丁亦喆，魏刃佳，劉 博，吳振強

(陜西師范大學(xué)計算機科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710062)

1 引言

移動終端便攜、網(wǎng)絡(luò)接入多樣、操作使用簡單等特性，讓移動終端快速普及并推動了移動應(yīng)用和移動互聯(lián)網(wǎng)的市場。2012年中國移動互聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模就達(dá)到了549.7億元，增長率為96.4%[1]，手機應(yīng)用已經(jīng)成為中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展亮點[2]。手機應(yīng)用高速發(fā)展對于手機教育應(yīng)用的普及起促進作用。目前應(yīng)用市場已經(jīng)出現(xiàn)了一些教育類型應(yīng)用，例如MOOC(Massive Open Online Courses)、網(wǎng)易公開課、新浪公開課、拓詞、英語流利說等。越來越多教育應(yīng)用的出現(xiàn)表明人們已經(jīng)開始接受使用移動終端進行學(xué)習(xí)，逐漸轉(zhuǎn)入學(xué)習(xí)型社會和教育信息化時代。

結(jié)合國家信息化發(fā)展整體戰(zhàn)略[3]，針對我國東西部教育資源不均衡[4]、精品課程和開放課程利用率低、運行質(zhì)量差等問題[5]，本文在現(xiàn)有的三方參與應(yīng)用系統(tǒng)場景下，設(shè)計出一個能改善上述問題的移動教育應(yīng)用實例。把移動互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)抽象為客戶方、中間代理商(如移動運營商)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)平臺的移動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)多通過用戶上傳以及網(wǎng)絡(luò)爬蟲等多種手段獲取資源，并對系統(tǒng)內(nèi)的資源進行分詞整理后提供資源搜索功能[6]，針對移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)資源有限的情況，需要對資源進行進一步的格式轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一[7]，同時需要考慮移動端資源播放的用戶體驗。針對目前國內(nèi)移動終端廠商誤操作專利無法避免資源浪費的情況[8～10]，本移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)通過改進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，并通過控制用戶的請求(即只允許用戶同一時刻請求一個資源)來節(jié)省通信和計算資源，提高用戶體驗度。同時，借鑒基于對象的行為模型[11]，對系統(tǒng)采用確定型自動機理論DFA來進行建模和驗證。經(jīng)過測試表明，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。

2 學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)應(yīng)用場景

在移動互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，學(xué)習(xí)者、移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)、精品課程或開放課程網(wǎng)站分別對應(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)用場景

本系統(tǒng)整合了網(wǎng)絡(luò)上現(xiàn)存的開放課程和精品課程資源，讓學(xué)習(xí)者可以通過統(tǒng)一的在線播放器對多媒體資源進行點播，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。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

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 移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)

2.3 移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)實現(xiàn)

用戶模塊負(fù)責(zé)對用戶信息進行存儲和管理。新用戶通過用戶注冊功能成為學(xué)習(xí)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)者。系統(tǒng)管理員可以進行新用戶注冊，并且可以對已注冊的用戶進行資料修改和過期用戶刪除。

資源模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)資源庫的維護和管理。系統(tǒng)通過教師用戶上傳和改進的開源爬蟲Heritrix下載兩種方式獲取學(xué)習(xí)資源[6]。使用開源的IKAnalyzer同時對網(wǎng)絡(luò)上的資源名稱和資源介紹進行分詞處理，提取并比對相關(guān)信息，確定資源分類。使用開源的Lucene對系統(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)將資源進行轉(zhuǎn)換。由于教師上傳和爬蟲下載的多媒體資源存在格式不一致的問題，同時考慮到移動終端的計算資源和存儲資源受限，為了屏蔽該問題和降低多媒體播放模塊的開發(fā)難度，對不符合播放標(biāo)準(zhǔn)的多媒體資源進行強制格式轉(zhuǎn)換。對于視頻資源和文本類型資源分別使用mencoder和Print2flash進行轉(zhuǎn)換[7]。針對視頻文本配套的多媒體資源，轉(zhuǎn)換時引用了數(shù)據(jù)庫“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)對轉(zhuǎn)換成功或符合播放標(biāo)準(zhǔn)的資源進行播放。多媒體播放模塊使用統(tǒng)一的播放界面來提高用戶體驗，讓學(xué)習(xí)者不再關(guān)心資源在網(wǎng)絡(luò)上的位置。對于視頻資源和文本資源的播放分別使用jwplayer和Print2flash進行播放。

本移動學(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，便于后期快速對系統(tǒng)進行功能升級和改進，進一步增強系統(tǒng)的靈活性和可用性。移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的主要頁面實現(xiàn)效果如圖3所示。

2.4 誤操作行為判斷算法

由于移動智能終端的特殊性(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)時延較長、輸入準(zhǔn)確度較低、用戶體驗度較差的情況，從而進一步導(dǎo)致用戶誤操作和重復(fù)操作現(xiàn)象的大量增加，以至于浪費了大量的通信資源和計算資源，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度就更低。目前，國內(nèi)防止移動終端誤操作的專利主要有以下幾種：

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

(1)當(dāng)觸摸屏收到觸摸信號時，隨之啟動移動終端的接近傳感器，通過接近傳感器檢測附近是否有障礙物來減少誤操作[8]；

(2)當(dāng)移動終端處于亮屏待解鎖狀態(tài)下收到觸摸信號時，判斷是否有物體接觸移動終端攝像頭，同時檢測移動終端的震動值，若超過震動閾值則忽略觸摸信號來減少誤操作[9]；

(3)當(dāng)檢測到觸摸屏上的顯示區(qū)域存在觸摸點時，通過判定該觸摸點是否位于設(shè)置的無效觸摸區(qū)域內(nèi)來減少誤操作[10]。

可以看出，目前防止誤操作的方法都是通過移動終端自身來完成的，對于如何避免因誤操作引起的資源浪費現(xiàn)象未見報導(dǎo)。誤操作行為通常是無意識的一次點擊或者極短時間內(nèi)的多次點擊，所以將判斷誤操作行為分為兩步：

(1)在人機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，是則進入步驟3，否則返回步驟1；

步驟3發(fā)送用戶請求并返回步驟1。

(2)通過在資源服務(wù)模塊加入短時間內(nèi)忽略重復(fù)請求的方法，解決用戶因誤操作或者代理服務(wù)模塊因未知錯誤短時間內(nèi)多次請求資源服務(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等待接收請求；

步驟2判斷當(dāng)前請求和當(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)前請求及開始響應(yīng)時間間隔是否超過500 ms，小于500 ms則返回步驟1；

步驟5處理請求，響應(yīng)結(jié)果并返回步驟1。

通過對此部分代碼加入日志記錄功能，根據(jù)實驗并觀察日志記錄，得出該方案可以有效阻止部分重復(fù)請求。

3 移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)形式化描述與分析

(1)系統(tǒng)時序邏輯。

整個系統(tǒng)運行符合一般代理模式[13]的時序邏輯，加入誤操作判斷改進的系統(tǒng)時序邏輯如圖4所示。

Figure 4 System timing圖4 系統(tǒng)時序圖

在學(xué)習(xí)者發(fā)送請求之前引入誤操作判斷第一步進行預(yù)處理，通過預(yù)處理之后才可以發(fā)送請求消息。請求消息通過代理服務(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請求進行預(yù)處理，若同一用戶兩次請求同一資源的時間間隔過小則直接拋棄請求。

(2)自動機建模分析。

根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用場景，整個過程有學(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)者具有主動行為，因此本文從學(xué)習(xí)者角度使用確定型有限自動機(DFA)來進行建模分析[14]。三方之間的交互限于下列五種事件。

①學(xué)習(xí)者決定點播;

②學(xué)習(xí)者決定取消點播;

③代理服務(wù)模塊向資源服務(wù)模塊發(fā)出請求;

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)分別表示點播、取消、請求、獲取、響應(yīng)。

學(xué)習(xí)者需要主動地在移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)中尋找所需要的資源用于學(xué)習(xí)，對于學(xué)習(xí)者而言，存在可任何次序任意多次使用的點播資源和取消點播這兩種主動行為，并每次行為之后都停留在單獨的狀態(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。

為了防止無關(guān)意外行為導(dǎo)致自動機死亡，將整個系統(tǒng)中存在的其他行為也附加給用戶，這時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)行點播行為導(dǎo)致代理服務(wù)模塊自動機死亡，給代理服務(wù)模塊自動機除狀態(tài)a以外所有狀態(tài)都附加上點播標(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，點播行為是用戶主動行為。DFA轉(zhuǎn)移過程如圖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)獲取資源時取消點播而導(dǎo)致自動機死亡，同時如果代理服務(wù)模塊因同一請求將資源獲取兩次，資源服務(wù)模塊就應(yīng)該正確地忽略第二次請求來降低服務(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)造出來的自動機轉(zhuǎn)移過程如圖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)模塊乘積自動機轉(zhuǎn)移圖

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

判斷用戶操作是否是其主觀行為，短時間內(nèi)忽略重復(fù)請求，以及系統(tǒng)在任何狀態(tài)下都能夠正確進行狀態(tài)轉(zhuǎn)移的優(yōu)點是：確保了資源從移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)到移動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)處理移動智能終端常見錯誤的能力。

4 結(jié)束語

本文針對移動學(xué)習(xí)的應(yīng)用場景，實現(xiàn)了移動環(huán)境下，面向精品課程和開放課程的學(xué)習(xí)系統(tǒng)原型。其特點是可以將網(wǎng)絡(luò)上現(xiàn)存的教學(xué)資源進行有效整合和轉(zhuǎn)換，成為適合移動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理論對一般情況下的行為(即用戶的隨意行為或系統(tǒng)的錯誤行為)對系統(tǒng)影響進行分析，結(jié)果顯示不會因上述行為導(dǎo)致應(yīng)用崩潰或服務(wù)性能降低，這表明本文設(shè)計的移動學(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)者通過瀏覽器來使用學(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)對于誤操作判斷的方法較為簡單，因此下一步工作將隨著移動智能終端應(yīng)用的發(fā)展，將B/S架構(gòu)更換為在客戶端具有更強交互能力和控制能力的C/S架構(gòu)。

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