在時間、空間、內容及方式等方面得到多維化延伸和融合。

3G移動模式下遠程實驗教學平臺利用了3G移動網絡、知識工程、云計算和移動學習等技術，具有時空自由、資源共享、平臺開放、便于協作等優點，進一步擴展了基于B／S傳統實驗網站系統。3G移動模式下遠程實驗教學平臺項目提供了概念模型和規則建構的指導方法，對實驗教學領域切實開展知識管理和數字化實驗有促進意義，進一步滿足了實驗教學信息化的需要。

1 3G移動模式下遠程實驗教學平臺開發原理

目前的網絡實驗教學實際上還在沿用傳統的、被動式或灌輸式的教學模式，缺乏主動性及智能化。為了解決實驗平臺網絡教學中的存在人機之間缺乏交互性、計算機不能智能化解決學生主觀情況的等問題，3G移動模式下遠程實驗教學平臺提供了語義查詢［5］、人機交互、意義建構、知識的獲取和共享、協作學習等技術支持，發揮了知識工程、云計算和互動學習等技術優勢。

3G移動模式下遠程實驗教學平臺利用知識處理系統和專家系統，在數字化實驗領域中發揮了重要作用，為智能實驗模式的實現提供技術支撐。實驗平臺包含知識庫系統和知識處理功能模塊，學生在資源庫中能獲得大量的實驗知識；數字通信系統協助學生同他人或小組之間進行實驗信息交流，共享實驗相關信息；知識工程中的智能專家系統為學生提供了實驗解決問題的不同思路和具體方法，培養學生的科學實驗思維能力和解決問題的能力。同時，3G移動模式下遠程實驗教學平臺建立存有不同學科實驗數據的海量數據庫，有利于學生對實驗知識的檢索、提取和應用，提供了海量資源共享。

3G移動模式下遠程實驗教學平臺利用知識工程進行的多模式實驗知識處理、知識傳輸與知識可視化、可動畫及可操作性的研究及應用，結合3D技術建立了可對過程進行操作和干預的虛擬實驗環境［6］。實驗者置身于3D仿真實驗空間里，同時創建游戲式實驗更容易激發學生對實驗的興趣，激活其創新潛能，對創新意識起到強烈的激發作用，為實驗創新提供動力。平臺包含交互式實驗，實現教學互動，通過最新知識——云計算可以進行知識交換，使不同實驗、交叉學科相互滲透，相互融合，相互補充，從而產生出具有多樣化和創新性的知識，實現知識共享，為提高學生實驗技術和促進創新活動提供便捷平臺。

2 3G移動模式下遠程實驗教學平臺設計

3G移動模式下遠程實驗教學平臺通過云計算客戶端為用戶提供Web訪問界面，具備自適應個性化學習、智能虛擬實驗、引領式實驗教學等特色，實現了網絡教學環境下的智能推理平臺，提供了多學科知識實驗平臺。3G移動模式下遠程實驗教學平臺的功能包括3G網絡支撐、移動實驗學習、3D虛擬實驗、實驗體會游戲、網真實驗交流、海量資源共享、互動實驗設計、云計算服務體和知識專家系統［7］等，全方位滿足語義Web下的云計算支持的協作學習和移動實驗功能。

根據需求分析以及數字化實驗學習項目的一些規定要求，3G移動模式下遠程實驗教學平臺設計包括前臺和后臺兩大模塊，前臺供實驗者采用普通PC機、智能手機和IPad等移動學習工具瀏覽使用平臺資源；后臺則是由系統管理員對平臺進行實驗資源更新維護。平臺開發采用了開源EGL程序語言開發工具、開源MySQL數據庫和OWL本體等技術及云計算開源軟件，3G移動模式下遠程實驗教學平臺功能模塊如圖1所示。

圖1 3G移動模式下遠程實驗教學平臺功能模塊

3G移動模式下遠程實驗教學平臺的個性化和自適應學習支持平臺為課程實驗知識和教學設計提供了知識可操作界面。通過目前海量實驗知識提供不同實驗領域的知識及其關系圖，構建課程實驗領域知識本體。實驗教學設計者與課程設計者一起，共同設計完成實驗學習目標及各種實驗的途徑與任務，創建實驗OWL本體［8］，并據此進行實驗教學的設計與封裝。結合云計算開源軟件和SaaS的優點，在技術上解決了大規模并行計算、數據分布存儲、數據實時備份、應用高度集成，以及安全可靠和個性化應用等問題，構建了實驗教學管理的綜合性的、開放型的實驗教學環境。平臺通過本體標注，形成了實驗學習對象本體庫，通過實驗目的、實驗個性化和實驗風格［9］，不同的知識準備情況進行實驗者分類，生成實驗模型數據庫。3G移動模式下遠程實驗教學平臺編輯適應性實驗學習策略，生成實驗策略庫，構建前臺測試數據以及相關實驗規則數據，從而解決了語義查詢、人機交互、意義建構、知識的獲取和共享、協作學習等問題。

3 3G移動模式下遠程實驗教學平臺主要技術

3.1 知識組織結構圖及核心概念集的構建

3G移動模式下遠程實驗教學平臺為實現OWL本體創建，首先構建實驗課程的知識組織結構圖和核心概念集，將實驗課程內容的概念、屬性及概念間的關系定義好之后，利用知識工程開源軟件Protégé的OWLviz插件功能實現知識本體結構的結構圖預覽。實驗中以“計算機網絡”實驗課程為例，進行了實驗知識本體概念的層次結構定義。

建構實驗知識本體概念，其中以OWL：Thing為知識本體的頂級類，實驗知識本體從屬于它。實驗中建立計算機網絡課程實驗教學分支平臺10個本體類［10］，分別是：概述類、計算機網絡協議與體系結構類、物理層類、點對點信道的數據鏈路層類、局域網類、廣域網類、網絡互連類、運輸層類、應用層類和計算機網絡安全類。由于本體類之間安排有些分散，因此，按照其各類內容及其相互關系進行整理合并，作為課程內容的根節點，采用自頂向下的方法分解課程內容，并構建核心概念集。平臺實驗課程本體及概念集的構建如圖2所示。

圖2 平臺實驗課程本體及概念集的構建

3.2 3G移動模式下遠程實驗教學平臺本體描述

3G移動模式下遠程實驗教學平臺中進行了本體描述，其中學生本體組織結構如圖3所示，計算機網絡的協議與體系結構本體結構如圖4所示，定義課程實驗知識命名空間［11－12］，并采用OWL表達，實驗知識本體的標準的初始模塊是包含在ulf：RDF標簽中的系列命名空間（Namespace）的聲明中。聲明用以準確解釋實驗知識文檔中的標志符，使得實驗知識本體具有可讀性。在3G移動模式下遠程實驗教學平臺的實驗知識本體庫文件（：esstudy.owl）中，定義了一個命名空間前綴：“pub：”，其余命名空間均使用缺省的命名空間。

圖3 學生本體組織結構圖

圖4 計算機網絡協議與體系結構本體結構

在平臺中采用缺省的聲明方式，rdf：about屬性為實驗知識本體提供一個名稱或引用。根據標準，當rdf：about屬性的值為空時，實驗知識本體的名稱是owl：本體元素的基準u，在使用了xmLbase的上下文中則是一個特殊情況，這時owl：Oniology元素的基準URI也許會被xml：base設為其他URI。

3.3 3G移動模式下遠程實驗教學平臺知識推理實驗模塊

3G移動模式下遠程實驗教學平臺使用pellet作為平臺的推理引擎，pellet是一個開源的、基于Java的OWL推理機，平臺結合protege和pellet進行推理，知識推理實驗模塊中能進行前向推理，支持正向和逆向推理，核心部分由實驗規則庫、實驗事實庫、實驗推理機三部分組成，并采用產生式規則作為基本的實驗知識表達模式。

實驗平臺允許將一些推理引擎或推理機引入到pellet中，從而獲得本體數據中隱含的信息。推理機制支持RDFS和OWL等支持推理的語言，可以執行從實例（instance）到類（class）的推理知識推理，對實驗知識模型的查詢不僅返回原始數據中包含的陳述（statements），而且有一些通過推理機制從原始數據得到的附加信息。實驗平臺Rule規則主要由SWRL實現，由Atom和Imp組成。Atom主要是條件判斷的限制式的定義，規則的制定主要是通過Imp來定義的。例如根據面向知識工程的數字化實驗平臺本體中對學生的實驗情況的記錄，對學生的實驗學習內容作出推理。在面向知識工程的數字化實驗平臺中，例如計算機網絡實驗課程內容共5個部分，每一部分下面分若干個實驗點，某些實驗點下面又具有子實驗點、二級實驗點，或涉及到相關的實驗點。所以根據實驗知識本體中對學生的學習情況的記錄，可以對學生的實驗學習內容作出推理，定義的Imp如表1所示。

平臺建立了可高度共享和重用的實驗知識本體，采用了實驗概念之間的繼承，實現了實驗實例多種約束關系表達統一標志。平臺主要實現技術是基于實驗知識本體概念相似性和相關性搜索流程和算法，并對相似度和相關度進行量化表示。平臺通過實驗知識本體的推理可以實現知識工程本體的智能性，其主要原理是根據不同語法和規則的定義。推理機幫助學生自定位實驗學習知識點，結合當前實驗學習狀況推理出后續實驗學習知識點，幫助學生開展適應性實驗學習，也能充分凸顯出智能化實驗的優勢。平臺主要是通過義原的概念進行相似度計算。每個本體概念都有自己對應的屬性，這些屬性可以唯一確定概念，為概念間的映射提供有效的參考。基于實例的概念相似度計算是通過對概念相應的實例集進行相似性評價，進而得出概念之間的相似性。本體中概念的實例從很大程度上反映了概念之間的語義關系，若2個概念具有相同或者相似的實例集，則這2個概念之間一定存在豐富的語義關系，其中這個實例集中的實例越多，則2個概念越相似。假設2個義原在這個層次體系中的路徑距離為d，那么這2個義原之間的語義距離如公式（1）所示。其中P1和P2表示2個義原（Primitive），d是P1和P2在義原層次體系中的相同路徑長度，是一個正整數及可調節的參數。2個實詞概念語義表達式的整體相似度記為公式（2）：

在開發實驗知識本體之后，將本體的數據用開源數據庫Mysql進行數據存儲，然后通過數據庫來訪問本體數據，進一步實現了3G移動模式下遠程實驗教學平臺資源共享、重用及推理功能，mysql數據庫中本體存儲如圖5所示。實驗過程中創建數據庫模型或者打開先前創建的模型可通過以下4個步驟完成：加載數據庫JDBC驅動、創建數據庫連接、為數據庫創建一個ModelMaker，最后為本體創建一個模型。

圖5 mysql數據庫中本體存儲

4 系統運行效果及分析

3G移動通信系統是物聯網的四大支撐網絡之一，物聯網的實現提供了無線長距離的高速信息傳輸通道［13］。3G移動模式下遠程實驗教學平臺充分利用物聯網技術，其中網絡安全虛擬實驗系統運行效果如圖6所示，學生可個性化開展不同虛擬實驗。系統采用了虛擬機技術仿真網絡安全實驗中用到的路由器、交換機和防火墻等器材和設備，提供與真實實驗相似的實驗環境。實驗平臺可以利用鼠標的點擊、拖動，將微機上虛擬的網絡設備，按實驗要求、過程組裝成一個完整的實驗系統，同時在系統上完成整個網絡實驗，包括網絡設備的添加、實驗條件的改變、網絡底層數據采集以及實驗結果的模擬、分析。實驗教學輔助系統運行結果如圖7所示，提供了全方位的實驗教學輔助功能，可以進行自主實驗學習、實驗教學安排、實驗過程的指導、實驗結果的批改等功能，為實驗教學提供環境服務并開展了應用，可滿足實驗輔助教學環節的需要。

圖6 3G移動模式下遠程實驗平臺虛擬實驗系統

圖7 3G移動模式下遠程實驗平臺實驗教學輔助系統

5 結束語

3G移動模式下遠程實驗教學平臺的著眼點在于解決當前傳統實驗教學應用中所出現的大量問題，致力于通過網絡實現實驗資源共享和應用協作，將知識工程、虛擬仿真技術、云計算和移動學習等技術應用于實驗教學，構造了實驗教學本體知識庫，實現了網絡實驗教學環境下的個性化學習，并建立了知識工程下的計算機支持的協作學習［13］。

利用3G移動模式下遠程實驗教學平臺可開展遠程互動實驗教學、觀摩，進行遠程實驗、實驗指導，構建網真實驗課堂；可以打破時間空間的限制，支持教師、學生在移動環境內自主、合作、探究式地開展教學，實現教師、學生、教學環境設備之間的自由連接，互動涵蓋教育全領域的數字化學習服務。平臺以現代教育理念為指導、以現代信息技術為支撐實現“泛在教育”，具有時空自由、資源共享、平臺開放、便于協作等優點，滿足了教育信息化工程的需要。移動學習通過與移動計算技術有效結合帶給學生隨時隨地學習的全新學習方式［14］，被認為是一種未來的學習模式，移動網絡教學系統為學生和教師提供了一個更為方便、快捷的途徑，是網絡教學系統的很好的補充和完善。

（

）

［1］中華人民共和國教育部.教育部關于印發《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》的通知［EB／OL］.http：／／www.moe.gov.cn／publicfiles／business／htmlfiles／moe／s3342／201203／133322.html.

［2］陳天云，張劍平.智能教學系統的研究現狀及其在中圍的發展［J］.中國電化教育，2007（2）：95－99.

［3］鄧偉，肖國強.基于3G 的移動學習［J］.軟件導刊，2007（7）：51－63.

［4］何克抗.E－learning與高校教學的深化改革（上）［J］.中國電化教育，2002（2）：8－12.

［5］孔藝權，金義富.基于語義本體的實驗教學游戲的研發［J］.實驗室研究與探索，2011，30（9）：308－310.

［6］黃榮懷.關于教育技術學領域中的若干關鍵技術［J］.中國電化教育，2005（4）：5－9.

［7］秦偉俊，史元春，相培峰.基于多層體系結構的網絡教學系統［J］.清華大學學報：自然科學版，2006，46（7）：1301－1304.

［8］鐘洛，王輝，李銳強，等.基于語義web的網絡學習資源庫本體實現［J］.計算機工程，2007，33（8）：282－284.

［9］Yang Chao－Tung，Ho Hsin－Chuan.A shareable E－Lab plat－form using data grid technology［C］／／Proceedings of the IEEE International Conference on E－Technology，E－Commerce and E－Service.2005：592－595.

［10］Berners－Lee T，Hendler J Lassila.The semantic web［J］.Scientific American，2001，234（5）：34－43.

［11］Alexaki S，Christophides V，Karvounarakis G，et al.On Storing Voluminous RDF Descriptions：The Case of Web Portal Catalogs［C］／／Proc of WebDB’01.2001：43－48.

［12］江雪梅，劉泉，張小梅.3G移動通信系統與物聯網創新實驗平臺建設［J］.實驗技術與管理，2012，29（5）：133－135.

［13］韋再雪，常永宇，王文博.基于CDMA200 1X移動通信實驗平臺的建設與開發［J］.實驗技術與管理，2008，25（6）：101－107.

［14］張新楠，王建民，劉樹郁.基于Podcast＋iPhone SDK移動網絡學習平臺的設計與實現［J］.實驗室研究與探索，2011，30（1）：69－73.