移動終端下在線教育平臺支撐技術應用研究

陳軍

摘要：移動學習環境的云平臺是在線教育過程中教育資源服務于大規模用戶群體、支撐海量數據有效匯聚的關鍵。移動教育平臺構建的支撐技術是實現在線教育移動學習環境的基礎。該文在闡述移動學習環境的內涵基礎上，對目前比較熱門的移動終端在線教育平臺進行了調查和對比，采用一種云模式下的移動終端泛在學習系統設計方法，通過提供基礎設施、平臺和教育服務，構建一種基于云的虛擬學習環境，實現使用者可以利用移動網絡不受時間、地點所限地訪問網絡、服務器、應用程序、服務及存儲等教育資源共享池。采用離線存儲、數據挖掘、視頻分析、云媒體轉換等技術實現隨時隨地線上線下課程點播、在線直播、即時在線分享、課程推薦、內容推送、學習管理等服務功能。

關鍵詞：移動終端；在線教育；云平臺

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

一、引言

進入21世紀，教育部在多所高校組織開展了遠程教育試點工作，并在實施成功后批準頒發網絡教育文憑。為了加強網絡化優質教學資源建設，在教育部的組織與領導下，2003年至2010年期間，國家精品課程資源中心共收集到涉及各個學科、超過2萬門的精品課程。同時，各大互聯網平臺，如網易、愛課程、超星公開課等也陸續吸收了世界各大名校的教學產品，提供給廣大網絡學習者進行自主化學習。2010年后，國外在線教育發展迅速，在可汗學院運營模式和大規模開放在線課程MOOC的影響下，我國在線教育也進入了飛速發展的時段。

需要留意的是，以上這些網絡課程基本上是基于電腦終端設計的。學習者必須借助連接了互聯網的計算機才能進行學習。由于不是所有場所都有網絡信號接入，所以學習者的學習地點就具有很大的局限性。那些沒有計算機或有計算機卻沒能連通網絡的學習者，是沒有辦法接受在線學習的。

隨著網速大幅提高、無線網絡的普及，以及智能型手機、便攜式電腦、手提電腦等移動裝置廣泛應用，越來越多的學習者開始選擇應用移動終端進行各種類型的學習。與傳統課堂面對面的教學形式不同，移動學習方式超越了時間和空間的限制，學習者可以利用閑暇的碎片化時間（譬如等車、坐車、睡覺前）學習自己所需要的知識與技能。此外，學習者還可以根據自己的學習習慣、學習需求等自主選擇學習課程、環境和方式，隨時隨地、反復地進行相關學習。

因而，更多的學習者如何通過移動裝置進行自主或協同學習、取得更多優秀資源也順勢成為了更多教育研究人員的研究選題。

二、移動終端下在線教育的內涵

廣義上說，移動終端包含了手機、筆記本電腦、平板電腦以及車載電腦等；狹義上說主要是指非智能手機、智能手機及平板電腦。本文探討的移動終端是指智能手機和平板電腦。在線教育，也稱在線學習，是相對于傳統的校園教育而言的，學生利用互聯網進行自主學習，是互聯網在教育行業上的應用實例。移動在線教育是20世紀80年代后期，借助于移動通訊技術在移動通信終端平臺上衍生出的一種全新學習方式。相比于傳統學習模式時間不足、地點固定、方式單一、內容受限，這種全新的學習方式更加有效、靈活。從社交屬性來說，移動教育平臺是一種全新的交流方式。通過移動教育平臺，實現教育資源信息化，讓學校的老師、學生可以在教學的過程中，隨時隨地地互動和交流，實現教學成果共享。

移動在線教育使得學習者的學習不受時間、地點限制，隨時隨地進行課程學習。在線資源傳播受限于網絡速度，與傳統計算機終端課程相比，移動學習的課程設計相對簡單精煉，資源具有碎片化與微型化的特點。此外，在線課程在設計上期望更加趣味化，以吸引更多的用戶使用和傳播課程。在移動終端下，學習者之間的互動性更強，用戶的學習體驗和評價反饋能得到及時響應，這種學習更具社交性，相同興趣的學習者更容易聚集到一起。

三、移動教育環境的云平臺

移動教育環境下的云平臺是教育資源服務于大規模用戶群體，支撐海量數據有效匯聚的關鍵。云平臺在服務器、存儲、網絡等方面提供高可靠、高穩定性的基礎設施支持，包括云數據中心、云管理層軟件、云端管理體系和虛擬化軟硬件。

為了更好地支持教師教學和學生學習，實現教育資源的分別管理與共享應用、個性化學習，本移動教育平臺不斷優化IT基礎設施、資源和業務流程。本平臺采用一種新興的計算范式“云計算（Cloud Computing）”，提供基礎設施、平臺和教育服務，構建一種基于云的虛擬學習環境，構造出智能化、網格化、體系化的教育服務云。最終達到提高應用程序及服務的可擴展性和可靠性、削減軟硬件資源的開銷、減少軟件更新和數據中心維護費用的目的。在云計算中，使用者可以利用移動網絡不受時間、地點所限地訪問網絡、服務器、應用程序、服務及存儲等教育資源共享池。

筆者所構建的移動學習云平臺采用云計算的SaaS、PaaS、IaaS三種呈現模式。

SaaS（軟件即服務）主要提供了一個移動學習門戶，支持學習者進行課程點播（包含離線功能）、在線直播、在線實時分享、舉薦課程、下載資源、接收學習者上傳的學習資源，同時提供不同類型的教育軟件資源、支持QQ微信、在線聊天、直播、公眾號等多種互動形式，并支持發布提問、視音頻、圖片、評論、投票等內容資源，還能即時在線轉發分享，從而構建一個優秀的云教育資源應用服務中心。

PaaS（平臺即服務）支持數據層向服務層交換數據、認證身份。該平臺承擔著以下功能：數據交換、無線應用、捆綁學習者手機終端的短信息服務系統和單點登錄系統。

IaaS（基礎設施即服務）利用虛擬化技術對物理資源進行整合，向PaaS層提供網絡接入和基本數據服務。云端學習管理層統一調度管理SaaS、PaaS、IaaS層的資源，處理學習資源的動態拓展，破解學習資源數字鴻溝，形成共建共享的教育學習機制，隨時隨地地互動和交流，實現學習成果共享。

（一）云平臺基礎設施

移動環境下在線教育平臺的建設從云平臺的基礎設施設計、開發、部署開始。數據通過云資源基礎設施進行通信、系統服務。服務器、存儲和路由通信設備構成了基礎設施的基礎網絡層，利于信息傳遞，支撐著各類應用系統進行交互。安全信息空間層保證網絡基礎設施的安全、監控和管理業務流程。IaaS層將不同的計算裝置抽象、轉換成虛擬資源池里面的計算資源，整個時段中發揮重要效用的是虛擬化技術將CPU資源虛擬化為計算資源，將形形色色的網絡設備資源抽象、轉換成虛擬資源池里的網絡資源，并且將內、外存儲配置虛擬化成虛擬池中的存儲資源從而使得學習者減少復雜繁瑣的設計開發，方便部署運行各種應用程序。通過建設云計算數據中心，將學習資源虛擬化資源整體存儲在云數據中心，實現移動學習云端接入服務。云數據中心托管的是計算能力和信息應用，數據在云層進行傳輸，云數據中心調配相應的計算能力，為移動在線云教育提供包括基礎數據、面向學習者差異化需求學習資源數據和各種移動在線學習資源數據提供統一的存放場所，并為Pass層提供基本數據和網絡接入服務。

構建移動環境下的在線教育云平臺的基礎設施主要通過第三方開源解決方案進行整合創新，支撐起大量教學資源在云端進行高可用性、可擴展性的存儲，以便適應平臺資源、服務動態部署在移動學習環境中的工作流程。移動環境下的在線教育云平臺擴展包含了應用負載均衡器節點、應用服務器節點、數據庫管理節點和數據被管節點。在移動式在線教育云計算中，負載均衡能有效防止負載分布不均、數據流量堵塞、反應慢等情況。為保證教育資源能得到及時、有效的利用以及確保缺少服務器時負載過重的工作不會減慢運行速度，負載均衡分批發送請求數據至云服務器。應用服務器向應用提供管理集中式、應用分布式的運行環境。數據庫管理節點和被管理節點一同為應用提供可伸縮與可靠的分布式存儲服務。

（二）移動終端功能

為了能建構出更符合學習者的移動終端在線教育平臺，筆者首先對目前比較熱門的移動終在線教育平臺進行了調查和對比，其終端功能結果如表1所示。

課程點播、課堂推薦、內容推送、收藏、分享、評價、搜索是移動終端在線教育平臺的基本功能。此外騰訊課堂傳統在線平臺（即電腦端）與移動終端在線平臺可實現數據同步，用戶只需在移動終端APP登陸自己的賬號，系統自動同步該用戶在電腦端的學習數據。反之，亦然。

在此調查研究基礎上，結合移動學習者學習靈活性、個性突出活躍的特點，筆者在建構移動端在線教育平臺時設置了以下核心模塊：課程點播（包含離線功能）、在線直播、即時在線分享、課程推薦、內容推送。

1.課程點播

課程點播功能是該平臺中最基本的功能，主要包括教學視頻選擇、觀看、下載。移動終端下的視頻點播受網絡限制，雖然隨著4G網絡信號的普及，網絡速度已不是此類平臺發展的瓶頸，但其費用較高，于是離線存儲技術應運而生。

2.在線直播

在線直播更能滿足人們對發布和分享信息的心理需求，人們通過直播可以更加直觀地接觸真實的對方，帶給學習者的沉浸性更強。這種在線教育人際交流的新平臺，從以往的及時交流過渡到實時互動，并通過互動能得到及時的反饋，從而實現有效的溝通。直播，可以讓學習者與授課現場實時連接，此時用戶的體驗感是最真實最直接的。而且，學習者還能透過直播平臺和平時難有機會接觸的名師互動交流。

3.即時在線分享

即時在線分享功能是當學生在平臺上學習或老師在平臺上授課時，可以將自己認為有意義或核心的內容片段，通過簡單的剪切形成小視頻，并加上自己的看法，分享給其他人。這些小視頻較為簡短，內容獨立，方便共享，非常適合學習者進行碎片化學習。與傳統在線教育形式相比，移動終端的在線教育平臺是一個整合了學習資源、人際關系的網絡學習空間，而不再只是信息與資源的并集。

4.課程推薦

課程推薦功能是根據用戶點播偏好和觀看記錄，平臺自動推薦相關聯的課程視頻到用戶賬號上，幫助用戶挖掘知識，以便用戶更好更快捷地進行知識擴展。此外，這也能培養平臺用戶群。

5.內容推送

內容推送是通過后臺對用戶數據的收集和分類，向目標用戶推送信息、文字、圖片、語音、視頻等類別的內容。很多在線教育平臺一直以來都把重心放在豐富學習資源上，忽略了對學習者點播習慣、愛好、類型等數據的收集。本平臺能夠實現精確的消息推送，支持學習者進行泛在環境下的自主學習。

四、移動教育平臺支撐技術

移動終端在線教育平臺提供服務的支撐技術包括離線存儲技術、數據挖掘技術、視頻分析技術和云媒體轉換等主要支撐技術。

（一）離線存儲技術

移動終端下在線教育平臺離線存儲，即自動將部分網絡資源下載并保存在本地。當頁面需要重新加載時，程序便會自動讀取這些資源文件，就算在脫機的狀態下使用者依然可以繼續訪問和操作，雖然此時用戶的操作不會得到網絡的響應，但會被記錄下來，等網絡重新連通后即刻獲得同步。HTML5的離線存儲功能是通過新建的.appcache文檔來實現，借助這個文件的解析清單線下存儲數據，這些數據就會像cookie那樣被保存下來。當移動設備處于脫機狀態，瀏覽器依然能夠把這些數據在頁面上展示。這樣，用戶就可以在沒有因特網連接下繼續訪問學習內容，而瀏覽器也能夠僅下載服務器更新過、修改過的數據，減輕了服務器的負載壓力，已緩存的資源也就能加載得更快。

（二）數據挖掘技術

在移動云環境下，全部的教學資源都被存儲在服務器，學習者無法快速檢索、定位所需數據，必須借助推送功能向學習者推送教學資源，然后在移動環境下構建知識體系。

移動終端下在線教育平臺數據挖掘包括三個方面：

1.是從用戶行為的歷史數據中匯總分析出用戶感興趣的類別，然后找出相關視頻推薦給用戶。用SQL Server數據庫搭建視頻推薦功能，囊括了用戶行為的追蹤以及用戶與用戶關系的日志服務系統和推薦引擎。用戶對推薦系統或贊或彈或無視，這些行為數據都被詳細記錄在日志系統里。推薦引擎在程序離線或在線時都發揮作用，當處于離線狀態時，推薦引擎會生成視頻相關矩陣，保存在數據庫里，當程序連通網絡處于在線狀態時，推薦引擎的在線系統便會實時響應用戶的請求，實時查詢并調用分析，最后生成推薦結果發送至用戶賬號上。在SQL Server數據庫中創建不同表格存儲用戶的信息和視頻類型信息，用戶在選擇了符合其興趣的視頻后，在SQL Server數據庫中會記錄下其觀看的視頻類型，整理數據，并且在其喜愛的視頻類型范圍中，生成最終的視頻推薦結果。

2.是獲取用戶的點播習慣記錄需要用到SQLServer數據庫的應用，要實現SQL Server數據庫與視頻系統通過配置文件的連接，接收用戶的行為數據，即存儲User ID、Program ID數據，User ID和Program ID存儲用戶與視頻被觀看的關系，將數據存儲到數據庫中，采用命令實現一對多的存儲。

3.是利用SQL Server數據庫查詢功能，把User TD作為查詢的參數，在數據庫中會查詢到每個用戶所對應的視頻列表和其看過的所有視頻總列表，在視頻總列表中按照ProgramID去計算每一個視頻被點播的次數，然后按照次數排序獲取所有視頻，把觀看次數最多的排在前面，即可獲得用戶的點播習慣和記錄。

移動在線教育產生的大數據，可以把以前隱藏至深的學習情況清晰地呈現出來，然后為學生“量身定制”適合的教育資源。因為移動端產品更注重個性化需求，這也使得大數據技術不可缺席，通過挖掘用戶的需求以及習慣規律，創新教學內容以及教學方式，并針對具體人群定制個性化的學習內容。

（三）視頻分析技術

移動在線課程庫非常龐大，很多課程內容同質化嚴重。如果是想要搜索某個課程，可以輸入課程關鍵詞（比如科目類別、授課老師、在線平臺）進行搜索；如果是想在海量視頻庫里具體定位某段視頻，就必須借助視頻分析技術。

這種技術依靠計算機圖像視覺分析技術，把場景中的背景與目標分離開來，再在攝像機場景中分析、追蹤目標。大數據時代之下，人們越來越重視智能化的視頻分析技術。它依靠視頻算法分析視頻內容，提取視頻中的關鍵信息再標記出來或進行相關處理，進而形成相應事件以及告警的監控方式，使用者便可以使用各類屬性描述來快速檢索。

（四）云媒體轉換技術

本移動教育云平臺采用分布式轉碼系統技術。HDFS技術通過分布式計算對視頻存儲提供底層支持，采用Map計算框架和FFMPEG進行分布式轉碼。轉碼過程中編入視頻水印，凸顯視頻版權信息；白名單域名控制，指定安全播放域名，為視頻添加可靠防御層；IP攔截管理，防止惡意IP播放或下載用戶視頻，保障用戶視頻內容；安全防盜鏈接，附加時效性數字簽名，全面提升安全等級；并支持多終端播放，提供智能識別播放環境視頻代碼，完美適配PC端、IOS客戶端、Android客戶端。

五、案例研究：學習成效檢測與評價

為了檢驗本平臺的實際使用效果，學生們通過配置了WI-FT的移動裝置登陸本平臺學習并參加相關課程的階段性測驗。

（一）實驗對象

廣東技術師范學院教育科學與技術學院教育技術學專業大三兩個班70名學生，學習課程為《教學系統設計》。學期第一周進行的課程知識內容前測成績顯示，V（1，70）=1.153，p=0.323，其課程知識水平相當，無顯著差異。

（二）實驗設計

單因素被試間設計，自變量為教學方式，包括兩種情況，控制班采用常規教學方式，實驗班采用在線教育平臺學習方式。持續時間一個學期，學期結束后進行閉卷考試測驗。

對測試成績進行單因素方差分析，結果顯示，參與學習后的測驗成績差異顯著，F（1，70）=4.281，p=0.018，如表2所示。

由此可見，采用在線教育平臺學習的學生成績明顯優于傳統教學方式的學生成績。

另外，在課程結束后對兩個班級進行的學習效果調查問卷結果如表3所示。

從測試調查結果可以看出，實驗班學生的學習效果明顯優于控制班。也就是說，用以追蹤學生學習行為與效果的數據挖掘算法已經發揮作用了。平臺跟蹤記錄學生的學習行為數據，分析學生在線學習狀態，并使用決策樹方式讓學生預測與認識自己的認知能力，從而協助學生提高學習的能力、加強學習的管理，最終增強學習的效果。本平臺基本實現了移動、智能、個性化的教學，逐步實現因材施教。

六、實際應用過程中的反思

（一）開發優質移動資源，打造“內容為王”

目前，移動終端在線教育尚未成熟。傳統的在線學習資源從一開始的課程設計就是根據計算機終端特點來設計的，而并沒有去考慮學習資源在移動終端的應用情況。傳統在線學習是一種基于計算機終端的學習方式，其學習內容更加系統化。移動學習則是建立在移動設備上，如智能型手機、平板式電腦，學習內容偏向于零碎化，不利于學習者系統化學習。所以學習資源PC端轉移到移動終端并不能生搬硬套，還要根據學習資源和移動學習的特點進一步設計課程。

（二）創建虛擬體驗情境，實現與傳統學習的互補

移動學習是傳統在線學習在科技發展到一定階段的產物，因此如何最大化地發揮出這種學習方式的作用，仍需要大家熱切關注并有待解決的問題。在傳統教育中，針對操作實踐類的課程，很難實現在線化，隨著手游《精靈寶可夢Go》增強現實（AR）寵物養成對戰類RPC手游的發行，AR在現實世界中疊加虛擬內容所帶來的感官體驗是虛擬現實（VR）所不能及的。如何將虛擬現實（VR）向增強現實（AR）靠攏，尤其在工程、汽車、生物化學、醫學、建筑學等專業課程里，提供了身當其境的體驗式教學也是當下需要思考的問題。

七、結語

隨著雙電快充技術、4C/5G網絡及無線網絡的發展，更大的帶寬支撐起更快、更流暢的移動在線視頻直播或點播，也能更好地支持實時雙向互動。相信在大數據、虛擬情景技術、可穿戴設備及云計算、物聯網的技術支持下，移動終端在線教育將會更加個性化，人類終生學習的期望將有望得到實現。