IEICE TRANS. INF. amp; SYST., VOL.E100–D, NO.10 OCTOBER 2017
2399
An Application Framework for Smart Education System Based on Mobile and Cloud Systems
PAPER
Special Section on Advanced Log Processing and Office Information Systems
Toru KOBAYASHIdagger;a), Senior Member, Kenichi ARAIdagger;, Member, Hiroyuki SATOdagger;dagger;, Shigeaki TANIMOTOdagger;dagger;dagger;,
and Atsushi KANAIdagger;dagger;dagger;dagger;, Senior Members
SUMMARY Smart education environment, that is a learning environ- ment utilizing the Information Communication Technology (ICT), has at- tracted a great deal of attention. In order to expand this environment, we need a system that can establish the learning environment armed cloud sys- tems to reduce a significant strain on teaching staff. The important issue for such system is extensibility because the system should be adapted to many kinds of original digital learning material with minimum modifica- tion. Therefore, this paper proposes “An Application Framework for Smart Education System: SES Framework”. In this Smart Education System, multi-aspect information concerning to a technical term embedded in the original digital learning material can be retrieved from different social me- dia automatically. They can be also displayed on multi-screen devices ac- cording to userrsquo;s operation. It is implemented based on “Transforming Model” which enables the migration of the original digital learning mate- rial to the smart education environment. It also has an easy operation flow for trainees named “three-step selection flow”. SES Framework derived from Model-View-Controller (MVC) pattern is based on the system archi- tecture that enables triple mashup against the original digital learning ma- terial, external social media, and screen devices in front of users. All these functionalities have been implemented on cloud systems. We show SES Framework through the implementation example. We also demonstrate the effectiveness of SES Framework by indicating the system modification case study.
key words: application framework, smart education, mobile and cloud systems, service-oriented architecture, Model-View-Controller
Introduction
Education environment has faced a major revolutionary period thanks to the current Information Communication Technology (ICT) movement. One example is Moodle, the popular learning management system [1]. Moodle is a free and an open-source type software system that has been de- veloped as an e-learning platform. Currently, Moodle helps to make education efficient at many educational institutions, mainly in universities.
A revolution has also been occurring at real learning fields, such as the classroom not only in universities but also
Manuscript received November 10, 2016.
Manuscript revised March 28, 2017.
Manuscript publicized July 21, 2017.
dagger;The authors are with Nagasaki University, Nagasaki-shi, 852– 8521 Japan.
dagger;dagger;The author is with The University of Tokyo, Tokyo, 113–8658 Japan.
dagger;dagger;dagger;The author is with Chiba Institute of Technology, Narashino- shi, 275–0016 Japan.
dagger;dagger;dagger;dagger;The author is with Hosei University, Koganei-shi, 184–8584 Japan.
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- E-mail: toru@cis.nagasaki-u.ac.jp DOI: 10.1587/transinf.2016OFP0001
in elemental schools, thanks to the expansion of the ICT. For example, Ministry of Internal Affairs and Communi- cations (MIC), Japan, is leading the Future School Promo- tion Project [2]. Tablet computers have been distributed to each student at twenty elementary schools and junior high schools selected by this project. Each school has had its classrooms equipped with electronic black boards and a Wi- Fi infrastructure. Field study is currently ongoing in these schools in order to evaluate the educational efficiency of us- ing the digital learning material, in order to better develop the teaching methods and the standard learning material. We call this kind of ICT equipped classroom environment; smart education environment. The Japanese government an- nounced that tablet computers would be distributed to all trainees by 2020. Therefore, it will be expected that smart education environment will receive more and more atten- tion according to this Japanese governmentrsquo;s movement on ICT investment. However, the introduction of smart educa- tion environment to real education fields will cause a ma- jor problem; increased load on teaching staff such as set- ting server or network environment. In order to solve this problem, we need a system that can establish the learning environment armed cloud systems. The important issue for such system is extensibility because the system should be adapted to many kinds of original digital learning material with minimum modification. We call this system Smart Ed- ucation System. Therefore, the objective of our study is to establish Smart Education System that has the operability and the extensibility.
On the other hand, we had developed a system for re- trieving trendy information such as hot words or SNS top- ics utilizing social media [3]–[5]. Hot words mean popular searching keywords on search engines. SNS topics indi- cate posted messages among friends of the target user. In this research, the system picks up a searching keyword from the trendy information automatically. Then, the system is gathering multi-aspect information from social media such as outline information (DBpedia), social videos (YouTube), tweets (Twitter), and books or products (Amazon). More- over, the system distributes the multi-aspect information to a multi-screen environment. Figure 1 shows t
An Application Framework for Smart Education System Based on Mobile and Cloud Systems
基于移动和云系统的智能教育系统应用框架
摘要：
智能教育环境，即利用信息通信技术（ICT）的学习环境，引起了极大的关注。为了扩展这种环境，我们需要一个能够建立配套有云系统学习环境的系统，以减轻教学人员的巨大压力。这种系统的重要问题是可扩展性，因为系统应该适应多种原始数字学习材料而且修改最少。因此，本文提出了“智能教育系统应用框架：SES框架”。在该智能教育系统中，可以从不同的社交媒体自动检索关于嵌入在原始数字学习材料中的技术术语的多方面信息。它们还可以根据用户的操作显示在多屏设备上。它基于“转换模型”实现，该转换模型使原始数字学习材料能够迁移到智能教育环境。它还为学员提供了一个简单的操作流程，名为“三步选择流程”。源自模型 - 视图 - 控制器（MVC）模式的SES框架基于系统体系结构，该体系结构能够针对用户面前的原始数字学习材料，外部社交媒体和屏幕设备实现三重混搭。所有这些功能都已在云系统上实施。我们通过实现示例展示了SES 框架。我们还通过指出系统修改案例研究来证明SES框架的有效性。
关键词：应用程序框架，智能教育，移动和云系统，面向服务的体系结构，模型 - 视图 -控制器
1.引言
由于目前的信息通信技术（ICT）运动，教育环境面临着重大的革命时期。一个例子是流行的学习管理系统Moodle [1]。 Moodle是一个免费的开源型软件系统，已被开发为电子学习平台。目前，Moodle有助于提高许多教育机构的教育效率，主要是在大学。
由于信息通信技术的扩展，在实际学习领域也发生了一场革命，例如不仅在大学而且在普通学校的课堂。例如，日本内务部和通信部（MIC）正在引领未来学校促进项目[2]。平板电脑已分发给该项目选定的二十所小学和初中的每个学生。每所学校的教室都配有电子黑板和Wi-Fi基础设施。目前正在这些学校进行实地研究，以评估使用数字学习材料的教育效率，以便更好地开发教学方法和标准学习材料。我们将这种信息通信技术称为教室环境;智能教育环境。日本政府宣布，到2020年将向所有受训人员分发平板电脑。因此，根据日本政府的ICT投资运动，预计智能教育环境将受到越来越多的关注。然而，将智能教育环境引入实际教育领域将导致一个大问题;增加了教学设备的负担，例如设置服务器或网络环境。为了解决这个问题，我们需要一个能够建立配套有云系统学习环境的系统。这种系统的重要问题是可扩展性，因为系统应该适应多种原始数字学习材料而且修改最少。我们将此系统称为智能编辑系统。因此，我们研究的目标是建立具有可操作性和可扩展性的智能教育系统。
另一方面，我们开发了一个系统，用于利用社交媒体[3]-[5]来获取热门词汇或SNS主题等时尚信息。热门词汇意味着搜索引擎上的热门搜索关键词SNS主题表示在目标用户的朋友之间发布消息。在这项研究中，系统自动从时尚信息中获取搜索关键字。然后，该系统从社交媒体收集多方面信息，例如大纲信息（DBpedia），社交视频（YouTube），推文（Twitter）以及书籍或产品（亚马逊）。此外，系统将多方面信息分发到多屏幕环境。图1显示了该系统的使用场景。在该系统中，应该由用户（如图1中的平板电脑）将一个移动设备指定为操作设备。其他屏幕设备将用于显示名为显示设备的多方面信息。在该系统中，用户不必输入搜索关键字来查找当时的时尚信息。用户只需观看并选择一个呈现的信息项。通过这种方式，用户可以从几个方面检索所需时尚信息的细节。目前，用户需要考虑搜索关键字并将其单独输入到Web服务中。但是，在此系统中，用户不必考虑搜索关键字，也不必将它们分别输入到Web服务中。这项研究主要关注时尚信息。但是，我们相信我们可以在之前的工作基础上实现智能教育系统，因为我们可以将时尚信息看作类似于数字学习材料和多屏幕环境，包括电子黑色等智能教育环境板。我们还认为，通过引入智能教育系统作为基于云的系统，我们可以减轻教学负担。
然后，我们开发了MSaas型（移动软件作为服务型）智能教育系统，我们认为时尚信息类似于文科教育的数字学习材料[6]。在这项研究中，我们确认我们可以在真实教育领域提供智能教育环境，我们只需要在真实教育领域安装浏览器设备。但是，为了将我们以前的工作扩展到可用于多种学习科目的智能教育系统，我们需要将目标信息从时尚信息改为数字学习材料。我们还需要明确一个应用程序框架来提高系统的可扩展性。因此，我们提出了“智能教育系统的应用框架：SES框架”[7]，它将Wikibooks [8]作为原始的数字学习材料。 Wikibooks是任何人都可以通过HTTP访问的开放内容教科书集合，因此我们认为它将是适合的数字学习材料作为我们的第一个实现目标。
我们定义的智能教育系统侧重于嵌入原始数字学习材料中的技术术语。将使用技术术语从社交媒体收集多方面信息。然后，收集的多方面信息将分布在智能教育环境中，涵盖移动设备和多屏ICT设备。通过这种方式，如果我们只能从原始数字学习材料（如Wikibooks）中提取技术术语，我们就可以将原始数字学习材料自动转换为智能教育环境中的一种。我们将此机制定义为转换模型。我们还定义了三步选择流程，使受训者能够利用关于所选技术术语的社交媒体来查看多方面信息。
源自模型 - 视图 - 控制器（MVC）模式的SES框架基于一种系统架构，该架构可以实现三种组合，我们将其称为三重混搭，与原始数字学习材料，外部社交媒体和前面的屏幕设备相对应用户我们构建了一个原型系统，作为基于云服务环境的SES框架的实现示例。我们通过针对Wikibooks的实现示例来展示SES 框架。我们还通过指示系统修改案例研究来证明SES框架的有效性，该案例研究将目标数字学习材料从Wikibooks更改为新闻文章。
2.相关工作
在这里，我们将重点关注基于云的智能教育系统，该系统可用于帮助学员了解利用社交媒体的未知技术术语。因此，我们利用云计算和未知学期学习支持系统来学习有关电子学习服务的相关工作。
已经提出了许多基于云的电子学习服务[9]-[12]。这些相关系统大多集中在共享学习材料上。 “基于云的智能教育系统”[13]，[14]支持以通用，兼容的文件格式交付和共享云中管理的各种增强型教育内容。该系统还通过分析学生的偏好，学习方式和内容使用模式，为学员提供个性化的学习内容。此外，还提供了一种安全系统，用于控制云中的数据访问和加密。 NEC还提供“智能教育”云系统[15]来解决引入电子教育时出现的问题;学习支持，教师支持，学校支持和PC /平板电脑管理。这些相关系统提供全面的教育支持系统，从共享学习材料或学习管理到课堂环境管理。这意味着它们是繁琐的系统，往往成本高昂。另一方面，我们的方法只是简单地将原始数字学习材料应用于智能教育环境。从而使其重量轻且相对便宜。我们不专注于重量级的管理系统。我们希望这会阻碍将智能教育系统引入比其他相关系统更低的实际教育领域。此外，我们专注于旨在提高智能教育系统可扩展性的应用程序框架。作为电子学习标准，已经提出了代表可共享内容对象参考模型的SCORM [16]。然而，该标准专注于重量级管理系统。与现有工作相比，这个问题也是原创性的。
已经提出了一些用于教育相关系统的应用框架。例如，Murugananthan提出了一个教育数据挖掘应用框架，用于自动学习系统[17]。这项工作的目的是在教育支持系统中准备一个自动学习系统，以便为学习者完成适当的学习内容管理系统。 Chun-ling为大学英语学习管理系统提出了基于Ruby On Rails的应用框架，使我们能够促进个性化学习方法的发展[18]。 Dalmon引入了一个应用程序框架，该框架实现了智能教师创作工具的通用模型[19]。智能教师编写工具提供了许多改善学习和教学体验的功能。根据这个应用程序框架，教师可以编写智能辅导作业而无需编程。这些相关研究旨在实现适合学生和教师的学习系统。因此，这些应用框架的目的是根据学习者或教师的活动轻松改变学习系统。另一方面，我们提出的SES框架旨在实现智能教育系统的可扩展性，该系统可以检索与原始数字学习材料中嵌入的技术术语有关的多方面信息，并将其显示在多屏幕设备上。因此，我们提出的应用框架的目的是根据原始数字学习材料轻松改变学习系统。与相关系统相比，这是不同的观点。我们可以从不同的角度说，我们提出的应用框架的用处是使我们能够使用大量原始数字学习材料而无需修改。
已经提出自动字典生成系统[20]和用于自动词汇表生成系统[21]的域分类方法作为与嵌入在数字学习材料中的技术术语的学习支持系统相关的研究活动。这些现有研究的目标是在使用HTML构建分析或文本分析从互联网收集相关信息后，组织关于目标技术术语的解释信息的候选者。与我们的研究非常相似，目标是帮助用户理解技术术语。然而，我们的研究试图学习数字学习材料中描述的技术术语，不仅要观看网页等文本信息，还要观看视频信息。我们还尝试将此系统用于基于云的智能编辑系统。这些要点与相关工作不同。
3.要求和基本理念
3.1要求
我们从教学阶段，数字学习材料提供者和受训者的角度提出了智能教育系统及其框架的三个要求。我们研究的目标是建立具有可操作性和可扩展性的智能教育系统。可操作性意味着我们应该减少教学阶段的负担，例如设置服务器或网络环境（要求1）。可扩展性意味着我们应该以最小的修改来适应多种原始数字学习材料（要求2）。我们还将智能教育系统定义为一种机制，使我们能够自动收集有关嵌入原始数字学习材料的技术术语的多方面信息，并根据用户的操作在多屏设备上查看此类多方面信息（要求3）。要求1用于教学阶段，要求2用于数字学习材料提供者，要求3用于学员。需求定义在下面列出。
要求1：轻松智能教育系统环境安装到真实教育领域。
要求2：如果更改目标数字学习材料，请勿使用原始数字学习材料和智能教育系统。例如，在使用Wikibooks作为原始数字学习材料的情况下，不应修改Wikibooks内容。例如，即使需要修改智能教育系统来更改数字学习材料，也应该限制受影响的部分，并且修改的总量应该是轻微的。
要求3：在智能教育环境中查看来自社交媒体的多方面信息，包括移动设备或电子黑板，而不依赖于信息检索技能。
3.2转换模型
图2显示了转换模型，它可以将原始数字学习材料迁移到智能教育环境中。该模型的目标不是将原始数字学习材料整体转换为智能教育环境的材料，而是将所需的技术术语转换为智能教育环境的材料。关于智能教育环境的技术术语可以插入到原始的数字学习材料中，如图2所示。这样，将原始的数字学习材料和智能教育环境中的技术术语学习相结合，然后提供给学员。
这种插件模型使数字学习材料提供商可以将原始数字学习材料迁移到智能教育环境中，而无需修改原始数字学习材料（要求2）。
3.3三步选择流程
图3显示了从受训者的角度看智能教育系统的操作流程。在图3中，□表示由系统执行的过程，◇表示由受训人员执行的操作。
1.从学习资料网站获取学习项目列表，并向学员展示：如果是一般网站，如果应该显示的信息项是多种多样的，那么使用标签进行分类很受欢迎项目的类别。我们的系统还为学员提供了选择标签以更改学习项目类别的功能。选择其中一个学习项目后，下一个过程开始（第一步选择）。
2.向受训者显示选定的学习项目材料：学员通过查看所选学习材料来学习所选学习项目;文字信息，数字，表格和视频。
3.从所选学习项目材料中提取若干技术术语，向学员展示：如果所选学习项目材料不包括文本信息，则必须为所选学习项目材料提供文本中描述的元信息。学员选择屏幕上显示的技术术语之一来检查详细信息。然后，下一个过程开始（第二步选择）。学员可以选择其他学习项目材料，而不是选择其中一个技术术语。我们从数字学习材料中提取适当的技术术语会更好。学员应该在数字学习材料中学习的适当技术术语可能会根据每个学习者的学习环境而有所不同。为了根据每个受训者的学习环境实现适当的技术术语选择机制，我们需要使用上下文感知技术建立先进的个性化机制。我们还需要独立评估它，以便我们认为它应该是另一个研究课题。因此，我们决定在不使用先进的个性化机制的情况下向所有受训者提取和显示相同的技术术语。如果我们能够提取并展示全面的几个技术术语，学员可以根据自己的兴趣选择其中一些。我们认为这种面向用户的选择方法可能比面向系统的选择方法更实用，因为我们无法开发完美的情境感知系统。我们提出的详细方法将在5.1中展示。
4.收集与所选技术术语相关的多方面信息：概述信息，社交视频，推文以及与所选技术术语相关的相关书籍或产品信息将从社交媒体中收集为多方面信息。学员将订购如何在智能教育环境中显示所收集的信息。然后，下一个过程开始（第三步选择）。学员可以选择其他技术术语或其他学习项目材料，而不是订购以显示收集的有关智能教育环境的信息。
5.显示关于智能教育环境的聚集的多方面信息：学员可以命令显示关于智能教育环境的收集的多方面信息。在终止本系统之前，学员可以选择其他技术术语或其他学习项目材料。
通过这种方式，原始的数字学习材料可以应用于智能教育系统而无需改动。 从学员的角度来看，我们可以说这是一个三步选择流程，它是学习项目选择，技术术语选择和显示方法选择的组合。 这些简单的操作使学员能够利用关于智能教育环境中所选技术术语的社交媒体来查看多方面信息（要求3）。
4. SES框架概述
4.1系统架构
该系统具有图3所示的三层体系结构。中间层是在云计算环境中运行的智能教育核心功能。上层是实际学习领域中存在的智能教育环境，例如学校的教室。智能教育环境中的受训设备包括主要由受训者操作的操作设备和用于观看社交视频的显示设备，等等。我们假设操作设备是每个受训者拥有的平板电脑，显示设备是其他计算机，如电子黑板或其他移动设备。底层是互联网环境，包括原始数字学习材料和DB-p
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