戶外地理移動學習系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

鐘正，胡鵬，張曉露，周東波

(華中師范大學國家數字化學習工程技術研究中心，湖北武漢 430079)

戶外地理移動學習系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

鐘正?，胡鵬，張曉露，周東波

(華中師范大學國家數字化學習工程技術研究中心，湖北武漢 430079)

隨著移動互聯(lián)網的廣泛應用，移動學習和泛在學習正成為新的學習趨勢。針對中小學戶外教學的需求，設計并開發(fā)一個以問題為導向的地理移動學習系統(tǒng)，具備地圖導覽、路線導航、在線學習、成果上傳等功能，同時利用LBS實現(xiàn)戶外教學過程中學生位置的實時監(jiān)控，可滿足教學過程中安全需要。最后，以“武漢市東湖風景區(qū)自然地理學習”為例，展示戶外探究學習的過程。

移動學習；LBS；戶外地理教學；基于問題的學習

1 引 言

戶外教學是學校正規(guī)課程和環(huán)境教育的媒介，讓學生運用相關知識來理解地理現(xiàn)象、培養(yǎng)自身的地理素養(yǎng)與技能[1]。戶外教學環(huán)境存在著場地的開放性、學生分散程度、教師隨隊人數不足等不利因素，導致產生一些無法預期的教學情境，影響戶外教學的效果。通過移動設備(智能手機、平板電腦)進行移動學習，可克服時空限制，協(xié)助學生開展個性化學習[2]，已出現(xiàn)一系列的移動學習系統(tǒng)，根據學習者位置提供對應的服務及信息[3～7]。這些系統(tǒng)均是根據戶外學習模式的通用特征構建，大多利用RFID(Radio Frequency IDenfication)或二維碼(Quick Response，QR)標簽來感應、掃描以識別數據，但僅限于固定數據的接受，師生無法參與任務編輯，構建成本較高。充分利用當前移動GIS的發(fā)展，本文采用百度地圖移動開發(fā)包，設計并開發(fā)一款面向中小學的戶外移動學習系統(tǒng)，不僅具有通用地圖顯示功能、POI查詢、學習路線導航、相關知識學習等功能；而且允許教師設定教學任務。為保證戶外教學質量和學生安全，結合移動監(jiān)控與定位技術，教師端能夠實時監(jiān)測學生位置及其活動范圍。

2 系統(tǒng)設計

戶外教學必須具備明確的主題、場地，教學過程中必須保證學生的安全，才能達到戶外教學目標。本系統(tǒng)共包含三種角色，即管理員、教師和學生。教師或管理員可以設定和更新教學路線、學習內容與主題。教學過程中，系統(tǒng)還具有監(jiān)控功能，實時監(jiān)測學生的活動范圍。

系統(tǒng)共包含三層，即:用戶層、業(yè)務邏輯層以及數據服務層，支持多客戶端并發(fā)訪問數據庫，其架構見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構設計

遵循模塊化設計原則，根據戶外地理教學的需求，系統(tǒng)劃分為四大功能模塊:地圖顯示模塊、知識學習模塊、數據管理模塊和監(jiān)控模塊。其中，地圖顯示模塊主要用于基本地圖操縱功能，包括地圖顯示、模式切換、放大或縮小、標注景點和活動，通過觸摸或點擊POI(Point of Interest，興趣點)，可以獲得其位置、文字、圖片、用戶評價等信息；知識學習模塊主要包含戶外教學中，教學知識點與教學內容的查詢，并能實時分享個人學習成果，師生之間實時互動；數據管理模塊主要包括學習資料上傳和下載、拍照功能，可將所拍照片上傳到服務器端；監(jiān)控模塊主要包括GPS定位、路徑規(guī)劃及查詢、學生活動范圍設定、事務提醒，利用GPS定位技術確定學生位置，如若超出設定的活動范圍，可通過事務提醒功能發(fā)送提示消息，約束學生行為，系統(tǒng)功能結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能設計

3 主要功能模塊實現(xiàn)及關鍵技術

系統(tǒng)采用Apache Tomcat作為服務器，利用JQuery Mobile開發(fā)系統(tǒng)頁面、MySQL作為數據庫平臺，存放文本、圖片、地理信息等數據。采用百度地圖作為地圖服務器，可標注教學信息的POI、不同形態(tài)地圖的切換、展示功能控制等。教師通過該系統(tǒng)可添加相關知識信息，并能監(jiān)控學生活動，對不在設定范圍內的學生發(fā)送提示或警告信息。

3.1 地圖顯示模塊

地圖是地理信息的重要載體，利用百度地圖移動SDK，定制百度地圖服務及LBS功能，譬如，圖3(a)和(d)展示線劃圖、衛(wèi)星圖；可對地圖進行平移、縮放、旋轉等操縱操作；如圖3(b)所示，可選擇感興趣的POI，展示在地圖上，如選擇梨園、海洋世界、瀕湖畫廊等興趣點，圖3(c)中將會顯示這些興趣點。

圖3 地圖顯示模塊

3.2 監(jiān)控模塊

通過定時更新監(jiān)控頁面，教師可查看學生分布情形與移動狀況，從而監(jiān)測學生所在位置。圖4上半部分的列表展示了學生的編號、姓名、權限、經緯度、更新時間等；下半部分顯示地理底圖及學生實時位置。如果學生數量增加，可利用查詢功能，查看學生資料，進而快速確定學生所在位置。教師通過設定活動范圍(如圖5所示)，標記學生位置，若是超出設定的活動范圍，系統(tǒng)將發(fā)送警示信息，提醒教師注意學生動態(tài)，從而保證學生的安全。

圖4 學生分布情況

圖5 活動范圍設定

3.3 服務器模塊

服務器端主要負責戶外教學資源的增加、修改、刪除等管理功能，客戶端通過向其發(fā)送請求可與其建立聯(lián)系。服務器端的實現(xiàn)方案有多種，本系統(tǒng)使用Tomcat作為Web服務器，利用Java EE分層結構，分為視圖層、控制器層、業(yè)務邏輯層和DAO層。分層體系將業(yè)務規(guī)則、數據訪問等工作放到中間層處理，客戶端不直接與數據庫交互，通過控制器與中間層建立連接，再由中間層與數據庫交互，中間層采用JSP+Servlet實現(xiàn)，數據存放在MySQL數據庫中。

3.4 關鍵技術

(1)基于位置的服務(Location Based Service，LBS)

基于位置的服務，是指通過電信運營商的無線通訊網絡或外部定位方式，獲取移動終端用戶的位置信息，為用戶提供相應服務的一種增值業(yè)務。系統(tǒng)利用LBS確定學生所在的地理位置，然后再尋找相應范圍內具有地圖標記點信息，以供學生瀏覽，為學生提供與位置相關的各類信息服務。

(2)移動監(jiān)控

利用LBS可以實現(xiàn)對學生位置實時監(jiān)控，通過內置在移動終端中的GPS裝置，實時上傳位置信息，并將該信息標注在地圖上，教師或者管理者可在地圖上查看學生的位置信息，通過點擊標記的位置點獲得學生詳細信息，進而達到監(jiān)控學生的目的。系統(tǒng)通過移動終端來進行位置感知。

4 系統(tǒng)戶外教學應用

為驗證系統(tǒng)可行性，依據教學計劃，在武漢市某中學開設自然地理戶外教學活動。實習地點為武漢市東湖磨山景區(qū)，目的是讓學生從熟悉環(huán)境中獲取鄉(xiāng)土地理知識。實習時間為八年級第二學期4月份，通過老師講解、發(fā)布任務等以及學生自主探究學習等途徑，訓練學生地圖使用能力、方位辨別能力，并對東湖植物分布、水文、土壤、氣候等自然地理情況進行實地考察，提高學生在自然地理方面的探究能力。筆者從植物地理考察學習入手，將本系統(tǒng)在具體學習過程中的應用作簡單介紹。

4.1 戶外教學準備

在活動開展前，教師在后臺數據庫中編輯任務數據、標識地理標簽并完成對學生分組，并在網絡上發(fā)布，學生可提前登錄系統(tǒng)進行在線學習。戶外地理教學路線是從磨山景區(qū)南門出發(fā)，由于景區(qū)內植物分布比較分散，因此沒有既定的路線，設定的主要實習地點有:梅園、櫻花園、水生花卉園、友誼桂花林、朱碑亭等。各實習點作為POI標記在地圖中，學生可在系統(tǒng)中查詢各實習點詳細信息(系統(tǒng)具有多窗口查看功能，如圖6(c)所示)，從而提前熟悉學習地點周邊環(huán)境。

4.2 戶外教學過程

(1)教師任務發(fā)布

教師通過系統(tǒng)發(fā)布任務消息，學生接到任務提醒，查看相應任務，譬如教師發(fā)布的任務為到達櫻花園所在地，學生接到任務后，在系統(tǒng)中將磨山景區(qū)南門設置為起始地點，櫻花園設置為終點，系統(tǒng)將會在地圖中繪制路線，如圖6(a)和圖6(b)所示。到達指定地點后學生通過GPS定位功能反饋位置信息，教師接收到各個學生的位置信息，可對學生活動范圍實時監(jiān)控。

(2)實習記錄

到達各個設有任務的地點，學生可點擊移動終端地圖上的POI點，獲取對應的學習任務，教師也可通過系統(tǒng)，將新的任務以消息的模式推送給各個學生。譬如櫻園任務:考察櫻花樹的形態(tài)特征、櫻花的花瓣形態(tài)、園內櫻花品種等，記錄櫻花名稱、地點、科屬特征，將相關結果上傳到服務器。系統(tǒng)均以任務方式，引導學生自主探究學習，尋找問題解決方法。學生在學習過程中，遇到任何教學問題或者想法，都可借助系統(tǒng)中的學習反饋功能提交給教師(功能如圖6(d)所示)，教師可及時給學生以幫助。

(3)自主學習

教師發(fā)布的教學任務僅是戶外學習的一部分，主要針對園內大部分常見植物。同學們可以對照景區(qū)植物顯示牌以及訪問系統(tǒng)知識庫自行學習。在實習過程中善于思考和勤于發(fā)問的學生往往會有豐富地收獲，學生利用系統(tǒng)中的地圖顯示功能、POI查詢、路線導航等功能自主探究學習。

(4)成果分享階段

學生可利用系統(tǒng)中的成果分享功能將學習成果與他人分享，例如將拍攝的圖片或者手繪的櫻花園地理位置圖片上傳至服務器，系統(tǒng)將圖片存儲進成果資料庫中，供其他同學瀏覽學習。

(5)結果檢測階段

學生完成戶外學習任務后，一方面要將任務報告提交到成果數據庫中，圖6(f)表示教師瀏覽學生作業(yè)，即可查看戶外教學情況；另一方面要對學生進行在線測驗，系統(tǒng)多以客觀題(如填空題、選擇題)方式設置與教學內容相關的題目，對學生戶外學習情況進行測評，并能自動評分，在線測試形式如圖6(e)所示。

圖6 用戶端效果圖

5 結 論

戶外地理教學是一種開放性的探究性學習，教學內容具有很大的自由度，本文設計并構建一個戶外地理移動學習系統(tǒng)，以“武漢市東湖景區(qū)自然地理學習”為例，進行戶外教學實驗，應用表明該系統(tǒng)能夠充分調動學生的學習積極性，提高學生之間的協(xié)同創(chuàng)新能力；移動監(jiān)控功能可令教師或者管理者在地圖上監(jiān)測學生實時所處位置，通過設定活動范圍，可達到約束學生行動的目的。

[1] 教育部基礎教育司地理課程標準研制組.地理課程標準解讀(實驗稿)[R].

[2] Aleksander Dye.Mobile Education-A Glance at The Future [DB/OL].http://www.nettskolen.com/forskning/mobile_ edu-cation.pdf，2001-10-04.

[3] 李恒凱，王秀麗，況雄.基于ArcGISFlex API和Mobile的地理實習教輔系統(tǒng)[J].城市勘測，2013，(3):34～37.

[4] 詹云軍，袁艷斌，黃解軍等.地理野外綜合實習教學系統(tǒng)的設計與應用[J].理工高教研究，2008，27(2):143～145.

[5] 張輝.基于WebGIS的野外實習教學輔助系統(tǒng)研究[D].南京:南京大學，2012.

[6] 鄧峣，葉春.地理野外實習遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)的設計與應用[J].南京師范大學學報:工程技術版，2010，10(4):88～91.

[7] 曹文德，董東林，原菲菲等.基于Windows Phone的地理野外實習系統(tǒng)[J].地理空間信息，2013，11(1):172～174.

Design and Realization of Outdoor Geography M obile Learning System

Zhong Zheng，Hu Peng，Zhang Xiaolu，Zhou Dongbo
(National Engineering Research Center for E-Learning，Central China Normal University，Wuhan 430079，China)

With the wide application of Mobile Internet，Mobile learning and Ubiquitous learning is a new trend.In order tomeet the requirement of outdoor fieldwork for primary and secondary schools，the paper designed and realize a Geographic M-learning system based on the problem，which providemany functionality，such asmap navigation，route design，online learning，assignment download and upload.Meanwhile，through LBS，the system can real-time monitor the students’whole learning process，which can ensure the security needs of outdoor teaching.Finally，a case，natural geography learning in East Lake scenic area in Wuhan，show the process of outdoor exploring learn.

mobile learing；LBS；outdoor geography teaching；problem-based learning

1672-8262(2013)05-5-04

P208.2

A

2013—09—03

鐘正(1978—)，男，博士，副教授，主要研究3D GIS、移動GIS和GIS在地理教學中的應用。

國家自然科學基金(41101406，41201413)；華中師范大學高校自主科研基金項目(CCNU13A05019)