基于云計算的MR移動學習可視化交互技術研究

趙莉,涂雅軒,吳金鳳,張宇軒

(1.信陽農林學院 信息工程學院,河南 信陽 464000;2.武漢輕工大學 管理學院,湖北 武漢 430000)

5G(5th Generation Mobile Communication Technology,第五代移動通信技術)的到來,助力信息技術蓬勃發展的同時也顛覆了傳統的教育模式,讓人們的學習方式呈現出多元化。其中移動學習(Mobile Learning,縮寫為M-Learning)的出現滿足了當下用戶個性化學習需求,將學習者從傳統的課堂藩籬中解放出來,實現利用碎片化的時間進行隨時、隨地、隨需的學習,尤其是近幾年席卷全球的疫情期間更讓移動學習成為教育技術領域的新熱點。但學習者通過各種移動終端(如手機或平板電腦等)快速獲取學習資源的同時,如何實現師生間虛實場景的可視化交互,如何營造沉浸式學習體驗從而增加用戶粘性并提升學習實效,成為移動學習亟待解決的關鍵技術問題。

5G技術的迅速發展催生了移動終端設備的日益普及,讓移動學習成為一種趨勢。同時,5G網絡推廣發展和與時俱進的校園WiFi廣泛覆蓋,更為學習者提供了高速、便捷的學習環境。MR(Mixed Reality,即混合現實)是VR(Virtual Reality,虛擬現實)和AR(Augmented Reality,增強現實)的發展與延伸,通過與空間定位、傳感和人機交互等多領域技術聯動,融合虛擬世界和現實場景而產生的全息影像可視化環境[1]。MR作為元宇宙的重要入口,能把虛擬信息疊加到真實場景中并與用戶實現互動,為用戶帶來虛實結合的沉浸式顯性體驗及更加自然的交互氛圍,增強用戶身臨其境的真實感,對于實現移動學習可視化交互及增加用戶粘性且提升學習實效具有重要意義。

1 MR移動學習國內外研究現狀與發展趨勢

國外的移動學習研究起步較早,它起源于美國卡內基梅隆大學的Wireless Andrew項目,吸引了許多國外學者對其進行研究[2]。最早移動學習的研究主要集中分布在歐洲和北美的部分經濟發達、科技發展迅速的國家,其應用領域已經全面開展,他們的研究方向主要應用于企業培訓和學校教育領域,如挪威互聯網學院、德國的開放大學等諸多國家都在進行移動學習的探討,并以“終身學習”為目標,為后期的移動學習可視化交互研究增添了寶貴的經驗[3]。MR是在VR與AR的基礎上發展起來的混合技術,是由Intel在2016年舊金山IDF16開發者大會上首次推出,會上Intel亮出了多項新技術。MR最早進入大眾視野的是一段網上瘋傳的視覺盛宴“谷歌黑科技全息投影裸眼3D”視頻,MR有別于傳統的虛擬包裝,其數字模擬技術生成逼真的集視覺、聽覺、觸覺為一體的虛擬仿真環境,讓可視化環境里物理和數字對象共存,并實時互動。MR技術與傳統行業的結合,比如:MR+教育、MR+金融等,已擁有諸多成功的垂直落地場景,其代表性的是微軟的Hololens[4]。云計算概念從2007年首次提出到至今,云計算早已滲透到各個研究領域,亞馬遜已經開始賦能元宇宙的運行,利用云計算輔助教學研究的項目更是層出不窮,比如蘋果公司的iCloud手機移動云服務、微軟公司的Window Phone移動云計算平臺等[5]。

國內移動學習的先河是從2001年教育部授權北京大學的移動教育項目開始,正式將移動學習的概念引入中國[6]。隨著互聯網時代的到來,尤其是近兩年5G技術的飛速發展催生了智能移動終端設備的日益普及,為移動學習創造了可靠的硬件環境,國內對移動學習的研究正在由理論研究逐步轉向應用研究,開展了各種基于移動設備和移動網絡的教學,使移動學習應用研究越來越廣泛。與此同時,國內的MR產業經過近十年的發展已經日趨成熟,形成了五大MR核心產業聚集區,產業生態初步形成。目前,全國共有VR/AR/MR企業3000余家,由清華大學、北京大學、北京師范大學合力聯建的移動教育研究中心,為全國學生建立全國聯網的基礎學習平臺,且實行手機用戶享受優惠政策,助力實現教育資源的均衡化,使每位學生都能享受到優秀均衡的教育資源[7]。再加上與時俱進的校園WiFi迅速覆蓋以及5G+MR的發展,為移動學習者提供了高速、便捷的可視化交互學習環境,使移動學習成為智能經濟社會發展的強大引擎。

2 5G賦能云計算MR移動學習的優勢

云計算(Cloud Computing)是網絡分布式計算的一種,分布式計算和大規模異構系統資源共享是實現移動學習的關鍵技術[8]。它通過互聯網搭建資源池,將學習資源布置到云端,實現資源的統一管理和調度,為用戶提供實時更新、靈活擴展和虛擬化的資源(CPU、內存,網絡,存儲),使移動學習資源得到最大整合。另外,云計算依托5G網絡低時延、高寬帶、廣連接的優勢,將復雜的計算任務與海量的數據存儲投放到云端完成,使移動終端的計算與存儲脫離本機,通過云服務按需定制,極大降低了終端設備的配置要求。同時,5G網絡實現萬物互通互聯,加之云計算推進元宇宙的運行,借助MR融合移動終端的小程序協同工作,讓學習突破課堂延伸至戶外,輕松實現移動式遠程教育的教與學,這也為移動學習可視化交互的發展帶來了更多的契機與挑戰。

云計算是IT產業發展到一定階段的必然產物,利用云計算原理突破終端硬件和時間地域的限制,為師生更好地開展移動學習提供廉價便捷的服務和支持。本文充分利用5G賦能云計算的優勢特征與MR移動學習深度融合,結合API(Application Programming Interface,應用程序接口)訪問控制及MySQL數據庫,搭建面向高校移動學習交互平臺的彈性服務器端架構,實現移動終端與云端之間的數據通信[9],打破信息壁壘,實現全國各地教學資源的共享;并設計開發移動學習可視化交互的總體架構及教學平臺、學習平臺、交互平臺、資源平臺、個人中心、管理平臺等主要功能模塊,實現云計算虛擬技術與交互平臺的資源按需分配無縫銜接;另外,利用“翻轉課堂”教學模式設計基于5G賦能云計算的MR移動學習可視化交互仿真流程;最后,借助移動終端的小程序,依托此平臺通過整合高校網絡課程為開發基點展開論證。

3 MR移動學習可視化交互的關鍵技術

利用5G賦能云計算技術+MR技術+Vue+小程序+ SpringCloud +MyBatis技術棧進行業務開發面向高校的移動學習可視化交互平臺,前端采用終端小程序自定義組件和樣式,后臺使用SpringCloud和MyBatis框架搭建,前后端交互部分使用小程序定義的API。MR可視化交互平臺構建三步走的技術關鍵,如圖1所示。

圖1 MR移動學習可視化交互平臺技術關鍵

MR深度融合現實和虛擬場景而產生立體可視化環境,通過混合疊加的呈現方式讓用戶真實地感受到身臨其境的交互和體驗。搭建移動學習可視化交互平臺的功能模塊,如:教學平臺、學習平臺、交互平臺、資源平臺、個人中心、管理平臺等功能結構;同時建立移動學習個性化模型,實現資源個性化定制,并利用“翻轉課堂”教學模式以課前、課中、課后三者并重的方式,設計基于5G賦能云計算MR移動學習可視化交互仿真流程。

3.1 基于5G賦能云計算移動學習平臺的分層結構部署

基于傳統網絡學習中存在的問題,以構建主義學習理論及人本主義學習理論為支點,探討5G賦能云計算進行移動學習的優勢及可行性,構建移動學習平臺。前端采用終端小程序自定義組件和樣式,后端使用SpringCloud和MyBatis框架搭建,前后端交互部分使用小程序定義的API,構建5G視域下云計算技術+Vue+小程序+SpringCloud+MyBatis技術棧進行業務開發面向高校的移動學習交互平臺。

本平臺采用分層架構設計,主要包括用戶層、視圖層、控制層、業務邏輯層、數據持久化層及基礎設施層,具體如圖2所示。通過分層部署,使得每一層只需專注本層工作,遵從開閉原則,便于后期的修改與擴展。

圖2 5G云計算服務下移動學習技術架構

(1)用戶層:該平臺主要有兩種角色,即普通用戶和管理員用戶,普通用戶又包含教師與學習者。

(2)視圖層:即系統的業務實現。本層使用Vue和小程序進行開發,其中Vue開發的前端面向教師和管理員,通過瀏覽器直接對前端進行訪問,學習者通過移動終端小程序掃一掃即可對前端進行訪問,它們通過AJAX請求信號將請求數據傳輸到控制層。

(3)控制層:該層主要使用Spring MVC對用戶的請求進行攔截,進而獲得用戶的訪問請求,然后調用業務邏輯層的業務邏輯對前端(Vue+小程序)傳過來的數據進行分析處理,最后將處理后的結果傳遞給相應的視圖層用于視覺呈現。

(4)業務邏輯層:該層主要使用Spring處理用戶的訪問請求,并通過調用數據持久層的接口與映射XML文件與數據庫進行交互,完成各個模塊之間的數據處理。

(5)數據持久層:該層主要為業務邏輯層的數據存取提供方法,實現對數據庫的增、刪、改、查等操作。本平臺使用目前主流的ORM中的MyBatis 框架,它支持定制化SQL、存儲過程,并消除了幾乎所有JDBC代碼和參數的手工設置以及結果集的檢索,極大方便了開發人員對于數據的管理。

(6)基礎設施層:主要提供計算、存儲和網絡等IT硬件資源?；A設施資源可根據任務需求動態擴展,采用MySQL進行數據存儲。

3.2 構建MR移動學習交互平臺的總體架構

根據云用戶對移動學習偏好需求的調研分析,建立移動學習個性化建模,實現資源個性化定制。遵循MR應用的構建,采用MR技術+Vue+小程序,云技術深度融合MR,設計可視化交互平臺總體架構為4層,分別為終端層、數據層、計算層和資源層,架構設計如圖3所示。該4層相互配合、協同工作實現實時交互。終端層依據任務的需求來調用數據層與計算層的負載均衡、集群管理等功能;計算層根據數據層的要求來動態地調整資源層的使用,這樣既能滿足大規模的并發需求,又能適時地釋放資源。同時,構建后臺管理功能結構、移動學習平臺界面、平臺網絡安全架構、業務交互平臺(包括教學平臺、學習平臺、互動平臺、資源平臺、個人中心、管理平臺)等主要功能結構。

圖3 MR可視化交互平臺總體架構設計

3.3 移動學習個性化定制

移動學習面向的對象各有特色,為滿足用戶的個性化需求,在云平臺捕捉并分析用戶的學習行為軌跡,挖掘提取用戶偏好性特征量,提供不同觸點的學習策略,建立移動學習個性化模型,實現資源個性化定制。

首先,利用云計算的存儲和計算功能定義API,可以方便快捷地實時采集、分析云服務平臺上用戶的學習行為軌跡;然后,依據用戶偏好性特征量提供相匹配的學習方案,精準推送個性化定制資源,為進一步優化資源框架的靈活性和整合性,用戶可根據自身需求隨時對學習的內容、進度及掌握程度等進行自由選擇和調整,如圖4所示;最后,依托此平臺,借助移動終端中的小程序,通過整合高校網絡課程為開發基點展開論證,實現基于5G 賦能云計算的MR移動學習可視化個性化交互,營造沉浸式學習體驗,從而提升用戶的粘性學習。

圖4 移動學習個性化定制流程示意圖

4 以翻轉課堂開展MR移動學習可視化交互實踐教學

為了有效地保證平臺開發的質量,整個平臺建設的全過程劃分為前期準備、平臺設計、平臺開發、灰度上線及上線五個階段,每個階段完成相應的任務,如圖5所示。同時為推進與保障平臺開發的質量,項目建設的實施劃分為二個小組進行。

圖5 移動學習可視化交互平臺實施方案

一組為理論研究及平臺設計組。主要包括項目啟動準備、需求調研分析、平臺總體設計及各功能模塊設計。本小組從方案的制定、人員的分工、結構設計、功能實現等都經過項目組充分討論。從理論上以研究相關開發方法為支撐,對移動學習交互平臺的總體架構及教學平臺、學習平臺、交互平臺、資源平臺、管理平臺、個人中心等設計都是項目組成員在深入調研分析的基礎上確定的。以基礎理論、支撐體系、關鍵技術、創新應用四個層面構筑知識群、技術群和應用群的生態環境。

二組為開發實施及上線推廣組。該組根據事先設計好的技術路線,按照平臺結構設計及開發的技術方法,在5G視域下利用云計算技術+MR技術+Vue+小程序+ SpringCloud+MyBatis技術棧進行面向高校的移動學習交互平臺的搭建與實施。從搭建移動學習可視化互動平臺的總體構架、后臺管理功能結構、移動學習平臺界面、網絡安全架構及該交互平臺的各個主要功能模塊結構等皆要嚴格規范地按照標準來實施,每個階段的順利完成是保證下一階段的工作開展的基礎。以5G賦能移動學習推動技術持續創新和與經濟社會深度融合為主線,按照并跑、領跑兩步走戰術保障項目的順利進行。

為進一步驗證基于5G賦能云計算的MR移動學習所開展的可視化交互實踐教學,對提高師生教與學綜合能力的有效性,利用“翻轉課堂”教學模式設計出基于5G賦能云計算的面向高校移動學習可視化交互平臺仿真流程,如圖6所示。依托此平臺,通過整合高校計算機組成原理課程,結合翻轉課堂教學實施方案步驟與該網絡課程特點需求,并以“翻轉課堂”教學模式實施開展移動學習可視化實踐教學,進一步促進和優化線上線下教學效能。

學生通過移動終端隨時隨地實現自主探究、小組合作、師生探討等學習方式,歷經翻轉課堂的課前、課中、課后三大階段對應的“提出疑惑—協助學習—總結評價”的知識補救,實現了三次知識內化,內化于心、外化于行、實化于效,在內化和外顯中提升專業知識素養。最后,師生可以根據探討、測驗和作業評定等量化評分來反思和總結學習效果,實現移動學習可視化交互及增加用戶粘性,提升學習實效。

在教學過程中,教師倡導課前要預習、準備與積極交流;提升課中時效、設計與實施;強調課后及時鞏固、總結與評價。為了能上好每一堂課,教師應創設情境,營造氣氛,實現師生間實時交互,及時查缺補漏,且根據學生反饋信息調整教學。最終,摸索出高效課堂的三個步驟:功在課前、效在課中、思在課后。教學期間自然融入課程思政,重點突出教學要點,力保課前、課中、課后三者并重,磨、練、講、評一個不能少。這樣,才能提高課堂實效。

5 總結

云技術與MR移動學習的深度融合,不僅實現學習環境和資源的云化,還立足教育云平臺的設計,充分利用MR虛實疊加、實時交互及5G網絡高速度、低時延的技術優勢,營造出沉浸式學習體驗從而提升用戶粘性學習,對移動學習可視化交互過程進行全方位打造并提高學習實效。構建云計算環境下MR移動學習可視化交互平臺,為高校教育云平臺與移動學習的無縫銜接提供快速擴展和可復制的實現方案,拓展基于5G賦能云計算的MR教育研究視角,為推進校園信息化建設和實現MR移動學習可視化交互在教育領域中的應用起到融合創新及示范作用。