基于xAPI规范的学习行为大数据研究与实现

#基于xAPI的学习行为大数据硏究与实现沈伟摘要：在线教育和大数据为教育的发展带来了创新，教育大数据的最佳实现首先依赖于对来源广泛的学习行为数据获取，而来源广泛的学习行为存在于多种在线教育应用中，其多种在线教育应用的独立性、复杂性、多样性等特点阻碍了学习行为数据获取。由美国“高级分布式学习”组织发布的ExperieneeAPI（xAPI）规范为破解这一难题提供了可行途径，可基于xAPI规范实现学习行为大数据的获取、整合和共享为进一步的分析与挖掘奠定基础。基于SCORM、xAPI与LRS实现LMS平台是进行学习行为大数据研究与实现的一种有效实践探索。关键词：教育大数据；学习行为；xAPI;LMS1勻匕曰1.背景随着在线教育的发展和大数据的崛起，教育大数据越来越多地被应用，特别是近年互联网MOOC对教育大数据的应用，已影响到教育研究［1］；基于教学设计、以学习者为中心、以教育大数据为依据的适应性学习系统［2］，已从理论走向应用。2016年好未来（前身学而思）公司投资了一个世界范围内领先的自适应学习平——newton（目前全球范围内拥有学习数据最多的公司之一）,好未来未来的十年的loooo亿条学习数据将成为Knewton的优质数据样本；Knewton的学习数据库就是独立的、公共的学习行为大数据库，其收集的用户数据越多，一个用户在平台上的使用频次越高，它所推送的学习内容准确率就越高。教育大数据在带来机遇的同时，也意味着多方面的挑战，其中最突出的挑战是如何获取及共享来源广泛的教育数据，例如互联网不同MOOC平台间、在线教育平台（例如MOOC平台）与知识平台（例如百度知道或文库）间、互联网与移动互联网间、互联网与企业内网间等的同一个人的学习行为获取与共享。当然，如何发挥教育数据潜在的教育价值，也是待研究的挑战。ExperieneeAPI规范提出并提供了学习行为数据记录框架，为学习行为教育大数据的获取及共享的实现提供了技术基础。ExperieneeAPI（简称xAPI，原称TinCanAPI）由美国"高级分布式学习”组织（AdvaneedDistributedLearning,ADL）创建，在美国奥兰多的iFest2012会议上正式命名了“培训与学习框架”（Training&LearningArchitecture,TLA），其中"学习行为跟踪"（ExperieneeTraeking）组件的一^核心部分就是xAPI，于2013年发布了1.0.0版本［3］。在此背景下，本文试图基于xAPI规范以学习行为教育大数据的获取及共享为切入点，首先分析xAPI与学习行为大数据的运行模式，然后构建基于xAPI规范的学习行为大数据模型，并尝试基于xAPI规范的学习行为大数据应用，以期进一步探索教育大数据的应用。2xAPI与学习行为大数据2.1xAPI概述典型的网络学习资源技术规范和标准包括：ADL的SCORM标准、AICC的CMI系统规范、IMS的学习技术系统规范、IEEE的学习对象（LOM）标准、我国的CELTS标准等。其中，SCORM标准是目前应用较多的标准，SCORM标准主要为学习内容（符合SCORM标准的课件）与学习管理系统［LMS）间的交互提供了技术上的支持，非常详细地跟踪和记录每个学习者的学习进度、学习成绩、学习状态、学习时间以及学习交互等学习行为［4］，但SCORM标准只记录了LMS内部的学习行为，无法支持来源广泛的网络学习行为（例如互联网学习、移动学习、游戏学习、虚拟/模拟、百度文库阅读与下载，百度知道提问与回答、观看土豆学习视频、查看微信文章、百度搜索、社交网络等正式与非正式学习），ADL提出了TLA架构及其运行时的接口规范一xAPI(ExperienceAPI)。xAPI提供了一个以学习者为中心的采集学习行为数据模型，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，可以跟踪跨平台和跨设备的学习行为，如断开或偶尔连上网络的环境、在任何设备(如智能手机，潜艇的声纳系统)、来自任何服务器、外部网络浏览器(如本地Iphone应用程序，F-16飞行模拟器)等，特别适合对移动学习和互联网学习的支持。培训和学习体系架构TLA的顶层架构包括四个部分：学习行为跟踪(ExperieneeTracking)、学习者档案(LearnerProfile)、内容代理(ContentBrokering)、能力认证(CompetencyInfrastructure)。学习行为跟踪部分包含两个项目，一个是接口规范xAPI;另一个是学习行为库(LearningRecordStore,LRS)。两个项目时紧密相关的，接口规范xAPI所产生的学习行为记录入LRS(学习行为库)中。2.2xAPI与学习行为数据xAPI的学习行为Statement是xAPI规范定义的学习行为数据结构它通过"活动流”(ActivityStream)模式简化并规范了学习行为数据⑸。Statement主要包含三种元素：操作者(Actor)、动作(Verbs)以及与学习行为的对象(Object)。这三种元素可组合成一组最简洁的活动流格式：<操作者(Actor),动作(Verb)和对象(Object)>。例如：“小沈(Actor)学习了(Verb)5S改善课程(Object)"，“小李(Actor)观看了(Verb)介绍xAPI的YouTube视频(Object)”。Statement的所有元素组成可如下图所示［6］。

可选属性固定属性推荐属性Actor（操操作者）+Verb（动作）

+Object（对象）Result（结果）Context（上下文情境）Timestamp（发发生时间）Stored（存存储时间）Authority（固定属性推荐属性Actor（操操作者）+Verb（动作）

+Object（对象）Attachments（附件）图1xAPI的学习行为数据Statement结构2.3基于xAPI的LRS学习行为大数据互联网学习、移动学习、游戏学习、虚拟/模拟、百度文库阅读与下载，百度知道提问与回答、观看土豆学习视频、查看微信文章、百度搜索、社交网络等正式与非正式学习系统采用xAPI规范建立接口程序为学习行为生成Statement记录入LR（学习行为大数据库）中，如下图所示（以LMS平台为例）。图中，如下图所示（以LMS平台为例）。图2基于xAPI的LRS学习行为获取LRSLRS是存储学习行为记录大数据的数据库。LRS可作为LMS的一部分丄MS可直接利用LRS中的学习行为大数据进行业务查询与统计，也可利用LRS中的学习行为大数据进行大数据分析。LRS也可是独立的、公共的学习行为大数据库，来源广泛的网络学习行为（不同学习应用系统、平台，或个人主动上传的学习行为）都可进行存储，这样就能实现学习行为的共享；LRS间能共享数据，因此学习者和数据能从一个组织传向另一个组织。学习行为记录（语句）也能被发送到多个LRS，我的学习记录能记录在公司的LRS，也能记录在自己私人的LRS。应用系统只要获得LRS的授权，便可以从中获取学习行为数据，对学习行为数据进行查询、统计、分析及可视化展现等处理，旦这些处理与xAPI与LRS无关。这样xAPI与LRS与应用系统解耦，它仅关注数据存储与接口，使数据与接口更易标准化、数据服务更加灵活、更易扩展。Rustici软件公司已建立了公共LRS大数据库DEMO，台湾VisCa(VisualCatch)已建立了公共LRS大数据库。2.4基于xAPI与LRS的学习行为获取与共享xAPI包含4个接口，分别为语句接口(StatementAPI)、状态接口(StateAPI)、活动描述接口(ActivityProfileAPI)以及代理描述接口(AgentProfileAPI)。语句接口负责语句在LRS中的存储以及取出；状态接口用于暂存活动内容的状态，以便在不同的会话、设备中重现学习活动；活动描述接口用于存放和获取活动的完整描述；代理描述接口向LRS内添加与代理(即应用接口)相关的数据［7］。4个接口都是RESTful架构，语句(Statement)采用JSON规范，支持对LRS中数据以Web资源请求操作的方式进行处理，包括获取、更新、增加以及删除。基于xAPI与LRS的LMS平台获取与共享学习行为，其开发模式如表1所示。表1基于xAPI与LRS的LMS平台开发模式序号模式描述对比1课件模式xAPI环境下支持的课件格式，课件自动优点：仅调整内容，与平台无关生成语句调用xAPI接口存入LRS中。缺点：需与SCORM等兼容，适应多种平台。2平台模式LMS平台自动生成语句调用xAPI接口存优点：定制，数据精准，便于分析入LRS中。缺点：通用性差，不便于扩展。

3插件模式开发独立的小插件或小应用程序，供优点：通用性强LMS平台调用。LMS平台直接调用小插缺点：业务关联度差，不便于精准件或小应用程序，小插件或小应用程序自分析。动生成语句调用xAPI接口存入LRS中。3案例设计与实现xAPI项目网站(/)上列出了目前已实现XAPI的一百多家公司和机构，包括Adobe、Articulate，Blackboard、Aquafadas等。在制造业在线教育平台"智胜现场"()项目中，我们采用平台开发模式，基于SCORM、xAPI与LRS实现了一套LMS平台。3.1基于SCORM、xAPI与LRS的LMS平台架构基于SCORM、xAPI与LRS的LMS平台架构如下图所示。图3基于SCORM、xAPI与LRS的LMS平台架构LMS平台必须承载课程内容，而目前大量课程课件格式以视频、SCORM课件(AICC课件与SCORM课件类似)为主，LMS平台必须兼容这些课程内容；新的xAPI规范课件则必须要求LMS平台调整或新建，来支持其内容。因此建立兼容SCORM、适应xAPI与LRS的LMS平台，是LMS实现学习行为大数据的一种途径。"智胜现场"主要基于SCORM、xAPI与LRS实现以下内容：1）LMS平台仍采用SCORMAPI兼容SCORM课件，仍采用固有模式承载视频等其他课程内容针对xAPI课件（其课程包形式仍为SCORM课程包，只是其遵循xAPI规范），采用xAPI与LMS平台进行交互；此作为LMS平台的核心业务实现（例如学习、查询、统计、报表等），其数据保存入LMS业务数据库中，同时抽取学习行为数据调用xAPI接口记录入LRS中。2）其他LMS的关联独立应用系统，直接调用xAPI接口记录学习行为数据入LRS中，实现学习行为跨系统共享。3）LRS中的学习行为数据，主要用于LMS平台的学习行为分析功能及与外部系统交换学习行为数据此子系统实际也可成为LMS平台的日志子系统°LRS数据库采用HBASE，便于以后进行大数据分析。3.2智胜现场LMS平台学习行为xAPI规范规定了30种常用动作［Verb］类别,15种常用活动［Activity］类别。"智胜现场”LMS平台学习行为必须与这些类别进行对应。"智胜现场"LMS平台首先，总结系统涉及与学习相关的学习行为，然后通过选择xAPI规范对应的动作和活动将所有的学习行为映射为xAPI规范中的语句Statement，从而记录下完整的学习行为。例如，在针对百度知道类似的问答应用：第一步，归纳有哪些学习行为，主要包括提问、回答、采纳回答、补充提问、对回答点赞、对回答评论等。第二步，对第一步提出的学习行为筛选出需要记录为学习行为的，包括：提问，表明学习需求；回答，反映回答者对学习需求的帮助；采纳回答，说明回答者的帮助解决了学习的需求等。第三步，选择xAPI规范对应的动作和活动进行Statement映射。

"智胜现场”LMS平台的学习行为的对应的动作［Verb］类别，常用活动【Activity］类别如下表所示。表2智胜现场LMS平台的学习行为Verb表［8］序号Verb描述1answered回答：学员回答了一个问题，对象［object］通常是对应这个问题的活动，问题文本通常被放在对应的结果【result］中2asked提问3commented评论：学员进行对对象［object］进行了评分或评论4completed完成:学员通常已完成一个对象【object］或对一个对象［object］得出了结论5failed未通过6launched开始：学员尝试开始一个活动7logged-in登录8logged-out退出9mastered掌握：学员在一个活动中获得了高水平的理解或能力10passed通过：学员在一个活动中达到了预定水平11preferred偏好：选定的选择，学员关于对象［object］或活动【activity】的趋向的选项或设置12registered注册：学员正式参与一个活动13scored得分14shared分享15terminated结束：成功结束了一个活动［activity］

表3智胜现场LMS平台的学习行为Activity表序号Activity描述1assessment评估:判定学习者对于特殊专业领域掌握程度的活动。评估通常有1个或多个问题【questions】。2course课程:包含各种教学素材的整个内容包。最大粒度层级。如不是单一的，一个课程包含多个模块［modules】或课【esson】。3file文件:与链接【link】类似，只是其可在不同时间、离线状态且或在不同系统间被使用。文件［file】不被认为是学习内容orSCOs（课程的资源），否则它应被重组织。4interaction交互:通常是更大一级活动（例如assessment、game或simulation）的部分，其指向为学习者提供录入的控制。交互可能一个独立的功能，或可能是一个有用的东西。5lesson课:学习内容，可以是以SCO的形式呈现，也可以不是；课可以是独立的，也可以是更大的course的一部分。6link链接:是相对活动【activity】的内部或外部另一资源的链接。一个链接不等于启动另一个资源，应该被视为当前资源的外部资源。链接不被认为是学习内容orSCOs（课程的资源），否则它应被重组织。7media媒体:用来传递信息的文字、音频或视频。媒体可跟踪进度（跟踪、元成），但匕不是可交互的内容（产生成绩、成功或失败）。8meeting会议:将一些人以同一目标或兴趣汇集在一起。9module模块：是在课程【course】的下一级的任何的“内容聚合”。为了分层模块可以含下级模块。模块不是内容，模块是一个层次的所有内容。10performanee技能：是尝试任务或者在特定上下文中的一系列任务。任务有可能以交互的形式存在，也可以是独立的内容。它强调学生或学习者能够做或执行一个教学的结果的具体技能。11question问题：通常是评估【assessment】的一部分，需要学习者回答，回答结果需评判是否正确。4.总结与展望本文探讨了xAPI规范及与学习行为大数据的关系，提出基于xAPI并兼容SCORM的LMS学习行为大数据系统架构。该系统架构应用于“智胜现场"LMS平台，将SCORM、xAPI、LRS与LMS平台相融合，运用xAPI中的语义与接口框架对学习行为数据进行统一记录，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及应用系统的学习行为数据相融合，从而实现统一的学习行为大数据获取与共享，并可将所有学习行为数据完整准确得展示给学习者。下一步将在学习行为大数据的基础上进行分析与挖掘应用；并将对公共LRS大数据库进行研究，探索更大范围的学习行为大数据共享、分析及挖掘。参考文献：⑴李曼丽,黄振中.MOOCs平台大数据的教育实证[J]科学通报,2015,（5-6）:570-580.[2]张羽，李越•基于MOOCs大数据的学习分析和教育测量介绍[J]•清华大学教育研究,(2013)(4):22-26.李青，孔冲.下一代SCORM标准的新动向——aDLTLA和ExperieneeAPI解读[几电化教育研究,2013,(8):61-67.孙兴华，郝丽，叶永飞.SCORM标准学习跟踪机制的研究与实现[J].网络教育，2010,(7):65-68.顾小清，郑隆，威简菁•获取教育大数据：基于xAPI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):13-23ADL.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.ADLVoeabulary[EB/OL].2016-2-1.http://xapi.voeab.pub/datasets/adl/.ResearehandImplementationonLearningExperieneeBigDataBasedonxAPIShenWei,LiuZhenhai,XuChuanAbs