移动教育的理念与关键技术研究

1、    移动教育的理念与关键技术研究        摘要移动教育是随着移动通信技术和计算机技术的不断发展演变而来的一种教育方式，其目标是实现任何时间、任何地点、任何方式的教学活动。本文主要讨论了移动教育的理念和技术环境。其中移动教育的环境包括统一的教学平台、设备自适应的资源组织、统一的消息传递系统等。作者对移动教育环境的基本结构及其关键技术进行了讨论，最后通过试验给出结论，并对移动教育的前景进行了展望。    关键词移动教育；教学平台；设备自适应；消息传递；资源组织移动教育及其理念移动教育是由远

2、程教育、数字教育(e-learn-ing)演变而来的。远程教育强调授课教师与学习者在时空上的分离，这样做的优点是：学习者不必局限于特定的教室，一个教师可以面对更多的学生；缺点是学生只能被动地接受，交互很少。计算机网络和多媒体的发展弥补了以上远程教学的不足，利用多媒体技术可以将更多的教学信息(教学情景和教学内容)传给学习者，利用网络技术可以方便地实现师生交互(同步和异步)。然而，计算机不是随时随地都存在的，网络终端在空间上也是受限的。人们上网的机会仍然受到限制，尤其是现在的职业发展需要不断地学习，随时可能需要在网上搜索知识，而且很多的学习者是非专业学习者(研究人员)，其工作场所经常变化。因此，这

3、些人需要一个随时随地都可以学习的环境，这种环境及其中发生的教育行为称为移动教育。移动教育包括两部分：随时随地都可以进行教学(包括学习和指导)行为的环境(移动教育环境)和在移动教育环境下的教学行为。面对面教育、远程教育、移动教育强调的是教育过程中发生的不同环节的行为，其关系如图1所示。 通过以上的讨论，我们可以看到：移动教育主要是在时间上给学习者提供了在非固定学习场所进行学习行为的机会。如何建立移动教育的教学环境呢?与网络教育类似，移动教育环境要支持必要的教学行为，使得学习者以及指导者都可以在该环境下从事教学活动。常用的教学活动包括：课程准备(教学设计和教学内容生成)、内容上载到服务器

4、、交互行为(教师学生交互、教师管理员交互、学生学生讨论、学生管理员交互)、学习体验(学生从网上观看学习内容展示以及测验)等。作为一种教育方式，移动教育理应支持这些教育行为，方能实现教育的目标。然而是否这些行为能够在当前的技术支持下自然地实现呢?我们看一个例子：观看内容展示。目前，网上已经发布了大量的课件，我们通过台式机利用互联网可以方便地在家里或学校里浏览，体验多媒体展示的课程内容。然而我们在路上的情况又如何呢?一般我们随身携带的设备是手机，包括gsm手机(声音+短信)、gprs手机(gprs通信上网、软件)、pda手机(高性能软件)。由于手机的类型不同，其功能具有较大的差别。然而由于手机的屏

5、幕、内存、电源、网络带宽都受到很多限制，目前最高档的手机也不能完全支持多媒体类型，不能浏览多媒体课件。以上的例子说明，在移动环境下实现通常的教学行为需要很多技术支持，需要针对教学环境考虑更多的问题。这些问题总结(不局限于)如下：7.自适应的教学管理平台；2.教学资源的形式组织；3.教育资源的媒体形式；4.统一的交互平台；以下主要针对这些问题进行讨论，研究整体的解决方案，并展示研究的进展情况，以及需要进一步研究的问题。移动教育的系统框架为了有效地支持移动教育的行为，需要建立一个教学平台，使得教师和学生都可以方便地进行教学。该平台应该具有以下特点：兼顾教学过程中的所有环节，使得教师和学生在任何情况

6、下参与教学活动都使用统一的平台，同时在技术实现上应该继承固定网络教学平台的成果。一种参考的技术构架如图2所示 基本原理：将教学系统分为两大部分，一部分是设备无关的部分，另一部分是设备自适应部分。其中设备无关部分是指教学系统的逻辑组成，在设计和实现上不依赖于具体的设备。设备自适应部分的功能是：当用户使用具体的设备访问教学平台及其内容时，将设备无关部分与访问的具体设备相结合，产生与该设备相匹配的表现格式和内容。这样就可以实现系统对不同设备的支持。移动教育的关键技术针对以上设备自适应的平台构架，我们下面详细讨论其实现技术，包括自适应的教学管理平台、设备自适应教学资源、统一消息系统等。1.设

7、备自适应的教学平台所谓设备自适应的教学平台是指教师和学生可使用多种设备访问该平台，并方便地实现教学活动。这里的多种设备是相对的，并不是指无穷多的具体设备，而是指常用的设备类型；方便性也是相对的，是相对于所用的设备能力而言的。实现设备的自适应可以有多种不同的设计方案，但一个重要的评价指标是可重用度(模块被重用的程度，这里不进行形式化定义)。例如，一种简单而又直接的方案是针对不同的设备分别设计不同的方案，如s0、s1、s2、sn，每个方案使用不同的uri发布，当用户使用不同的设备时访问不同的网络地址。目前一些商用网站正在采用这种方式。这样的方案要求用户要记住针对每种设备的网络地址，很不方便。为了方

8、便师生并最大程度地减小开发耗费，图3描述了一般教学平台的组成原理。 从图3可以看出，“设备绑定”以下的部分是教学管理平台系统的逻辑功能组成，这些功能是与具体设备无关的。在实现具体设备的系统界面时，开发人员可以根据用户的需求以及设备的特点(屏幕大小、支持的协议等)定制开发具体的界面。为了减小针对不同设备开发系统界面时的开销，应该尽量多地复用设备无关的部分。为此，在系统实现时应将设备相关部分与设备无关的部分分开，图4是基于asp+web service的框架结构。 从图4可以看出，教育平台的业务处理部分全部由web servi ce组成，其中web service分为基本服务和

9、复合服务。基本服务是指系统提供的基本的原子服务，不能再被分为更小的服务；复合服务是指那些根据其它服务组装起来的服务。这些web服务发布后(发布格式为wsdl)，其它的系统或服务就可以通过http以xml的格式调用这些服务。图中，我们可以基于发布的教育平台服务实现不同的系统，如针对pc界面的系统、针对pda的系统等等。开发这些应用系统时，需要的工作是利用jsp语言；降需要的web服务组装成相关的界面。复杂的情况是使用少量的java程序编写一些粘合逻辑。因此，基于这种模式开发的系统可以较容易地实现针对不同设备的教学系统，同时实现了业务逻辑的高度复用。 另外，用户使用不同设备访问教学系统时

10、，为了返回给用户合适的系统界面，一般有两种方法：一是对不同设备的系统赋予不同的uri；二是不同设备的系统分配唯一的uri地址，不同设备在访问系统时服务器端自动返回与设备相适应的界面。优化的方案是采用第二种方法，这种方法的原理如图5所示。 目前多数浏览器都支持context(即用户设备和系统的描述)，因此服务器端可识别访问的设备，并进行相应的自适应处理。2.设备自适应的消息传递系统umts不同的移动设备具有不同的系统软件、不同的应用软件以及不同的网络协议。要支持教学过程中的用户交互，不同的设备需要具有统一的消息传递系统，我们称之为普适消息传递系统umts(ubiqui-tous mes

11、sage transfer system)。该系统的原理如图6所示。利用umts，教师和学生不论在什么时候、什么地方，都可以使用多种设备进行实时交互。3.设备自适应课件通常来讲，我们制作的课程资源是针对pc机系统的，例如目前www上发布的大多数课件。然而，在移动教育环境下，学生使用最频繁的并非pc设备，而更多的是便携设备，如pda手机等。要想使学生在移动的环境下随时体验学习，完成教学活动，就要求网上发布的课程资源适合不同的移动设备，我们称之为设备自适应课件(也适应于课程资源)。目前的课程资源几乎都不能满足这样的要求。那么，设备自适应的课程资源应该具有什么样的结构呢?该问题涉及的多媒体领域的关键

12、技术仍然在研究中，也没有得到很好地解决，下面我们以设备自适应课件为例进行简单的讨论。 一个课件的结构如图7所示。从图中可以看出，一个课件是由多个学习对象通过反映学习行为的控制结构组成，学习对象包括学习行为以及学习内容，而学习内容是由若干教学媒体组成的。当使用不同的设备浏览这样的课件时，如要得到满意的学习效果，需要满足以下条件：1.根据具体设备确定每一个页面包含的学习对象；2.根据具体设备确定每一个学习对象中媒体的类型。对于第一个问题，选择页面包含多少个学习对象是一个很复杂的问题，要根据页面的面积以及每个学习对象的大小而定，要得到完美的解决会相当困难，实际应用中只能采用粗略的算法。对于

13、第二个问题，每个学习对象都是通过媒体的呈现行为来表现学习过程的，然而不同的设备具有不同的系统软件、系统硬件以及应用软件，而这些配置都会影响设备所能呈现的媒体。例如，显示屏的类别会影响显示图像的质量，流媒体播放软件的配置会影响到学习对象是否包含流媒体及其格式选择。当学习对象包含流媒体时，不同的设备访问时还要解决设备与服务器连接的网络带宽问题。例如，当使用pda手机通过gprs浏览流媒体课件时，需要对流媒体进行带宽处理以及对课件描述语言进行过滤回，等等。其它媒体的讨论在这里不再展开。4.技术上的进一步讨论移动教育中的核心问题是让用户使用不同设备访问时都能完成正常的教学活动，得到满意的学习效果。但是

14、，目前的教育系统和教育资源都是针对pc机和internet设计的，不适合其它设备。如何有效地开发适合不同设备的教育资源和系统是移动教育的关键问题之一。以上是讨论了采用手工设计并实现系统时的优化方案。更为理想的方案是采用自动生成的方法：即只设计并实现设备无关的部分，而系统中与设备相关的部分由程序自动生成。这要涉及到教育知识的本体表示以及基于本体和web服务的自动组装。由于这些技术尚未成熟，本论文不涉及这些内容。有兴趣读者可以参考相关的文献。实践、结论与展望1.实验北京大学自2001年开始进行移动教育的研究，并将研究的成果应用于北大网络教学平台建设(http：)。目前，该平台实用版本的业务逻辑采用javabean技术实现，界面采用jsp技术，不同设备的系统共享相同的javabean集合，不同的设备系统采用相同的url地址，服务器端采用设备自动识别技术自动转换到相应的界面，不同设备的平台首界面如图8所示。 而基于web service和本体的一代教学支持平台(基于本体的教学平台)正在研究中，并已经取得进展。基于