基于EML和xAPI标准的智慧课堂学习活动分析模型及其应用研究

薛树树 方海光 张鸽 汪时冲

摘 要：EML建模语言是从课堂的角度来描述教学，即角色、活动和环境。xAPI标准是从单个的教学活动来呈现教学环节，即角色、行为和对象。二者都只能片面地说明师生活动，无法形象地呈现智慧课堂环境下的学习活动。文章将智慧课堂环境下的学习数据、学习记录、学习活动的层级关系进行了梳理，并且通过EML和xAPI的结合，将智慧课堂重新呈现，提出一个新的课堂设计模型。该模型能够实现智慧课堂和学习活动的分层设计和重用，也有利于智慧课堂标准的研究。最后，以智慧课堂案例为基础，进行相关的教学设计和课堂学习活动分析，以期为同行提供借鉴。

关键词：EML;xAPI;智慧课堂;学习活动

中图分类号：G420       文献标志码：A          文章编号：1673-8454（2019）12-0001-04

一、引言

教育大数据驱动了资源对数据的需求，[1]在过去几年中，互联网的普及促进了新型学习方式的涌现，出现了大量的教育工具和应用程序，电子学习应运而生[2]，尤其是智能化学习，诸如智慧课堂等，而网络学习资源的标准规范也随之出现。标准化导致了对学习对象更有效的交流和（再）使用，我们认为广泛采用、开放和认可的标准是教育发生革命性变革的必要条件。[3]

在诸多国际标准中，SCORM标准是当前最具代表性的，但由于它自身有一定的局限性，如SCORM无法进行跨平台的学习行为跟踪、无法进行学习资源的共享等，xAPI标准正好弥补了SCORM标准的诸多不足，成为推动网络学习的新标准规范。而EML（教育建模语言）是基于UML专门针对教育而制定的一种建模方法。

以智慧教育引领教育信息化的创新发展，从而带动教育教学的创新发展，已成为信息时代的必然趋势。[4]在信息化大背景下开展智慧教育，进行智慧学习，为学生提供智能化和个性化的服务成为当下热点。

“互联网+”时代催生了许多新的产业链，物联网、大数据、服务云等新信息技术迅速发展，也越来越多地走进学校。传统课堂开始走向数字化和智能化，以智慧教育为主导的“智慧课堂”开始成为新的学习环境，为师生开展教学和学习提供了新的思路和发展方向。在智慧课堂中，教师能更好地因材施教、推送教学内容、评价教学双方;学习者能更好地共享资源、互动交流和个性化学习。[5]

目前，我国开展的在线网络课程存在以课程资源呈现为主，忽视师生交互、教学活动设计等问题。[6]学习活动一直是教学过程中非常重要的环节，对学习活动建模的最新研究主要包括CSALT模型、IMS学习设计规范、CANDLE项目、Dialogplus项目和x4L项目等，在实现教学目标时往往忽略了所需要的教学框架，这种框架除了需要个性化的学习内容，还需要定义各种学习过程如何相互关联，以及如何根据完成学习任务的特定说教方法将它们结合使用。[3]

学习活动的设计和研究逐渐成为近年来网络教育领域研究的热点。[7]在智慧课堂中，如何利用EML和xAPI设计网络学习资源，学生如何利用网络学习资源开展学习活动，成为此次研究的重点。

二、文献综述和相关概念

教育建模语言（EML）是荷兰开放大学开发的一种符号系统，旨在描述各种各样的教学模型（如基于能力的学习、基于问题的学习）。[3]EML被定义为语义丰富的信息模型，从教学的角度描述学习单元中的内容和过程，以支持重用和互操作性。EML是一种语义符号，表示在E-learning中使用的学习单元。[8]学习对象是EML的研究对象，IEEE、LTSC将学习对象定义为“任何用于执行学习或支持活动的、可供他人使用的、可复制的、可寻址的数字资源”。学习单元这一概念是EML的关键，[2]是指为学习者提供学习事件，满足一个或多个相关学习目标的最小单元。[9]角色、活动、环境是EML的三个要素，角色是指在教学设计中扮演的角色，有教師和学生两种;活动是指在教学设计中的学习活动;环境是指什么样的环境支持角色展开学习活动，并且环境还能够为角色提供一定的服务。EML是一种针对学习对象可重用性、可操作性的一种建模语言。

xAPI是一种制定网络学习资源的标准规范，在此规范中，使用“活动流”（Activity Stream）来定义学习者的学习体验，通过记录跟踪这些活动流，来实现对学习者学习行为和学习表现的分析。[1] xAPI学习技术规范通过LRS（Learning Record Store，学习记录存储）来描述学习内容的存储机制[10][11]。在xAPI中，学习记录被定义为“Statement”，学习者的学习数据以个人学习记录或成绩单的形式存储。[12]学习记录有很多属性，其中Actor、Verb、Object可以用其来简单地描述学习记录，即谁做了什么动作，对象是什么。

智慧课堂是集多种智能终端、数字化终端于一体的学习环境，能够为学习者提供个性化的指导与服务。学生能够根据自己的学习情况进行自定步调的学习，采用适应性测试进行评价，学生可进行无缝学习，体现个性化和智能化。

在智慧课堂中，存在多种教学活动，而每一种教学活动都可以存储在多个学习记录中，由多种学习数据构成。由此，将EML和xAPI结合，用以描述智慧课堂中学习活动、学习记录以及学习数据之间的关系。如图1所示，学习数据最基础、最具体，如查看一部分资料、观看一个视频等，位于金字塔最底层;多种学习数据可以组成一条学习记录，如学生甲观看了一个微课视频并且完成了课后练习;学习记录能够表达一个教学活动，如教师给学生布置作业，要求学生完成课后练习题并预习下一节课的内容;又如教师复习旧课、教授新课，授课过程中使用多种数字化终端，最终形成了一个多层次、具体化的智慧课堂。

三、基于EML和xAPI的智慧课堂学习活动模型构建

EML是描述学习单元即课堂的一种建模语言，xAPI是一种制定学习资源的标准规范，可以分别使用EML和xAPI来描述智慧课堂的学习活动，同时将EML和xAPI融合，形成一个“EML-xAPI”模型，用以描述智慧课堂的学习活动。用EML将智慧课堂展开，其中可以使用角色（Role）、活动（Activity）、环境（Environment）来呈现学习活动，如图2所示。教师和学生即角色，在智慧课堂环境下展开学习活动。

智慧课堂装备富媒体，为教师和学生提供多种数字化终端和智能化设备，呈现丰富的学习资源，搭建适宜的教学情境，为角色提供情感感知、即时互动、资源获取、环境管理、内容呈现等多种服务和功能。

智慧课堂提供的跟踪与分析技术能够帮助教师实时跟踪学生学习状态，帮助教师及时调整学生的不良情绪和行为，同时为学生提供适合自己学习风格的学习内容;评价与支持技术为教师和学生提供良好的评价机制，更好地支持学生的学习和教师的教学;感知与适应技术能够为学生提供智能化的学习空间，学生可以通过虚拟学习社区、在线学习平台等进行合作学习，打破时空限制;组织与重构技术能够帮助教师合理组织教材内容，充分发挥学习媒体的优势，呈现教学信息。

图3为使用xAPI标准描述的学习活动模型，并且使用角色（Actor）、行为（Verb）、对象（Object）来呈现学习活动。智慧課堂为学生提供多种学习工具，学生可以利用这些学习工具进行学习活动，如学生可选择一个学习内容进行学习，可点击一章练习题进行测试等，这些丰富的学习资源可称之为对象或学习对象。在xAPI中，主要指影音教材、参考文件、作业、讨论、小测试等。

因此在EML中，角色（Role）、活动（Activity）、环境（Environment）可以用来描述一个教学单元，而在xAPI中，可以使用角色（Actor）、行为（Verb）、对象（Object）来呈现学习活动。其中，EML的角色（Role）与xAPI中角色（Actor）一致，活动（Activity）与行为（Verb）可以用以表述具体的学习活动，环境（Environment）可将对象（Object）包括进来，形成了如图4所示的“EML-xAPI”学习活动模型。

角色可以通过选择、点击、观看等学习行为进行智慧学习，智慧课堂环境可以为角色提供丰富的学习资源、学习工具、学习服务以及技术支持，促进角色进行智慧学习。其中，学习资源是来自xAPI标准的对象（Object），包括影音教材、参考文件、作业、讨论、小测试;学习工具包括虚拟现实技术、Pad、手机、电脑、交互式电子白板等;学习服务包括智慧课堂EML提供的情感感知、即时互动、资源获取、环境管理、内容呈现等;技术支持则包括多渠道交流与智能系统、动态跟踪与学习分析技术、评价与支持技术、感知与适应技术、组织与重构技术。xAPI对具体的学习资源进行规范制定，然后在EML框架的基础上对教学活动进行设计，达到学习资源和学习单元的可重用性和可操作性。

四、智慧课堂中的xAPI模型、EML模型、“EML-xAPI”模型比较   

基于智慧课堂的EML模型、xAPI学习活动模型以及“EML-xAPI”学习活动模型，可以发现三个模型有很多相同点和不同点。将智慧课堂环境下的xAPI模型、EML模型、“EML-xAPI”模型进行比较，通过汇总相关内容可以将比较要素划分为学习活动、学习行为、学习记录、学习对象、学习终端、情境、环境、服务、支持技术、学习数据、角色。由图2-4可以看出，三个模型都包含教师、学生以及学习活动、学习资源，都能够完整地概括一堂课或者一个教学设计，都能够体现智慧课堂提供的数字化终端和智能化环境，都能够根据学生的学习风格、学习特征等给学生提供个性化的学习服务，从而实现跨时空的学习空间。但是xAPI模型能够呈现具体的学习行为或者具体的学习活动，EML则是从课堂的整体出发设计一个学习单元。EML模型能够体现智慧课堂提供的技术支持和学习服务，xAPI模型只能呈现学生在智慧课堂环境下的具体学习活动。

xAPI模型中，虽然可以通过学习行为、学习记录、情境呈现教学设计，但没有学习活动、学习终端、环境、服务和支持技术对具体的教学活动进行细化，无法体现智慧课堂智能化、个性化的优势;EML能够通过活动、环境、角色等来描述一个学习单元，但缺少对学习资源或学习行为的具体呈现。“EML-xAPI”模型既包括了具体的学习资源和学习行为，又包括学习活动和学习环境。大到一堂课的教学设计，小到每一个学习活动、学习记录甚至学习行为，涵盖了教学活动中的每个要素，传统课堂的三要素（教师、学生、教学内容），以及数字化课堂的教师、学生、数字化环境以及教学内容都可以通过该模型展示出来。

五、基于EML和xAPI的智慧课堂学习活动设计应用案例

以初中三年级信息技术课程《Flash软件的学习》一课为例，以“EML-xAPI”模型为支撑，设计一堂基于智慧课堂环境下的信息技术课，对学习活动及其学习数据进行具体描述。

教学对象为初中三年级的学生，这一阶段的学生认知结构上处于形式运算阶段，思维发展有一定的抽象性，能够根据自己的经验系统地评价或总结;有一定的计算机操作基础和动手实践能力，并且已经学习了一些软件的基本操作。教学内容为Flash软件，学生之前没有接触过，通过这节课的学习，学生能够达到的学习目标是能够熟练使用Flash的基本设计工具和一些基本绘画技巧、动画的制作原理和具体方法以及动画制作技巧和基本流程，能够在Flash中学会添加图像、声音、视频文件等。

智慧课堂为教师和学生提供了多种工具和环境，图5所示为EML和xAPI的智慧课堂教学过程设计案例。首先，教师先复习旧知识，之后可利用多媒体投影仪或虚拟现实技术为学生呈现一段Flash动画以导入情境。教师可在播放的动画视频中设置问题，使学生产生疑问，激发学生的学习兴趣。教师在教授新课环节，可以采用远程教学，充分利用最优师资进行教学，也可以通过组织与重构技术、感知与适应技术，为学生提供影音视频、参考文件等鼓励学生进行自学，教师可使用助教，学生遇到问题时，直接询问教师和助教即可。通过跟踪与学习分析技术给学生提供适合自己学习风格的学习资源，以支持个性化学习。在学生熟练掌握Flash的基本工具之后，教师可给学生布置一个课堂小作业，如学生可以尝试自己设计一个动画短片或喜欢的动画情节。学生完成作品后进入评价环节，教师可以先让学生在小组之间进行互评，之后将作品放在大屏幕上进行播放，由学生投票选出最好的作品，并说出作品的优点和不足，最后教师予以点评、评价学生作品，鼓励学生的优点，对学生存在的问题加以指正。

六、总结和不足

本研究主要针对智慧课堂环境下EML模型和xAPI模型，分别从课堂和教学活动两个角度分析智慧课堂学习活动的构成要素，并结合EML模型和xAPI模型的优点，融合形成“EML-xAPI”学习活动模型，将智慧课堂环境下的教学活动形象化、具体化，并且充分利用智慧课堂的多种数字化资源和智能化终端，实时跟踪和分析学生的学习情况，为学生提供各种丰富的、个性化的学习服务，实现学生的无缝学习，促进学生核心素养的形成和身心全面发展。

本研究也存在一定的不足和缺陷，具体学习数据没有呈现，没有与教师实践相结合，希望后续的研究可以从以下几个方面进行改善：积极参加教学实践，将理论与实践结合，收集具体的学习数据;收集更多的学习资料，丰富思考研究的角度;深入研究，加强理论的实用性。

参考文献：

[1]方海光，陈俊达，詹伟华，等.基于xAPI标准数据的交互式學习资源设计研究[J].中国电化教育，2016（12）：78-82.

[2]Ivan Martinez-Ortiz，Pablo Moreno Ger and J.L Sierra，et al. Computers and education： E-Learning，from theory to practice[DB/OL]. https：//www.researchgate.net/publication/200505307.

[3]Hans Hummel，Jocelyn  Manderveld and Colin Tattersall，et al. Educational modelling language and learning design ： new opportunities for instructional reusability and personalised learning[J].Int.J. Learning Technology，2004（1）：111-126.

[4]祝智庭.智慧教育新发展：从翻转课堂到智慧课堂及智慧学习空间[J].开放教育研究，2016，22（1）：18-26+49.

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[6]乔爱玲，王楠.网络环境中的学习活动设计模型及相关研究[J].电化教育研究，2009（5）：41-47.

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[8]Rob Koper，Jocelyn Manderveld.Educational modelling language： modelling reusable，interoperable，rich and personalised units of learning[J].British Journal of Educational Technology，2004，35（5）：537-551.

[9]Rob Koper.Modeling units of study from a pedagogical perspective： the pedagogical metamodel behind EML[R].Educational Technology Expetise Centre Open University of the Netherlands，2001.

[10]顾小清，郑隆威，简菁.获取教育大数据：基于x API规范对学习经历数据的获取与共享[J].现代远程教育研究，2014（5）：13-23.

[11]方海光，胡祎祎，杜舟.基于xAPI学习记录的LMS网络系统架构研究[J].中国电化教育，2015（2）：65-69.

[12]Rustici Software.Building a Learning Record Store（LRS）[EB/OL].http：//tincanapi.com/building-a-learning-record-store.

（编辑：李晓萍）