網絡環境下的多模態在線教學平臺設計

何曉磊

(肇慶醫學高等專科學校，外語教研室，廣東，肇慶 526020)

0 引言

在信息技術不斷強化的今天，網絡成為人們生活與工作的重要組成部分，網絡中信息載體的數量與規模急劇增長。在現代網絡的刺激下，網絡教育在網絡應用中所占的比重逐步擴大。特別是近年來，國家大力推動教育行業信息化，建立高效、便捷的在線教學平臺已經成為現代教育的主要趨勢，以現代網絡技術、信息技術以及通信技術作為主要支撐的在線教學平臺成為了一種嶄新的教學模式，并得到了廣泛應用[1-2]。

當前，多模態在線教學平臺在日常生活中得到了較好的應用。這是一種提供多種教學形式與資源形式，實現在線教學的網絡平臺，為當前的網絡教學提供了極大地便利。但目前此教學平臺在使用過程中還存在一些問題，主要表現在對教學資源的處理方面，這些問題直接導致了用戶業務處理等待時間長的問題[3]。雖然，部分專家學者也做了一些針對性的優化，但依然未達到目前用戶的要求。例如文獻[4]構建了一種動態學數字資源開放平臺，此平臺可實現對動態教學資源的管理，以此實現高效的教學資源管理過程，但此平臺依舊無法避免用戶等待時間過長的問題。因此，在本次研究中使用網絡技術，構建網絡環境下的多模態在線教學平臺，以期降低用戶的等待時間，提升用戶的使用滿意度。

1 網絡環境下的多模態在線教學平臺設計

根據用戶對于在線教學平臺的應用要求，將多模態在線教學平臺中的模塊結構進行優化(見圖1)，并據此完成設計。考慮到網絡環境對在線教學平臺設計過程的影響，主要對教學資源處理與分發過程進行設計，選擇多種教學資源數據處理算法完成本次優化設計，由此縮短用戶在使用中的等待時間，提升用戶的使用滿意度。

圖1 多模態在線教學平臺模塊結構

1.1 教學資源特征提取模塊

目前，教學文本資源的特征提取技術較為完善，在本次研究中選擇互信息技術[5-6]完成文本信息的提取工作。在統計學中，此技術多用于表示數據之間的相關性，構建文本特征的統計模型[7]。設定R為教學資源文本特征，文檔類別為yi，其互信息的評估函數B(R,yi)可表示為

(1)

式中，P(R)表示特征R在教學資源中出現的概率，P(R|yi)表示教學資源為yi類別時，特征R出現的概率。根據信息增益原理，特征R可定義為

(2)

式中，Qi表示第i類教學資源類別，P(Qi)表示樣本屬于Qi類別的概率，P(Qi|R)表示目標資源出現在Qi中的概率。

F(R)的取值對于教學資源文本的特征提取具有直接影響。為了提升特征提取的精度與可靠性，在部分處理中可將多余的信息排除，以此達到降低特征空間維度的效果。本次設計中，在上述計算完成后，使用交叉熵法[8]確定特定類別的教學資源與總體教學資源之間的分布距離，具體計算如下：

(4)

使用式(4)可確定教學資源文本的分布情況，除文本類教學資源外，還需對平臺中的其他類別資源進行處理，對于其他種類的教學資源，將使用k近鄰分類器[9]完成，現將此分類器構建如下：

(5)

式中，d(v,z)表示兩種教學資源的距離。

k近鄰分類器是一種較為有效的簡單的分類算法，在本次平臺設計中使用此算法有效降低平臺的數據運算負載。分類后的教學資源輸入到平臺數據中，利用貝葉斯準則設定不同教學資源的關鍵詞標簽，此標簽的設定準則設定如下：

(6)

式中，s表示初次處理后的教學資源類別，e表示預設的關鍵詞標簽。

為了提高此處理環節的使用效果，設定不同類別的特征標簽具有相同等級的劃分能力，則式(6)可改寫為下述形式：

(7)

此計算公式具有較強的假設性，敏感度較高，可在教學平臺中較好的完成教學資源處理過程。將處理后的教學資源作為教學平臺使用過程中的數據基礎。

1.2 教學資源傳輸模塊

使用上述獲取到的教學資源作為教學平臺中的主要數據存儲內容，為實現教學資源的傳輸與調度，在本次設計中對教學資源傳輸模塊展開優化設計。根據上文中對教學資源處理結果，選擇馬爾科夫鏈[10]完成此部分工作。將處理后的教學資源數據庫中設定一個隨機傳輸過程{Lt,t∈T}，如果此過程中存在有前提條件的分布函數，則對于此過程中的b個時刻tb，則有：

P{Ltb≤lt|Lt1≤l1,Lt2≤l2,…,Ltn-1≤ln-1}

=P{Ltb=lt|Ltn-1≤ln-1}

(8)

在此計算過程中，教學資源隨機過程{Lt,t∈T}稱為教學資源馬爾科夫過程，T表示此處理過程中需要的計算參數，li∈U,U表示此處理過程狀態。對于分發條件概率P{L(n+s)=j|L(n)=i}，在n時刻處于i狀態的條件下，經過n+s時刻下實現分發狀態j的概率，寫作Pij(n,n+s)或是Pij(n)，其內容可稱為教學資源分發過程中的轉移概率。當s取值為1時，稱為特殊轉移概率，則有：

Pij(n)=Pij(n)=Pij

(10)

式中，P(s)以轉移概率Pij為元素形成的矩陣，且狀態空間為U={0,1,2,…}，則有：

(11)

上述矩陣稱為教學資源轉移概率矩陣，當s=1時，此矩陣可改寫為

(12)

使用此矩陣可對教學平臺中的教學資源分發過程展開控制。在教學資源分發的過程中，為提升分發速度，對用戶的教學資源接收概率進行確定，以此保證教學資源的傳輸與分發過程符合用戶以及教學平臺的要求。

1.3 教學資源協同過濾模塊

本次研究中，為了有效提升教學平臺的運轉速度，縮短用戶在使用時的等待時間，對教學資源服務的過程進行過濾。在對多種方法進行對比后，選擇內容推薦算法實現協同過濾過程。此算法將會根據用戶使用習慣的相似程度，對教育資源進行整合，實現針對性發送。將用戶的指令設定為數據形式，生成相應的用戶命令矩陣，根據此矩陣確定用戶對于教學資源的需求。在本次研究中使用余弦相似法[11-12]確定用戶指令與教學資源之間的相似度，則有：

(13)

(14)

根據此公式，可得到教學平臺可提供資源與目標資源的相似程度，則有：

(15)

使用此公式對教學平臺中的相關資源展開計算，按照相似度對資源進行排序并向用戶輸出，完成用戶的指令。上述算法使用后可能會造成資源推薦概率計算異常的問題，為此，在計算完成后使用貝葉斯模型彌補計算缺失帶來的問題，具體計算過程如下：

class=argmaxp(classg)∏p(A0=a0|classg)

(16)

將上述公式作為指令結果輸出前的驗證環節，當此公式結果確定指令查詢結果符合用戶要求時，直接輸出結果，完成用戶指令反饋。

將上文中設計的三組不同類型的模塊，按照預設的多模態在線教學平臺模塊結構安裝到當前的在線教學平臺中。至此，網絡環境下的多模態在線教學平臺設計完成。

2 平臺性能測試分析

2.1 平臺測試方案

在線教學平臺測試是平臺開發過程中一個較為重要的過程，通過平臺測試可發現平臺結構中的錯誤，從而實現教學平臺的有效開發。上文介紹了多模態在線教學平臺的結構與核心算法，本節將對新型多模態在線教學平臺的功能性、安全性以及性能等幾方面展開測試，以保證平臺在實際應用過程中的高效性。此次平臺功能性測試內容包括平臺的基礎運行功能、教學課件的上傳與下載、各個基礎模塊的運行效果以及平臺中信息的完整度等內容。經測試證實教學平臺可正常使用后，再對其進行兼容性測試與性能性測試。

2.2 平臺兼容性測試分析

在平臺功能性測試完成后，選擇B/C結構在線教學平臺以及Web在線教學平臺與新型教學平臺進行同期測試，以此確定不同教學平臺的使用差異。本次測試中對此平臺的適應度進行分析，選擇PC機、平板以及手機3種設備作為教學平臺的登錄終端，并在此部分設備中安裝教學平臺，并測定平臺登錄的成功率。為使此部分測試結果具有可靠性，將測試設備以及相關測試參數設定如表1所示。對表1測試結果進行分析可以看出，當教學平臺在不同設備與不同的瀏覽器中使用時，其適應度存在一定的差異性。對不同設備中的登錄效果展開研究可知，測試中的3種教學平臺具有較好的兼容性，其均可在不同的設備中完成登錄，證實了此3種教學平臺的設備兼容性較好。在完成設備測試后，對其在常用瀏覽器中的登錄效果進行分析，由上述測試結果分析可以看出，新型教學平臺的瀏覽器兼容性較好，在不同的瀏覽器中頁面與組件功能較為正常。其他兩種平臺在不同的瀏覽器中均具有一種以上無法正常運行的情況。由此證實了新型教學平臺具有較高的應用兼容性。

表1 測試設計以及測試結果

2.3 平臺運行性能測試分析

2.3.1 用戶業務處理等待時間測試

在此指標的測試過程中，將100個用戶的業務提交等待時間作為測試結果。將業務提交等待時間設定為5個區間，對比每個區間的人數，確定不同教學平臺的應用效果。測試結果如圖2所示。對圖2測試結果進行分析后可以發現，不同的教學平臺其數據上傳時間的差異較大。文中研發的新型教學平臺可控制任務的上傳時間，減少用戶的等待時長，盡可能地降低用戶對于教學平臺的不滿。其他2種教學平臺在數據上傳時等待時間較長，且其時長已經達到用戶等待時間的臨界值，極易造成用戶的不滿。根據此測試結果可知，新型教學平臺可以解決用戶業務等待時間過長的問題，提升用戶的滿意度。

圖2 用戶業務處理等待時間測試結果

通過部分測試結果可以發現，在多模態教學平臺中增加教學資源協同過濾模塊是十分具有必要性的，此模塊可以較好的對教學平臺資源輸出與業務進行控制，提高教學平臺的運行速度，在日后的設計中，將此模塊作為教學平臺的主要設計對象，以此保證教學平臺的使用效果。

2.3.2 教學資源分發結果與用戶搜索結果相似度

在對此測試指標進行測定時，選擇50個教師用戶以及50個學生用戶在教學平臺中搜索5個指定的教學資源內容，并下載相應的教學資源，教學資源顯示結果與用戶搜索結果的相似度，通過此結果確定教學平臺對于教學資源的檢索能力與處理能力。具體測試結果如3圖所示。圖3顯示多模態教學平臺教學資源顯示結果與用戶搜索結果的相似度較高，使用此教學平臺可以較高地完成用戶指令，保證平臺的輸出效果。

圖3 教學資源分發結果與用戶搜索結果相似度

通過上述2組指標對在線教學平臺的使用性能進行分析后可以發現，多模態教學平臺的使用性能優于其他2種教學平臺。將此結果結合平臺兼容性測試結果后可以確定，多模態教學平臺的使用效果為3種教學平臺中的最佳平臺，在日后的在線教學過程中可選擇此平臺實現學生的日常教學。

3 總結

在網絡時代下，人們對于教學的過程與模式要求逐漸提升，多模態在線教學平臺成為當前在線教學的首選。本文對當前多模態在線教學平臺進行優化，并取得了較好的成果。在日后的教學過程中，可利用此平臺為學生的在線教學與網絡教育提供幫助。為實現此平臺的使用效果，未來的研究中將使用更加先進的技術對平臺的用戶服務部分進行完善，以此完成網絡教育的普及工作。