基于xAPI標準數據的交互式學習資源設計研究*

方海光，陳俊達，詹偉華，羅金萍

(1.首都師范大學 教育技術系，北京 100048；2.北京教育科學研究院，北京 100045)

基于xAPI標準數據的交互式學習資源設計研究*

方海光1，陳俊達1，詹偉華2，羅金萍1

(1.首都師范大學 教育技術系，北京 100048；2.北京教育科學研究院，北京 100045)

在教育大數據架構基礎上，資源可以作為學習過程數據的載體進行分布式學習，而如何設計標準化和數據化的資源，并支持適合智慧學習環境的交互過程，這是一個理想的資源形態，卻也是一個難題。學習過程中產生的數據作為學習分析的重要支撐，已經對學習資源的設計開發提出了新的要求。如何通過交互式學習資源對學習過程展開分析，挖掘學習數據，進而更好地促進學習者個性化的學習，是當前新技術支持教育教學研究的核心問題。該文從學習數據的角度出發，以xAPI規范標準為基礎，對數字化學習資源交互設計進行基于數據的分析，并在此研究的基礎上完成基于標準數據的交互資源設計，以期在教育大數據的架構下，為交互式學習資源有效支持教育數據分析提供新方法。最后，該文提供了相關設計開發的應用案例并對設計方法進行了詳細的說明。

xAPI；教育大數據；基于數據的設計；學習資源；交互設計

一、引言

教育大數據驅動了資源對數據的需求，與集中的學習記錄數據中心不同的是，學習數據還可以分布式存儲在學習資源中。學習的數字化、泛在化和移動碎片化，使得學習者的學習變得容易、隨時隨地[1]。靈活的學習方式讓學習不再局限于課堂之上，學習方式改變對學習資源設計也提出了新的要求。學習過程即學習者與各種相關元素發生交互的過程[2]。學習者與學習者之間以及教師之間的交互，其主要是學習內容，因此學習者與學習內容的交互實際上是學習者與學習資源之間的交互[3]。人們所熟悉的數字化學習資源，如微視頻、音頻、圖文閱讀材料等，往往缺乏有效的學習交互[4]。對學習資源進行合理的交互設計，可以有效地激發學習者的學習興趣，增強學習者的學習動機，引導學習的進程，幫助學習者完成自我評估等[5]。

以物聯網、云計算和大數據為代表的新一代信息技術的快速發展，將現代教育從數字化逐漸推向智慧化。大數據技術已經成為數據時代建設智慧教育的重要支持，能夠提高教育管理、決策與評價的智慧性。學習過程中產生的數據作為學習分析的支撐，已經成為一種共識。如何對學習過程展開分析，挖掘學習數據，進而促進學習者個性化學習，是當前教學研究的主要問題。xAPI是一種簡單的、輕量級的技術規范，可以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，而這一功能和其具體實現的平臺無關[6]。xAPI學習技術規范對于教育大數據的挖掘和分析具有基礎作用。

二、xAPI標準數據及其擴展描述

SCORM標準在應對個性化學習以及教育大數據共享等方面有諸多局限，新的學習技術規范Experience API(即xAPI)產生了[7]。在此規范中，使用“活動流(Activity Stream)”來定義學習者的學習體驗，通過記錄跟蹤這些活動流，來實現對學習者學習行為和學習表現的分析。xAPI學習技術規范通過LRS(Learning Record Store，學習記錄存儲)來描述學習內容的存儲機制[8][9]。學習者通過操作學習媒體，如iPad等，可以完成與學習平臺上數字化學習資源的交互。與數據庫相似，LRS可以用來存儲和維護學習者的學習記錄[10]。在xAPI中，學習記錄被定義為“Statement”，學習者的學習數據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分布式LRS中存儲[11]。學習者通過學習內容或與學習資源的互動進行學習。每一個學習任務在完成時都會以信號的方式發送并記錄到LRS中。除了負責存儲這些學習記錄外，LRS還能與其他單獨存在的或嵌入到LMS內部的LRS甚至是一些報告工具(Reporting Tools)共享這些數據，從而形成分布式存儲和分析的流程。學習活動數據的存儲與共享過程如圖1所示。

圖1 LRS學習活動數據的存儲與共享過程

Statement作為xAPI標準數據的核心部分，采用“Actor + Verb + Object”的形式來描述學習活動(Activity)，所有的學習活動都以這種簡單的結構進行描述和存儲。Statement中包含十種屬性，除了Actor、Verb、Object這三個必選項外，還包括結果、語境、時間戳、存儲時間、授權、版本以及可選屬性[12]，如表1所示。

表1 xAPI標準數據Statement屬性

學習者的動作直接反映著學習者是如何參與學習以及如何與學習資源展開交互的。然而，并不是所有粒度的學習經歷都有必要概括為學習事件。在xAPI規范規定的常用動詞的基礎上，以學習者行為為出發點，結合智慧學習的過程需求，可以歸納總結出面向交互設計時可參考的其他動作詞匯，作為xAPI動詞表的拓展，如表2所示。

表2 面向學習者行為的xAPI拓展動詞表

表2創建的目的在于方便記錄學習者與學習資源之間的交互學習活動。根據表中提到的動作詞匯，可以設計交互式學習資源，而相關的學習記錄系統可以記錄學習活動語句。對于資源中嵌入的視頻、動畫等，可通過關鍵動詞“Watched”進行記錄，如“某學習者觀看了某視頻”；經過設計的圖片、關鍵按鈕等，學習者通過點擊、滑動、懸停或者拖放等動作完成學習交互，學習活動則可記錄為“某學習者點擊了按鈕A”“某學習者點擊了某圖片”“某學習者滑動滑塊至某處”“某學習者(光標)懸停在人物B上n秒”“學習者拖放圖片C到某處”；學習資源中常常為了檢測學習效果而設計一些測試題，需要學習者進行輸入或選擇，此過程可記錄為“學習者選擇了哪一個選項”等形式，從而以數據源為基礎記錄細粒度的大數據分析內容。

三、基于xAPI標準數據的交互式學習資源設計模型

學習者與學習資源之間的交互(以下簡稱“L-R交互”)，是學習活動中的重要環節之一。L-R交互的本質，可以理解為學習者對學習資源做了什么，學習資源對于學習者的行為給出了什么樣的反饋。學習者在這樣的相互作用當中獲得對學習內容的理解。對學習資源進行合理的交互功能設計，是引導并促進學習者學習的有效辦法。在xAPI規范下，學習數據是以活動語句“Statement”的形式記錄到LRS之中的。“Statement”的“A+V+O”模型描述的是一個“誰做了什么”的學習活動，與L-R交互的本質是一致的。學習活動的操作者可以是學習者，學習活動被操作的對象即為學習資源內容，而操作者和對象之間的動作，可以在交互式學習資源引導學習者完成的學習動作中得以體現。對學習者和學習內容的分析是交互設計的前提，二者共同決定了學習資源的交互方式和交互內容的設計。基于xAPI標準數據的學習資源交互設計模型如圖2所示。

圖2 基于xAPI標準數據的學習資源交互設計模型

在基于xAPI標準數據的學習資源交互設計模型基礎上，可以從分析、設計以及數據規范三個層面來進行交互式學習資源的設計。學習資源的設計和開發應以學習者為中心。對學習者的分析，在某種程度上決定著設計學習資源的交互方式選擇。什么樣的策略可以使學習者積極參與到學習之中，面向不同的學習者是否需要設計不同級別或形式的評價方式，所要幫助實現的教學目標對學習者來說是否合適等，都是在學習資源設計時進行學習者分析應該考慮的問題。并不是全部的內容都適合設計交互功能，對學習內容的整體結構進行分析，是梳理不同知識點的前提。以xAPI標準數據為基礎，將Verb(動詞)和Object(對象)分別映射到交互方式和交互內容，把學習內容按照知識點進行模塊化劃分，完成交互腳本與內容腳本的設計，再根據具體的腳本進行學習資源開發。基于xAPI標準數據的交互式學習資源的設計流程如圖3所示。

圖3 基于xAPI標準數據的交互式學習資源設計流程

四、基于LRS交互式學習資源的個性化學習過程

學生個性上的差異，決定了以促進學生個性發展為目標的學習范式[13]。通過對學習者全方位的分析、評價研究，發現學習者學習中存在的特點和問題，為學習者制定獨特的學習策略，提供合適的學習資源，讓學習者進行最有效的學習，實現個性化發展。如何發現特定學習者的學習特征和規律，是幫助其進行個性化學習的關鍵所在。基于xAPI 標準數據的交互式學習資源，使得學習者在通過學習資源進行學習時的學習行為數據得到標準化存儲，從而為個性化學習分析提供支持。

(一)學習者學習數據

數據是信息的載體，大數據時代的教育，學習數據是學習分析的核心，更是基礎。學習是學習者與學習環境各要素之間的交互過程，學習者通過與學習資源進行交互從而獲得知識，在這個過程中產生大量的學習數據，包括結構化數據、半結構化數據以及非結構化數據，這些數據無疑是學習者學習特征的承載[14]。基于xAPI標準數據的交互式學習資源，幫助并引導學習者完成交互學習之外，使得學習者的學習行為以結構化的數據形式存在，即以Statement語句存儲于LRS中。此外，LRS的活動接口和代理描述接口還允許LRS存儲記錄半結構化或非結構化的數據，比如學習者創建的一些HTML文檔、資源中包含的聲音、圖像等。

(二)基于LRS的個性化學習引擎

存儲在LRS中的學習數據，可以通過接口被其他系統或報表工具訪問。個性化學習引擎通過提取LRS中的學習數據并分析、識別出特定學習者的學習特征，預測并為學習者推薦合適的學習路徑和學習資源。個性化學習引擎應至少包含四個模塊：學習者模型、知識模型、預測模型以及自適應推薦引擎。

1.學習者模型

學習者模型描述學習者的個體特征，包括學習者的基本信息(如姓名、性別、電子郵件等)、學習風格、學習興趣或偏好、認知水平等。系統可以通過分析LRS中的學習數據，不斷更新學習者模型。

2.知識模型

知識模型描述的是相關領域知識的結構，即概念與概念之間的聯系，概念之間的聯系可以是多對多的關系。

3.預測模型

預測模型可以根據學習風格、認知水平，興趣偏好等學習者特征信息，對學習者接下來的學習進行預測，通過可視化工具呈現，有助于幫助教師或教學管理者對學習者實施干預和指導。

4.自適應推薦引擎

自適應推薦引擎通過結合學習者特征、學習預測情況，完成對學習者學習路徑的自主推薦，并檢索資源數據庫系統，向學習者推送合適的學習資源。

(三)基于LRS交互式資源的個性化學習過程

基于xAPI標準數據的交互式學習資源，便于學習記錄存儲，能夠形成對學習者個性化學習的支持，其學習過程如下：學習者使用學習終端，通過交互式學習資源進行學習，學習資源中的交互設計和內容設計均基于xAPI數據標準，學習過程中的學習行為數據都通過Statement語句的形式記錄存儲到LRS中，個性化學習引擎從LRS中獲取并分析學習者的學習數據，完成學習者特征分析與知識表征，形成對該學習者的學習預測，并自動從學習資源庫中檢索相關交互式學習資源，繼續推送給學習者，整個過程的循環即學習者個性化學習的過程。如下頁圖4所示。

圖4 基于LRS交互式學習資源的個性化學習過程

五、基于xAPI標準數據的交互式學習資源開發過程

基于LRS個性化學習過程和交互式資源設計流程，通過支持xAPI特定工具的開發過程可以包括以下幾個部分：不論用戶是否具有相應的課件制作技術基礎，都可以創建并發布課程。在這類課程中，用戶可以通過創建互動效果、測試和評估等交互內容，來完成一個交互式課程資源的開發。當開發者完成學習課件制作后，只需要在生成發布界面，選擇課件的發布類型為xAPI，并填寫相關的元數據，如標題、描述、發布地址和標識符等信息，選擇填寫報告信息、進度和完成情況的跟蹤方式，即可導出xAPI格式的內容包。學習者可以使用手機或者平板電腦等移動設備上的瀏覽器來瀏覽課程資源包，并能實現對學習者學習行為的跟蹤和管理。無論學習者是以筆記本電腦、手機還是iPad瀏覽課程，只要是支持xAPI的LMS都可以實現對學習者的分布式數據跟蹤。

每一個資源制作完成后均可發布成課程包。例如，基于xAPI標準的課程資源包中包含了Tincan.xml描述文件，描述了包中所含的活動類型(Activity Types)信息，其中Course表示該課程；課程包使用審查幻燈片將交互內容群組化，每一個審查幻燈片都被定義為一個Tin Can Objective；在一個課程(Course)中用Module描述每一頁幻燈片；Cmi.interaction則表示一個計分或者檢測類型的問題；此外，Tincan.xml文檔還包含了對交互測試問題的類型、選項、正確答案等的描述。

六、基于xAPI標準數據的設計開發案例

(一)游戲闖關類交互式學習資源實現

在初中語文課程《與詩人談論“天下第一美湖”》中(如右圖5所示)，通過學習資源前端分析后，目標學習者在觀看完微視頻之后使用該交互資源進行學習效果自我檢測。在對學習者和學習內容進行分析之后完成該資源的設計和制作。資源以測試游戲的形式展開，主要交互動詞選取xAPI中的“觀看”和“選擇”；在交互內容上，針對不同題目答案設置個性化的反饋效果，并在全部完成測試時根據所得分數評定等級，全部學習者信息和學習過程數據將記錄在資源描述文件中。

圖5 游戲闖關類交互式學習資源設計開發

(二)演示啟發類交互式學習資源實現

在初中歷史課程《攻城為下，攻心為上》中(如圖6所示)。學生們已經通過活動了解了“三國殺”游戲中呂蒙的三個卡牌技能“克己”“涉獵”“攻心”，并了解到少年時期的呂蒙、呂蒙為增長才略所讀的書籍、呂蒙如何戰勝關羽這三個知識點，學習者通過使用該交互資源對于呂蒙其人及三國歷史加深理解、產生興趣，受到啟發。學習資源設計為故事演示的形式，主要交互動詞選取xAPI中的“觀看”“懸停”“點擊”，每一幕呈現故事背景或人物對話，完成與學生已有知識的概念性交互。

圖6 演示啟發類交互式學習資源設計開發

(三)引導探究類交互式學習資源實現

《What People LOVE & HATE about e-Learning》是一個面向所有學習者的交互型學習課程(如圖7所示)，學習者可以通過手機、平板電腦等移動設備進行學習，來了解人們對e-Learning的相關態度。通過動畫、畫面的切換以及互動，使得這門課程的信息呈現達到智慧化體驗效果，有效吸引學習者的學習興趣。在交互動作的選擇上，主要是xAPI中的“點擊”“拖放”“滑動”。生動的動畫和切換效果可以實現與學習者視覺上的交互，知識信息通過學習者的點擊或滑動操作呈現，引發學習者思考，實現學習者與學習內容上的交互。

圖7 引導探究類交互式學習資源設計開發

在本案例中，通過學習者個性化的學習過程，可以對相關引導學習行為進行“細粒度”地精準分析，為引導類精準學習提供支持。在xAPI中，提供了一系列動詞用于引導描述用戶的活動，如表3所示。

表3 引導類精準學習活動動詞描述

七、總結

本文根據xAPI學習技術規范數據特征，從學習數據的角度出發，構建了xAPI標準數據支持的交互式學習資源設計模型。該模型將L-R交互與xAPI規范中的學習活動數據表現形式Statement進行關系映射，形成學習資源交互式設計的基礎。在此模型的基礎上，對交互式學習資源的設計流程進行了前端分析，指出對于學習資源的交互式設計，應該從分析、設計以及數據規范三個層面去實現交互式資源設計過程。

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Research on the Design of Interactive Learning Resources Based on xAPI Standard Data

Fang Haiguang1, Chen Junda1, Zhan Weihua2, Luo Jinping1
(1.Department of Educational Technology, Capital Normal University, Beijing 100048; 2.Beijing Academy of Educational Sciences, Beijing 100045)

On the basic of educational big data architecture, resources can be considered as a carrier of data in learning process for distributed learning. However, how to design standardized and data-based resources that support for the interaction process suitable for smart learning environment is a difficult problem, and it is also an ideal form of resource. As an important support for learning analysis, data generated in the learning process has put forward some new requirements to the design of learning resources.How to analyze the learning process through interactive learning resources, excavate learning data, and then promote the learners’personalized learning, which is the core problem in the research of teaching supported by new technologies. Therefore, this paper tries to do some data-based analysis for the interactive design of digital learning resources. On the basic of this research, the design of the case is completed, in order to provide new methods for the educational data analysis, which is supported by interactive learning resources. At last, this paper provides cases about the development and application of interactive learning resource and the design method has been described in detail.

xAPI; Educational Big Data; Design Based on Data; Learning Resources; Interactive Design

G434

A

方海光：博士，副教授，碩士生導師，研究方向為智慧學習、教育大數據、教育軟件工程(fanghg2013@163.com)。

陳俊達：碩士生，研究方向為教育大數據。

2016年9月5日

責任編輯：趙興龍

1006—9860(2016)12—0078—05

*本文受2015年度北京市屬高等學校青年拔尖人才培育計劃項目“信息技術支持下的個性化學習環境優化研究”（項目編號：CIT&TCD201504076）資助。