張書欽 王金洋 白光耀 張敏智

摘 ? 要：智慧學習環(huán)境是以學生為中心，由功能各異的學習系統(tǒng)通過集成和互操作形成的學習生態(tài)系統(tǒng)，為學生提供一體化、智能化的學習支持。文章深入研究了智慧學習環(huán)境的技術(shù)架構(gòu)，分析了其中數(shù)據(jù)和資源的交換和共享問題，以及相關(guān)的技術(shù)標準，提出了一種智慧學習環(huán)境支撐中間件，通過標準化的協(xié)議和規(guī)范實現(xiàn)各學習系統(tǒng)的集成，并通過微服務和消息總線將分散的學習數(shù)據(jù)、資源匯聚成為共性服務組件，形成統(tǒng)一的智慧學習環(huán)境公共服務支撐體系，推動學習形態(tài)和教學模式的變革。

關(guān)鍵詞：智慧學習環(huán)境;學習管理系統(tǒng);學習分析;中間件

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2021）21-0062-05

隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算等信息技術(shù)的發(fā)展，人們的學習方式也發(fā)生了巨大的變化，可以在任何時間、任何地點，通過各類終端實現(xiàn)開放式學習、線上線下混合式學習，迫切需要在信息技術(shù)、數(shù)字資源的基礎(chǔ)上建立智慧學習環(huán)境。[1]智慧學習環(huán)境是服務學生的一體化網(wǎng)絡(luò)學習空間，提供學習資源、協(xié)作工具、學習測評工具等。[2-3]智慧學習環(huán)境支持學生開展更豐富的課程內(nèi)外學習活動，為學生提供個性化、智能化的學習服務，催生出新型的人才培養(yǎng)模式。[4]

近年來，學習管理系統(tǒng)（LMS）在高校得到了廣泛應用，但LMS側(cè)重于輔助教師對教學過程進行管理，主要用于課程內(nèi)容的分發(fā)和管理。隨著更多新的學習工具、學習資源，及碎片化學習方式的引入，LMS暴露出了功能單一的缺陷。而智慧學習環(huán)境則是以學生為中心，由功能各異的學習系統(tǒng)通過共享、互動和協(xié)同形成的學習生態(tài)空間。

當前高校在智慧學習環(huán)境建設(shè)中存在幾個問題：①缺乏系統(tǒng)化設(shè)計理念，各學習系統(tǒng)之間缺乏集成和融合，學習相關(guān)的數(shù)據(jù)、資源缺乏互通、共享;②缺乏學習分析框架設(shè)計，沒有對學生以及學習活動數(shù)據(jù)進行測量、收集、分析和報告，無法幫助學生開展以目標為導向的學習，難以為學生提供個性化的學習服務;③缺乏共性服務支撐平臺來將各種局部應用、單一功能的學習服務由封閉轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放的、標準化的、可跨領(lǐng)域應用的共享資源。

本文深入研究了智慧學習環(huán)境的技術(shù)架構(gòu)，分析了其中數(shù)據(jù)和資源的交換和共享問題，以及相關(guān)的技術(shù)標準，提出了一種智慧學習環(huán)境支撐中間件來實現(xiàn)各學習系統(tǒng)的集成，并通過信息集成技術(shù)將分散的、局部的學習數(shù)據(jù)、資源匯聚集成為共性的服務組件，形成統(tǒng)一的智慧學習環(huán)境公共服務支撐體系。

一、智慧學習環(huán)境概念

智慧學習環(huán)境方便學生在不同學習系統(tǒng)之間無縫切換，為學習提供了情境感知、跟蹤記錄、學習分析、診斷與評價等諸多智能化的支持。

1.智慧學習環(huán)境的需求

一般來說，LMS通常能完成課件資源、交互協(xié)作、成績成果等方面的課程管理。但除了LMS外，高校還有更多的學習系統(tǒng)、工具，應通過建設(shè)智慧學習環(huán)境來提供學習系統(tǒng)的靈活集成、學習資源的共享推送、學習活動的高效協(xié)作、學習過程的動態(tài)感知、學習結(jié)果的智能分析。

從技術(shù)上講，智慧學習環(huán)境通過對眾多平臺、系統(tǒng)、工具、服務的有機整合，實現(xiàn)對學習數(shù)據(jù)和資源的綜合利用。從教學形態(tài)上講，智慧學習環(huán)境可支持更加多元、更加精準的智能導學與過程化評價，為每名學生提供個性化學習支持，實現(xiàn)規(guī)?；囊虿氖┙?，充分發(fā)揮教學效能。

2.智慧學習環(huán)境中的數(shù)據(jù)和資源

智慧學習環(huán)境需要解決學習系統(tǒng)間的互操作性問題，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和資源的交換共享和綜合利用。[5-8]

（1）互操作性

智慧學習環(huán)境中，系統(tǒng)之間利用兼容的數(shù)據(jù)模型和通信協(xié)議來進行信息交換，通過互操作來協(xié)作完成更復雜的功能。[9]學校網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟（CoSN）[10]在教育互操作性標準中列出的領(lǐng)域主要有數(shù)字內(nèi)容、數(shù)據(jù)連接、數(shù)據(jù)集成、身份驗證、授權(quán)和身份管理、課表、門戶和Portlet、文件共享、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字輔助功能等。系統(tǒng)間互操作性的關(guān)鍵是相關(guān)信息系統(tǒng)采用開放標準，教育行業(yè)的標準主要有美國的學?；ゲ僮骺蚣埽⊿IF）[11]、我國教育部制定的教育管理信息系統(tǒng)互操作框架（EMIF）等。

（2）學習資源

智慧學習環(huán)境以標準化支持電子教材、電子課件等數(shù)字資源，包括學習內(nèi)容的封裝和傳遞格式，及圍繞學習內(nèi)容的訪問授權(quán)、使用記錄與跟蹤等方面。數(shù)字資源通過標準化可以在不同學習系統(tǒng)間共享和重用，便利了數(shù)字資源的廣泛使用。當前數(shù)字資源標準主要有可共享內(nèi)容對象參考模型（SCORM）[12]、CC[13]。SCORM是目前各類學習平臺和學習資源支持最廣泛的一種標準。

（3）學習分析

智慧學習環(huán)境中學習的泛在性會產(chǎn)生大量的學習活動數(shù)據(jù)，連同教學管理、教育評價等數(shù)據(jù)可進行學習分析，全面評估學生的學習過程、學習效果等。學習分析可有效地支持個性化、自適應的教與學，最能體現(xiàn)出智慧學習環(huán)境的目標。

學習分析面臨的困難是數(shù)據(jù)來源多樣、數(shù)據(jù)體系不一、格式繁雜，即使是結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)也存在數(shù)據(jù)模型多樣、難以共享和互操作的問題，還需要結(jié)合大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的技術(shù)，如異構(gòu)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)挖掘、可視化分析等。一些知名的標準化組織從學習活動模型、學習數(shù)據(jù)采集存儲流程以及傳輸機制等方面來定義學習分析的技術(shù)規(guī)范，如xAPI[14]和CA[15]。

二、主要的學習技術(shù)標準

IEEE學習技術(shù)標準委員會（IEEE LTSC）[16]、IMS全球?qū)W習聯(lián)盟（IMS GLC）[17]、高級分布式學習計劃（ADL）[18]等組織已經(jīng)制定了很多學習技術(shù)的標準和規(guī)范，也推動了智慧學習環(huán)境的不斷應用、擴展、豐富。[19]主要的標準化組織及制定的標準規(guī)范如表1所示。

1.SCORM

ADL于2000年初發(fā)布了可共享內(nèi)容對象參考模型（SCORM），這是第一個被廣泛使用的學習資源規(guī)范，多數(shù)的LMS都支持SCORM 1.2或SCORM 2004。SCORM定義了內(nèi)容聚合模型（CAM）和學習對象實時運行環(huán)境（RTE）。CAM的核心是使用元數(shù)據(jù)來描述學習內(nèi)容的結(jié)構(gòu)，而RTE定義了通用的內(nèi)容對象運行機制，包括啟動機制、內(nèi)容對象與LMS的API接口，以及跟蹤用戶學習數(shù)據(jù)模型。通過SCORM，可以在不同的LMS上打包、部署學習內(nèi)容，并以標準化的方式跟蹤記錄用戶的基本學習活動，如完成時間、花費時間、及格/不及格、成績等。

SCORM適用于單機或Web課程。在分布式、網(wǎng)絡(luò)化的智慧學習環(huán)境下，SCORM暴露了一定的局限性，包括：不支持LMS之外的學習活動，如虛擬仿真、Wiki、社交工具等;學習活動只能在同一Web服務器上，外部系統(tǒng)不易提取學生的學習活動數(shù)據(jù);學習內(nèi)容必須在瀏覽器中使用，不支持移動設(shè)備;不支持基于虛擬仿真的學習。

2.LTI

IMS GLC 于2010年發(fā)布了LTI，主要用于LMS與其他各類學習工具之間交換課程和用戶信息。LTI的協(xié)議框架包括Consumer和Provider：前者通常是LMS，提供用戶信息和環(huán)境，支持用戶登錄，管理各種學習內(nèi)容和應用;后者是考試、作業(yè)查重等工具應用。Consumer和Provider之間通過URL進行用戶身份認證，采用JSON交換數(shù)據(jù)。

LTI與SCORM、CC等標準有較大區(qū)別。LTI將學習內(nèi)容、系統(tǒng)、工具集成到LMS中，得到了廣泛的應用。SCORM和CC是數(shù)字化學習內(nèi)容的封裝標準，可確保學習內(nèi)容在各種學習系統(tǒng)、學習平臺之間共享、傳遞。LIS實現(xiàn)在學生信息管理系統(tǒng)和學習系統(tǒng)之間傳輸學生相關(guān)的基本信息。QTI允許在制作工具、考試系統(tǒng)、LMS、評估/測評/分析引擎之間交換測試項目、測試內(nèi)容和測試結(jié)果。在智慧學習環(huán)境中，LTI等標準支持構(gòu)建以LMS為核心的學習系統(tǒng)集成。

3.xAPI

ADL于2010年開始研究新一代學習技術(shù)規(guī)范項目Tin Can API，并于2013年更名為xAPI。xAPI規(guī)范用于跟蹤記錄學生在各類學習系統(tǒng)中的學習活動，并存儲到學習記錄庫（LRS）。當學生進入任意學習系統(tǒng)時，xAPI活動代理會記錄如瀏覽網(wǎng)頁、閱讀筆記、答題等這樣的學習活動，并生成“Actor（操作者）+Verb（動作）+ Object（目標對象）”學習活動記錄語句，最后通過JSON數(shù)據(jù)服務存入LRS。基于LRS收集學習活動數(shù)據(jù)可實現(xiàn)學習分析、智能推薦等。

xAPI有許多優(yōu)點：可以全面、詳細地收集和共享學生在各學習系統(tǒng)中的學習活動數(shù)據(jù);支持RESTful和JSON數(shù)據(jù)傳輸;支持移動設(shè)備、游戲仿真等各種類型的學習系統(tǒng)。xAPI具有很好的適應性，已得到了LMS、虛擬仿真、實習實訓等學習系統(tǒng)的廣泛支持，其他標準也在向xAPI對齊，如AICC聯(lián)合ADL于2016年6月推出的CMI-5利用xAPI作為通信協(xié)議和數(shù)據(jù)模型，并將SCORM融入到xAPI協(xié)議體系中去。智慧學習環(huán)境可利用xAPI實現(xiàn)學習活動數(shù)據(jù)的跨平臺收集和集中存儲，驅(qū)動數(shù)據(jù)的集成和綜合利用。

4.CA

IMS于2015年發(fā)布了CA[15]，定義了支持學習分析的數(shù)據(jù)開放框架。CA主要包含計量配置（Metric Profiles）和傳感器API（Sensor API）：前者確立了標準化、結(jié)構(gòu)化的學習活動計量體系，便于記錄各類學習活動信息，并用“Actor（操作者）+Action（動作）+Event（事件）”語句描述學習事件;后者定義了采集和傳輸學習事件數(shù)據(jù)的標準接口，還定義了綁定在計量配置中的學習事件及接收學習事件的傳感器端點，并實現(xiàn)學習事件之間的關(guān)聯(lián)。CA通信模型如圖1所示。

CA和xAPI都可以從分布的學習系統(tǒng)中收集學習活動數(shù)據(jù)，定義了記錄學習活動的數(shù)據(jù)格式，但若沒有本體映射，很難完成從xAPI到CA的數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換。反之，由CA映射到xAPI是容易的。xAPI支持LRS的數(shù)據(jù)寫入和讀取，而CA的Sensor API只規(guī)范了數(shù)據(jù)的寫入，沒有定義數(shù)據(jù)的讀取。CA充分兼容IMS其他標準（如LTI、QTI等），可無縫集成符合IMS標準的學習系統(tǒng)。無論是xAPI還是CA，都定義了如何測量和分析學習活動及其績效的通用準則，可全面立體地分析智慧學習環(huán)境中的學習活動。

三、智慧學習環(huán)境探索

近幾年一些組織對智慧學習環(huán)境進行了系統(tǒng)的研究，也提出了一些概念性的框架。這些工作大體上有兩個著眼點：①利用統(tǒng)一的技術(shù)標準和開放的軟硬件系統(tǒng)，支持各類學習組件的靈活重組和擴展;②對學習數(shù)據(jù)進行分析和挖掘，識別學生個性和學習情境，為學生成長提供個性化指導。

1.全面學習體系結(jié)構(gòu)（TLA）

ADL于2013年首次提出了TLA[21]概念。最初“TLA”是指“培訓和學習架構(gòu)（Training & Learning Architecture）”，在2015年更新為“全面學習架構(gòu)（Total Learning Architecture）”。TLA的目標是利用一組規(guī)范和標準接口，創(chuàng)建一個豐富的數(shù)字化學習環(huán)境，提供自動化、智能化的學習服務。TLA具體包括：①學習活動追蹤（Experience Tracking），采用xAPI來規(guī)范學習數(shù)據(jù)的記錄和存儲機制;②內(nèi)容代理（Content Brokering），根據(jù)學生的個性化需求來安排學習計劃;③學生畫像（Learner Profile），根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)來評價學生的學習完成情況、能力、偏好、習慣等;④能力網(wǎng)絡(luò)（Competency Networks），針對技能要求來設(shè)定學習目標、能力、任務、標準等。

TLA力圖為分布式學習生態(tài)系統(tǒng)建立一套標準化規(guī)范，通過通用接口、數(shù)據(jù)模型、中間件在應用之間共享基本的學習數(shù)據(jù)。xAPI就是TLA的一部分，也是TLA中最核心的規(guī)范。目前TLA正在細化相關(guān)的需求、規(guī)范和架構(gòu)設(shè)計，重點是數(shù)據(jù)架構(gòu)、內(nèi)容元數(shù)據(jù)、學生能力數(shù)據(jù)定義，還有學習分析和可視化、自適應隱私保護、xAPI配置文件等方面的工作。

2.下一代數(shù)字學習環(huán)境（NGDLE）

2015年，美國高等教育信息化協(xié)會（EDUCAUSE）提出了下一代數(shù)字學習環(huán)境（NGDLE）[22-23]。NGDLE是一個數(shù)字化組件的集群，集合了各種學習應用和數(shù)字服務的生態(tài)系統(tǒng)。NGDLE的目標是提供一個開放式系統(tǒng)：①互操作性，各種學習工具的無縫式集成和互操作性;②個性化，可根據(jù)需要搭建屬于學生個體的學習情境;③學習分析和評估，可以更好地跟蹤學生的學習情況;④協(xié)作，支持學生、教師、管理者之間的跨時空協(xié)作;⑤可訪問性和通用設(shè)計，方便每個人使用。

NGDLE是要構(gòu)建一個可靈活裝配的智慧學習環(huán)境。NGDLE不是單個學習系統(tǒng)，而是遵守共同標準的信息系統(tǒng)和組件的集合，圍繞學生的各類學習活動提供所需的學習服務。NGDLE驅(qū)動了以學生為中心的學習理論模型，培養(yǎng)學生的分析、創(chuàng)造、解決問題、團隊協(xié)作等高階思維能力。佐治亞理工學院提出的可擴展高級學習生態(tài)系統(tǒng)（SALE）[24]，被認為是NGDLE的一種實踐。

四、智慧學習環(huán)境支撐中間件

針對高校的教學信息化現(xiàn)狀，本文提出了一種智慧學習環(huán)境支撐平臺中間件，如圖2所示，利用開放標準和規(guī)范實現(xiàn)各種學習系統(tǒng)、數(shù)據(jù)和資源、UI的集成，全面記錄和分析學習活動，為學生提供一體化的學習體驗、數(shù)據(jù)分析、服務推薦等。該中間件利用微服務和消息總線實現(xiàn)各學習系統(tǒng)之間復雜的事務消息交換，包括三類組件：①數(shù)據(jù)和存儲;②平臺服務;③學習應用。

1.數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層負責數(shù)據(jù)和資源的存儲管理，有三個不同的數(shù)據(jù)庫：學習資源庫，用于保存課程內(nèi)容、錄播視頻，及其元數(shù)據(jù);LRS用于保存學習活動數(shù)據(jù)，底層采用MongoDB數(shù)據(jù)庫，并支持xAPI等協(xié)議的讀寫接口;用戶和注冊數(shù)據(jù)庫，用于管理課程參與者。該層還提供了數(shù)據(jù)訪問接口，方便上層使用或與外部數(shù)據(jù)交換，還提供了適配功能，如xAPI/Caliper協(xié)議轉(zhuǎn)換，以兼容不同的學習系統(tǒng)。上層的平臺服務可以直接使用一個或多個數(shù)據(jù)庫。

2.平臺層

平臺層為上層應用提供公共微服務，包括數(shù)據(jù)和資源管理、用戶管理、學習分析、推薦引擎、決策支持等。用戶管理負責用戶登錄身份管理，并支持學生在課程、班級等的組織協(xié)作。資源管理實現(xiàn)資源訪問和權(quán)限控制，提供資源檢索引擎，以URI的方式進行資源的分享、引用等。學習分析利用LRS，以及教務、學工等數(shù)據(jù)，對學生學業(yè)、就業(yè)發(fā)展等方面進行智能評價、學業(yè)預警等分析。推薦引擎根據(jù)學生的學習需求、興趣、意愿等，推薦個性化的學習資源列表。消息中心集中管理各系統(tǒng)和組件的消息收發(fā)。學習門戶為學生提供訪問各種學習服務、資源、消息通知的統(tǒng)一入口，支持PC和移動端。

3.應用層

應用層集成了各種學習系統(tǒng)，如校內(nèi)LMS、互聯(lián)網(wǎng)MOOC平臺、虛擬仿真、博客等。這些系統(tǒng)通過標準化接口實現(xiàn)互操作，并使用平臺微服務實現(xiàn)數(shù)據(jù)和資源的共享，為學生提供融合創(chuàng)新的學習服務。

五、結(jié)語

云計算、大數(shù)據(jù)、機器學習、人工智能等技術(shù)為學生提供了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的學習支持。高校的教育教學形式多樣，無法通過單一應用系統(tǒng)或平臺提供全面的學習服務，需要通過多種學習系統(tǒng)、組件來構(gòu)建智慧學習環(huán)境，學習系統(tǒng)之間要通過標準化接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)和資源的交換和共享。一些標準化組織提出了xAPI、LTI這樣的集成標準和規(guī)范，也有研究機構(gòu)提出了智慧學習環(huán)境的概念性框架，來支持各類學習組件的靈活重組和擴展，并通過對學習數(shù)據(jù)進行分析和挖掘，為學生成長提供個性化指導。

面向智慧學習環(huán)境建設(shè)，高校普遍還缺乏一套基礎(chǔ)平臺來支撐學習系統(tǒng)的融合集成。針對這一現(xiàn)狀，本文提出了一種智慧學習環(huán)境支撐中間件，通過標準化的協(xié)議和規(guī)范實現(xiàn)各學習系統(tǒng)的集成，并通過微服務和消息總線將分散的學習數(shù)據(jù)、資源匯聚成為共性服務組件，形成統(tǒng)一的智慧學習環(huán)境公共服務支撐體系，為學生提供一體化的學習服務。該中間件為數(shù)字化的教學提供了統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施，方便各類學習系統(tǒng)通過標準化的協(xié)議規(guī)范、服務接口進行集成，方便學校建設(shè)不同組合、特色、規(guī)模的智慧學習環(huán)境。同時，通過提供數(shù)據(jù)和資源的集成和共享，積累更豐富、完整的教學數(shù)據(jù)和資源，方便開展基于數(shù)據(jù)的教學行為分析、教學成果評價、教育質(zhì)量評估等，推動智慧學習形態(tài)和教學模式的變革。

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（編輯：王天鵬）