1移动微课堂系统的必要性
作为开放教育的一种重要教学模式，上海开放大学在2008年基于互联网络建立起包括课程空间、教师团队、学习小组、博客等社交应用的网络学习平台［2］。学员在线学习的主要方式是利用浏览器访问在线课程空间，基于BBS进行问题答疑和课堂答疑。与传统教学形式相比，无疑有其独特的优势，但是不足之处也很明显，主要表现在以下两点:1)无法适应学习者学习时间呈现碎片化的特征由于在线课程资源比较系统化，课程资源学习的时长通常为30～60分钟。目前上海开放大学注册学员的学习时间主要集中在晚上9:00到11:00。但是开放大学面向的学员类型95%以上为在职学习，根据表1可看出，在职学员的学习时间呈现碎片化，时间没有被充分利用。2)协作式学习要求上海开放大学网络学习平台注册学员可以通过学习小组和BBS等进行在线交流，但是效果还不够理想。学员仍然有很大的协作式学习的需求。移动微课堂则可以很好地解决上述问题。移动微课堂是一种以5～10分钟甚至更短时长为单位的微型课程，并且可以通过移动终端实现交互式学习的课程教学应用。目前，移动微课堂的主要媒体表现形式是视频，所以特别适合于智能手机、平板电脑等移动设备，且非常适合基于问题的学习和翻转课堂建设。在建设微课程时，教师可以根据教学目标将一门完整的课程按照知识体系细化切分成短小精悍的微课程课件，实现知识的“碎片化”过程［3］。这个碎片化的过程正好与开放大学学生的学习时间契合。学习者可以充分利用碎片时间来完成微课程的学习。通过各个微课程的积累学习，一方面能够达到体系教学的目的，另一方面也能提高学习效率，取得更好的学习效果。通过以上分析，构建基于智能终端的移动微课堂系统由于具有学习工具的普及性、学习方式的自主性、学习时间和空间的灵活性、学习内容的情境性和交流互动的高效性等特点，将是一种更为有效的学习方式。本文针对移动微课堂的需求研究面向开放教育的移动微课堂系统的设计关键技术及主要功能组件。
2系统架构设计及关键技术
2．1高性能服务器技术
为了满足微课堂在高并发性方面的要求，本文采用了Nginx与Ｒedis结合的高性能服务器技术。Nginx是一款面向性能设计的HTTP服务器，相较于Apache、lighttpd具有占用内存少，稳定性高等优势［4］。Nginx没有采用传统的每个客户端对应一个线程的设计模型，而是充分使用异步调用方法，削减系统开销，提高并发服务能力。该Web服务器还采用模块化设计，具有丰富的模块库和第三方模块库，具有较强的扩展能力。另外，本文采用Ｒedis缓存技术进一步减小访问延迟，提高访问性能。Ｒedis是一种高性能的key-value内存数据库［5］，借助Ｒedis能减轻高并发访问对Web服务器和关系数据库的访问压力。移动微课堂利用Nginx和Ｒedis构建如图2所示高并发服务器解决方案。
2．2移动应用的跨平台技术
目前市场上存在多种移动终端操作系统，如Android、Apple的iOS以及微软主推的WindowsPhone等，每一种移动操作系统上的应用开发接口与语言都不尽相同。为了弥合不同系统下应用开发的差异性，减少移动微课堂应用开发成本，本文采用PhoneGap技术来支持不同型号的智能终端。PhoneGap是一个开源的开发框架(如图3所示)，使用HTML5，CSS和JavaScript来构建跨平台的移动应用程序，目前支持六种移动操作系统:iOS、Android、Palm、Symbian、Blackberry和WindowsPhone［6］。基于PhoneGap开发的应用经过在不同目标平台上编译打包成独立的安装程序后，看起来和原生应用程序没有太大差异。PhoneGap通过采用内置的WebView浏览器，具有解析HTML5和CSS3页面布局的能力，从而很好地呈现HTML5应用，同时PhoneGap通过插件方式提供Web和设备本地API双向通信的能力，具有较强的应用扩展能力，通过插件能利用智能手机的各种基础功能，包括视频播放、GPS定位、声音和振动等。
2．3基于HTTP的流媒体技术
流媒体技术是一种按照流式传输方式将音视频文件传送到客户端播放的技术。客户端在播放流媒体前并不需要下载完整的媒体文件，只需要先在本地创建一个缓冲区，花费几秒或几十秒的时间缓存一段数据，即可开始正常播放，多媒体文件的剩余部分则会在后台继续下载。只要播放速度(即播放器对媒体数据的处理速度)小于网络的下载速度，就可以保证顺畅的连续播放。常用的流媒体传输协议有ＲTP/ＲTCP、ＲTSP、ＲTMP等。基于这些协议实现流媒体传输的前提是需要客户端支持这些协议。为此，本文采用与移动终端适配能力更好的HTTP流媒体技术来实现微课程视频的流式传输。HTTP流媒体技术采用HTTP服务器作为流媒体视频文件的容器，采用标准HTTP协议来在Web服务器和客户端之间递送媒体数据。该技术采用渐进下载模式［7］来实现移动客户端的流媒体播放。渐进下载模式不用等待整个文件下载完毕后才开始播放，其原理是客户端在开始播放之前首先花费很短的时间下载并缓冲音视频文件最前面的一部分数据并直接播放，然后一边播放一边下载后续数据包，并将下载完成未播放的数据缓存下来［7］。根据移动终端的处理能力不同及带宽条件的不同通常需要几秒至十几秒的等待时间。这样，用户开始等待的时间并不长，具有很好的用户体验。通过这种缓冲-播放-下载的连续工作模式，即使在网络较为拥塞的情况下，只要缓存足够大，已经缓存的媒体数据仍然能保证音视频的流畅播放。在这种工作模式下，客户端并不按照一定的码率去下载数据，而是根据带宽和自身处理能力以最大的速度尽可能多地从服务器获取数据。由于微课程一般时间较短，视频文件较小，所以采用HT-TP流媒体技术完全能满足视频课程的正常观看、时移等基本操作。目前大部分Web服务器就支持这种基于顺序文件传输的流媒体技术，而且目前智能移动终端自带的媒体播放器也都支持这种方式播放视频，所以，该技术对不同类型的移动终端具有较好的兼容性，且无需在终端安装额外的特定播放器。在移动微课堂APP应用中，我们通过调用终端自带的播放器来实现课程视频的播放。由于采用PhoneGap来实现跨平台支持，所以我们在实现时首选创建一个基于PhoneGap框架标准的插件VideoPlayerPlugin。然后，应用中的某个HTML5课件播放页面可以通过JavaScript调用PhoneGap中的VideoPlayerPlu-gin插件。然后该插件再调用本地的播放器直接通过HTTP协议访问Web服务器中的视频文件来实现微课程视频的播放。2．4视频格式转化与优化技术目前上海开放大学网络学习平台提供的课程资源包括视频、办公文稿、图片等多种内容格式。而视频内容的格式多为WMV，每个视频内容时间长度为30～60分钟左右［8］。为了适应微课程的建设需要，首先需要根据知识体系对这些视频重新切分。然后需要进行格式转化。虽然在同等视频质量下WMV格式文件比较小并适合在互联网上播放和传输，但是不适合在移动终端播放。为了适应微课堂的智能移动终端需要，WMV格式需要被转化成移动终端支持率较高的MP4格式。具体实现是微课堂系统保持已有WMV格式并上传发布，服务平台的应用逻辑处理负责提取并转化成移动终端支持的格式(MP4)。当用户请求具体的节目内容时，应用逻辑平台就会对这个请求进行视频内容源的抓取和转换，并进行如下的优化处理:1)根据网络状况优化，配置前几秒缓冲视频流，以保证连续浏览。2)进行转码预处理机制以及高速缓冲存储机制处理，以保证手机端的最小负载及播放的连贯性。
3系统性能评测
移动微课堂系统对高并发性有很高的要求。本次测评主要针对Nginx充当http服务器，通过随机生成大量用户，观察Nginx服务器的响应时间。测试工具采用LoadＲunner，测试步骤分为以下4步:(1)系统分析;(2)定义用户行为，创建虚拟脚本;(3)制订测试场景;(4)运行测试并分析结果。其中:测试服务器配置如表2所示。流媒体的播放效果受到网络带宽或者说网速的影响。因此需要测试在不同带宽下视频的播放效果。2．5G移动通信网络中，CDMA1X的实际传输速率大约在70．0kbps左右，GPＲS的实际传输速率只有大约20～30kbps，这样的网速是很难正常使用移动流媒体业务的。3G网络的传输速率则大为提高，在室内、室外、高速移动的环境中分别可以达到2Mbps、384kbps和144kbps的传输速率。结合实际情况，本文分别选择150、400和1000kbps的传输速率进行视频播放效果测试，选择的视频清晰度是较为流行且容易在移动端播放的480p。表4展示了在不同带宽条件下实际测试后得到的性能对比结果。由表4可以看出，在150kbps的低网速下，视频播放效果很差，由于缓冲速度比较慢，视频会出现频繁卡顿现象。在400kbps带宽下，大约相当于3G网络的室外传输速率时，只需要一定的缓冲时间，并且具有较好的播放流畅度。当网速较高，达到1Mbps时，缓冲会很快，视频的播放也很流畅，也就是说在室内的WIFI环境下，流视频播放的整体效果很好。由测试结果可知，目前处于初步试验验证阶段的移动微课堂方案在性能上完全可以满足系统建设的要求。随着后续工作的展开，系统的稳定性和响应性能获得更好的提高。
4结语
移动微课堂系统是一套针对开放教育的特点和要求设计的真正服务于学习者的一个平台，对促进教学互动以及拓展开放教育模式无疑具有重要的现实意义。该系统将成为移动交互教学的中心枢纽，并提供了移动学习最重要的教学支持服务。本文对系统的设计依据、系统架构、技术难点及性能评测进行了详细的阐述。下一步将与其他学习系统进行整合，完成整个移动学习的闭环，形成一个完整的移动应用，在将来会进行更全面的完善与推广，为移动交互教学创设优质的环境。
作者：洪建峰 单位：上海开放大学
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