移动终端下在线教育平台支撑技术应用研究

陈军

摘要：移动学习环境的云平台是在线教育过程中教育资源服务于大规模用户群体、支撑海量数据有效汇聚的关键。移动教育平台构建的支撑技术是实现在线教育移动学习环境的基础。该文在阐述移动学习环境的内涵基础上，对目前比较热门的移动终端在线教育平台进行了调查和对比，采用一种云模式下的移动终端泛在学习系统设计方法，通过提供基础设施、平台和教育服务，构建一种基于云的虚拟学习环境，实现使用者可以利用移动网络不受时间、地点所限地访问网络、服务器、应用程序、服务及存储等教育资源共享池。采用离线存储、数据挖掘、视频分析、云媒体转换等技术实现随时随地线上线下课程点播、在线直播、即时在线分享、课程推荐、内容推送、学习管理等服务功能。

关键词：移动终端；在线教育；云平台

中图分类号：G434 文献标识码：A

一、引言

进入21世纪，教育部在多所高校组织开展了远程教育试点工作，并在实施成功后批准颁发网络教育文凭。为了加强网络化优质教学资源建设，在教育部的组织与领导下，2003年至2010年期间，国家精品课程资源中心共收集到涉及各个学科、超过2万门的精品课程。同时，各大互联网平台，如网易、爱课程、超星公开课等也陆续吸收了世界各大名校的教学产品，提供给广大网络学习者进行自主化学习。2010年后，国外在线教育发展迅速，在可汗学院运营模式和大规模开放在线课程MOOC的影响下，我国在线教育也进入了飞速发展的时段。

需要留意的是，以上这些网络课程基本上是基于电脑终端设计的。学习者必须借助连接了互联网的计算机才能进行学习。由于不是所有场所都有网络信号接入，所以学习者的学习地点就具有很大的局限性。那些没有计算机或有计算机却没能连通网络的学习者，是没有办法接受在线学习的。

随着网速大幅提高、无线网络的普及，以及智能型手机、便携式电脑、手提电脑等移动装置广泛应用，越来越多的学习者开始选择应用移动终端进行各种类型的学习。与传统课堂面对面的教学形式不同，移动学习方式超越了时间和空间的限制，学习者可以利用闲暇的碎片化时间（譬如等车、坐车、睡觉前）学习自己所需要的知识与技能。此外，学习者还可以根据自己的学习习惯、学习需求等自主选择学习课程、环境和方式，随时随地、反复地进行相关学习。

因而，更多的学习者如何通过移动装置进行自主或协同学习、取得更多优秀资源也顺势成为了更多教育研究人员的研究选题。

二、移动终端下在线教育的内涵

广义上说，移动终端包含了手机、笔记本电脑、平板电脑以及车载电脑等；狭义上说主要是指非智能手机、智能手机及平板电脑。本文探讨的移动终端是指智能手机和平板电脑。在线教育，也称在线学习，是相对于传统的校园教育而言的，学生利用互联网进行自主学习，是互联网在教育行业上的应用实例。移动在线教育是20世纪80年代后期，借助于移动通讯技术在移动通信终端平台上衍生出的一种全新学习方式。相比于传统学习模式时间不足、地点固定、方式单一、内容受限，这种全新的学习方式更加有效、灵活。从社交属性来说，移动教育平台是一种全新的交流方式。通过移动教育平台，实现教育资源信息化，让学校的老师、学生可以在教学的过程中，随时随地地互动和交流，实现教学成果共享。

移动在线教育使得学习者的学习不受时间、地点限制，随时随地进行课程学习。在线资源传播受限于网络速度，与传统计算机终端课程相比，移动学习的课程设计相对简单精炼，资源具有碎片化与微型化的特点。此外，在线课程在设计上期望更加趣味化，以吸引更多的用户使用和传播课程。在移动终端下，学习者之间的互动性更强，用户的学习体验和评价反馈能得到及时响应，这种学习更具社交性，相同兴趣的学习者更容易聚集到一起。

三、移动教育环境的云平台

移动教育环境下的云平台是教育资源服务于大规模用户群体，支撑海量数据有效汇聚的关键。云平台在服务器、存储、网络等方面提供高可靠、高稳定性的基础设施支持，包括云数据中心、云管理层软件、云端管理体系和虚拟化软硬件。

为了更好地支持教师教学和学生学习，实现教育资源的分别管理与共享应用、个性化学习，本移动教育平台不断优化IT基础设施、资源和业务流程。本平台采用一种新兴的计算范式“云计算（Cloud Computing）”，提供基础设施、平台和教育服务，构建一种基于云的虚拟学习环境，构造出智能化、网格化、体系化的教育服务云。最终达到提高应用程序及服务的可扩展性和可靠性、削减软硬件资源的开销、减少软件更新和数据中心维护费用的目的。在云计算中，使用者可以利用移动网络不受时间、地点所限地访问网络、服务器、应用程序、服务及存储等教育资源共享池。

笔者所构建的移动学习云平台采用云计算的SaaS、PaaS、IaaS三种呈现模式。

SaaS（软件即服务）主要提供了一个移动学习门户，支持学习者进行课程点播（包含离线功能）、在线直播、在线实时分享、举荐课程、下载资源、接收学习者上传的学习资源，同时提供不同类型的教育软件资源、支持QQ微信、在线聊天、直播、公众号等多种互动形式，并支持发布提问、视音频、图片、评论、投票等内容资源，还能即时在线转发分享，从而构建一个优秀的云教育资源应用服务中心。

PaaS（平台即服务）支持数据层向服务层交换数据、认证身份。该平台承担着以下功能：数据交换、无线应用、捆绑学习者手机终端的短信息服务系统和单点登录系统。

IaaS（基础设施即服务）利用虚拟化技术对物理资源进行整合，向PaaS层提供网络接入和基本数据服务。云端学习管理层统一调度管理SaaS、PaaS、IaaS层的资源，处理学习资源的动态拓展，破解学习资源数字鸿沟，形成共建共享的教育学习机制，随时随地地互动和交流，实现学习成果共享。

（一）云平台基础设施

移动环境下在线教育平台的建设从云平台的基础设施设计、开发、部署开始。数据通过云资源基础设施进行通信、系统服务。服务器、存储和路由通信设备构成了基础设施的基础网络层，利于信息传递，支撑着各类应用系统进行交互。安全信息空间层保证网络基础设施的安全、监控和管理业务流程。IaaS层将不同的计算装置抽象、转换成虚拟资源池里面的计算资源，整个时段中发挥重要效用的是虚拟化技术将CPU资源虚拟化为计算资源，将形形色色的网络设备资源抽象、转换成虚拟资源池里的网络资源，并且将内、外存储配置虚拟化成虚拟池中的存储资源从而使得学习者减少复杂繁琐的设计开发，方便部署运行各种應用程序。通过建设云计算数据中心，将学习资源虚拟化资源整体存储在云数据中心，实现移动学习云端接入服务。云数据中心托管的是计算能力和信息应用，数据在云层进行传输，云数据中心调配相应的计算能力，为移动在线云教育提供包括基础数据、面向学习者差异化需求学习资源数据和各种移动在线学习资源数据提供统一的存放场所，并为Pass层提供基本数据和网络接入服务。

构建移动环境下的在线教育云平台的基础设施主要通过第三方开源解决方案进行整合创新，支撑起大量教学资源在云端进行高可用性、可扩展性的存储，以便适应平台资源、服务动态部署在移动学习环境中的工作流程。移动环境下的在线教育云平台扩展包含了应用负载均衡器节点、应用服务器节点、数据库管理节点和数据被管节点。在移动式在线教育云计算中，负载均衡能有效防止负载分布不均、数据流量堵塞、反应慢等情况。为保证教育资源能得到及时、有效的利用以及确保缺少服务器时负载过重的工作不会减慢运行速度，负载均衡分批发送请求数据至云服务器。应用服务器向应用提供管理集中式、应用分布式的运行环境。数据库管理节点和被管理节点一同为应用提供可伸缩与可靠的分布式存储服务。

（二）移动终端功能

为了能建构出更符合学习者的移动终端在线教育平台，笔者首先对目前比较热门的移动终在线教育平台进行了调查和对比，其终端功能结果如表1所示。

课程点播、课堂推荐、内容推送、收藏、分享、评价、搜索是移动终端在线教育平台的基本功能。此外腾讯课堂传统在线平台（即电脑端）与移动终端在线平台可实现数据同步，用户只需在移动终端APP登陆自己的账号，系统自动同步该用户在电脑端的学习数据。反之，亦然。

在此调查研究基础上，结合移动学习者学习灵活性、个性突出活跃的特点，笔者在建构移动端在线教育平台时设置了以下核心模块：课程点播（包含离线功能）、在线直播、即时在线分享、课程推荐、内容推送。

1.课程点播

课程点播功能是该平台中最基本的功能，主要包括教学视频选择、观看、下载。移动终端下的视频点播受网络限制，虽然随着4G网络信号的普及，网络速度已不是此类平台发展的瓶颈，但其费用较高，于是离线存储技术应运而生。

2.在线直播

在线直播更能满足人们对发布和分享信息的心理需求，人们通过直播可以更加直观地接触真实的对方，带给学习者的沉浸性更强。这种在线教育人际交流的新平台，从以往的及时交流过渡到实时互动，并通过互动能得到及时的反馈，从而实现有效的沟通。直播，可以让学习者与授课现场实时连接，此时用户的体验感是最真实最直接的。而且，学习者还能透过直播平台和平时难有机会接触的名师互动交流。

3.即时在线分享

即时在线分享功能是当学生在平台上学习或老师在平台上授课时，可以将自己认为有意义或核心的内容片段，通过简单的剪切形成小视频，并加上自己的看法，分享给其他人。这些小视频较为简短，内容独立，方便共享，非常适合学习者进行碎片化学习。与传统在线教育形式相比，移动终端的在线教育平台是一个整合了学习资源、人际关系的网络学习空间，而不再只是信息与资源的并集。

4.课程推荐

课程推荐功能是根据用户点播偏好和观看记录，平台自动推荐相关联的课程视频到用户账号上，帮助用户挖掘知识，以便用户更好更快捷地进行知识扩展。此外，这也能培养平台用户群。

5.内容推送

内容推送是通过后台对用户数据的收集和分类，向目标用户推送信息、文字、图片、语音、视频等类别的内容。很多在线教育平台一直以来都把重心放在丰富学习资源上，忽略了对学习者点播习惯、爱好、类型等数据的收集。本平台能够实现精确的消息推送，支持学习者进行泛在环境下的自主学习。

四、移动教育平台支撑技术

移动终端在线教育平台提供服务的支撑技术包括离线存储技术、数据挖掘技术、视频分析技术和云媒体转换等主要支撑技术。

（一）离线存储技术

移动终端下在线教育平台离线存储，即自动将部分网络资源下载并保存在本地。当页面需要重新加载时，程序便会自动读取这些资源文件，就算在脱机的状态下使用者依然可以继续访问和操作，虽然此时用户的操作不会得到网络的响应，但会被记录下来，等网络重新连通后即刻获得同步。HTML5的离线存储功能是通过新建的.appcache文档来实现，借助这个文件的解析清单线下存储数据，这些数据就会像cookie那样被保存下来。当移动设备处于脱机状态，浏览器依然能够把这些数据在页面上展示。这样，用户就可以在没有因特网连接下继续访问学习内容，而浏览器也能够仅下载服务器更新过、修改过的数据，减轻了服务器的负载压力，已缓存的资源也就能加载得更快。

（二）数据挖掘技术

在移动云环境下，全部的教学资源都被存储在服务器，学习者无法快速检索、定位所需数据，必须借助推送功能向学习者推送教学资源，然后在移动环境下构建知识体系。

移动终端下在线教育平台数据挖掘包括三个方面：

1.是从用户行为的历史数据中汇总分析出用户感兴趣的类别，然后找出相关视频推荐给用户。用SQL Server数据库搭建视频推荐功能，囊括了用户行为的追踪以及用户与用户关系的日志服务系统和推荐引擎。用户对推荐系统或赞或弹或无视，这些行为数据都被详细记录在日志系统里。推荐引擎在程序离线或在线时都发挥作用，当处于离线状态时，推荐引擎会生成视频相关矩阵，保存在数据库里，当程序连通网络处于在线状态时，推荐引擎的在线系统便会实时响应用户的请求，实时查询并调用分析，最后生成推荐结果发送至用户账号上。在SQL Server数据库中创建不同表格存储用户的信息和视频类型信息，用户在选择了符合其兴趣的视频后，在SQL Server数据库中会记录下其观看的视频类型，整理数据，并且在其喜爱的视频类型范围中，生成最终的视频推荐结果。

2.是获取用户的点播習惯记录需要用到SQLServer数据库的应用，要实现SQL Server数据库与视频系统通过配置文件的连接，接收用户的行为数据，即存储User ID、Program ID数据，User ID和Program ID存储用户与视频被观看的关系，将数据存储到数据库中，采用命令实现一对多的存储。

3.是利用SQL Server数据库查询功能，把User TD作为查询的参数，在数据库中会查询到每个用户所对应的视频列表和其看过的所有视频总列表，在视频总列表中按照ProgramID去计算每一个视频被点播的次数，然后按照次数排序获取所有视频，把观看次数最多的排在前面，即可获得用户的点播习惯和记录。

移动在线教育产生的大数据，可以把以前隐藏至深的学习情况清晰地呈现出来，然后为学生“量身定制”适合的教育资源。因为移动端产品更注重个性化需求，这也使得大数据技术不可缺席，通过挖掘用户的需求以及习惯规律，创新教学内容以及教学方式，并针对具体人群定制个性化的学习内容。

（三）视频分析技术

移动在线课程库非常庞大，很多课程内容同质化严重。如果是想要搜索某个课程，可以输入课程关键词（比如科目类别、授课老师、在线平台）进行搜索；如果是想在海量视频库里具体定位某段视频，就必须借助视频分析技术。

这种技术依靠计算机图像视觉分析技术，把场景中的背景与目标分离开来，再在摄像机场景中分析、追踪目标。大数据时代之下，人们越来越重视智能化的视频分析技术。它依靠视频算法分析视频内容，提取视频中的关键信息再标记出来或进行相关处理，进而形成相应事件以及告警的监控方式，使用者便可以使用各类属性描述来快速检索。

（四）云媒体转换技术

本移动教育云平台采用分布式转码系统技术。HDFS技术通过分布式计算对视频存储提供底层支持，采用Map计算框架和FFMPEG进行分布式转码。转码过程中编入视频水印，凸显视频版权信息；白名单域名控制，指定安全播放域名，为视频添加可靠防御层；IP拦截管理，防止恶意IP播放或下载用户视频，保障用户视频内容；安全防盗链接，附加时效性数字签名，全面提升安全等级；并支持多终端播放，提供智能识别播放环境视频代码，完美适配PC端、IOS客户端、Android客户端。

五、案例研究：学习成效检测与评价

为了检验本平台的实际使用效果，学生们通过配置了WI-FT的移动装置登陆本平台学习并参加相关课程的阶段性测验。

（一）实验对象

广东技术师范学院教育科学与技术学院教育技术学专业大三两个班70名学生，学习课程为《教学系统设计》。学期第一周进行的课程知识内容前测成绩显示，V（1，70）=1.153，p=0.323，其课程知识水平相当，无显著差异。

（二）实验设计

单因素被试间设计，自变量为教学方式，包括两种情况，控制班采用常规教学方式，实验班采用在线教育平台学习方式。持续时间一个学期，学期结束后进行闭卷考试测验。

对测试成绩进行单因素方差分析，结果显示，参与学习后的测验成绩差异显著，F（1，70）=4.281，p=0.018，如表2所示。

由此可见，采用在线教育平台学习的学生成绩明显优于传统教学方式的学生成绩。

另外，在課程结束后对两个班级进行的学习效果调查问卷结果如表3所示。

从测试调查结果可以看出，实验班学生的学习效果明显优于控制班。也就是说，用以追踪学生学习行为与效果的数据挖掘算法已经发挥作用了。平台跟踪记录学生的学习行为数据，分析学生在线学习状态，并使用决策树方式让学生预测与认识自己的认知能力，从而协助学生提高学习的能力、加强学习的管理，最终增强学习的效果。本平台基本实现了移动、智能、个性化的教学，逐步实现因材施教。

六、实际应用过程中的反思

（一）开发优质移动资源，打造“内容为王”

目前，移动终端在线教育尚未成熟。传统的在线学习资源从一开始的课程设计就是根据计算机终端特点来设计的，而并没有去考虑学习资源在移动终端的应用情况。传统在线学习是一种基于计算机终端的学习方式，其学习内容更加系统化。移动学习则是建立在移动设备上，如智能型手机、平板式电脑，学习内容偏向于零碎化，不利于学习者系统化学习。所以学习资源PC端转移到移动终端并不能生搬硬套，还要根据学习资源和移动学习的特点进一步设计课程。

（二）创建虚拟体验情境，实现与传统学习的互补

移动学习是传统在线学习在科技发展到一定阶段的产物，因此如何最大化地发挥出这种学习方式的作用，仍需要大家热切关注并有待解决的问题。在传统教育中，针对操作实践类的课程，很难实现在线化，随着手游《精灵宝可梦Go》增强现实（AR）宠物养成对战类RPC手游的发行，AR在现实世界中叠加虚拟内容所带来的感官体验是虚拟现实（VR）所不能及的。如何将虚拟现实（VR）向增强现实（AR）靠拢，尤其在工程、汽车、生物化学、医学、建筑学等专业课程里，提供了身当其境的体验式教学也是当下需要思考的问题。

七、结语

随着双电快充技术、4C/5G网络及无线网络的发展，更大的带宽支撑起更快、更流畅的移动在线视频直播或点播，也能更好地支持实时双向互动。相信在大数据、虚拟情景技术、可穿戴设备及云计算、物联网的技术支持下，移动终端在线教育将会更加个性化，人类终生学习的期望将有望得到实现。