移動互聯網中一種移動學習方案的設計與原型實現*

丁亦喆，魏刃佳，劉 博，吳振強

(陜西師范大學計算機科學學院，陜西 西安 710062)

1 引言

移動終端便攜、網絡接入多樣、操作使用簡單等特性，讓移動終端快速普及并推動了移動應用和移動互聯網的市場。2012年中國移動互聯網市場規模就達到了549.7億元，增長率為96.4%[1]，手機應用已經成為中國互聯網絡的發展亮點[2]。手機應用高速發展對于手機教育應用的普及起促進作用。目前應用市場已經出現了一些教育類型應用，例如MOOC(Massive Open Online Courses)、網易公開課、新浪公開課、拓詞、英語流利說等。越來越多教育應用的出現表明人們已經開始接受使用移動終端進行學習，逐漸轉入學習型社會和教育信息化時代。

結合國家信息化發展整體戰略[3]，針對我國東西部教育資源不均衡[4]、精品課程和開放課程利用率低、運行質量差等問題[5]，本文在現有的三方參與應用系統場景下，設計出一個能改善上述問題的移動教育應用實例。把移動互聯網系統抽象為客戶方、中間代理商(如移動運營商)和服務提供方(第三方增值業務提供商)。探討了如何讓中間代理商提供最佳的用戶支持，使得不同系統平臺的移動智能終端能享受到更高效、更多樣的增值服務。

目前教育系統多通過用戶上傳以及網絡爬蟲等多種手段獲取資源，并對系統內的資源進行分詞整理后提供資源搜索功能[6]，針對移動學習系統資源有限的情況，需要對資源進行進一步的格式轉換和統一[7]，同時需要考慮移動端資源播放的用戶體驗。針對目前國內移動終端廠商誤操作專利無法避免資源浪費的情況[8～10]，本移動學習系統通過改進的誤操作行為判斷算法，在用戶界面處判斷觸摸操作是否為用戶主觀行為，并通過控制用戶的請求(即只允許用戶同一時刻請求一個資源)來節省通信和計算資源，提高用戶體驗度。同時，借鑒基于對象的行為模型[11]，對系統采用確定型自動機理論DFA來進行建模和驗證。經過測試表明，該方法可以有效地降低用戶誤操作次數，提高系統工作效率，能夠明顯改善用戶體驗。

2 學習系統的設計與實現

2.1 系統應用場景

在移動互聯網環境下，學習者、移動學習系統、精品課程或開放課程網站分別對應了客戶方、中間代理商和服務提供商，如圖1所示。

Figure 1 System scenarios圖1 系統應用場景

本系統整合了網絡上現存的開放課程和精品課程資源，讓學習者可以通過統一的在線播放器對多媒體資源進行點播，從而降低學習者操作難度，提高教育資源利用率，并改善用戶體驗。

2.2 系統功能設計

系統分為用戶模塊、資源模塊、多媒體播放模塊、多媒體轉換模塊,移動學習系統的具體功能如圖2所示。

Figure 2 M-learning system圖2 移動學習系統

2.3 移動學習系統實現

用戶模塊負責對用戶信息進行存儲和管理。新用戶通過用戶注冊功能成為學習系統的學習者。系統管理員可以進行新用戶注冊，并且可以對已注冊的用戶進行資料修改和過期用戶刪除。

資源模塊負責系統資源庫的維護和管理。系統通過教師用戶上傳和改進的開源爬蟲Heritrix下載兩種方式獲取學習資源[6]。使用開源的IKAnalyzer同時對網絡上的資源名稱和資源介紹進行分詞處理，提取并比對相關信息，確定資源分類。使用開源的Lucene對系統中所有的資源建立索引，提供基本的站內資源搜索功能。教師管理員對于系統中現有的所有多媒體資源擁有更新、修改和刪除的權限。教師用戶對于自己上傳的多媒體資源擁有更新、修改和刪除的權限。

多媒體轉換模塊負責將資源進行轉換。由于教師上傳和爬蟲下載的多媒體資源存在格式不一致的問題，同時考慮到移動終端的計算資源和存儲資源受限，為了屏蔽該問題和降低多媒體播放模塊的開發難度，對不符合播放標準的多媒體資源進行強制格式轉換。對于視頻資源和文本類型資源分別使用mencoder和Print2flash進行轉換[7]。針對視頻文本配套的多媒體資源，轉換時引用了數據庫“事務”的概念，保證視頻文本轉換前后的一致性[12]。

多媒體播放模塊負責對轉換成功或符合播放標準的資源進行播放。多媒體播放模塊使用統一的播放界面來提高用戶體驗，讓學習者不再關心資源在網絡上的位置。對于視頻資源和文本資源的播放分別使用jwplayer和Print2flash進行播放。

本移動學習系統除了具有整合網絡資源、統一操作界面等特點外，系統各種服務模塊具有松散耦合性，便于后期快速對系統進行功能升級和改進，進一步增強系統的靈活性和可用性。移動學習系統中的主要頁面實現效果如圖3所示。

2.4 誤操作行為判斷算法

由于移動智能終端的特殊性(即處理性能低、網絡帶寬小、用戶輸入介質單一、使用環境特殊等原因)引起的服務時延較長、輸入準確度較低、用戶體驗度較差的情況，從而進一步導致用戶誤操作和重復操作現象的大量增加，以至于浪費了大量的通信資源和計算資源，尤其是在用戶數目較多的情況下，系統整體的工作效率和用戶體驗度就更低。目前，國內防止移動終端誤操作的專利主要有以下幾種：

Figure 3 Search page and play page圖3 搜索頁面和播放頁面效果圖

(1)當觸摸屏收到觸摸信號時，隨之啟動移動終端的接近傳感器，通過接近傳感器檢測附近是否有障礙物來減少誤操作[8]；

(2)當移動終端處于亮屏待解鎖狀態下收到觸摸信號時，判斷是否有物體接觸移動終端攝像頭，同時檢測移動終端的震動值，若超過震動閾值則忽略觸摸信號來減少誤操作[9]；

(3)當檢測到觸摸屏上的顯示區域存在觸摸點時，通過判定該觸摸點是否位于設置的無效觸摸區域內來減少誤操作[10]。

可以看出，目前防止誤操作的方法都是通過移動終端自身來完成的，對于如何避免因誤操作引起的資源浪費現象未見報導。誤操作行為通常是無意識的一次點擊或者極短時間內的多次點擊，所以將判斷誤操作行為分為兩步：

(1)在人機交互界面判斷用戶誤操作行為，使用HTML+JS技術判斷單擊、雙擊觸摸屏來完成，其算法流程描述如下：

步驟1等待用戶觸摸操作；

步驟2判斷用戶是否雙擊屏幕指定區域，是則進入步驟3，否則返回步驟1；

步驟3發送用戶請求并返回步驟1。

(2)通過在資源服務模塊加入短時間內忽略重復請求的方法，解決用戶因誤操作或者代理服務模塊因未知錯誤短時間內多次請求資源服務模塊中的同一資源，這里以500 ms為例，算法流程描述如下：

步驟1等待接收請求；

步驟2判斷當前請求和當前響應是否同一用戶，不是同一用戶則返回步驟1；

步驟3判斷當前請求資源和當前響應資源是否相同，不是同一資源則返回步驟1；

步驟4判斷當前請求及開始響應時間間隔是否超過500 ms，小于500 ms則返回步驟1；

步驟5處理請求，響應結果并返回步驟1。

通過對此部分代碼加入日志記錄功能，根據實驗并觀察日志記錄，得出該方案可以有效阻止部分重復請求。

3 移動學習系統形式化描述與分析

(1)系統時序邏輯。

整個系統運行符合一般代理模式[13]的時序邏輯，加入誤操作判斷改進的系統時序邏輯如圖4所示。

Figure 4 System timing圖4 系統時序圖

在學習者發送請求之前引入誤操作判斷第一步進行預處理，通過預處理之后才可以發送請求消息。請求消息通過代理服務模塊到達資源服務模塊后，引入誤操作判斷第二步對請求進行預處理，若同一用戶兩次請求同一資源的時間間隔過小則直接拋棄請求。

(2)自動機建模分析。

根據系統應用場景，整個過程有學習者、代理服務模塊和資源服務模塊三方參與。系統中只有學習者具有主動行為，因此本文從學習者角度使用確定型有限自動機(DFA)來進行建模分析[14]。三方之間的交互限于下列五種事件。

①學習者決定點播;

②學習者決定取消點播;

③代理服務模塊向資源服務模塊發出請求;

④代理服務模塊向學習者播放資源;

⑤資源服務模塊為代理服務模塊獲取指定資源。

為了表示方便，將系統中出現的行為用P(Play)、C(Cancel)、Req(Request)、O(Obtain)、Res(Response)分別表示點播、取消、請求、獲取、響應。

學習者需要主動地在移動學習系統中尋找所需要的資源用于學習，對于學習者而言，存在可任何次序任意多次使用的點播資源和取消點播這兩種主動行為，并每次行為之后都停留在單獨的狀態q0中，其轉移函數δ(q0,P)==δ(q0,C)==q0，若用U(User)代表學習者 DFA的名稱，則學習者DFA的形式化描述是:

U=({q0},{P,C},δ,q0,{q0})

其DFA轉移圖如圖5a所示。

為了防止無關意外行為導致自動機死亡，將整個系統中存在的其他行為也附加給用戶，這時DFA的完整形式化描述是:

U=({q0},{P,C,Req,O,Res},δ,q0,{q0})

其DFA轉移過程如圖5b所示。

Figure 5 DFA transition diagram of user behavior圖5 用戶行為DFA轉移圖

代理服務模塊作為學習者和資源服務模塊之間的代理，為防止學習者重復執行點播行為導致代理服務模塊自動機死亡，給代理服務模塊自動機除狀態a以外所有狀態都附加上點播標記環，若用A(Agent)表示代理服務模塊DFA的名稱，則代理服務模塊DFA完整形式化描述是:

A=({a,b,c,d,e},

{P,C,Req,O,Res},δ,a,{e})

在狀態a中，點播行為是用戶主動行為。DFA轉移過程如圖6所示。

Figure 6 DFA transfer diagram of agent module behavior圖6 代理模塊行為DFA轉移圖

資源服務模塊作為整個系統的基礎，為了防止學習者在系統獲取資源時取消點播而導致自動機死亡，同時如果代理服務模塊因同一請求將資源獲取兩次，資源服務模塊就應該正確地忽略第二次請求來降低服務器壓力。因此，如圖7將狀態3和4加上帶有取消和請求標記的環。若用S(Service)代表資源服務模塊DFA名稱，則資源服務模塊DFA完整形式化描述是:

S=({1,2,3,4},

{P,C,Req,O,Res},δ,1,{2,4})

DFA轉移過程如圖7所示。

Figure 7 DFA transfer diagram of resource service module圖7 資源服務模塊DFA轉移圖

為了表現出各個服務模塊在系統中的交互情況，用代理服務模塊和資源服務模塊DFA的乘積構造出來的自動機轉移過程如圖8所示。

Figure 8 Automaton transition diagram of agent service module and resource module product 圖8 代理服務模塊和資源服務模塊乘積自動機轉移圖

圖8中從初始可達的狀態有七個，分別是(1,a)、(1,b)、(2,a)、(2,b)、(3,c)、(4,d)、(4,e)。對于初始不可達狀態 (4,a)，當代理服務模塊自動機剛剛進入狀態a準備進行點播時，資源服務模塊自動機已經進入狀態4完成了資源獲取，這不符合一般系統時序邏輯，根據圖4表示的時序邏輯，系統會自動忽略這一類狀態。根據乘積自動機轉移圖和系統時序邏輯圖可以得出，對于初始可達的狀態，只有依次經過 (1,a)、(1,b)、(3,c)、(4,d)、(4,e)這5個狀態才能完成一次用戶響應，且每個狀態上都需要能夠正確識別出可能的誤操作行為，保證自動機不會死亡。

判斷用戶操作是否是其主觀行為，短時間內忽略重復請求，以及系統在任何狀態下都能夠正確進行狀態轉移的優點是：確保了資源從移動學習系統到移動智能終端之間的傳輸質量；降低了服務器工作壓力并且提高了學習系統處理移動智能終端常見錯誤的能力。

4 結束語

本文針對移動學習的應用場景，實現了移動環境下，面向精品課程和開放課程的學習系統原型。其特點是可以將網絡上現存的教學資源進行有效整合和轉換，成為適合移動智能終端播放的資源，并且方便用戶搜索和使用。本文采用DFA理論對一般情況下的行為(即用戶的隨意行為或系統的錯誤行為)對系統影響進行分析，結果顯示不會因上述行為導致應用崩潰或服務性能降低，這表明本文設計的移動學習系統達到了預期效果。目前，原型系統為了降低開發難度，使用了B/S架構，由于該架構下學習者通過瀏覽器來使用學習系統，而瀏覽器與用戶的交互能力有限，使得系統對于誤操作判斷的方法較為簡單，因此下一步工作將隨著移動智能終端應用的發展，將B/S架構更換為在客戶端具有更強交互能力和控制能力的C/S架構。

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