丁亦喆，魏刃佳，劉 博，吳振強(qiáng)

(陜西師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710062)

1 引言

移動(dòng)終端便攜、網(wǎng)絡(luò)接入多樣、操作使用簡(jiǎn)單等特性，讓移動(dòng)終端快速普及并推動(dòng)了移動(dòng)應(yīng)用和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的市場(chǎng)。2012年中國(guó)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模就達(dá)到了549.7億元，增長(zhǎng)率為96.4%[1]，手機(jī)應(yīng)用已經(jīng)成為中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展亮點(diǎn)[2]。手機(jī)應(yīng)用高速發(fā)展對(duì)于手機(jī)教育應(yīng)用的普及起促進(jìn)作用。目前應(yīng)用市場(chǎng)已經(jīng)出現(xiàn)了一些教育類型應(yīng)用，例如MOOC(Massive Open Online Courses)、網(wǎng)易公開(kāi)課、新浪公開(kāi)課、拓詞、英語(yǔ)流利說(shuō)等。越來(lái)越多教育應(yīng)用的出現(xiàn)表明人們已經(jīng)開(kāi)始接受使用移動(dòng)終端進(jìn)行學(xué)習(xí)，逐漸轉(zhuǎn)入學(xué)習(xí)型社會(huì)和教育信息化時(shí)代。

結(jié)合國(guó)家信息化發(fā)展整體戰(zhàn)略[3]，針對(duì)我國(guó)東西部教育資源不均衡[4]、精品課程和開(kāi)放課程利用率低、運(yùn)行質(zhì)量差等問(wèn)題[5]，本文在現(xiàn)有的三方參與應(yīng)用系統(tǒng)場(chǎng)景下，設(shè)計(jì)出一個(gè)能改善上述問(wèn)題的移動(dòng)教育應(yīng)用實(shí)例。把移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)抽象為客戶方、中間代理商(如移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商)和服務(wù)提供方(第三方增值業(yè)務(wù)提供商)。探討了如何讓中間代理商提供最佳的用戶支持，使得不同系統(tǒng)平臺(tái)的移動(dòng)智能終端能享受到更高效、更多樣的增值服務(wù)。

目前教育系統(tǒng)多通過(guò)用戶上傳以及網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)等多種手段獲取資源，并對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的資源進(jìn)行分詞整理后提供資源搜索功能[6]，針對(duì)移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)資源有限的情況，需要對(duì)資源進(jìn)行進(jìn)一步的格式轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一[7]，同時(shí)需要考慮移動(dòng)端資源播放的用戶體驗(yàn)。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)移動(dòng)終端廠商誤操作專利無(wú)法避免資源浪費(fèi)的情況[8～10]，本移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)通過(guò)改進(jìn)的誤操作行為判斷算法，在用戶界面處判斷觸摸操作是否為用戶主觀行為，并通過(guò)控制用戶的請(qǐng)求(即只允許用戶同一時(shí)刻請(qǐng)求一個(gè)資源)來(lái)節(jié)省通信和計(jì)算資源，提高用戶體驗(yàn)度。同時(shí)，借鑒基于對(duì)象的行為模型[11]，對(duì)系統(tǒng)采用確定型自動(dòng)機(jī)理論DFA來(lái)進(jìn)行建模和驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)測(cè)試表明，該方法可以有效地降低用戶誤操作次數(shù)，提高系統(tǒng)工作效率，能夠明顯改善用戶體驗(yàn)。

2 學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，學(xué)習(xí)者、移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)、精品課程或開(kāi)放課程網(wǎng)站分別對(duì)應(yīng)了客戶方、中間代理商和服務(wù)提供商，如圖1所示。

Figure 1 System scenarios圖1 系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景

本系統(tǒng)整合了網(wǎng)絡(luò)上現(xiàn)存的開(kāi)放課程和精品課程資源，讓學(xué)習(xí)者可以通過(guò)統(tǒng)一的在線播放器對(duì)多媒體資源進(jìn)行點(diǎn)播，從而降低學(xué)習(xí)者操作難度，提高教育資源利用率，并改善用戶體驗(yàn)。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為用戶模塊、資源模塊、多媒體播放模塊、多媒體轉(zhuǎn)換模塊,移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的具體功能如圖2所示。

Figure 2 M-learning system圖2 移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)

2.3 移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

用戶模塊負(fù)責(zé)對(duì)用戶信息進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。新用戶通過(guò)用戶注冊(cè)功能成為學(xué)習(xí)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)者。系統(tǒng)管理員可以進(jìn)行新用戶注冊(cè)，并且可以對(duì)已注冊(cè)的用戶進(jìn)行資料修改和過(guò)期用戶刪除。

資源模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)資源庫(kù)的維護(hù)和管理。系統(tǒng)通過(guò)教師用戶上傳和改進(jìn)的開(kāi)源爬蟲(chóng)Heritrix下載兩種方式獲取學(xué)習(xí)資源[6]。使用開(kāi)源的IKAnalyzer同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的資源名稱和資源介紹進(jìn)行分詞處理，提取并比對(duì)相關(guān)信息，確定資源分類。使用開(kāi)源的Lucene對(duì)系統(tǒng)中所有的資源建立索引，提供基本的站內(nèi)資源搜索功能。教師管理員對(duì)于系統(tǒng)中現(xiàn)有的所有多媒體資源擁有更新、修改和刪除的權(quán)限。教師用戶對(duì)于自己上傳的多媒體資源擁有更新、修改和刪除的權(quán)限。

多媒體轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)將資源進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于教師上傳和爬蟲(chóng)下載的多媒體資源存在格式不一致的問(wèn)題，同時(shí)考慮到移動(dòng)終端的計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源受限，為了屏蔽該問(wèn)題和降低多媒體播放模塊的開(kāi)發(fā)難度，對(duì)不符合播放標(biāo)準(zhǔn)的多媒體資源進(jìn)行強(qiáng)制格式轉(zhuǎn)換。對(duì)于視頻資源和文本類型資源分別使用mencoder和Print2flash進(jìn)行轉(zhuǎn)換[7]。針對(duì)視頻文本配套的多媒體資源，轉(zhuǎn)換時(shí)引用了數(shù)據(jù)庫(kù)“事務(wù)”的概念，保證視頻文本轉(zhuǎn)換前后的一致性[12]。

多媒體播放模塊負(fù)責(zé)對(duì)轉(zhuǎn)換成功或符合播放標(biāo)準(zhǔn)的資源進(jìn)行播放。多媒體播放模塊使用統(tǒng)一的播放界面來(lái)提高用戶體驗(yàn)，讓學(xué)習(xí)者不再關(guān)心資源在網(wǎng)絡(luò)上的位置。對(duì)于視頻資源和文本資源的播放分別使用jwplayer和Print2flash進(jìn)行播放。

本移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)除了具有整合網(wǎng)絡(luò)資源、統(tǒng)一操作界面等特點(diǎn)外，系統(tǒng)各種服務(wù)模塊具有松散耦合性，便于后期快速對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能升級(jí)和改進(jìn)，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性和可用性。移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的主要頁(yè)面實(shí)現(xiàn)效果如圖3所示。

2.4 誤操作行為判斷算法

由于移動(dòng)智能終端的特殊性(即處理性能低、網(wǎng)絡(luò)帶寬小、用戶輸入介質(zhì)單一、使用環(huán)境特殊等原因)引起的服務(wù)時(shí)延較長(zhǎng)、輸入準(zhǔn)確度較低、用戶體驗(yàn)度較差的情況，從而進(jìn)一步導(dǎo)致用戶誤操作和重復(fù)操作現(xiàn)象的大量增加，以至于浪費(fèi)了大量的通信資源和計(jì)算資源，尤其是在用戶數(shù)目較多的情況下，系統(tǒng)整體的工作效率和用戶體驗(yàn)度就更低。目前，國(guó)內(nèi)防止移動(dòng)終端誤操作的專利主要有以下幾種：

Figure 3 Search page and play page圖3 搜索頁(yè)面和播放頁(yè)面效果圖

(1)當(dāng)觸摸屏收到觸摸信號(hào)時(shí)，隨之啟動(dòng)移動(dòng)終端的接近傳感器，通過(guò)接近傳感器檢測(cè)附近是否有障礙物來(lái)減少誤操作[8]；

(2)當(dāng)移動(dòng)終端處于亮屏待解鎖狀態(tài)下收到觸摸信號(hào)時(shí)，判斷是否有物體接觸移動(dòng)終端攝像頭，同時(shí)檢測(cè)移動(dòng)終端的震動(dòng)值，若超過(guò)震動(dòng)閾值則忽略觸摸信號(hào)來(lái)減少誤操作[9]；

(3)當(dāng)檢測(cè)到觸摸屏上的顯示區(qū)域存在觸摸點(diǎn)時(shí)，通過(guò)判定該觸摸點(diǎn)是否位于設(shè)置的無(wú)效觸摸區(qū)域內(nèi)來(lái)減少誤操作[10]。

可以看出，目前防止誤操作的方法都是通過(guò)移動(dòng)終端自身來(lái)完成的，對(duì)于如何避免因誤操作引起的資源浪費(fèi)現(xiàn)象未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。誤操作行為通常是無(wú)意識(shí)的一次點(diǎn)擊或者極短時(shí)間內(nèi)的多次點(diǎn)擊，所以將判斷誤操作行為分為兩步：

(1)在人機(jī)交互界面判斷用戶誤操作行為，使用HTML+JS技術(shù)判斷單擊、雙擊觸摸屏來(lái)完成，其算法流程描述如下：

步驟1等待用戶觸摸操作；

步驟2判斷用戶是否雙擊屏幕指定區(qū)域，是則進(jìn)入步驟3，否則返回步驟1；

步驟3發(fā)送用戶請(qǐng)求并返回步驟1。

(2)通過(guò)在資源服務(wù)模塊加入短時(shí)間內(nèi)忽略重復(fù)請(qǐng)求的方法，解決用戶因誤操作或者代理服務(wù)模塊因未知錯(cuò)誤短時(shí)間內(nèi)多次請(qǐng)求資源服務(wù)模塊中的同一資源，這里以500 ms為例，算法流程描述如下：

步驟1等待接收請(qǐng)求；

步驟2判斷當(dāng)前請(qǐng)求和當(dāng)前響應(yīng)是否同一用戶，不是同一用戶則返回步驟1；

步驟3判斷當(dāng)前請(qǐng)求資源和當(dāng)前響應(yīng)資源是否相同，不是同一資源則返回步驟1；

步驟4判斷當(dāng)前請(qǐng)求及開(kāi)始響應(yīng)時(shí)間間隔是否超過(guò)500 ms，小于500 ms則返回步驟1；

步驟5處理請(qǐng)求，響應(yīng)結(jié)果并返回步驟1。

通過(guò)對(duì)此部分代碼加入日志記錄功能，根據(jù)實(shí)驗(yàn)并觀察日志記錄，得出該方案可以有效阻止部分重復(fù)請(qǐng)求。

3 移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)形式化描述與分析

(1)系統(tǒng)時(shí)序邏輯。

整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行符合一般代理模式[13]的時(shí)序邏輯，加入誤操作判斷改進(jìn)的系統(tǒng)時(shí)序邏輯如圖4所示。

Figure 4 System timing圖4 系統(tǒng)時(shí)序圖

在學(xué)習(xí)者發(fā)送請(qǐng)求之前引入誤操作判斷第一步進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)預(yù)處理之后才可以發(fā)送請(qǐng)求消息。請(qǐng)求消息通過(guò)代理服務(wù)模塊到達(dá)資源服務(wù)模塊后，引入誤操作判斷第二步對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行預(yù)處理，若同一用戶兩次請(qǐng)求同一資源的時(shí)間間隔過(guò)小則直接拋棄請(qǐng)求。

(2)自動(dòng)機(jī)建模分析。

根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景，整個(gè)過(guò)程有學(xué)習(xí)者、代理服務(wù)模塊和資源服務(wù)模塊三方參與。系統(tǒng)中只有學(xué)習(xí)者具有主動(dòng)行為，因此本文從學(xué)習(xí)者角度使用確定型有限自動(dòng)機(jī)(DFA)來(lái)進(jìn)行建模分析[14]。三方之間的交互限于下列五種事件。

①學(xué)習(xí)者決定點(diǎn)播;

②學(xué)習(xí)者決定取消點(diǎn)播;

③代理服務(wù)模塊向資源服務(wù)模塊發(fā)出請(qǐng)求;

④代理服務(wù)模塊向?qū)W習(xí)者播放資源;

⑤資源服務(wù)模塊為代理服務(wù)模塊獲取指定資源。

為了表示方便，將系統(tǒng)中出現(xiàn)的行為用P(Play)、C(Cancel)、Req(Request)、O(Obtain)、Res(Response)分別表示點(diǎn)播、取消、請(qǐng)求、獲取、響應(yīng)。

學(xué)習(xí)者需要主動(dòng)地在移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)中尋找所需要的資源用于學(xué)習(xí)，對(duì)于學(xué)習(xí)者而言，存在可任何次序任意多次使用的點(diǎn)播資源和取消點(diǎn)播這兩種主動(dòng)行為，并每次行為之后都停留在單獨(dú)的狀態(tài)q0中，其轉(zhuǎn)移函數(shù)δ(q0,P)==δ(q0,C)==q0，若用U(User)代表學(xué)習(xí)者 DFA的名稱，則學(xué)習(xí)者DFA的形式化描述是:

U=({q0},{P,C},δ,q0,{q0})

其DFA轉(zhuǎn)移圖如圖5a所示。

為了防止無(wú)關(guān)意外行為導(dǎo)致自動(dòng)機(jī)死亡，將整個(gè)系統(tǒng)中存在的其他行為也附加給用戶，這時(shí)DFA的完整形式化描述是:

U=({q0},{P,C,Req,O,Res},δ,q0,{q0})

其DFA轉(zhuǎn)移過(guò)程如圖5b所示。

Figure 5 DFA transition diagram of user behavior圖5 用戶行為DFA轉(zhuǎn)移圖

代理服務(wù)模塊作為學(xué)習(xí)者和資源服務(wù)模塊之間的代理，為防止學(xué)習(xí)者重復(fù)執(zhí)行點(diǎn)播行為導(dǎo)致代理服務(wù)模塊自動(dòng)機(jī)死亡，給代理服務(wù)模塊自動(dòng)機(jī)除狀態(tài)a以外所有狀態(tài)都附加上點(diǎn)播標(biāo)記環(huán)，若用A(Agent)表示代理服務(wù)模塊DFA的名稱，則代理服務(wù)模塊DFA完整形式化描述是:

A=({a,b,c,d,e},

{P,C,Req,O,Res},δ,a,{e})

在狀態(tài)a中，點(diǎn)播行為是用戶主動(dòng)行為。DFA轉(zhuǎn)移過(guò)程如圖6所示。

Figure 6 DFA transfer diagram of agent module behavior圖6 代理模塊行為DFA轉(zhuǎn)移圖

資源服務(wù)模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，為了防止學(xué)習(xí)者在系統(tǒng)獲取資源時(shí)取消點(diǎn)播而導(dǎo)致自動(dòng)機(jī)死亡，同時(shí)如果代理服務(wù)模塊因同一請(qǐng)求將資源獲取兩次，資源服務(wù)模塊就應(yīng)該正確地忽略第二次請(qǐng)求來(lái)降低服務(wù)器壓力。因此，如圖7將狀態(tài)3和4加上帶有取消和請(qǐng)求標(biāo)記的環(huán)。若用S(Service)代表資源服務(wù)模塊DFA名稱，則資源服務(wù)模塊DFA完整形式化描述是:

S=({1,2,3,4},

{P,C,Req,O,Res},δ,1,{2,4})

DFA轉(zhuǎn)移過(guò)程如圖7所示。

Figure 7 DFA transfer diagram of resource service module圖7 資源服務(wù)模塊DFA轉(zhuǎn)移圖

為了表現(xiàn)出各個(gè)服務(wù)模塊在系統(tǒng)中的交互情況，用代理服務(wù)模塊和資源服務(wù)模塊DFA的乘積構(gòu)造出來(lái)的自動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)移過(guò)程如圖8所示。

Figure 8 Automaton transition diagram of agent service module and resource module product 圖8 代理服務(wù)模塊和資源服務(wù)模塊乘積自動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)移圖

圖8中從初始可達(dá)的狀態(tài)有七個(gè)，分別是(1,a)、(1,b)、(2,a)、(2,b)、(3,c)、(4,d)、(4,e)。對(duì)于初始不可達(dá)狀態(tài) (4,a)，當(dāng)代理服務(wù)模塊自動(dòng)機(jī)剛剛進(jìn)入狀態(tài)a準(zhǔn)備進(jìn)行點(diǎn)播時(shí)，資源服務(wù)模塊自動(dòng)機(jī)已經(jīng)進(jìn)入狀態(tài)4完成了資源獲取，這不符合一般系統(tǒng)時(shí)序邏輯，根據(jù)圖4表示的時(shí)序邏輯，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)忽略這一類狀態(tài)。根據(jù)乘積自動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)移圖和系統(tǒng)時(shí)序邏輯圖可以得出，對(duì)于初始可達(dá)的狀態(tài)，只有依次經(jīng)過(guò) (1,a)、(1,b)、(3,c)、(4,d)、(4,e)這5個(gè)狀態(tài)才能完成一次用戶響應(yīng)，且每個(gè)狀態(tài)上都需要能夠正確識(shí)別出可能的誤操作行為，保證自動(dòng)機(jī)不會(huì)死亡。

判斷用戶操作是否是其主觀行為，短時(shí)間內(nèi)忽略重復(fù)請(qǐng)求，以及系統(tǒng)在任何狀態(tài)下都能夠正確進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移的優(yōu)點(diǎn)是：確保了資源從移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)到移動(dòng)智能終端之間的傳輸質(zhì)量；降低了服務(wù)器工作壓力并且提高了學(xué)習(xí)系統(tǒng)處理移動(dòng)智能終端常見(jiàn)錯(cuò)誤的能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)移動(dòng)學(xué)習(xí)的應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)環(huán)境下，面向精品課程和開(kāi)放課程的學(xué)習(xí)系統(tǒng)原型。其特點(diǎn)是可以將網(wǎng)絡(luò)上現(xiàn)存的教學(xué)資源進(jìn)行有效整合和轉(zhuǎn)換，成為適合移動(dòng)智能終端播放的資源，并且方便用戶搜索和使用。本文采用DFA理論對(duì)一般情況下的行為(即用戶的隨意行為或系統(tǒng)的錯(cuò)誤行為)對(duì)系統(tǒng)影響進(jìn)行分析，結(jié)果顯示不會(huì)因上述行為導(dǎo)致應(yīng)用崩潰或服務(wù)性能降低，這表明本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期效果。目前，原型系統(tǒng)為了降低開(kāi)發(fā)難度，使用了B/S架構(gòu)，由于該架構(gòu)下學(xué)習(xí)者通過(guò)瀏覽器來(lái)使用學(xué)習(xí)系統(tǒng)，而瀏覽器與用戶的交互能力有限，使得系統(tǒng)對(duì)于誤操作判斷的方法較為簡(jiǎn)單，因此下一步工作將隨著移動(dòng)智能終端應(yīng)用的發(fā)展，將B/S架構(gòu)更換為在客戶端具有更強(qiáng)交互能力和控制能力的C/S架構(gòu)。

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