电子课本与电子书包标准规范、关键技术及应用创新的研究

吴永和， 何 超， 杨 瑛， 马晓玲， 余云涛， 刘晓丹， 祝智庭

（1.华东师范大学 开放教育学院及上海数字化教育装备工程技术研究中心，上海 200062；2.中国电子技术标准化研究院，北京 100176；3.华东师范大学 信息学系，上海 200062；4.华东师范大学 教育信息技术学系，上海 200062）

0 引 言

2013年11月28—29日，在上海举办的“教育信息化暨电子课本与电子书包标准及应用国际论坛”，共探电子课本与电子书包标准及应用的研究与发展之路，一体化推进“标准研制—产业发展—教育应用”发展新模式［1］.30日，全国电子课本与电子书包标准专题组（以下简称专题组）召开了第八次工作会议，已有3项国家标准在研，5项国标立项，3项CELTS立项和开展教育应用类标准研制，并开展标准示范应用［2］.电子书包研究和应用取得一些成果.但是，在电子书包发展过程中还存在着一定的困难，主要体现在：市场缺乏标准规范电子书包产品；还有较多的关键技术问题在困扰着电子书包推广；电子书包的教育应用是一种全新的尝试，还没有一种比较好的教育应用模式可供教师采用，需要创新应用.本文将从技术和应用层面着重研究电子书包的标准规范、关键技术和应用创新.

1 电子书包研究框架

电子书包是一复杂系统，需要一个清晰的模型框架来指导其研究.吴永和等从标准研究、产业发展与教育创新的视角研究了电子课本的生态发展、融合和产业模式等问题，给出电子课本研究框架图，提出了生态观、融合观和产业观等观点［3］；在前期研究的基础上新增“实践观”，构建了电子书包的理论与实践研究框架图［4］.基于以上的研究框架，对电子书包的标准、技术和应用，将从如下三个方面考虑.

1.1 利益相关者分析

从标准研制、产业发展和教育应用等三个过程和层面出发，考虑其利益相关者（stakeholder）关系.利益相关者是指一个实体（人、组织等）与电子书包存在教育、社会、经济或道德方面的利益关系，或者在电子书包中执行一个或多个功能，即在研制生产和应用电子书包中，要考虑每一个利益相关者，如内容提供者、出版社、技术提供商、服务提供者、销售商、用户、教育监管者和研究者等.其中用户包括学生、教师、家长和学校等.图1所示是电子书包的三个层面的利益相关者与所涉及内容的关系图.

在标准研制层面，专题组召集成员单位成立标准专题项目组，包括内容提供者、出版社、技术提供商、服务提供者，调研学校、教师和学生等用户的教育需求，研制总体架构、电子课本、学习终端、虚拟学具、学习服务等五类技术标准和服务质量与管理、教育应用规范等.

图1 电子课本与电子书包的利益相关者关系图Fig.1 Relation of stakeholders from e－Textbook and e－Schoolbag

在产业发展层面，内容提供者、出版社、技术提供商、服务提供者等根据所研制的标准开发电子课本、学习终端、虚拟学具、学习服务系统和服务质量与管理系统的产品，研究者参与并根据研究成果及时给予有效指导.在研制和完善产品中，发现标准不足之处，即提交给专题项目组修订完善.

在教育应用层面，学校、教师、学生、家长和教育监管者等用户应用各厂商所提供了产品和方案组织教学和学习，相关企业将提供第三方服务.各用户开展教育创新示范，探索示范的教学（学习）模式、方法和建议，并逐步推广应用；其在教育应用过程中有新的教育需求，将反馈给厂商和专题组，厂商及专题组根据反馈的建议将完善升级相关产品和标准.

1.2 电子书包的标准、技术与应用的关系

标准规范、技术标准和应用创新的三者关系如图2所示.首先从技术层面考虑，分别有技术和标准来支撑电子书包发展，促进产业发展，并带动教育应用；其中技术重点关注关键技术攻关；而标准关注技术标准和应用规范，来示范指导应用创新；应用创新作为其最终的服务目标.

1.3 电子书包系统与标准、技术的关系分析

电子书包系统包括学习终端、电子课本、虚拟学具、学习服务（平台）等部分，所要研究的整个标准和技术与这四个部分紧密相联，其关系如图3所示.标准涉及电子课本、学习终端、虚拟学具、学习服务等部分标准，此外，还有体系架构、服务质量与管理以及教育应用等方面规范需要考虑，具体内容将在第2节阐述.关键技术涉及电子课本、学习终端、虚拟学具、学习服务等部分技术.又因电子书包系统主体是通过集成方式实现的，因此还需要考虑系统集成创新技术，具体内容将在第3节阐述.

图2 电子课本与电子书包的标准规范、关键技术与应用创新的关系图Fig.2 Relation between standards，key technology，education innovation and e－Textbook and e－Schoolbay

图3 电子书包系统与标准规范、关键技术的关系图Fig.3 Relation between standards，key technology and an e－Schoolbag system

2 电子课本与电子书包标准规范

2.1 电子课本与电子书包标准状况

目前，《电子课本与电子书包总体框架标准》、《电子课本信息模型规范》和《电子书包终端规范》已完成国家标准立项工作；《电子课本与电子书包术语规范》、《电子课本与电子书包引用组谱规范》、《电子课本元数据规范》、《虚拟学具分类规范》、《虚拟学具描述规范》等5项标准完成了草案的编写工作，已申报国家标准立项［2］；教育应用类标准和质量管理方面标准在着手开展研制.在国外，ISO／IEC JTC1 SC36、IMS、IPDF等相关国际组织以及英、法、日、韩、俄等国家也关注电子课本标准的发展等.其中ISO／IEC JTC1 SC36开展研制电子课本国际标准项目ISO／IEC18120，已形成技术报告建议草案PDTR版本［5］；IPDF将电子书ePub3.0标准提交到ISO／IEC JTC1 SC34，已进入发布程序.

目前的标准研究状况为：吴永和（2011）从标准体系框架研究视角给出了电子课本与电子书包体系框架［6］，电子课本标准国际标准的研制提案［5］；顾小清等（2012［7］）从连接阅读与学习的角度，给出了电子课本信息模型规范，傅伟等给出电子课本的内容包装设计［8］和内容元数据设计［8］；郁晓华等（2013［9］）研究了虚拟学具标准的研制现状及其体系框架；雷云鹤等（2013［9］）提出虚拟学具标准的理论框架，形成虚拟学具分类标准和描述标准两个子标准草案；钱冬明等（2012［10］）研究了电子书包终端标准；Syahrul Fahmy等（2012［11］）基于ISO 9126模型，提出了适用于电子书的软件质量评估模型，该模型可作为电子课本软件质量评价的参考模型；Christian M.Stracke描述了效应测量的评价框架，并展现了该框架在ARISTOTELE项目中的应用［12］，对电子书包服务质量和管理有参考价值；Bill McCoy提出了“智慧”电子课本的互操作性国际标准，并将第三代数字出版的应用和发展状况情景化为信息通讯技术标准的可操作数字出版物［13］；FRIESEN探讨了集成协作学习和交流的电子书包ISO国际标准的开发、设计和优势［14］.

这些标准方面论文的发表，推进了各项标准的研制.但标准研究存在的问题主要体现在标准研制周期性、核心标准突破、相关标准对接、标准应用、标准国际化等方面［3］.目前标准还不能完全支撑起整个产业良性发展，还需要研制一批新标准以及应用指南.

2.2 电子课本与电子书包标准体系

电子课本与电子书包标准体系核心由五个类别的技术标准、服务质量与管理、教育应用规范等组成.其中五类技术标准分别是：电子课本与电子书包总体架构标准、电子课本标准、学习终端标准、虚拟学具标准、学习服务标准［6］.在整个标准体系中，体系架构标准指导其他标准，服务质量与管理从服务评测层面与其他标准关联，而教育应用规范是从应用层面关联到其他标准，如图4所示.

图4 电子课本与电子书包标准簇关系图Fig.4 Relation of e－Textbook and e－Schoolbag

在第一阶段的研制中，重点关注技术标准的研究.随着电子课本与电子书包发展和应用的深入，服务质量与管理、教育应用规范等提到日程中.目前进入第二阶段研究应用层面的标准规范，后文将重点阐述这二个系列标准.

2.3 电子课本与电子书包标准组谱

电子课本与电子书包标准体系中各部分标准构成该体系标准组谱，如表1所示.其中ETESBS标准编号为专题组标准项目编号，CELTS标准编号为教育部教育信息化技术标准委员会标准项目编号.整个技术类计划将研制22项标准，其中总体架构5项、电子课本6项、电子书包终端3项、虚拟学具5项、学习服务3项.服务质量和管理类规范计划将考虑研制服务质量和管理体系框架、服务质量和管理信息模型规范、服务质量和管理XML绑定规范和服务质量和管理指南规范.教育应用类系列标准计划将考虑研制电子书包的教育应用体系框架规范、教育应用信息模型规范、教育应用建设规范、教育应用装配规范、教育应用管理规范和教育应用规范等.

表1 电子课本与电子书标准组谱Tab.1 Standard’s profile of e－Textbook and e－Schoolbag

下文将对标准组谱中标准部分作简要阐述.

2.3.1 总体框架标准

电子课本与电子书包总体框架标准是指电子课本与电子书包的总体性、框架性、基础性的标准和规范，包括电子课本与电子书包体系中通用术语的统一、框架模型的定义以及标准间引用关系的说明，并为电子课本与电子书包标准体系的应用提供整体性指导.包括总体框架、标准术语、标准引用组谱、体系框架应用指南等标准.

2.3.2 电子课本标准

在电子课本的研究中，吸收目前已有的电子出版物格式标准的优点，解决电子课本内容互操作问题，在电子课本元数据定义、内部结构表征、媒体展现等方面引入教学特性.本标准将研发电子课本专用的，有利于规范和引导电子课本领域的设计、开发及应用的相关标准规范，指导实现动态、开放的新一代电子课本.电子课本信息模型、电子课本内容包装规范及元数据、电子课本XML绑定及应用指南等.此标准对电子课本与电子书包的应用推广有着极其重要的作用.

2.3.3 学习终端标准

学习终端标准主要描述并界定电子课本与电子书包体系框架模型电子书包学习终端部分的要求，它以电子书包学习终端产品为出发点，基于用户视角围绕其教学特性和可靠、安全、易用、开放等特性，结合厂商提案的和已有的规范，从硬件、操作系统和标配软件等方面规定电子书包学习终端应满足的要求，具体从技术要求、试验方法、检验规则等方面展开.其主要包括三个标准：电子书包学习终端硬件标准、电子书包操作系统规范和电子书包学习终端标配软件规范.

2.3.4 虚拟学具标准

虚拟学具标准规定电子课本与电子书包体系框架模型中虚拟学具的要求，它对虚拟学具的分类、描述、配置要求、聚合以及评测进行规定.主要包括虚拟学具分类规范、虚拟学具描述规范、虚拟学具装配规范、虚拟学具聚合规范和虚拟学具测评规范五个标准.

虚拟学具标准的制定有利于规范和引导虚拟学具领域的有效设计与开发，指导虚拟学具在电子书包系统以及其他学习系统／平台的高效应用，契合数字学习的时代发展需要.

2.3.5 学习服务标准

学习服务标准规定电子课本与电子书包体系框架模型中学习服务的概念、信息模型、接口与绑定规范等，解决相关学习服务互操作性问题.主要包括学习服务总体规范、学习服务XML绑定和学习服务应用指南三个标准.

2.3.6 服务质量与管理

电子书包的服务质量和管理规范是为保障和提升电子书包系统服务质量，对该服务质量和管理进行评测，并与现有网络教育服务质量标准进行互操作.该规范涉及电子课本与电子书包各个部分，即综合评测的电子书包系统的四个部分产品的服务质量：终端、内容、工具、服务.教育应用中服务质量问题也是一个核心内容，涉及相关电子课本与电子书包的应用环境；另外，还要考虑与网络教育服务质量标准的互操作接口.该标准从技术、内容、应用等维度考虑.

2.3.7 教育应用规范

该标准规范是电子课本与电子书包在教育应用过程的一些规范，它指导电子课本与电子书包在教育应用.涉及电子课本与电子书包在学习者个人学习环境、学校班级学习环境以及家庭与社会学习环境的建设、管理、配置和应用.其中个人学习环境、学校班级学习环境中规范是核心.应从建设、管理、配置和应用等方面研制相关标准规范.

以上标准研制需要和现有国家标准、CELTS行业标准以及国际标准及国际组织标准规范关联.例如，电子课本与电子书包的服务质量和管理规范与网络教育服务质量标准CELTS－35，以及ISO／IEC JTC1 SC36已颁布的国际标准中“信息技术－学习、教育和培训－质量管理、保证和度量”（Information technology－Learning，education and training－Quality management，assurance and metrics），包括“第1部分：一般探讨”（Part 1：General approach，ISO／IEC19796－1：2005）和“第3部分：参考方法和度量”（Part 3：Reference methods and metrics，ISO／IEC19796－3：2009）.

3 电子课本与电子书包关键技术

3.1 电子课本与电子书包关键技术研究现状

关键技术涉及电子书包的硬件、软件和内容等方面，其中硬件涉及学习终端，软件涉及虚拟学具和学习平台，内容涉及电子课本.因电子书包要构建一个有效应用环境，这样需要集成创新技术.

在硬件终端方面，Jennifer Colegrove分析了触摸屏、电纸书和OLED显示技术［15］；胡海明提出了系统服务实现的框架与方法及学习中心与客户端的设计方法［16］.

在电子课文方面，James M.Laffey运用3D虚拟学习技术与整合教学目标的游戏机制与策略，讨论了面向基于3D VLE与教育游戏的电子课本2.0的框架之潜力，使学习变得可视化与可分析［17］；Tore Hoel建构了一种框架模型用以协调学习、教育与培训中的电子课本的需求与形式设计，即国际利益相关者的立场与背景概括框架［18］.

在设计开发方面，基于已有标准（顾小清等［7］，2011）、用户体验（左美丽等［19］，2012）、嵌入式Linux（陈雷等［20］，2008）、ACE（罗威等［21］，2012）、S3C2410（杜军［22］，2010）等不同的角度对电子课本与电子书包进行设计、开发与研究.还有，互动式电子课本学习系统研究（Heather Moorefield－Lang，2013［23］）和设计开发（Yueh－Min Huang等，2012［24］；Bryce Jassmond，2013［25］；Cheolil Lim，2011［26］）.

在软件版权保护方面，大部分学者主要是从电子课本与电子书包在使用过程中遇到的问题出发，探讨保护版权所有者等利益相关者的策略和技术.其中，Meredith Morris－babb等（2012［27］）在调查当前教材使用情况的前提下，对开放访问教材即电子版教材的版权作出了评论；英国联合信息系统（Joint Information Systems Committee，JISC）的“国家电子书观测站项目”（National E－Books Observatory Project［28］）研究了相关版权问题，并给出了建议和策略；葛鑫分析了电子课本在数字版权管理方面的特殊需求，并基于Marlin DRM技术针对性的设计了一套DRM解决方案［29］.

以上这些技术可根据其解决的问题分为电子书包终端技术、电子书包内容技术、电子书包应用软件技术以及电子书包服务平台技术.目前还缺乏系统性研究电子书包的关键技术.

3.2 电子书包终端关键技术

3.2.1 终端显示技术

终端显示技术的任务是根据人的心理和生理特点，采用适当的方法改变光的强弱、光的波长（即颜色）和光的其他特征，组成不同形式的视觉信息呈现给学习者.目前，电子书包显示技术可根据设备是否自身发光分为两类：发散型显示设备和反射型显示设备.发散型显示设备主要包括LCD和CRT等，其耗电量较高，长期使用容易眼疲劳.反射型显示设备主要为电子纸技术，其显示效果完全可以媲美普通纸质印刷品，但是在彩色及视频动画显示方面有很大的不足.理想的电子书包显示技术应该具有不伤视力、坚固耐摔、低能耗、低成本等特点，支持彩色和多媒体播放，并具有较高的阅读体验.

未来的新型显示技术将趋向于显示质量不断提高、分辨率增加、显示更加逼真，透明显示、柔性显示技术将不断涌现.新型显示技术在健康、绿色、环保、舒适度等方面将得到较高提升，立体显示技术应用探索将突破.可穿戴式设备可能将成为电子书包终端的选择之一.

因此，电子书包的显示技术影响学习者在不同学习环境学习中的学习，其作为整个系统的关键技术亟需突破.

3.2.2 电池技术

电子书包的一个重要应用情景是课堂学习，其学习持续时间较长.为保障学习活动的正常进行，电子书包电池的续航能力是电子书包的一个重要性能指标.围绕续航能力、安全性的提高，电池技术采用了节能处理器、软件算法等；同时适应可穿戴式设备的快速发展，阶梯式电池技术使得电池续航时间更长，电池还可以制作出各种形状.

因此，大容量、轻便、低成本的电池技术对于电子书包应用是一个极其重要的关键技术.

3.2.3 人机交互技术

学习终端界面满足学习者学习需求和特征，如针对不同年龄，学习终端的界面尺寸不同，学前儿童的、小学学生的、初中学生的、高中学生的不一样.

人机交互技术旨在让电子书包拥有更好的用户体验.包括未来显示技术、多模态交互技术.未来一段时间，手势识别、体感识别技术将趋于成熟，语音识别辨识率会进一步提高，传感器性能也会不断提高.这些对于人机交互的智能化、界面的时尚化、节能环保护化、通讯网络化、平台嵌入化具有积极的作用.

从目前来看，电子书包的人机交互技术还属于传感技术、语音识别等技术的应用创新阶段.随着语音识别、图像识别、多点触控技术的应用，传统交互手段使用感受将大大提升，未来在某些高端应用的电子书包终端上会实现体感识别等新技术应用.

3.2.4 泛在互联技术

电子书包系统的大量活动与服务均需通过网络来完成，例如，课堂作业的发放、小组协作活动的组织等，为了使教学活动能够正常、顺利地进行，电子书包系统要求其应用环境中网络环境必须能在高负荷、高并发下稳定地运行.

电子书包系统被要求可以接入 WiFi、WiMAX、GPS信号以及具备可以接收广播电视的特性，甚至可以实现不同设备和不同网络之间的无线无缝对接.这种多网络融合的特性很大程度上需要基础设施的支持以及标准的统一.这种多网络融合的技术应用需要与相应的管理结合在一起.

互联技术的发展要充分满足电子书包产品移动互联化的要求.关键技术要求包括支持高清、无损多媒体数据传输接口，多种无线传输技术实现商用，支持蓝牙、红外等数据无线传输技术，支持毫米波、E－band、可见光、太赫兹等新技术应用.

此外，随着无线网络和标准的发展，电子书包相关产品研制要支持无线局域网／无线个域网的技术应用，支持3G、4G网络技术与标准的普及应用.

3.3 电子课本内容关键技术

3.3.1 内容格式及其配套软件

在电子书包中显示的电子课本必定需要按照一定的规则进行编辑和组织，这种规则即电子课本内容格式.一套合理、规范的电子课本内容格式对电子课本的制作和使用非常有利.

参考借鉴国外Epub3.0等电子课本内容解决方案，考虑国内市场已有技术与产品的格式应用，遵循国家的版式、流式等格式标准要求，针对电子课本内容的特点构建信息模型，提出格式选择与兼容等技术方案对于应用推广的指导规范具有积极意义.

电子课本著作工具和阅读器是重要技术工具，影响着内容格式标准应用和推广.

3.3.2 数字版权保护

数字版权管理（Digital Rights Management）指的是出版者用来控制被保护对象的使用权的一些技术，这些技术保护的有数字化内容（例如：软件、音乐、电影）、硬件，以及处理数字化产品的某个实例的使用限制.数字版权管理是针对网络环境下的数字媒体版权保护而提出的一种新技术，一般具有数字媒体加密、阻止非法内容注册、用户环境检测、用户行为监控、认证机制，以及付费机制和存储管理六大功能.

电子课本与电子书包系统，要对电子课本内容进行数字版权保护，但目前版权专利技术基本掌握在国外公司手中，需寻求合适版权技术，其技术标准可采纳CELTS－31（数字版权保护）和CELTS－32（数字权利描述语言）.

3.3.3 内容的设备自适应

电子课本内容的设备自适应指的是电子课本内容在不同厂商、不同型号电子书包终端上均能完整、自然地显示学习内容.这里的设备自适应并不仅仅包括电子课本内容在不同尺寸屏幕上显示的大小自适应，还包括内容组织以及显示的学习内容均需根据设备不同而进行调整.例如，在不能播放flash的设备上，电子课本内容应能自动调整为其他格式的媒体内容等.

3.3.4 知识组织技术

电子课本发展面临着支持非正式学习形态，满足泛在学习需求，支持学习资源群建共享的挑战.为此基于电子课本的知识组织技术需要支持可扩展、可优化、基于语义或者本体聚合、自跟踪、智能化等能力，需要标准化、微型化、网状关联以及相关模型工具的支持.

基于电子课本的知识组织技术是在系统化、模型化、标准化思路下推动的，对于数据资源采集、数字资源特征提取、数字资源重组、数字资源质量与治理，数字资源隐私安全等都将提出相应的技术支持.此外，需要考虑针对不同学科内容的知识如何在电子课本中表达.

3.3.5 知识呈现技术

电子课本知识呈现技术需要具备广泛兼容数据化资源格式并支持友好交互行为.数字学习资源形态的格式属性是多样化的，特别是在云服务与大数据环境下，与学习者和学习需求相关的数字资源内容格式与多种形态的数字资源都将在电子课本主题下进行呈现，为此知识呈现技术要对格式具有充分的兼容性、聚合性.另外一方面，由于移动智能终端的发展，可穿戴设备的创新应用，对于内容呈现的友好性、个性化，对于教育领域的交互性，出版领域的书签、标注，信息技术领域的容错性等都提出了更高的质量要求，这些都需要知识呈现技术予以解决.此外，还要考虑针对不同学科内容的知识如何在电子课本中呈现.

3.3.6 内容包装技术

IMS、SCORM标准与技术解决方案是当前电子课本与电子书包内容封装技术应用的基础.此外，我国也针对自身教育领域的实际特点，规划提出了相应的标准.其中学习资源相关标准与技术，包括了学习对象元数据、学习对象元数据XML绑定、内容包装／内容包装XML绑定等技术，这是国内电子课本内容包装技术发展的依据和基础.

3.3.7 编列技术

编列技术是将电子课本的内容及各知识点排列的先后顺序，特别是学习者访问和操作所呈现先后顺序，有先后、条件、跳转等顺序.其中，CELTS、ISO／IEC JTC1 SC36、IMS、SCORM标准都有编列技术标准，支持个性化学习和自主学习.

3.4 虚拟学具关键技术

虚拟学具包括分类、描述、装配、聚合和测评等内容.有通用和支持学科的虚拟学具之分.

3.4.1 虚拟学具分类与描述技术

分类是一套科学、系统、实用性强的虚拟学具分类框架.为了对虚拟学具的快速定位和系统管理，同时从分类空间中发现当前虚拟学具发展的薄弱区域从而加以引导［9］.

描述技术的定义是一个通用的信息模型对虚拟学具进行科学、有效地描述.好的信息模型可保证虚拟学具元数据的绑定之间有较高程度的语义互操作性，所包含的特征数据能最大限度支持对虚拟学具的选择、获取、使用和评估.可分别从基本层次、学习层次和扩展层次来描述［9］.

3.4.2 虚拟学具的聚合技术

虚拟学具应当聚合或整合到电子书包系统中.由于不同的虚拟学具开发者在软件开发过程中遵循着不同的技术规范和标准，因此在装配到电子书包系统中时，就要制定统一的标准规范，来规定虚拟学具与电子书包系统的聚合方式.聚合主要解决的是电子书包系统平台与学具之间的调用和整合问题，同时提供学具之间的调用服务.聚合规范旨在为电子书包系统建立第三方信用机制，但仅限于提供基本的信用机制和信任传递的服务.建立关联的两个学具之间调用时应遵循的编码规则、通信机制和技术细节不在本规范的研究范围之内.

3.4.3 虚拟学具的聚合与装配技术

电子书包中虚拟学具采用灵活的三级配置模式，遵循“核心—可选—扩展”的模式，即核心学具集、可选学具集和扩展学具集.三级配置模式能够在保证基本学习需求的同时，为教育者和受教育者更好地完成教学与学习活动提供弹性空间，能够根据不同的教学活动、不同学生的学习特征进行灵活地配置虚拟学具集.核心学具集稳定性最强，弹性空间最低，适宜所有同学段、同学科的教学和学习活动.可选学具集的配置因学习活动不同而不同，具有一定的弹性空间.扩展学具集配置因学习者而异，弹性空间最大.

3.4.4 虚拟学具测评技术

对虚拟学具的认定与评价，其核心内容包括两部分：一是对虚拟学具的分类定位，二是对虚拟学具的可用性测试［9］.

3.5 电子书包平台服务关键技术

3.5.1 云服务教育支撑技术

云计算（Cloud Computing），是一种基于互联网的计算方式.云计算模式可以最大限度地共享软硬件资源，可以按照需求提出集中式的计算资源服务、存储资源服务.教育云服务支撑是电子书包平台服务的关键.服务平台、终端智能化等发展对于电子书包平台服务的交付、使用、扩展等模式带来创新性的变化，通过互联网提供动态易扩展个性化的教育学习资源服务成为发展趋势，Dropbox网盘、Google Driver网盘都是比较好的尝试和探索.

各地区在强化基础设施以支持一对一学习和自带设备项目的同时，也通过云计算，方便师生使用任何设备访问该区的资源.以减轻教师的工作负担；在消减书面作业的同时，教师还能通过任何设备，更加便捷、安全地跟踪学生的进度以及相关的数据.

3.5.2 学习分析技术

学习分析技术是利用“大数据”的方法对学习者的学习数据进行分析，以设计更完善的教学法，锁定学习困难的学生，并对各种教育项目的效果进行评估.学习分析的结论，无论是对教育立法者来说，还是对教育管理者来说，都具有重要的意义.

学习分析的一个基础条件是要有大量的学习数据，将学习分析技术用于电子课本与电子书包系统中，可以快速解决这个问题——在电子书包服务平台中，有着大量的学习数据可供分析.同时，根据学习分析的结果，电子书包服务平台可以快速地调整其提供的内容与服务，提高服务质量.因此，学习分析技术是电子书包服务平台的一项基础、核心的关键技术.3.5.3 数据挖掘技术

围绕网络环境下，教育学习环境相关角色与学习行为，数据挖掘与大数据技术将得到较快发展与应用.大数据环境下，对于教育行为与角色多媒体，多模态数据的特征描述、提取、建模等技术将得到创新发展与应用.未来10—15年，新一代数据分析技术将得到突破应用.数据服务模式清晰，教育领域隐私保护与数据安全技术与标准发展将保障教育领域的数据服务.

3.5.4 个人知识管理

电子书包具有个人知识管理功能.支持电子书包的学习管理和学习内容管理，也需要适应和遵循当前学习管理习惯，以及相关的特殊领域学习管理规则中的重要信息系统功能支持.同时，根据电子书和课本的放置形式，构成数字化的个人书架和图书馆.

支持电子书包的管理系统设计不仅需要综合考虑电子书包学习模式的新特性，也要考虑优化整合传统学习管理的特点，还需要根据不同的受众和教育学习领域，面向学习服务实现安全化、合规化和市场化（按学习服务付费）等功能.

3.6 电子书包集成创新技术

Marcia Mardis and Nancy Everhart（2013）指出，电子课本能够提升技术集成［30］，电子书包系统能通过一定集成创新构建合适的学习环境.

3.6.1 学习环境集成技术

电子书包在具体的个人学习环境、班级学习环境和社会学习环境中应用，需要相关技术支撑这些环境.基于电子书包系统，涉及个人知识管理、知识地图、协作技术、学习分析等技术，这些技术有效集成相关电子课本与电子书包的软硬件设备，构建相关的学习环境.

3.6.2 交换接口技术

电子课本与电子书包交换技术包括了电子课本的数据交换以及电子书包的接口规范等技术，是实现不同平台、不同领域资源进行互联互通的关键技术，也是实现教育数据资源开放共享的重要手段.电子课本数据交换技术主要涉及有关内容的数据元素格式、元数据要求、信息模型等相关内容.电子书包主要涉及业务系统交换的文件、硬件等接口技术.可利用教育软件工程和教育软件可用性测试，在关键技术和标准基础上开发教育产品.

4 电子课本与电子书包应用创新

4.1 电子课本与电子书包应用及研究现状

吴永和等（2013）分析了电子课本与电子书包在幼儿园、中小学、大学的应用情况，其中幼儿教育为以数字故事研究为主，中小学应用为试点范围逐步扩大，大学应用为以技术性学科为代表的多个学科领域［4］.李晓庆等（2013）对两岸三地电子书包在应用学科、发挥角色、学科结合点、协同媒介、教学模式、面临挑战等各方面进行了对比分析，提出了电子书包应用应该明确目的，物尽其用，抓住时机，从需求出发等解决方案［31］.张德成对中美电子课本学习资源进行了比较［32］.

教育深入融合，一个创新教学理念正扩散，一项创新学习技术正在普及，电子书包与电子课本将会在推动教育变革的过程中发挥重要影响.顾小清等（2013）认为电子课本支持教学方式变革［33］.倪闵景指出上海在数字化课程环境建设中已完成三大基础性工作与三大技术突破，并强调四类数据对基础教育变革的重要作用［34］.沈书生在对翻转课堂使用视频进行特征分析基础上，提出了一种基于电子书包支持的翻转课堂教学模式［35］.电子课本与电子书包在语文、数学、英语中的应用模式探讨也引起了广大学者的普遍关注.如张文兰对基于电子书包的小学数学教学模式进行了研究，并探讨了具体数学学科教学模式的应用成效［35］.郑娟［36］、白若微［37］、刘妍［38］学者根据电子书包的教学应用特性，先后分别对小学英语电子书包教学应用进行了分析，构建了电子书包环境下小学英语自主学习模型，探究了电子书包在小学英语教学中应用的有效策略；同时通过对比网络平台教学的活动设计和网络平台序列化学习活动设计，总结出小学英语电子课本中的学习活动设计模式.刘艳斐设计了探究式学习在小学语文中的应用［39］.

在实践平台应用方面，如何使新技术促进教与学本质变化，即电子书包的实践应用引起了众多学者的关注.如张义兵基于台湾澔奇学习平台，对小学作文教学进行试验，考察了在电子书包平台下创新学习的变化［40］.田晓蒙以e－Book平台的小学英语电子书为例提出了一种以实现个性化教学为主的推荐机制［41］.何文涛将电子课本的应用推广到班级管理、家庭教育、教师教研培训及微学习等教育领域，以促进电子课本的完善及教与学方式的变革［42］.

Wilfred W.Fong（2011）将电子书作为Classroom3.0中主体设备和环境.Marcia Mardis and Nancy Everhart指出电子课本支持21世纪学习者提升技术的集成.张新明学者运用云计算机技术将电子书包的服务系统、教学资源和虚拟学具等架构于云端，允许学习者按需调用学习内容、学习服务和学习工具，构建个人学习环境［43］.

文化与学习者的差异、教学环境的需求、学生的使用、教学模式等方面的问题［4］将影响电子课本与电子书包应用；而应用是其核心，应用创新将有效推动应用，创新涉及基于其技术标准开发相关的产品、工具和平台.

4.2 教育创新途径

教育技术需要探寻自身本质规律，使用恰当的技术进行设计，创造，探索和创新教育，需要“教育制造”产品，需要设计“教育技术”，需要更高层面的集成创新［4］.电子书包的教育创新路径通过对学习者的需求分析和研究，攻关其关键技术和研制标准规范，进行技术创新，再教育设计；设计开发电子书包的教育产品，并考虑其在教育应用中的业态模式，通过教学设计将合适产品应用到教育中，开展教育应用创新，通过反馈新的教育需求；再是新一轮的技术创新、产业创新和教育应用创新.教育创新路径如图5所示.

图5 电子书包的教育创新路径Fig.5 Path of education innovation for e－schoolbag

构建满足个人学习、班级学习和社会学习模型的“全”学习生态环境，以有效融通个人学习环境、班级学习环境和社会学习环境.这一新型环境需要相应教育产品来支撑，包括电子课本（学生使用的学本和教师使用的教本）、虚拟学具（学生用的虚拟学具和教师用的虚拟教具）、学习终端（学生终端和教师终端）和服务平台（分别提供学生和教师的服务）.如表2所示，在三个不同学习环境中，学生和教师所需要不同的书包配置.该生态环境拓展了教与学的时空，教与学可以互相融通于课前、课中和课后整个教学与学习环节，涉及个人空间、班级空间和社会家庭空间的全方位学习空间，支持不同时空的多样学习方式（如个性化学习、小组合作学习、班级差异化学习、网众社会化学习，泛在学习、入境学习、个性学习、群智学习等）［4］.这样就需要集成创新和教育应用创新.

表2 数字化学习环境构成Tab.2 Digital learning environment

在全生态系统中，电子课本与电子书包系统是一个智能学习系统，分别作为学校学习环境、家庭学习环境和社会学习环境，与人类社会三大教育系统（学校教育系统、家庭教育系统和社会教育系统）有机连通，同时汇入正规学习与非正规学习、正式学习与非正式学习，拓展了教育的时空，实现了全社会教育资源的有效互补和共享.

4.3 产业发展创新

进行教育技术设计，包括教育产品创新和业态模式的创新，将电子书包放入到智能教室和智慧校园环境之中.

4.3.1 教育产品创新

虽然教育产品的形式也在不断地变化，但产品始终涉及硬件、软件和内容.

4.3.1.1 学习终端

从平板电脑、智能手机等产品初步演化满足数字化学习需求的学习终端——电子书包，这些终端比日常应用的设备要求更高些.

4.3.1.2 教育类应用程序

需要开发软件有电子课本的阅读器、虚拟学具和相关学习服务软件.其中电子课本的阅读器，支持各种内容电子课本和相关学习资源.虚拟学具是多种工具集，从使用对象角度可分为学具和教具，从学习环境层面可分为个人工具集、班级工具集和社会学习工具集，从学科层面，可分为公共工具集和学科工具集.学习服务软件能够与电子书包无缝对接，提供一些学校服务功能.

2013年4月，148Apps网站的报告称，在苹果公司iTunes所有下载分类中，教育类应用程序的下载排行第二，其人气超过了娱乐和商业应用程序.由此可见，教育类应用程序的需求是非常巨大的.在电子课本与电子书包系统中，由于其针对性更强，对用户的定位更加准确，相信会有更多的开发者为电子课本与电子书包系统提供教育类应用程序.

4.3.1.3 数字内容的创新

电子课本的特性决定了在电子课本与电子书包系统中，教育内容将同传统教学有着巨大的差别.首先，学习内容的形式变得更加多样化，是一富媒体，可以包括声音、文字、动画、视频，甚至是游戏等；其次，教育内容的组织形式也将改变，同样的课本内容，在教学对象不同时，可以呈现出不同的结构，甚至能针对学习者的实际情况突出某些内容；最后，教育内容的制作与更新将变得更加简单，从而确保学习者能够随时接收最新的知识.

研制内容微件，如小黑板、地球仪等，这些微件作为公共小的工具组件，支持多种学习活动.

4.3.2 业态模式的创新

在电子课本与电子书包产业链条中涉及的利益相关方有教育主管部门、平台运营机构、硬件设备厂商、学习内容提供商、学习服务提供商，以及广大教师和学生等终端用户.

其中，教育主管部门为平台的有效运行提供政策支持，是整个系统运行的监管者；平台运营机构为其他利益相关者提供技术服务支持，负责整个平台的稳定运行；学习内容提供商为平台提供各类学习内容，并从学习内容销售中获取经济效益，是学习内容的生产者，包括出版社、资源制作公司，甚至是个人；学习服务提供商为平台提供各种教育创新应用服务，提供增值服务，例如各类教育应用程序及工具；广大教师学生是学习内容以及各种学习服务的消费者，其通过平台购买需要的教育资源以及教育服务，提升教学质量.这样就形成了一个集生产者、消费者、监管者于一体的良性的商业模式.提供教育的第三方服务，企业将提供优质教育支撑服务.

4.4 教育应用的创新

4.4.1 教育环境集成创新

构建满足个人学习环境、班级学习环境和社会学习环境，在关键技术、标准、终端、内容、工具、平台等进行集成创新，使得电子书包无缝融入各个学习环境之中.

4.4.2 教与学模式的创新

电子书包系统提供了一个教与学的创新平台，支持个性化学习、小组合作学习、班级差异化学习、网众社会化学习，泛在学习、入境学习、自主学习、群智学习等多种学习方式，教师的教和学生的学在该平台上进行创新.

4.4.3 教学评价的创新

因新的平台所提供的智能工具以及学习分析技术的应用，对教与学的跟踪分析贯穿整个过程，进行及时、准确的评估反馈.

4.5 教育理论创新

由于新环境、新工具、新内容的应用，将形成新的教育（技术）范式，从而催生智慧教育、数字化学习等新理论.

5 结 语

本文首先从利益相关者分析了电子书包的标准、技术与应用的关系，电子书包系统与标准、技术的关系阐述电子课本与电子书包研究框架.再从标准研究的现状分析、标准体系和标准组谱等方面研究了电子书包的标准规范.其次，先分析了关键技术研究的情况，再分别从终端关键技术、内容关键技术、学具关键技术、学习服务关键技术以及集成创新技术等层面剖析了电子书包的关键技术.最后从教育创新途径、产业发展创新、教育应用创新和教育理论创新等方面探讨了电子书包应用创新.

解决在电子课本与电子书包的标准规范、关键技术及应用创新中的一些问题，通过在标准规范、关键技术等方面技术创新来推动应用创新，将有效推动电子课本与电子书包的研究、应用和发展.

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