手机移动版数学自动出题训练系统设计

　　口算是小学数学教学中的一个重要组成部分,口算能力的高低在一定程度上对小学生学好数学可以起到重要的作用。传统的口算教学方法内容枯燥,难以激发小学生的学习兴趣。口算训练一般由教师或家长出题,再规定学生在一定时间内完成。由于出题形式单一,学生学习口算变成一种强迫性的学习任务,加上出题对于教师与家长来说也是一项繁重的任务,既要在短时间内出一定数量的口算题,又要确保所出题目的随机性与知识点的全面性,在学生完成口算题之后又要花大量时间进行手工批改,确实让许多家长大伤脑筋。因此本文研究如何设计开发出一套自动化、高效的口算出题训练系统,以减轻教师与家长的出题工作量,并以趣味性的游戏形式,提高小学生的学习兴趣。

　　随着智能手机、平板电脑的普及以及3G、4G网络的发展,移动学习资源开发已经有了长足的发展。

　　笔者对近三年内移动学习资源开发方面的文献研究表明,大多数移动学习资源是面向成人学习、终身学习而开发,而对儿童教育应用方面的研究较少;针对外语学科单词记忆,综合学科常识性、科普性、实验演示型的教育比较多,而对于数学学科的教学涉及较少。课题研究的自动出题训练系统适应于IOS/Android移动系统运行环境,可以实现教师或家长随时随地利用移动设备进行自动化出题,学生随时随地利用移动设备进行快乐学习。

　　一、微型移动学习的含义

　　微型学习是近年来开始关注的一种新型学习形态,所蕴含的“micro”既有内容的微、小、轻等含义,也意味着微小的学习组块可以通过轻便的学习设备获取和存储,并在轻松的心态中获得学习体验。

　　移动学习是指利用移动电话、个人数字助理PDA、Pocket PC等无线移动通信网络技术以无线移动通信设备获取教育信息、教育资源和教育服务的一种新型学习形式。

　　移动学习体现了学习的移动性,微型学习体现了学习过程的精悍,二者相结合为微型移动学习(mm-learning)。微型移动学习是继数字化学习之后出现的又一种新型的学习模式,是利用微型移动设备(手机、PDA、iPhone等),经由无线通信网络,开展以内容短小精悍为特征的非正式的学习。小学生生性爱玩,学习注意力容易分散,缺乏耐心与坚持,不适合长时间的学习,微型移动学习资源短小精悍的特点,特别适合小学生的学习。无论家长或学生,学习均可以在随时随地情况下进行,其简单、量少、知识点微型化特点,使小学生容易接受与坚持。

　　二、微型移动学习的特点

　　微型移动学习所面对的是一些相对较小的学习单元或时间较短的学习活动,它不仅表现在学习者的地理位置是变化的,学习者与学习内容的获取方式、交互方式也都是变化的。主要有以下几个特点:(1)学习者可以在任何时间、任何地点进行学习;(2)强调在有限的时间内学习相对短小、松散连接、自包含的知识内容或模块;(3)是一种可以利用移动设备或通信技术进行双向交流的学习方式;(4)通常以移动终端或网络为载体,如便携式移动设备(如手机、平板、PDA等设备)。

　　三、微型移动学习的研究现状

　　微型移动学习的概念最早在2004年由奥地利研究工作组MINE工作室提出,该工作室致力于微型学习和信息环境的研究。

　　2005年在奥地利召开第一届主题为“微型学习”暨“e-learning后的新兴概念、实践和技术”年会,迄今已经连续举办了四届。近年来移动学习的研究很多,如美国在K12教育中开展的移动学习研究,挪威奥斯陆大学以支持医学专业学习进行PBL的目的的KNOWMOBILE研究,芬兰坦佩雷理工大学针对协作性学习开发的X-Task移动学习系统等。瑞典Vaxjo大学使用JAVA和XML创建的适应于PDA设备的应用程序C-Notes。我国对移动学习的研究开始于2002年,北京大学现代教育中心教育实验室承担并开发了三个版本的移动教育平台。

　　CETA移动教育试点网站也为移动学习的实践奠定了技术基础。

　　2009年上海交通大学e-learning lab也开始研究移动学习资源的开发,主要以3gp格式视频为资源载体。北京开放大学报道说他们现有两门移动学习课程,计划明年开发更多移动课程。

　　四、微型移动学习资源的设计原则

　　1.实用性原则

　　微型移动学习是一种随时随地的学习方式,因此移动资源的开发必须充分考虑资源的实用性进行设计,即在充分考虑学习者的学习环境与学习条件下,如何帮助学习者有效地解决实际问题、改变学习方式、拓展学习资源、提高学习效率。

　　2.微型化原则

　　由于移动学习设备屏幕相对较小,移动中的学习者处于“一种边缘性的投入与非连续的注意状态”,微型学习内容应注意短小精悍,力求精练、形式简单化,即知识单元要足够短小以便于学习的随时随地发生(一般每个学习模块时间控制在5~10min)。

　　3.松散———连接性原则

　　由于移动学习通常在注意力分散、时间碎片下发生,因此,微型学习内容不能过于系统完整,松散性即以知识点为单位将学习内容片段化,各个片段间应相对独立。松散性原则不仅有利于学习者充分利用零碎的时间进行学习,并且利于其在较短的时间里掌握一个相对完整的知识片段。由于一个完整的知识体系通常是由若干有着内在逻辑联系的知识点所构成,因此,我们在将学习内容片段化的同时,也应注意各片段之间的连接性、自包含性。微型移动学习资源知识片段之间的连接性,可以给学习者提供一个完整的知识体系。

　　4.交互性原则

　　交互可以实现教学信息的双向及时流通,不仅能激发学习者的学习兴趣。而且能使移动学习者保持较高的注意力水平。因此,微型移动学习资源的开发应尽可能提高移动学习资源的交互性。由于移动通信设备多为触摸操作,不便于键盘输入,交互设计应尽量避免键盘交互。测试与小游戏是最好的交互方式。

　　5.趣味性原则

　　由于移动学习者注意力容易分散,因此,移动学习资源的设计应注意内容与形式的趣味性。视频、动画与游戏形式较能吸引学习者的注意力。视频容易实现,但数据量相对较大,不利于网络传输;动画生动形象,且声文并茂,能将枯燥或抽象的知识转化为生动活泼的动画;游戏交互性强,能刺激学习者的学习激情。

　　6.通用性原则

　　通用性可包含不同类型移动设备的适应性、使用的方便性与内容的可重用性。移动设备类型的多样化使跨平台开发成为当今移动开发的难题,也是制约移动学习发展的一大瓶颈。移动学习资源应尽量适应多种不同的平台,如IOS/Android等不同移动应用系统。移动资源的使用应随时随地可以方便下载与使用,其安装与操作方式应简单易用,而不必涉及不同平台之间的转换。由于移动开发的成本较高,重用性可提高资源的利用率。重用性指移动学习资源不仅适用于当前知识点的学习,同时通过适当的参数设置或修改,也可以适用于其他不同知识点或不同学科的学习。

　　五、小学数学口算自动出题训练系统的具体实现

　　1.系统的设计理念

　　(1)内容的微型化、移动化。根据微型移动学习资源的特点与设计原则,本系统以小学基本数学计算加、减、乘、除为主要模块,每个模块又细分为若干细小的知识单元,如按计算结果范围划分:10以内、20以内、50以内……100以内;按“不进位”与“有进位”计算划分;按计算符号的单一性与混合性划分:如单纯的加、减、乘、除计算,加减混合、加减乘除混合、加减乘除与带括号混合。各单元模块精悍细小、使用操作独立,各知识点由易到难,循序渐进,符合微型移动学习资源松散性与连接性的设计原则。由于小学生注意力容易分散、难以坚持长时间的学习,每个游戏模块时间大约3~8min,既可以让小学生在其耐心范围内完成知识单元的学习,又可让家长或学生在户外边玩边学习,有效地利用了零碎时间。系统所有内容适应于平板、手机等IOS/Android平台与PC机Windows系统运行。

　　(2)出题的自动化、随机化。本系统可由教师或家长初始化定义出题范围,自动化产生随机的口算题目,题目的随机性充分考虑知识点的全面性与不重复性。如混合运算中,加减乘除每种计算都按预设的题数出现,并随机产生。

　　(3)游戏的趣味性、交互性。根据小学生的心理特点与学习认知规律,小学生生性爱玩,对生动有趣的事物感兴趣。系统的学生端主要采用游戏的形式,把口算题目蕴含在游戏中,让学生边玩游戏边做题,游戏的交互性可对学生的操作进行及时反馈,使学生及时纠正错误答案,并在学生完成一个单元的测试之后对操作的正确率进行统计。

　　(4)系统的通用性。本系统的通用性体现在内容的适应范围广、可重用性高以及多种移动设备的适应性。内容适应于小学1~3年级的“加、减、乘、除”计算训练,由教师或家长通过设置类型与范围进行出题,把计算题产生于游戏中或通过口答、打印的形式,让学生以玩游戏、口头、书面形式进行口算训练。通过教师/家长端的设置,既可以分不同的计算类型出题,也可以混合运算出题,如加、减、乘、除单一计算、带括号混合计算等;并且可以控制在不同的范围内出题,如结果为10,20,50,…或大于等于100等。系统每次出题均由随机算法产生,既保证了每次题目的不同,通过预设的多种组合算法,也确保了题型与出题范围的全面性。这种随机性与全面性是手工出题所不可比拟的。系统分别开发了PCWindows版本、Android平板版/手机版、iPad平板电脑、iPhone手机版本,其中以Android平板/手机版为主要测试环境,实现了跨平台的通用性。

　　2.系统总体结构介绍如图1所示,本系统分为教师/家长端用户与学生端用户两部分。教师/家长端主要由教师或家长初始化计算题的出题类型、出题范围、游戏时间、出题总数等参数构成,并可选择“设置游戏”或“打印输出”两种不同的方式。学生端用户包括“教学演示、口算游戏与自我测评”三个模块组成。系统根据微型移动学习资源设计的“微型化与松散连接性”原则,对每个知识点进行细分,各知识点相对独立又互相关联,由易入难,循序渐进。

　

　　(1)教师/家长端用户。如图2所示,教师/家长端用户可在列表框中选择“出题类型”,输入“出题范围、出题总数和游戏时间”,再选择“教学演示、设置游戏或打印输出”三种不同选项以满足教学需要。

　　第一,教学演示。教学演示部分作为教师端与学生端的共同部分,可用于教师课堂上的演示,也可以用于学生课后的巩固学习。教学演示部分主要是各种计算方法的教学演示动画。如“进位加竖式计算方法、退位减竖式计算方法、表内乘法口诀与计算、带括号混合运算的规则、有余数的除法计算等”。

　　每种计算方法均为小学数学1~2年级各单元知识点的重点内容,每种计算方法制作成一个独立的动画演示,可用于教师课堂的讲解,通过动画的形式,化枯燥的知识为生动形象的演示动画,加深了学生对算法的理解。如图3所示,该图为“表内除法———平均分”的动画演示效果,充分体现了生动性、趣味性的设计原则。

　　第二,设置游戏。此部分一般由家长课后设置计算游戏给学生玩,让学生边玩游戏边做口算题,让口算题训练寓教于乐中。教师或家长可根据学生学习需求与时间限制,选择“出题类型、出题范围、游戏时间与出题总数”设置生成游戏。在游戏端还可以选择不同主题的游戏,各游戏主要以当前网络比较热门的游戏主题,如“熊出没、愤怒的小鸟、切水果、QQ农场”等。游戏采用“内容”与“框架”分离的方法进行设计,内容根据教师/家长端的设置而变化,同一个游戏框架可以应用于不同的知识点,游戏的每次运行都会自动更新题目内容,充分体现了系统设计的实用性与通用性原则。

　　第三,打印输出。“打印输出”充分考虑了系统的实用性原则,根据对一、二年级的数学教师课堂教学与家长课后辅导进行需求调查,一般教师在课前10min会出10~20道口算题给学生训练,课后每天也会出50道口算题给学生作为练习作业。有时候教师比较忙没时间出题,这个出题的任务就会交给家长,让家长在家出题给学生完成。本出题系统正是为了减轻教师与家长的任务而开发。教师在课堂上可以根据当天所学的知识点,按类型、题数随机生成计算题,通过打印或口头提问的形式,让学生完成。

　　人工出题工作量大,需要考虑知识点的全面性、出题的随机性与不重复性,利用本系统自动化出题,整合了各种因素的算法,简单设置便可自动化生成。如图4所示为打印输出效果,按“随机出题”可变换题目,按“打印”可直接打印输出,按“重新设置”可返回设置端口。

　　(2)学生端用户。如图5所示,学生端用户由“教学演示、口算游戏、自我测评”三个模块组成。学生通过注册用户登录系统,通过学习获得积分,系统具有保存用户学习进度的功能。

　　第一,教学演示部分与教师端相同。

　　第二,口算游戏。本系统的口算游戏符合移动资源设计的“趣味性、交互性与简单性”原则。根据众多家长反映,大多数小学生对计算机游戏很容易“上瘾”,很多学生沉溺于网络游戏而不能自拔。课题针对了游戏的特点与小学生的心理特征,研究如何将游戏对学生的吸引力转化为学生学习的动力。本系统目前已经开发了10种游戏,利用问卷形式向我市某小学1~2年级抽取5个班级学生进行调查,统计出小学生认为最喜欢玩的10种游戏主题,系统模仿这10种游戏并进行改编,从而开发出能吸引小学生学习主动性的口算游戏。如图6所示,游戏的交互性体现在,当学生选择了正确答案时,对应的熊大或熊二会往上跳起并翻跟斗;当选择了错误答案时,熊大、熊二保持原状,光头强将帽子往上甩出,正确与错误的操作均有不同的声音反馈。当完成一关的练习后,进入下一关游戏交互形式则会发生改变,每一关游戏结束,系统会自动统计出当前答对的题目、答错的题目与正确率,并将学生做错的题目添加到“易错题库”中,在下一次出题时重新生成。选择题只有两个答案也是体现了简单化的设计原则。

　　第三,自我测评模块。当学生进行一段时间的口算游戏后,可通过“自我测评”模块检验自己。如图7所示,测评模块以类似于书面做题方式直接输入答案,按“提交”按钮,系统会自动对每道题进行批改,及时给出正确或错误的反馈,使学生在最短的时间内订正答案,及时巩固学习,按“重新出题”按钮可以重新出题。该模块可对学生阶段学习效果进行检验,比游戏模块更加简便、节约时间。

　　六、总结与展望利用

　　Flash进行移动开发,具有跨平台、技术门槛低、简单易用、生动形象与强交互功能等特点。然而,移动开发的触屏输入与PC开发的鼠标输入不同,移动开发必须用TOUCH类事件;另外,由于移动设备内存的限制,CPU与GPU性能较低,因而要将图像与渲染优化,对于矢量图形要进行平滑处理,减少矢量图形的控制点,简化复杂路径可大大提高游戏的平均帧速率。在移动设备GPU模式下不支持的有Flex框架、滤镜、Pixel Bender的混合及填充、各种混合模式(Blend Mode),不建议在GPU模式下播放视频。

　　Action Script脚本优化:ENTER_FRAME性能优于Timer;使用单一的Listener来控制游戏中所有的对象;去除加载的Swf时用Unload And Stop(),强制内存的释放;利用Mouse Enabled和Mouse Children属性禁用无用的鼠标交互。

　　利用微型移动学习资源实现小学数学口算训练系统,有效地解决了教师与家长的任务,其移动化的特点有利于学习可随时随地发生而不受时空限制,其微型化的特点有利于学生以小知识单元为单位进行片断化的学习,充分利用业余与零碎的时间进行学习。根据不同选题在一定范围内自动化、批量地生成口算题。学生端采用游戏形式,有利于培养学生的学习兴趣与主动性,强化了学生的记忆,提高了学习效果。

　　本系统通过在我市某小学一、二年级进行试用,通过教师、家长与学生的测试反馈意见,不断修改完善系统。对于教师,本系统的动画教学模块不仅适应于课堂教学辅助,其自动出题也适应于课堂教师与学生之间的交互与课后的作业布置;对于家长,能在短时间内根据课程需要快速、批量地生成口算题,大大地减轻了家长的课后出题工作量,其移动化的特点,使家长不仅可利用其进行作业辅导,而且也适应于户外活动时随时随地进行亲子的交互学习。

　　微型移动学习资源开发是当今教育技术领域资源开发的热点方向,它是伴随着网络技术的发展与人们学习生活需要的必然产物。网络与移动设备的迅猛发展也使人们的学习生活日趋移动化,人类生活节奏的加快,必然导致学习与生活时间的逐步细化。跨平台开发也是移动开发者最奢求的梦想,虽然Flash移动开发在当今不是主流技术,但其独特的优点是其他移动开发平台所不可比拟的,而且新版本的Flash可以直接转化成HTML文件,并运行于Android与iOS等不同系统。一种适应社会需要的开发理念与技术必能取得长足的发展,利用Flash进行微型移动学习资源的开发,必然有着相当广阔的前景。

　　参考文献：
　　[1]顾小清.微型移动学习的可用性设计[J].电化教育研究,2010(2):52-57.
　　[2][英]德斯蒙德·基更.今天的移动学习[J].北京广播电视大学学报,2013(6):5-9.
　　[3]顾小清.终身学习视野下的微型移动学习资源建设[M].上海:华东师范大学出版社,2011.
　　[4]苏仰娜,韦宁彬.移动学习教学游戏积件平台的设计与实现[J].电化教育研究,2013(2):71-77.