基于xAPI学习记录的LMS网络系统架构研究*

方海光，胡祎祎，杜 舟

(首都师范大学 教育技术系，北京 100048)

基于xAPI学习记录的LMS网络系统架构研究*

方海光，胡祎祎，杜 舟

(首都师范大学 教育技术系，北京 100048)

对学习者网络学习行为记录的标准是在线学习个性化研究和应用的基础。目前，SCORM标准结构的复杂性以及数据传递单一性等问题导致其无法获取完整的自身学习行为记录，特别是对于移动学习和个性化学习无法进行充分有效地支持。本文对xAPI(Experience API)规范下的网络学习模型进行了详细分析，对相关模型要素进行了语义成分分解，并针对学习管理系统(LMS)不同搭载源架构提出了基于xAPI学习记录的LMS网络系统三种架构的重构模式，从而支持xAPI规范下将LMS学习行为记录完整精确地传输到学习记录系统，实现跨学习环境的学习记录多维度分析，更好地支持数字化学习环境中的移动学习和个性化学习研究。

SCORM标准；xAPI；学习记录；网络学习资源规范

一、相关背景

对学习者网络学习行为记录的标准是在线学习个性化研究和应用的基础。目前国内外相关研究和应用思路主要有两个方面：(1)通过大数据对非结构化的学习行为记录进行聚类分析，并延伸到应用环境本身进行情境分析；(2)通过在线学习平台和资源对学习行为记录进行规范化和结构化预设，通过规范化数据采集进行应用分析。后者在面向应用分析过程中受限于数据规范化定义，但却能够实现跨平台、跨资源的统一应用，为数字化学习环境的国际化普及和应用奠定基础。因此，如何进行数据规范化定义显得尤为重要。本文主要针对后者的研究思路进行研究。当前，学习者行为网络化成为发展趋势，而通过跟踪记录学习者行为并对数据进行分析有利于教育资源开发，支持教师更好地组织和改进课程设计，并且对学习资源及学习者做出有效评价[1]。网络学习行为是指学习者在由信息技术所创设的、具有全新沟通机制与丰富资源的学习环境中开展的远程自主学习行为[2]。网络学习行为主要包括网络资源浏览、网络信息检索、网络信息加工、网络知识管理、网络交互、网络交流、网络协作、网络知识生成、网络协同和自我反思与监控等学习行为[3]。而规范化的网络学习行为记录及其支持系统成为国内外研究的热点。

典型的网络学习资源技术规范和标准包括：AICC的AGR技术规范、IMS的学习技术系统规范、IEEE的学习对象(LOM)标准、ADL的SCORM标准[4]。其中，SCORM标准是目前国际上应用较多的标准，但SCORM标准是基于有限需求而提出的，与云计算和服务型的架构有代替的可能。虽然SCORM标准为学习管理系统(LMS)内部的互操作性和便携性提供了技术上的支持，但是由于它与LMS捆绑，只记录了基于浏览器内部发生的有限学习活动，使得系统只能记录学习者通过登录LMS学习时的学习记录。为了支持追踪更详细的网络学习行为，ADL提出了TLA架构及其运行时的接口规范——xAPI(Experience API)。xAPI允许将学习内容与平台解耦，能够为学习者记录并提供其自身学习经验与元数据，可让任何被许可的参与者存储和检索可扩展的学习记录、学习者信息和学习经历档案，而且其过程与平台无关[5]。

目前我国CELTS标准建设已经取得了很大的成果，但对在线学习过程进行记录的内容还很少，特别是涉及到学习者电子档案中的学习过程跟踪和评价数据还有待完善。目前关于教学过程信息集合的描述还在讨论中，而这些学习记录内容可以包括活动时长信息、活动类型信息、活动资源类型、活动累计数量、活动累计人数、活动信息内容、活动结果等要素。这类数据单纯依靠SCORM标准和目前CELTS标准是无法采集得到的，xAPI提供了一个以学习者为中心的采集学习过程数据模型，特别是对多数据来源系统的学习记录数据的支持，摆脱了完全依靠单一LMS平台的学习记录采集的传统模式，也特别适合对未来移动学习和社会化学习的支持。

二、SCORM标准的不足和xAPI标准的TLA架构

SCORM标准面向深入的个性化学习支持表现出诸多不足。(1)SCORM标准允许发送数据到LMS，但对于LMS如何使用数据没有明确规定和要求，学习行为记录的数据只能存储于其自身数据库内，学习者无法提取其自身学习记录；(2)数据在单次会话结束后无法被存储，且只能以在线方式读取信息；(3)SCORM标准只能记录存在于平台内的学习记录，无法实现多平台或非LMS上学习记录的存储；(4)SCORM标准不支持用户创建的内容，或是第三方发布的内容，无法满足在学习中整合社会化学习活动的需求。xAPI是基于SCORM标准建立的，不仅可以记录正式学习的学习记录，还能够记录包含非正式学习的任何形式的学习经验，将个人学习路径进行扩展。存储的学习记录数据可从任何地方获取或访问，而非依赖于LMS作为发布环境，其递送方式也不局限于Web方式；学习内容的开发者可以根据需要使用各种形式的内容，包括社交网络媒体、支持多平台的互操作、导入导出以及离线使用。xAPI允许学习记录系统LRS(Learning Restore System)之间相互访问，并且互相共享数据。存储于LRS中的数据可以被LMS、报表工具RT(Reporting Tool)或者其他LRS访问，并且可以作为个人学习记录或成绩单存储起来。使用xAPI规范可以随时跟踪并详细记录学习者网络学习行为的数据，并获得多维报表分析以及更精确的学习者学习记录分析。

xAPI运行的应用接口规范架构为培训和学习体系架构TLA(Training amp; Learning Architecture)。TLA包含一系列标准化的网络服务规范以及开源软件，用以创建一个能够将培训与学习相连接的环境。它可跟踪学习者的学习经验而非简单记录完成度的数据及分数，利于教学情境的设计[6]。TLA由四个部分组成：学习经验追踪(Experience Tracking)、学习者档案(Learner Profile)、内容代理及协议(Content Brokering and Understanding)和能力认证(Competency Infrastructure)。学习经验跟踪是通过与学习经验交互来跟踪学习者的数据；学习者档案是与学习者相关的数据与信息；内容代理及协议是指运用软件和规范来管理内容以支持即时学习并为下一步活动做出合理选择；能力认证是将学习目标与系统所认定的学习者能力进行匹配认定。

三、基于xAPI的网络学习记录模型构建

(一)基于xAPI的网络学习记录模型

基于xAPI的网络学习记录模型如图1所示。学习者进入互联网，通过用户认证后登入网页、LMS或应用程序等，其网络学习资源一般包含网络课程、文章、网页、严肃游戏等。学习者浏览网络学习资源获得学习经验；学习经验经由xAPI协议及规范传入LRS。其传入过程具体为：活动代理(Activity Provider)对学习者所产生的学习活动进行定义，并将活动以不同模块分组；活动生成语句(Statement)，语句通过活动生成语句API存储于LRS。xAPI包含4个接口，分别为语句接口(Statement API)、状态接口(State API)、活动描述接口(Activity Profile API)以及代理描述接口(Agent Profile API)。语句接口负责语句在LRS中的存储以及取出；状态接口为缓存区来存储正在使用的活动；活动描述接口可以引用存于LRS中活动的完整描述；代理描述接口向LRS内添加与代理相关的数据。

图1 基于xAPI的网络学习记录模型

(二)基于xAPI的LMS网络学习记录模型组成要素

基于xAPI的LMS网络学习记录模型主要组成要素分别为：A.学习记录系统；B.活动代理；C.语句；D.认证。LRS内部数据以个人学习记录或成绩单的形式存储，不同的学习活动产生的记录均可传送到LRS中存储。LRS可通过报表工具与其他LRS或LMS进行通信。内部存储为执行者(Actor)、动词(Verb)与对象(Object)的集合，活动代理用来将文件发送给Document API。多个活动组成群组，每一组定义不同的活动代理。这可用来对LMS声明哪些程序可被允许通过，并将活动转化为语句。该阶段表明必须使用OAuth协议程序登录进程来登记信息，并应提供方法将信息传入LMS而无需管理员进入登录界面。语句的最简单语义形式为执行者(Actor)+动词(Verb)+对象(Object)。

(三)xAPI的语句语义结构

语句是xAPI的内容表现形式，所有学习事件都以语句的形式存储于LRS中。语句的属性由ID、执行者、动词、对象、结果、语境、时间戳、存储时间、授权、版本以及附件组成。其中，“执行者”“动词”“对象”为固定属性，它们构成了语句中简单的组成结构“谁做了什么”，其他为可选属性。语句语义结构描述如图2所示。

图2 xAPI的语句语义结构描述

语句结构格式中的动词描述了执行者对对象所产生的行为，是“谁做了什么”中的“做”。xAPI规范规定了24种常用动词类别，具体类别及语义描述如表1所示。

表1 xAPI中的动词类别及其语义描述

对象是指“谁做了什么”中的“什么”，是执行者所做的内容。对象的内容可以是活动、代理、群组、子语句或语句引用等。xAPI规范中规定了13个常用活动对象，具体活动对象类别及描述如表2所示。

表2 x API中的活动对象类别及其语义描述

(四)学习记录信息交互过程

学习者通过登录网页、LMS、应用程序以及其他学习终端获取学习经验，学习记录信息与LRS进行交互以完成存储或提取信息功能。具体过程为：学习者进入网页、LMS学习课程或者应用程序进行学习获取学习经验，系统将该条学习经验转化为活动，由活动生成语句。语句通过xAPI中的Statement API与LRS交互来存储或提取信息。LRS与LMS间的学习记录信息的交互过程与LRS间不同。在LMS中，LRS只存储和获取学习记录，而内容打包、发布和输出都在LMS中完成。LRS中所记录的信息数据可在独立的LRS间通过报表工具传送，也可通过LMS内部报表工具传送给LMS中的LRS。

四、基于xAPI学习记录的LMS网络系统架构

LMS与xAPI相融合能够记录正式学习内部以及外部(非正式学习)的学习行为，因此，将LRS融入到LMS当中能够帮助LMS实施更加完善的功能。单独使用LMS平台无法追踪学习者在LMS外部学习时所留下的学习记录，将该平台加入xAPI机制进行架构重构，能够支持xAPI中的动词和活动语义关系，便于进一步进行基于xAPI的数据记录分析和数据挖掘，为学习者提供个性化的学习体验。基于xAPI学习记录的LMS网络系统架构主要有两种类型：第一种为LMS集成模型，即以原有LMS平台为基础对其进行架构重构，分别包括资源集成模式以及平台集成模式的重构。第二种为插件模式，即对基于网页或应用程序的搭载源进行架构重构，以辅助LMS平台进行外部学习记录的采集。因此，基于xAPI学习记录的LMS网络系统架构包含三种架构重构模式：资源层、平台层和环境层。

(一)资源层：LMS资源集成重构模式

通过将SCORM和AICC注册信息转化为xAPI中的语句，可将SCORM、TICC标准的学习资源转化为xAPI环境下支持的课件格式，即将SCORM标准课程中的数据自动生成语句并作为xAPI中的数据存入LRS中。通过该资源集成模式用户可输出SCORM和AICC包，保留SCORM内容，并将生成的语句存储到不同的LRS中。用户还可从LMS发布的课程中获取语句，通过报表工具记录到LMS或者其他LRS中，如图3所示。

图3 资源层：LMS资源集成重构模式

(二)平台层：LMS平台集成重构模式

LRS作为学习记录存储系统，只存储和查找学习单与学习记录，而内容打包、发布和输出仍在原有LMS平台内部完成。对原有LMS平台进行架构重构即在平台内部建立LRS学习记录存储系统以及xAPI相应机制，如图4所示。

图4 平台层：LMS平台集成重构模式

(三)环境层：LMS插件重构模式

基于网页或应用程序的搭载源通常搭载非标准课程学习资源，由于网页以及应用程序自身技术、标准等多方面的限制，为适应xAPI多为在原有网页或应用程序上添加小插件或小应用程序，以实现在学习资源内容以及呈现形式不改变的基础上将学习经验完整传输到独立LRS或LMS内部LRS中的功能，如图5所示。

图5 环境层：LMS插件重构模式

五、应用案例

(1)案例一：LMS平台集成重构案例应用

在Tin Can(https://demo.tincanapi.com)网络平台应用中，能够通过构建xAPI应用系统环境，通过使用LMS、网页及应用程序跟踪记录学习者学习经验。构建的应用系统环境将传统的LMS系统进行xAPI架构重构，并嵌入LRS，将学习者学习经验所产生的语句传输给LRS，系统经过对学习者学习时产生的语句的展现以及对学习者的学习记录数据进行分析后回传分析报告。

在LMS平台集成重构案例应用过程中，主要包括三个步骤：第一步，学习者在自行学习后系统自动生成语句并传输至LRS内部，同时为该学习者设置的各类徽章，以此激励学习者使用该系统进行学习；第二步，重构后的LMS中的LRS可与多个学习软件进行融合，将学习者学习数据以活动流形式传入学习者LRS中，并将数据直观得呈现给学习者；第三步，系统通过学习分析可视化建模，可以呈现学习者经常使用的软件以及其对学习者对动词使用量、使用形态等进行的数据分析。

(2)案例二：LMS资源集成重构案例应用

基于SCORM标准的资源可以进行手工集成重构，在xAPI资源标准包添加包含Ioslaunch.html、Meta.xml、Presentation.html、Presentation.swf以及Tincan.xml描述文件。其中Tincan.xml为整个包的根目录，重构语义的描述内容描述了该结构中活动的群组化。活动代理对每一个活动进行定义，包含活动的ID、类型、名称以及描述。活动生成的语句传入Statement API中，从而以语句的形式将活动存储在LRS中，实现学习记录的跟踪与管理。

六、总结和展望

本文根据不同网络学习资源搭载源的特征分别进行xAPI的架构重构，提出基于xAPI学习记录的LMS网络系统架构。该系统架构将xAPI与LMS平台相融合，对原有LMS进行架构重构，运用xAPI中的动词与活动的语义关系对数据进行统一记录分析及挖掘，能够跟踪包括LMS内外的正式与非正式学习的学习行为，有效得将正式学习与非正式学习相融合，并将学习记录完整准确得展示给学习者；学习者通过使用重构的LMS平台可追踪其平台内部及外部学习时所留下的所有学习记录，从而从多个层面弥补了SCORM标准的缺陷与不足。本框架结构现已完成对TLA架构中的学习跟踪部分的探究及实现，对Moodle等LMS应用平台的应用起到支持社会化学习和移动学习的作用。下一步将对TLA中的学习者档案、内容代理及协议以及能力认证进行理论研究，逐步完善本LMS网络系统架构研究。

[1] 孙革.网络学习者学习行为的研究状况及分析[J].中国教育信息化,高教职教,2010,(8):18-21.

[2] 彭文辉,杨宗凯,黄克斌.网络学习行为分析及其模型研究[J].中国电化教育,2006,(10):31-35.

[3] 吴淑苹.基于数据挖掘的教师网络学习行为分析与研究[J].教师教育研究,2013,(3):47-55.

[4] 张千千,曹永建.网络学习资源标准在网络课程设计中的应用[J].计算机时代,2009,(8):69-70.

[5] 李青,孔冲.下一代SCORM标准的新动向——ADL TLA和Experience API解读[J].电化教育研究,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，研究方向为移动学习、数字校园、网络教师教育、绩效技术(fanghg2013@163.com)。

胡祎祎：在读硕士，研究方向为移动学习、绩效技术(piaolmx@sohu.com)。

杜舟：在读硕士，研究方向为移动学习、绩效技术(duzhou3030676@gmail.com)。

2014年9月25日

责任编辑：宋灵青

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项目2015年度青年拔尖项目“信息技术支持下的个性化学习环境优化研究”（CITamp;TCD201504076）项目研究成果。