基于云端環境的EPUB3.0電子書學習系統設計與實現

胡畔　王冬青

摘要：隨著互聯網技術的發展和個人移動終端設備的普及，“云服務+終端”模式已成為數字化學習環境的主要特征。作為云端環境下數字內容服務的重要組成部分，電子教材已經成為當前研究的重點。EPUB3.0是新一代電子書國際標準，尤其適合新型電子教材的制作和出版。本文探討了EPUB3.0電子教材的功能特性與優勢，分析了電子書學習系統對情境化學習、個性化學習及社會化學習的功能支持，設計并實現了一種基于云端環境的EPUB3.0電子書學習系統。

關鍵詞：云端環境；EPUB3.0；電子書；電子教材

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009-8097（2014）01-0119-08

引言

隨著云計算與移動通訊技術的不斷發展，以及電子書閱讀器、平板電腦、智能手機等便攜式終端設備的普及，移動閱讀己成為人們的一種生活方式，也逐漸改變了人們的思維習慣與學習方式，形成了從電子學習到移動學習，再到泛在學習的發展變革。

電子書是電子閱讀環境中知識內容的承載者，也是構建新型數字化學習環境的重要內容保障。深入研究與探討電子書的格式標準、設計開發、閱讀軟件與平臺服務等一系列問題，構建基于云服務平臺與數字化學習終端的電子書學習系統，是電子書和電子教材應用與推廣的前提，也是促進電子閱讀與數字化學習融合的重要環節。

一、電子書格式標準與EPUB3.0閱讀軟件

1.電子書格式標準與電子教材出版

電子書是指以數字形式制作、出版、存取和使用的出版物，通常需借助一定的閱讀軟件和電子設備進行讀取。新媒體聯盟（NMC）發布的The 2010 Horizon Report與The 2011 HorizonReport兩個報告都指出電子書將在未來2～3年發展成熟并深刻影響教育領域。電子教材是一類遵循學生閱讀規律、有利于組織學習活動、符合課程目標要求、按圖書風格編排的電子書或電子讀物。相對于傳統的紙制教材來說，電子教材具有易于保存、更新和傳輸的優點。

目前，國內外電子書格式多達數十種，比較常用的格式包括PDF、KF8、CEB、AZW、UMD、PDG、MOBI、CAJ、VIP、iBooks、EPUB等。其中，以PDF為代表的面向印刷流程的固定版式電子書標準，能夠比較真實地反映原文檔的格式、字體、版式和圖片等要素，但不支持自動排版，缺少文檔邏輯信息和富媒體、強交互特性，并不適合新型電子教材出版。隨著跨媒體出版的興起，尤其是目前電子書的載體逐步向移動媒體終端過渡，許多大型IT公司都推出了基于XML并能支持HTML5、CSS等Web技術的新一代電子書格式標準，如亞馬遜的KF8、蘋果的iBooks及國內方正的DPUB等。這些新格式標準能夠有效滿足新型電子教材在多種終端上的應用需求，但不同企業出于保護自身商業利益與內容資源等因素的考慮，各自所支持的私有格式之間難以統一和兼容，導致內容資源和閱讀系統重復開發問題嚴重，也嚴重制約了電子教材的發展與普及。同時，各公司通常將其私有格式電子書與閱讀軟件、閱讀器硬件終端及數字內容平臺關聯綁定，形成一個極為封閉的系統，難以適用于數字教育出版的發展與應用需求。

2.EPUB3.0標準的功能特性

EPUB是國際數字出版論壇IDPF（International Digital Publishing Forum）發布的電子書開放國際標準，自發布以來得到了眾多終端廠商、平臺開發商及主流出版商的支持與認可，已逐漸成為開放電子書格式的主流標準。IDPF自2006年以來先后發布了多個EPUB版本，其中，EPUB2.0得到了以E-Ink技術為基礎的專用電子書閱讀器的普遍支持。專用電子書閱讀器的主要優勢是低功耗和視力保護，但同時存在不能支持動態媒體格式、翻頁速度慢、交互性不強等缺陷。隨著平板電腦等新一代數字化學習終端的快速發展，其良好的動態富媒體支持及自然人機交互體驗對電子教材提出了更高的要求。祝智庭等認為新型電子教材應該具備開放性、關聯性、互動性與富媒體性。面對終端設備和Web技術的最新發展趨勢，IDPF于2011年發布了EPUB3.0標準。EPUB3.0支持豐富的數字化媒體、多樣的內容布局與呈現方式、深度用戶交互以及動態驅動和響應，能更好的滿足新型電子教材的出版需求。

（1）富媒體性

EPUB3.0標準支持在電子教材中嵌入音頻、視頻、SVG矢量圖以及基于MathML語言的數學公式。此外，EPUB3.0標準利用同步多媒體集成語言SMIL（Synchronous Multimedia IntegrateLanguage）能夠將音頻剪輯片段與文本對象關聯，實現電子教材中文本對象的點讀功能。

（2）強交互性

基于HTML5、CSS及JavaScript腳本語言，EPUB3.0電子教材內能夠嵌入和集成各種交互性的教學活動，包括互動教學游戲以及單選、多選、填空等多種客觀題型的評測與反饋。

（3）關聯性

EPUB3.0標準在元數據中引入鏈接元素“link”，能夠引用和關聯與電子書相關的各種資源。此外，EPUB3.0制定了一套片段標識符規范CFI（Canonical Fragment Identifier），用于描述電子教材中任意內容的標識和鏈接方式。學習者可以將學習過程中的生成性信息與電子教材中的各種對象進行精確關聯，實現學習資源的動態生成和進化發展。

（4）開放性

EPUB3.0作為一個開放的國際標準對任何個人與組織都是透明和免費的，它不但支持如HTML5、CSS3、DAISY等開放技術和標準，同時也支持如SVG、OGG、WebM等開放、免費的媒體文件格式，從而為電子教材的制作與開發提供了一個自由開放的環境，有利于EPUB3.0格式電子教材的推廣普及與內容互操作。

3.EPUB3.0電子書閱讀軟件的現狀

隨著EPUB3.0不斷推廣普及，其逐漸得到了許多知名閱讀軟件的支持，如Adobe公司的Adobe Digital Editions，蘋果公司iPad上的閱讀軟件iBooks，索尼公司的Sony Reader等。此外，一些公司與機構也都推出了專門支持EPUB3.0的閱讀軟件或系統，如IDPF開發的開源軟件項目Readium，InfogridPacific公司開發的AZARDI，AEL Data公司開發的Lektz eBookReader，Bluefire Productions公司開發的Bluefire reader以及香港應用科技研究院開發的ASTRI-Bee等。盡管以上閱讀軟件能夠支持EPUB3.0標準，但難以滿足云端環境下電子教材的應用需求。首先，依據美國圖書行業協會發布的最新調查報告“EPUB3 Support Grid”，大多數閱讀軟件對EPUB3.0標準特性的支持還不全面；其次，以上閱讀軟件不能夠提供完善的學習輔助功能與服務，包括筆記記錄與分享、文本內容標注、測評與反饋等；第三，一些國外公司雖然提供了包含內容服務平臺在內的商業化整體解決方案，但不能綜合考慮泛在學習情境下電子書的內容設計與整合，構建功能完善的電子書學習系統。

二、EPUB3.0電子書學習系統設計

1.系統設計要求

電子書學習系統的設計應充分考慮系統的硬件特性、網絡環境、應用情境等因素，構建一個功能完備、界面友好的數字化學習環境，以有效支持學習者泛在情境下的自主探究學習，具體要求如下。

首先，隨著終端設備性能的不斷提升，新型數字化學習終端通常具備強大的芯片處理能力和高分辨率彩色顯示屏。學習系統中資源內容的設計與展示應充分發揮終端設備的硬件優勢，不僅局限于圖像、音頻、視頻等媒體內容，還可以引入3D圖形、全景圖等新的知識內容呈現形式。此外，學習系統的交互方式設計也應充分利用學習終端的多點觸控屏幕、攝像頭、麥克風等硬件模塊，為學習者提供更加自然和諧的人機交互體驗。

其次，由于無線網絡范圍無法有效覆蓋、網絡帶寬不足等制約因素，云端網絡環境難以確保學習者隨時隨地訪問與獲取學習資源。因此，電子書學習系統應盡可能實現學習資源的本地化，以支持離線狀態下學習者的自主探究學習；同時，學習系統應該具備資源下載及數據交換的自動化、智能化特性，以支持學習者的在線協作學習與社會化學習。

第三，學習者在移動環境下通常難以連貫、系統地進行學習，因此，學習系統中內容資源的設計應具備資源內容片狀化、資源形式特殊化、內容呈現簡潔化等特性。

2.系統的功能需求分析

國內外研究者針對新型電子教材的功能特性與應用需求進行了許多有益的探索。陳桄等認為應該從結構化呈現、媒體可操控性、筆記功能、作業功能及管理功能等五個方面對電子教材的功能進行考察。Wolfgang Beer等認為一個具有情境感知功能的交互式電子書閱讀系統應該具備多媒體內容、多終端應用、易于分發、情境感知和可離線應用等特點。INTERACT（IntegratedModel of MultimediaInteractivity）是一個針對交互式多媒體教學提出的應用模型，它包含用戶、學習環境以及學習者心理模型等學習變量。Yueh-Min Huang等引入該模型，從情境化、個性化、社會化三個方面設計了電子書學習系統功能模塊。如圖1所示，基于電子書學習系統功能模塊與INTERACT的映射關系，本研究認為EPUB3.0電子書所具備的功能特性能夠有效支持學習者的情境化、個性化和社會化學習活動，并提出了EPUB3.0電子書學習系統的具體功能需求。

（1）情境化學習支持

根據INTERACT理論，基于學習者需求創設特定的學習情境有助于認知活動發展，進而影響學習行為活動。EPUB3.0電子書支持音頻、視頻及文本同步發音等富媒體形式學習內容，有助于激發學習興趣，加深學習者對知識的理解與記憶，為主動學習創造條件。此外，在電子書學習環境中引入用戶控制的交互活動能夠形成信息環路，有助于學習者主動參與到知識建構的過程中，提升學習者的學習體驗和沉浸感。基于EPUB3.0標準的強交互性支持，在EPUB3.0電子學習系統中能夠實現各種交互活動，如教學互動游戲、試題評價與反饋等。

（2）個性化學習支持

學習行為活動作為一個獨立元素能夠有效促進學習者認知活動的發展。在基于資源的學習過程中，學習者的行為活動將會產生大量的生成性信息，這些生成性信息與學習資源緊密相關，形成了個性化的學習資源。為滿足學習者個性化學習需要，電子書學習系統應支持生成性信息的記錄與存儲，包括文本標注、筆記記錄、答案信息記錄、書簽設置等。基于EPUB3.0標準的關聯性，電子書學習系統能夠實現生成性信息與學習資源之間的精確鏈接，將生成性信息獨立存儲于云平臺，學習者可以隨時隨地的獲取個性化學習資源，確保了學習過程的有效性與延續性。

（3）社會化學習支持

根據維果斯基的社會建構主義理論，社會化學習能夠將學習者在泛在學習情境下的思考與感受外化并進行分享，從而增強學習者的社會交互性。基于EPUB3.0標準的開放性，在電子書學習系統中設計支持社會化學習的功能，可以利用云存儲服務實現學習筆記、試題答案等信息的分享；此外，還可以借助于微博、短信等第三方應用實現電子書內容的分享，從而幫助學習者獲取更加全面的知識，以完成有意義的學習。

三、EPUB3.0電子書學習系統的實現

1.學習系統整體結構

基于云端環境的EPUB3.0電子書學習系統包括EPUB3.0格式電子書、電子書閱讀軟件EPUB3.0 Reader、數字內容管理與云服務平臺以及數字化學習終端四部分內容，系統整體結構如圖2所示。

EPUB3.O電子書實質上是一個后綴名為epub的zip格式壓縮文檔，它包含了各種類型的學習資源以及與資源組織、描述和呈現相關的文檔。數字內容超市中提供的電子書主要為以紙制教材為藍本，以科學認知理論和教學理論為指導設計開發的EPUB3.0電子教材。

電子書閱讀軟件EPUB3.0 Reader是學習系統的主要組成部分，它包括java語言開發的Android應用程序和JavaScript語言開發的Web應用程序兩個版本。EPUB3.0標準主要通過基于HTML5和CSS規范的xhtml內容文檔對資源進行組織與描述，并且對HTML5進行了內容和語義擴展。因此，EPUB3.0 Reader的核心功能是調用瀏覽器引擎對xhtml內容文檔進行解析、渲染和呈現，將xhtml內容文檔中EPUB3.0的擴展內容替換為瀏覽器引擎能夠識別和渲染的腳本內容，在此基礎上進一步實現筆記記錄與存儲、學習過程跟蹤、試題評價與反饋等學習與閱讀輔助功能。

數字內容管理與云服務平臺主要通過數字內容超市和云盤為EPUB3.0電子書學習系統提供支持與服務。數字內容超市主要提供包括電子書存儲、管理、購買與結算在內的各種功能與服務。云盤存儲服務則是通過與金山軟件公司合作，將金山快盤整合到云服務平臺中，利用金山快盤提供的OpenAPI進行二次開發，實現多終端數據同步及用戶間的數據共享。

數字化學習終端主要為內容資源呈現與系統軟件運行提供硬件支持，EPUB3.0電子書學習系統的硬件終端具備10.1寸多點觸控屏幕，搭載Android4.0操作系統，具有強大的芯片處理能力及穩定流暢的操控體驗，能夠很好的支撐學習系統的運行。

2.學習系統的界面與功能實現

應用EPUB3.0電子書學習系統進行學習的過程中，學習者可以進行字體設置、筆記標注等操作，主要應用界面如圖3所示。此外，系統還能夠實現文本點讀、筆記分享、學習過程跟蹤及自動測評與反饋等功能。

（1）閱讀環境的設置

根據學習情境及個人學習風格的不同，學習系統支持學習者對字體大小、屏幕亮度、閱讀模式等進行調整，以構建個性化的閱讀環境。學習者可以根據環境光源設置閱讀模式為“夜間模式”或“日間模式”，也可以自行定義文本的前景色與背景色組合模式。此外，學習者還可以對翻頁效果、橫屏鎖定、行間距及字間距等進行設置。

（2）文本操作與處理

基于交互式電子書進行自主學習的過程中，文本內容是大多數學習行為活動的操作對象。在圖3所示應用界面中，學習者在學習終端屏幕上長按某一文本對象將會彈出前后浮標，移動浮標可以精確選擇電子書中的任意文本對象并進行筆記標注、分享、搜索、詞典、復制、高亮標記等操作。

①筆記標注。利用新型數字化學習終端所具備的觸控屏幕、麥克風、攝像頭等硬件特性，學習系統支持虛擬鍵盤、拍照、錄音及攝像等多種方式錄入筆記信息，學習者可以根據需要靈活選擇不同的筆記記錄方式，實現多媒體筆記信息與選定文本的關聯。

②分享。學習者可以借助于第三方應用程序將電子書中的文本內容以短信、電子郵件及微博等方式進行分享。

③搜索。學習系統支持對任意選定文本進行全書搜索和網絡搜索。全書搜索將在電子書內容文檔中查找并標記出與選定文本相同的所有內容，學習者可以逐條定位并查看；網絡搜索則通過調用系統自帶瀏覽器搜索相關的網絡資源。

④詞典。學習系統集成了英漢詞典、漢英詞典和新華字典數據庫，學習者能夠快速查閱電子書中任意文本內容的釋意，有助于學習效率提升。

（3）文本點讀與同步顯示

EPUB3.0電子書可以利用SMIL語言將音頻剪輯片段與文本對象進行關聯。系統在解析EPUB3.0電子書的過程中，若檢測到與xhtml內容文檔關聯的smil文檔，將會自動激活文本點讀功能。此時，若學習者單擊電子書中某一文本對象，系統將會自動播放該文本的關聯音頻片段并同步改變其顯示狀態。此外，在學習系統中可以設置文本點讀功能為連續播放模式，在這一模式下點擊發音文本對象，系統將在當前文本關聯音頻片段播放結束后自動查找并播放下一個文本對象的關聯音頻片段，直至整個xhtml文檔結束。

（4）筆記記錄與分享

在電子書中進行筆記標注，首先需要對被標注對象進行標識與定位，并實現注釋信息與標注對象的關聯。EPUB3.0標準提供一種通用文件片段標識規范CFI，能夠對xhtml文檔中的文本、圖片、音頻及視頻等對象進行精確標識。CFI不僅能夠標識文本對象中任意字符的位置信息，還能夠標識圖片對象中的坐標點位置、音頻對象播放的時間點以及視頻對象某一時間畫面中的坐標點位置。基于此標準，系統目前實現了文本對象的筆記標注功能，筆記注釋信息可以是文本、圖像、音頻及視頻四種媒體形式，并且支持對筆記內容進行刪除、修改、導出和導入操作，如圖4所示。

導出的筆記內容將會封裝為一個zip壓縮文檔，該文檔中包含一個基于CFI規范的xml文檔，以及與筆記注釋信息相關的圖像、音頻和視頻文檔。xml文檔包含了電子書ID值、注釋信息中媒體資源的存儲路徑、被標識對象的內容與定位信息等。其中，電子書ID值主要用于筆記文檔與電子書的關聯與匹配。系統將導出筆記的文檔直接存儲在云盤同步目錄下，通過云盤實現筆記內容共享及多終端設備同步。學習者可以在同一電子書中導入并查看多個筆記文檔信息，也可以選擇性地導出部分筆記內容并分享給其他學習者。

（5）試題評價與反饋

EPUB3.0電子書學習系統支持基于QTI標準的客觀題測評與反饋。QTI（Question&TestInteroperability）是一個關于測試的互操作規范，它由一系列的單個文本規范組成，主要用于解決不同考試系統之間的內容交互問題。利用QTI編輯工具能夠制作并生成符合QTI標準的xml文檔，文檔包含試題類型、試題題干、正確答案及分值等元數據信息，可直接打包成為EPUB3.0電子書內容的一部分。

在圖5所示的原理框圖中，試題內容數據封裝在EPUB3.0電子書文檔內，而試題交互控制源代碼存儲在閱讀軟件中，能夠有利于電子書的版權保護和控制電子書文件大小。當系統檢測到xhtml文檔中包含試題內容時，即在該文檔的head標簽中加入測評交互控制代碼的引用鏈接。測評交互引擎從QTI標準文檔中提取試題元數據并添加至xhtml文檔中預定好的腳本模塊內，結合CSS對試題內容進行排版布局，再由系統解析、渲染和呈現，最終實現與測評相關的各種交互活動。

試題交互引擎基于JavaScript及Jquery框架開發，能夠支持單選、多選、填空、判斷等多種客觀題題型，并為每一個測驗模塊提供“檢查”、“重做”、“復位”和“提交”四種操作功能，如圖4所示。其中，“檢查”功能能夠檢測并標識出答錯試題，顯示提示信息但不給出正確答案，而“提交”功能則直接給出了答錯試題的正確答案。“重做”功能可以清除答錯試題的作答信息，而“復位”功能清除整個測驗模塊的作答信息。

四、總結與展望

基于EPUB3.0標準及云端學習環境的特性與優勢，本研究設計并實現了一個支持EPUB3.0標準的電子書學習系統，該系統具備較為完善的學習輔助功能和友好的交互界面，能夠為泛在學習環境下的自主探究學習提供良好的支持與服務。

在本論文研究工作的基礎上，后續將推動和開展EPUB3.0電子教材的試點應用工作，總結EPUB3.0電子書學習系統在實際應用中的優勢與不足，以進一步完善和改進系統，并深入探索EPUB3.0電子教材設計開發的理論與方法。