基于xAPI學習記錄的LMS網絡系統(tǒng)架構研究*

方海光，胡祎祎，杜 舟

(首都師范大學 教育技術系，北京 100048)

基于xAPI學習記錄的LMS網絡系統(tǒng)架構研究*

方海光，胡祎祎，杜 舟

(首都師范大學 教育技術系，北京 100048)

對學習者網絡學習行為記錄的標準是在線學習個性化研究和應用的基礎。目前，SCORM標準結構的復雜性以及數(shù)據(jù)傳遞單一性等問題導致其無法獲取完整的自身學習行為記錄，特別是對于移動學習和個性化學習無法進行充分有效地支持。本文對xAPI(Experience API)規(guī)范下的網絡學習模型進行了詳細分析，對相關模型要素進行了語義成分分解，并針對學習管理系統(tǒng)(LMS)不同搭載源架構提出了基于xAPI學習記錄的LMS網絡系統(tǒng)三種架構的重構模式，從而支持xAPI規(guī)范下將LMS學習行為記錄完整精確地傳輸?shù)綄W習記錄系統(tǒng)，實現(xiàn)跨學習環(huán)境的學習記錄多維度分析，更好地支持數(shù)字化學習環(huán)境中的移動學習和個性化學習研究。

SCORM標準；xAPI；學習記錄；網絡學習資源規(guī)范

一、相關背景

對學習者網絡學習行為記錄的標準是在線學習個性化研究和應用的基礎。目前國內外相關研究和應用思路主要有兩個方面：(1)通過大數(shù)據(jù)對非結構化的學習行為記錄進行聚類分析，并延伸到應用環(huán)境本身進行情境分析；(2)通過在線學習平臺和資源對學習行為記錄進行規(guī)范化和結構化預設，通過規(guī)范化數(shù)據(jù)采集進行應用分析。后者在面向應用分析過程中受限于數(shù)據(jù)規(guī)范化定義，但卻能夠實現(xiàn)跨平臺、跨資源的統(tǒng)一應用，為數(shù)字化學習環(huán)境的國際化普及和應用奠定基礎。因此，如何進行數(shù)據(jù)規(guī)范化定義顯得尤為重要。本文主要針對后者的研究思路進行研究。當前，學習者行為網絡化成為發(fā)展趨勢，而通過跟蹤記錄學習者行為并對數(shù)據(jù)進行分析有利于教育資源開發(fā)，支持教師更好地組織和改進課程設計，并且對學習資源及學習者做出有效評價[1]。網絡學習行為是指學習者在由信息技術所創(chuàng)設的、具有全新溝通機制與豐富資源的學習環(huán)境中開展的遠程自主學習行為[2]。網絡學習行為主要包括網絡資源瀏覽、網絡信息檢索、網絡信息加工、網絡知識管理、網絡交互、網絡交流、網絡協(xié)作、網絡知識生成、網絡協(xié)同和自我反思與監(jiān)控等學習行為[3]。而規(guī)范化的網絡學習行為記錄及其支持系統(tǒng)成為國內外研究的熱點。

典型的網絡學習資源技術規(guī)范和標準包括：AICC的AGR技術規(guī)范、IMS的學習技術系統(tǒng)規(guī)范、IEEE的學習對象(LOM)標準、ADL的SCORM標準[4]。其中，SCORM標準是目前國際上應用較多的標準，但SCORM標準是基于有限需求而提出的，與云計算和服務型的架構有代替的可能。雖然SCORM標準為學習管理系統(tǒng)(LMS)內部的互操作性和便攜性提供了技術上的支持，但是由于它與LMS捆綁，只記錄了基于瀏覽器內部發(fā)生的有限學習活動，使得系統(tǒng)只能記錄學習者通過登錄LMS學習時的學習記錄。為了支持追蹤更詳細的網絡學習行為，ADL提出了TLA架構及其運行時的接口規(guī)范——xAPI(Experience API)。xAPI允許將學習內容與平臺解耦，能夠為學習者記錄并提供其自身學習經驗與元數(shù)據(jù)，可讓任何被許可的參與者存儲和檢索可擴展的學習記錄、學習者信息和學習經歷檔案，而且其過程與平臺無關[5]。

目前我國CELTS標準建設已經取得了很大的成果，但對在線學習過程進行記錄的內容還很少，特別是涉及到學習者電子檔案中的學習過程跟蹤和評價數(shù)據(jù)還有待完善。目前關于教學過程信息集合的描述還在討論中，而這些學習記錄內容可以包括活動時長信息、活動類型信息、活動資源類型、活動累計數(shù)量、活動累計人數(shù)、活動信息內容、活動結果等要素。這類數(shù)據(jù)單純依靠SCORM標準和目前CELTS標準是無法采集得到的，xAPI提供了一個以學習者為中心的采集學習過程數(shù)據(jù)模型，特別是對多數(shù)據(jù)來源系統(tǒng)的學習記錄數(shù)據(jù)的支持，擺脫了完全依靠單一LMS平臺的學習記錄采集的傳統(tǒng)模式，也特別適合對未來移動學習和社會化學習的支持。

二、SCORM標準的不足和xAPI標準的TLA架構

SCORM標準面向深入的個性化學習支持表現(xiàn)出諸多不足。(1)SCORM標準允許發(fā)送數(shù)據(jù)到LMS，但對于LMS如何使用數(shù)據(jù)沒有明確規(guī)定和要求，學習行為記錄的數(shù)據(jù)只能存儲于其自身數(shù)據(jù)庫內，學習者無法提取其自身學習記錄；(2)數(shù)據(jù)在單次會話結束后無法被存儲，且只能以在線方式讀取信息；(3)SCORM標準只能記錄存在于平臺內的學習記錄，無法實現(xiàn)多平臺或非LMS上學習記錄的存儲；(4)SCORM標準不支持用戶創(chuàng)建的內容，或是第三方發(fā)布的內容，無法滿足在學習中整合社會化學習活動的需求。xAPI是基于SCORM標準建立的，不僅可以記錄正式學習的學習記錄，還能夠記錄包含非正式學習的任何形式的學習經驗，將個人學習路徑進行擴展。存儲的學習記錄數(shù)據(jù)可從任何地方獲取或訪問，而非依賴于LMS作為發(fā)布環(huán)境，其遞送方式也不局限于Web方式；學習內容的開發(fā)者可以根據(jù)需要使用各種形式的內容，包括社交網絡媒體、支持多平臺的互操作、導入導出以及離線使用。xAPI允許學習記錄系統(tǒng)LRS(Learning Restore System)之間相互訪問，并且互相共享數(shù)據(jù)。存儲于LRS中的數(shù)據(jù)可以被LMS、報表工具RT(Reporting Tool)或者其他LRS訪問，并且可以作為個人學習記錄或成績單存儲起來。使用xAPI規(guī)范可以隨時跟蹤并詳細記錄學習者網絡學習行為的數(shù)據(jù)，并獲得多維報表分析以及更精確的學習者學習記錄分析。

xAPI運行的應用接口規(guī)范架構為培訓和學習體系架構TLA(Training amp; Learning Architecture)。TLA包含一系列標準化的網絡服務規(guī)范以及開源軟件，用以創(chuàng)建一個能夠將培訓與學習相連接的環(huán)境。它可跟蹤學習者的學習經驗而非簡單記錄完成度的數(shù)據(jù)及分數(shù)，利于教學情境的設計[6]。TLA由四個部分組成：學習經驗追蹤(Experience Tracking)、學習者檔案(Learner Profile)、內容代理及協(xié)議(Content Brokering and Understanding)和能力認證(Competency Infrastructure)。學習經驗跟蹤是通過與學習經驗交互來跟蹤學習者的數(shù)據(jù)；學習者檔案是與學習者相關的數(shù)據(jù)與信息；內容代理及協(xié)議是指運用軟件和規(guī)范來管理內容以支持即時學習并為下一步活動做出合理選擇；能力認證是將學習目標與系統(tǒng)所認定的學習者能力進行匹配認定。

三、基于xAPI的網絡學習記錄模型構建

(一)基于xAPI的網絡學習記錄模型

基于xAPI的網絡學習記錄模型如圖1所示。學習者進入互聯(lián)網，通過用戶認證后登入網頁、LMS或應用程序等，其網絡學習資源一般包含網絡課程、文章、網頁、嚴肅游戲等。學習者瀏覽網絡學習資源獲得學習經驗；學習經驗經由xAPI協(xié)議及規(guī)范傳入LRS。其傳入過程具體為：活動代理(Activity Provider)對學習者所產生的學習活動進行定義，并將活動以不同模塊分組；活動生成語句(Statement)，語句通過活動生成語句API存儲于LRS。xAPI包含4個接口，分別為語句接口(Statement API)、狀態(tài)接口(State API)、活動描述接口(Activity Profile API)以及代理描述接口(Agent Profile API)。語句接口負責語句在LRS中的存儲以及取出；狀態(tài)接口為緩存區(qū)來存儲正在使用的活動；活動描述接口可以引用存于LRS中活動的完整描述；代理描述接口向LRS內添加與代理相關的數(shù)據(jù)。

圖1 基于xAPI的網絡學習記錄模型

(二)基于xAPI的LMS網絡學習記錄模型組成要素

基于xAPI的LMS網絡學習記錄模型主要組成要素分別為：A.學習記錄系統(tǒng)；B.活動代理；C.語句；D.認證。LRS內部數(shù)據(jù)以個人學習記錄或成績單的形式存儲，不同的學習活動產生的記錄均可傳送到LRS中存儲。LRS可通過報表工具與其他LRS或LMS進行通信。內部存儲為執(zhí)行者(Actor)、動詞(Verb)與對象(Object)的集合，活動代理用來將文件發(fā)送給Document API。多個活動組成群組，每一組定義不同的活動代理。這可用來對LMS聲明哪些程序可被允許通過，并將活動轉化為語句。該階段表明必須使用OAuth協(xié)議程序登錄進程來登記信息，并應提供方法將信息傳入LMS而無需管理員進入登錄界面。語句的最簡單語義形式為執(zhí)行者(Actor)+動詞(Verb)+對象(Object)。

(三)xAPI的語句語義結構

語句是xAPI的內容表現(xiàn)形式，所有學習事件都以語句的形式存儲于LRS中。語句的屬性由ID、執(zhí)行者、動詞、對象、結果、語境、時間戳、存儲時間、授權、版本以及附件組成。其中，“執(zhí)行者”“動詞”“對象”為固定屬性，它們構成了語句中簡單的組成結構“誰做了什么”，其他為可選屬性。語句語義結構描述如圖2所示。

圖2 xAPI的語句語義結構描述

語句結構格式中的動詞描述了執(zhí)行者對對象所產生的行為，是“誰做了什么”中的“做”。xAPI規(guī)范規(guī)定了24種常用動詞類別，具體類別及語義描述如表1所示。

表1 xAPI中的動詞類別及其語義描述

對象是指“誰做了什么”中的“什么”，是執(zhí)行者所做的內容。對象的內容可以是活動、代理、群組、子語句或語句引用等。xAPI規(guī)范中規(guī)定了13個常用活動對象，具體活動對象類別及描述如表2所示。

表2 x API中的活動對象類別及其語義描述

(四)學習記錄信息交互過程

學習者通過登錄網頁、LMS、應用程序以及其他學習終端獲取學習經驗，學習記錄信息與LRS進行交互以完成存儲或提取信息功能。具體過程為：學習者進入網頁、LMS學習課程或者應用程序進行學習獲取學習經驗，系統(tǒng)將該條學習經驗轉化為活動，由活動生成語句。語句通過xAPI中的Statement API與LRS交互來存儲或提取信息。LRS與LMS間的學習記錄信息的交互過程與LRS間不同。在LMS中，LRS只存儲和獲取學習記錄，而內容打包、發(fā)布和輸出都在LMS中完成。LRS中所記錄的信息數(shù)據(jù)可在獨立的LRS間通過報表工具傳送，也可通過LMS內部報表工具傳送給LMS中的LRS。

四、基于xAPI學習記錄的LMS網絡系統(tǒng)架構

LMS與xAPI相融合能夠記錄正式學習內部以及外部(非正式學習)的學習行為，因此，將LRS融入到LMS當中能夠幫助LMS實施更加完善的功能。單獨使用LMS平臺無法追蹤學習者在LMS外部學習時所留下的學習記錄，將該平臺加入xAPI機制進行架構重構，能夠支持xAPI中的動詞和活動語義關系，便于進一步進行基于xAPI的數(shù)據(jù)記錄分析和數(shù)據(jù)挖掘，為學習者提供個性化的學習體驗。基于xAPI學習記錄的LMS網絡系統(tǒng)架構主要有兩種類型：第一種為LMS集成模型，即以原有LMS平臺為基礎對其進行架構重構，分別包括資源集成模式以及平臺集成模式的重構。第二種為插件模式，即對基于網頁或應用程序的搭載源進行架構重構，以輔助LMS平臺進行外部學習記錄的采集。因此，基于xAPI學習記錄的LMS網絡系統(tǒng)架構包含三種架構重構模式：資源層、平臺層和環(huán)境層。

(一)資源層：LMS資源集成重構模式

通過將SCORM和AICC注冊信息轉化為xAPI中的語句，可將SCORM、TICC標準的學習資源轉化為xAPI環(huán)境下支持的課件格式，即將SCORM標準課程中的數(shù)據(jù)自動生成語句并作為xAPI中的數(shù)據(jù)存入LRS中。通過該資源集成模式用戶可輸出SCORM和AICC包，保留SCORM內容，并將生成的語句存儲到不同的LRS中。用戶還可從LMS發(fā)布的課程中獲取語句，通過報表工具記錄到LMS或者其他LRS中，如圖3所示。

圖3 資源層：LMS資源集成重構模式

(二)平臺層：LMS平臺集成重構模式

LRS作為學習記錄存儲系統(tǒng)，只存儲和查找學習單與學習記錄，而內容打包、發(fā)布和輸出仍在原有LMS平臺內部完成。對原有LMS平臺進行架構重構即在平臺內部建立LRS學習記錄存儲系統(tǒng)以及xAPI相應機制，如圖4所示。

圖4 平臺層：LMS平臺集成重構模式

(三)環(huán)境層：LMS插件重構模式

基于網頁或應用程序的搭載源通常搭載非標準課程學習資源，由于網頁以及應用程序自身技術、標準等多方面的限制，為適應xAPI多為在原有網頁或應用程序上添加小插件或小應用程序，以實現(xiàn)在學習資源內容以及呈現(xiàn)形式不改變的基礎上將學習經驗完整傳輸?shù)姜毩RS或LMS內部LRS中的功能，如圖5所示。

圖5 環(huán)境層：LMS插件重構模式

五、應用案例

(1)案例一：LMS平臺集成重構案例應用

在Tin Can(https://demo.tincanapi.com)網絡平臺應用中，能夠通過構建xAPI應用系統(tǒng)環(huán)境，通過使用LMS、網頁及應用程序跟蹤記錄學習者學習經驗。構建的應用系統(tǒng)環(huán)境將傳統(tǒng)的LMS系統(tǒng)進行xAPI架構重構，并嵌入LRS，將學習者學習經驗所產生的語句傳輸給LRS，系統(tǒng)經過對學習者學習時產生的語句的展現(xiàn)以及對學習者的學習記錄數(shù)據(jù)進行分析后回傳分析報告。

在LMS平臺集成重構案例應用過程中，主要包括三個步驟：第一步，學習者在自行學習后系統(tǒng)自動生成語句并傳輸至LRS內部，同時為該學習者設置的各類徽章，以此激勵學習者使用該系統(tǒng)進行學習；第二步，重構后的LMS中的LRS可與多個學習軟件進行融合，將學習者學習數(shù)據(jù)以活動流形式傳入學習者LRS中，并將數(shù)據(jù)直觀得呈現(xiàn)給學習者；第三步，系統(tǒng)通過學習分析可視化建模，可以呈現(xiàn)學習者經常使用的軟件以及其對學習者對動詞使用量、使用形態(tài)等進行的數(shù)據(jù)分析。

(2)案例二：LMS資源集成重構案例應用

基于SCORM標準的資源可以進行手工集成重構，在xAPI資源標準包添加包含Ioslaunch.html、Meta.xml、Presentation.html、Presentation.swf以及Tincan.xml描述文件。其中Tincan.xml為整個包的根目錄，重構語義的描述內容描述了該結構中活動的群組化。活動代理對每一個活動進行定義，包含活動的ID、類型、名稱以及描述?；顒由傻恼Z句傳入Statement API中，從而以語句的形式將活動存儲在LRS中，實現(xiàn)學習記錄的跟蹤與管理。

六、總結和展望

本文根據(jù)不同網絡學習資源搭載源的特征分別進行xAPI的架構重構，提出基于xAPI學習記錄的LMS網絡系統(tǒng)架構。該系統(tǒng)架構將xAPI與LMS平臺相融合，對原有LMS進行架構重構，運用xAPI中的動詞與活動的語義關系對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一記錄分析及挖掘，能夠跟蹤包括LMS內外的正式與非正式學習的學習行為，有效得將正式學習與非正式學習相融合，并將學習記錄完整準確得展示給學習者；學習者通過使用重構的LMS平臺可追蹤其平臺內部及外部學習時所留下的所有學習記錄，從而從多個層面彌補了SCORM標準的缺陷與不足。本框架結構現(xiàn)已完成對TLA架構中的學習跟蹤部分的探究及實現(xiàn)，對Moodle等LMS應用平臺的應用起到支持社會化學習和移動學習的作用。下一步將對TLA中的學習者檔案、內容代理及協(xié)議以及能力認證進行理論研究，逐步完善本LMS網絡系統(tǒng)架構研究。

[1] 孫革.網絡學習者學習行為的研究狀況及分析[J].中國教育信息化,高教職教,2010,(8):18-21.

[2] 彭文輝,楊宗凱,黃克斌.網絡學習行為分析及其模型研究[J].中國電化教育,2006,(10):31-35.

[3] 吳淑蘋.基于數(shù)據(jù)挖掘的教師網絡學習行為分析與研究[J].教師教育研究,2013,(3):47-55.

[4] 張千千,曹永建.網絡學習資源標準在網絡課程設計中的應用[J].計算機時代,2009,(8):69-70.

[5] 李青,孔沖.下一代SCORM標準的新動向——ADL TLA和Experience API解讀[J].電化教育研究,2013,(8): 61-67.

[6] ADL. Training and Learning Architecture(TLA) capability information[EB/OL].http://www.adlnet.gov/tla/, 2014-3-19.

方海光：副教授，博士，研究方向為移動學習、數(shù)字校園、網絡教師教育、績效技術(fanghg2013@163.com)。

胡祎祎：在讀碩士，研究方向為移動學習、績效技術(piaolmx@sohu.com)。

杜舟：在讀碩士，研究方向為移動學習、績效技術(duzhou3030676@gmail.com)。

2014年9月25日

責任編輯：宋靈青

Research on LMS Network System Architecture Based on xAPI Learning Record

Fang Haiguang, Hu Yiyi, Du Zhou
(Department of Educational Technology, Capital Normal University, Beijing 100048)

Standards to learner’s record of learning behavior is the basic of a personalized online learning research and applications.On account of the complexity of the structure and simplicity of the data transmission, the SCORM make it unable to obtain complete learning record. It cannot offer support for mobile learning and individual learning effectively. According to different platforms, under the analysis of the network learning model and relevant semantic elements, this paper presents three kinds of reconstruction models of LMS network system architecture based on xAPI learning record. In the xAPI specification, learning record can be transferred from LMS to Learning Record System completely, which can achieve multidimensional analysis for cross environment learning record,and that will lead to a better support for mobile learning and individualized learning.

SCORM; xAPI; Learning Record; Network Learning Resource Specification

G434

A

1006—9860(2015)02—0065—05

* 本文系北京市教委人才項目2015年度青年拔尖項目“信息技術支持下的個性化學習環(huán)境優(yōu)化研究”（CITamp;TCD201504076）項目研究成果。