基于xAPI規(guī)范的學習行為大數(shù)據(jù)研究與實現(xiàn)

#基于xAPI的學習行為大數(shù)據(jù)硏究與實現(xiàn)沈偉摘要：在線教育和大數(shù)據(jù)為教育的發(fā)展帶來了創(chuàng)新，教育大數(shù)據(jù)的最佳實現(xiàn)首先依賴于對來源廣泛的學習行為數(shù)據(jù)獲取，而來源廣泛的學習行為存在于多種在線教育應用中，其多種在線教育應用的獨立性、復雜性、多樣性等特點阻礙了學習行為數(shù)據(jù)獲取。由美國“高級分布式學習”組織發(fā)布的ExperieneeAPI（xAPI）規(guī)范為破解這一難題提供了可行途徑，可基于xAPI規(guī)范實現(xiàn)學習行為大數(shù)據(jù)的獲取、整合和共享為進一步的分析與挖掘奠定基礎?；赟CORM、xAPI與LRS實現(xiàn)LMS平臺是進行學習行為大數(shù)據(jù)研究與實現(xiàn)的一種有效實踐探索。關鍵詞：教育大數(shù)據(jù)；學習行為；xAPI;LMS1勻匕曰1.背景隨著在線教育的發(fā)展和大數(shù)據(jù)的崛起，教育大數(shù)據(jù)越來越多地被應用，特別是近年互聯(lián)網(wǎng)MOOC對教育大數(shù)據(jù)的應用，已影響到教育研究［1］；基于教學設計、以學習者為中心、以教育大數(shù)據(jù)為依據(jù)的適應性學習系統(tǒng)［2］，已從理論走向應用。2016年好未來（前身學而思）公司投資了一個世界范圍內(nèi)領先的自適應學習平——newton（目前全球范圍內(nèi)擁有學習數(shù)據(jù)最多的公司之一）,好未來未來的十年的loooo億條學習數(shù)據(jù)將成為Knewton的優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)樣本；Knewton的學習數(shù)據(jù)庫就是獨立的、公共的學習行為大數(shù)據(jù)庫，其收集的用戶數(shù)據(jù)越多，一個用戶在平臺上的使用頻次越高，它所推送的學習內(nèi)容準確率就越高。教育大數(shù)據(jù)在帶來機遇的同時，也意味著多方面的挑戰(zhàn)，其中最突出的挑戰(zhàn)是如何獲取及共享來源廣泛的教育數(shù)據(jù)，例如互聯(lián)網(wǎng)不同MOOC平臺間、在線教育平臺（例如MOOC平臺）與知識平臺（例如百度知道或文庫）間、互聯(lián)網(wǎng)與移動互聯(lián)網(wǎng)間、互聯(lián)網(wǎng)與企業(yè)內(nèi)網(wǎng)間等的同一個人的學習行為獲取與共享。當然，如何發(fā)揮教育數(shù)據(jù)潛在的教育價值，也是待研究的挑戰(zhàn)。ExperieneeAPI規(guī)范提出并提供了學習行為數(shù)據(jù)記錄框架，為學習行為教育大數(shù)據(jù)的獲取及共享的實現(xiàn)提供了技術基礎。ExperieneeAPI（簡稱xAPI，原稱TinCanAPI）由美國"高級分布式學習”組織（AdvaneedDistributedLearning,ADL）創(chuàng)建，在美國奧蘭多的iFest2012會議上正式命名了“培訓與學習框架”（Training&LearningArchitecture,TLA），其中"學習行為跟蹤"（ExperieneeTraeking）組件的一^核心部分就是xAPI，于2013年發(fā)布了1.0.0版本［3］。在此背景下，本文試圖基于xAPI規(guī)范以學習行為教育大數(shù)據(jù)的獲取及共享為切入點，首先分析xAPI與學習行為大數(shù)據(jù)的運行模式，然后構(gòu)建基于xAPI規(guī)范的學習行為大數(shù)據(jù)模型，并嘗試基于xAPI規(guī)范的學習行為大數(shù)據(jù)應用，以期進一步探索教育大數(shù)據(jù)的應用。2xAPI與學習行為大數(shù)據(jù)2.1xAPI概述典型的網(wǎng)絡學習資源技術規(guī)范和標準包括：ADL的SCORM標準、AICC的CMI系統(tǒng)規(guī)范、IMS的學習技術系統(tǒng)規(guī)范、IEEE的學習對象（LOM）標準、我國的CELTS標準等。其中，SCORM標準是目前應用較多的標準，SCORM標準主要為學習內(nèi)容（符合SCORM標準的課件）與學習管理系統(tǒng)［LMS）間的交互提供了技術上的支持，非常詳細地跟蹤和記錄每個學習者的學習進度、學習成績、學習狀態(tài)、學習時間以及學習交互等學習行為［4］，但SCORM標準只記錄了LMS內(nèi)部的學習行為，無法支持來源廣泛的網(wǎng)絡學習行為（例如互聯(lián)網(wǎng)學習、移動學習、游戲?qū)W習、虛擬/模擬、百度文庫閱讀與下載，百度知道提問與回答、觀看土豆學習視頻、查看微信文章、百度搜索、社交網(wǎng)絡等正式與非正式學習），ADL提出了TLA架構(gòu)及其運行時的接口規(guī)范一xAPI(ExperienceAPI)。xAPI提供了一個以學習者為中心的采集學習行為數(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，可以跟蹤跨平臺和跨設備的學習行為，如斷開或偶爾連上網(wǎng)絡的環(huán)境、在任何設備(如智能手機，潛艇的聲納系統(tǒng))、來自任何服務器、外部網(wǎng)絡瀏覽器(如本地Iphone應用程序，F(xiàn)-16飛行模擬器)等，特別適合對移動學習和互聯(lián)網(wǎng)學習的支持。培訓和學習體系架構(gòu)TLA的頂層架構(gòu)包括四個部分：學習行為跟蹤(ExperieneeTracking)、學習者檔案(LearnerProfile)、內(nèi)容代理(ContentBrokering)、能力認證(CompetencyInfrastructure)。學習行為跟蹤部分包含兩個項目，一個是接口規(guī)范xAPI;另一個是學習行為庫(LearningRecordStore,LRS)。兩個項目時緊密相關的，接口規(guī)范xAPI所產(chǎn)生的學習行為記錄入LRS(學習行為庫)中。2.2xAPI與學習行為數(shù)據(jù)xAPI的學習行為Statement是xAPI規(guī)范定義的學習行為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)它通過"活動流”(ActivityStream)模式簡化并規(guī)范了學習行為數(shù)據(jù)⑸。Statement主要包含三種元素：操作者(Actor)、動作(Verbs)以及與學習行為的對象(Object)。這三種元素可組合成一組最簡潔的活動流格式：<操作者(Actor),動作(Verb)和對象(Object)>。例如：“小沈(Actor)學習了(Verb)5S改善課程(Object)"，“小李(Actor)觀看了(Verb)介紹xAPI的YouTube視頻(Object)”。Statement的所有元素組成可如下圖所示［6］。

可選屬性固定屬性推薦屬性Actor（操操作者）+Verb（動作）

+Object（對象）Result（結(jié)果）Context（上下文情境）Timestamp（發(fā)發(fā)生時間）Stored（存存儲時間）Authority（固定屬性推薦屬性Actor（操操作者）+Verb（動作）

+Object（對象）Attachments（附件）圖1xAPI的學習行為數(shù)據(jù)Statement結(jié)構(gòu)2.3基于xAPI的LRS學習行為大數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)學習、移動學習、游戲?qū)W習、虛擬/模擬、百度文庫閱讀與下載，百度知道提問與回答、觀看土豆學習視頻、查看微信文章、百度搜索、社交網(wǎng)絡等正式與非正式學習系統(tǒng)采用xAPI規(guī)范建立接口程序為學習行為生成Statement記錄入LR（學習行為大數(shù)據(jù)庫）中，如下圖所示（以LMS平臺為例）。圖中，如下圖所示（以LMS平臺為例）。圖2基于xAPI的LRS學習行為獲取LRSLRS是存儲學習行為記錄大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。LRS可作為LMS的一部分丄MS可直接利用LRS中的學習行為大數(shù)據(jù)進行業(yè)務查詢與統(tǒng)計，也可利用LRS中的學習行為大數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析。LRS也可是獨立的、公共的學習行為大數(shù)據(jù)庫，來源廣泛的網(wǎng)絡學習行為（不同學習應用系統(tǒng)、平臺，或個人主動上傳的學習行為）都可進行存儲，這樣就能實現(xiàn)學習行為的共享；LRS間能共享數(shù)據(jù)，因此學習者和數(shù)據(jù)能從一個組織傳向另一個組織。學習行為記錄（語句）也能被發(fā)送到多個LRS，我的學習記錄能記錄在公司的LRS，也能記錄在自己私人的LRS。應用系統(tǒng)只要獲得LRS的授權，便可以從中獲取學習行為數(shù)據(jù)，對學習行為數(shù)據(jù)進行查詢、統(tǒng)計、分析及可視化展現(xiàn)等處理，旦這些處理與xAPI與LRS無關。這樣xAPI與LRS與應用系統(tǒng)解耦，它僅關注數(shù)據(jù)存儲與接口，使數(shù)據(jù)與接口更易標準化、數(shù)據(jù)服務更加靈活、更易擴展。Rustici軟件公司已建立了公共LRS大數(shù)據(jù)庫DEMO，臺灣VisCa(VisualCatch)已建立了公共LRS大數(shù)據(jù)庫。2.4基于xAPI與LRS的學習行為獲取與共享xAPI包含4個接口，分別為語句接口(StatementAPI)、狀態(tài)接口(StateAPI)、活動描述接口(ActivityProfileAPI)以及代理描述接口(AgentProfileAPI)。語句接口負責語句在LRS中的存儲以及取出；狀態(tài)接口用于暫存活動內(nèi)容的狀態(tài)，以便在不同的會話、設備中重現(xiàn)學習活動；活動描述接口用于存放和獲取活動的完整描述；代理描述接口向LRS內(nèi)添加與代理(即應用接口)相關的數(shù)據(jù)［7］。4個接口都是RESTful架構(gòu)，語句(Statement)采用JSON規(guī)范，支持對LRS中數(shù)據(jù)以Web資源請求操作的方式進行處理，包括獲取、更新、增加以及刪除。基于xAPI與LRS的LMS平臺獲取與共享學習行為，其開發(fā)模式如表1所示。表1基于xAPI與LRS的LMS平臺開發(fā)模式序號模式描述對比1課件模式xAPI環(huán)境下支持的課件格式，課件自動優(yōu)點：僅調(diào)整內(nèi)容，與平臺無關生成語句調(diào)用xAPI接口存入LRS中。缺點：需與SCORM等兼容，適應多種平臺。2平臺模式LMS平臺自動生成語句調(diào)用xAPI接口存優(yōu)點：定制，數(shù)據(jù)精準，便于分析入LRS中。缺點：通用性差，不便于擴展。

3插件模式開發(fā)獨立的小插件或小應用程序，供優(yōu)點：通用性強LMS平臺調(diào)用。LMS平臺直接調(diào)用小插缺點：業(yè)務關聯(lián)度差，不便于精準件或小應用程序，小插件或小應用程序自分析。動生成語句調(diào)用xAPI接口存入LRS中。3案例設計與實現(xiàn)xAPI項目網(wǎng)站(/)上列出了目前已實現(xiàn)XAPI的一百多家公司和機構(gòu)，包括Adobe、Articulate，Blackboard、Aquafadas等。在制造業(yè)在線教育平臺"智勝現(xiàn)場"()項目中，我們采用平臺開發(fā)模式，基于SCORM、xAPI與LRS實現(xiàn)了一套LMS平臺。3.1基于SCORM、xAPI與LRS的LMS平臺架構(gòu)基于SCORM、xAPI與LRS的LMS平臺架構(gòu)如下圖所示。圖3基于SCORM、xAPI與LRS的LMS平臺架構(gòu)LMS平臺必須承載課程內(nèi)容，而目前大量課程課件格式以視頻、SCORM課件(AICC課件與SCORM課件類似)為主，LMS平臺必須兼容這些課程內(nèi)容；新的xAPI規(guī)范課件則必須要求LMS平臺調(diào)整或新建，來支持其內(nèi)容。因此建立兼容SCORM、適應xAPI與LRS的LMS平臺，是LMS實現(xiàn)學習行為大數(shù)據(jù)的一種途徑。"智勝現(xiàn)場"主要基于SCORM、xAPI與LRS實現(xiàn)以下內(nèi)容：1）LMS平臺仍采用SCORMAPI兼容SCORM課件，仍采用固有模式承載視頻等其他課程內(nèi)容針對xAPI課件（其課程包形式仍為SCORM課程包，只是其遵循xAPI規(guī)范），采用xAPI與LMS平臺進行交互；此作為LMS平臺的核心業(yè)務實現(xiàn)（例如學習、查詢、統(tǒng)計、報表等），其數(shù)據(jù)保存入LMS業(yè)務數(shù)據(jù)庫中，同時抽取學習行為數(shù)據(jù)調(diào)用xAPI接口記錄入LRS中。2）其他LMS的關聯(lián)獨立應用系統(tǒng)，直接調(diào)用xAPI接口記錄學習行為數(shù)據(jù)入LRS中，實現(xiàn)學習行為跨系統(tǒng)共享。3）LRS中的學習行為數(shù)據(jù)，主要用于LMS平臺的學習行為分析功能及與外部系統(tǒng)交換學習行為數(shù)據(jù)此子系統(tǒng)實際也可成為LMS平臺的日志子系統(tǒng)°LRS數(shù)據(jù)庫采用HBASE，便于以后進行大數(shù)據(jù)分析。3.2智勝現(xiàn)場LMS平臺學習行為xAPI規(guī)范規(guī)定了30種常用動作［Verb］類別,15種常用活動［Activity］類別。"智勝現(xiàn)場”LMS平臺學習行為必須與這些類別進行對應。"智勝現(xiàn)場"LMS平臺首先，總結(jié)系統(tǒng)涉及與學習相關的學習行為，然后通過選擇xAPI規(guī)范對應的動作和活動將所有的學習行為映射為xAPI規(guī)范中的語句Statement，從而記錄下完整的學習行為。例如，在針對百度知道類似的問答應用：第一步，歸納有哪些學習行為，主要包括提問、回答、采納回答、補充提問、對回答點贊、對回答評論等。第二步，對第一步提出的學習行為篩選出需要記錄為學習行為的，包括：提問，表明學習需求；回答，反映回答者對學習需求的幫助；采納回答，說明回答者的幫助解決了學習的需求等。第三步，選擇xAPI規(guī)范對應的動作和活動進行Statement映射。

"智勝現(xiàn)場”LMS平臺的學習行為的對應的動作［Verb］類別，常用活動【Activity］類別如下表所示。表2智勝現(xiàn)場LMS平臺的學習行為Verb表［8］序號Verb描述1answered回答：學員回答了一個問題，對象［object］通常是對應這個問題的活動，問題文本通常被放在對應的結(jié)果【result］中2asked提問3commented評論：學員進行對對象［object］進行了評分或評論4completed完成:學員通常已完成一個對象【object］或?qū)σ粋€對象［object］得出了結(jié)論5failed未通過6launched開始：學員嘗試開始一個活動7logged-in登錄8logged-out退出9mastered掌握：學員在一個活動中獲得了高水平的理解或能力10passed通過：學員在一個活動中達到了預定水平11preferred偏好：選定的選擇，學員關于對象［object］或活動【activity】的趨向的選項或設置12registered注冊：學員正式參與一個活動13scored得分14shared分享15terminated結(jié)束：成功結(jié)束了一個活動［activity］

表3智勝現(xiàn)場LMS平臺的學習行為Activity表序號Activity描述1assessment評估:判定學習者對于特殊專業(yè)領域掌握程度的活動。評估通常有1個或多個問題【questions】。2course課程:包含各種教學素材的整個內(nèi)容包。最大粒度層級。如不是單一的，一個課程包含多個模塊［modules】或課【esson】。3file文件:與鏈接【link】類似，只是其可在不同時間、離線狀態(tài)且或在不同系統(tǒng)間被使用。文件［file】不被認為是學習內(nèi)容orSCOs（課程的資源），否則它應被重組織。4interaction交互:通常是更大一級活動（例如assessment、game或simulation）的部分，其指向為學習者提供錄入的控制。交互可能一個獨立的功能，或可能是一個有用的東西。5lesson課:學習內(nèi)容，可以是以SCO的形式呈現(xiàn)，也可以不是；課可以是獨立的，也可以是更大的course的一部分。6link鏈接:是相對活動【activity】的內(nèi)部或外部另一資源的鏈接。一個鏈接不等于啟動另一個資源，應該被視為當前資源的外部資源。鏈接不被認為是學習內(nèi)容orSCOs（課程的資源），否則它應被重組織。7media媒體:用來傳遞信息的文字、音頻或視頻。媒體可跟蹤進度（跟蹤、元成），但匕不是可交互的內(nèi)容（產(chǎn)生成績、成功或失敗）。8meeting會議:將一些人以同一目標或興趣匯集在一起。9module模塊：是在課程【course】的下一級的任何的“內(nèi)容聚合”。為了分層模塊可以含下級模塊。模塊不是內(nèi)容，模塊是一個層次的所有內(nèi)容。10performanee技能：是嘗試任務或者在特定上下文中的一系列任務。任務有可能以交互的形式存在，也可以是獨立的內(nèi)容。它強調(diào)學生或?qū)W習者能夠做或執(zhí)行一個教學的結(jié)果的具體技能。11question問題：通常是評估【assessment】的一部分，需要學習者回答，回答結(jié)果需評判是否正確。4.總結(jié)與展望本文探討了xAPI規(guī)范及與學習行為大數(shù)據(jù)的關系，提出基于xAPI并兼容SCORM的LMS學習行為大數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)。該系統(tǒng)架構(gòu)應用于“智勝現(xiàn)場"LMS平臺，將SCORM、xAPI、LRS與LMS平臺相融合，運用xAPI中的語義與接口框架對學習行為數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一記錄，能夠跟蹤包括LMS內(nèi)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及應用系統(tǒng)的學習行為數(shù)據(jù)相融合，從而實現(xiàn)統(tǒng)一的學習行為大數(shù)據(jù)獲取與共享，并可將所有學習行為數(shù)據(jù)完整準確得展示給學習者。下一步將在學習行為大數(shù)據(jù)的基礎上進行分析與挖掘應用；并將對公共LRS大數(shù)據(jù)庫進行研究，探索更大范圍的學習行為大數(shù)據(jù)共享、分析及挖掘。參考文獻：⑴李曼麗,黃振中.MOOCs平臺大數(shù)據(jù)的教育實證[J]科學通報,2015,（5-6）:570-580.[2]張羽，李越?基于MOOCs大數(shù)據(jù)的學習分析和教育測量介紹[J]?清華大學教育研究,(2013)(4):22-26.李青，孔沖.下一代SCORM標準的新動向——aDLTLA和ExperieneeAPI解讀[幾電化教育研究,2013,(8):61-67.孫興華，郝麗，葉永飛.SCORM標準學習跟蹤機制的研究與實現(xiàn)[J].網(wǎng)絡教育，2010,(7):65-68.顧小清，鄭隆，威簡菁?獲取教育大數(shù)據(jù)：基于xAPI規(guī)范對學習經(jīng)歷數(shù)據(jù)的獲取與共享[J].現(xiàn)代遠程教育研究,2014,(5):13-23ADL.ExperieneeAPIVersion1.0.1[EB/OL].2016-2-1.https://github.eom/adlnet/xAPI-Spee/blob/master/xAPI.md.方海光，胡祎祎，杜舟.基于xAPI學習記錄的LMS網(wǎng)絡系統(tǒng)架構(gòu)研究[J].中國電化教育,2015,(2):65-69.ADLVoeabulary[EB/OL].2016-2-1.http://xapi.voeab.pub/datasets/adl/.ResearehandImplementationonLearningExperieneeBigDataBasedonxAPIShenWei,LiuZhenhai,XuChuanAbs