个人学习环境系统的应用设计：以电子书包为例

胡海明， 吴永和

（1.连云港职业技术学院 信息工程学院，江苏 连云港 222006；2.华东师范大学 上海数字化教育装备工程技术研究中心，上海 200062）

0 引 言

电子书包，是指存储传播电子读物的软硬件设备和互联网服务的移动设备.从全球范围的电子书包应用情况来看，从2009年9月新学期开始，美国加州9—12年级的教材取消纸质书［1］，全部使用电子化课本，部分大学也采用电子书作为教材.在韩国，政府也准备让电子书逐渐取代传统印刷品，在2012年之前进入所有中小学.在新加坡，电子书包的发展更快一些.据克里夫兰市场咨询公司的调查报告，迄今至少有50个国家计划推广电子课本、电子书包，其市场潜力巨大，潜在市场规模达500亿美元［2］.自2010年，“电子课本与电子书包”标准专题组已经召开了7次会议，“电子书包”变得越发炙手可热，已引起教育界等多方面的广泛关注.国外更是自2002年就开始了相关研究［3－4］.显然，电子书包的出现，预示着一场全球性的教育革命.电子书包不仅给中国的教育方式带来了深刻变革，还对社会的很多方面产生了深刻影响.国内目前也涌现出很多电子书包产品，但都没有充分体现“多媒体电子书”的概念，此外这些电子书包大多采用主观被动式学习模式，忽略了教育中的互动本质，难以满足个人学习需求.

1 设计模式：面向服务架构

1.1 项目背景

本文提出虚拟学习社区（Virtual Learning Community，VLC）模型［5］，作为个人学习环境（Personal Learning Environment，PLE）的境域，如图1所示.该模型从通信、教学、管理、资源、课外教育、家庭教育和社会教育等七个方面描述了其功能.目前在欧美国家，虚拟学习社区的建设水平较高，向学生提供了高效的教学服务.相比之下，我国很多学校数字化、信息化的基础建设还不够，使用网络资源受到诸多条件设施的限制.例如，机房的设备和软件多数不能免费使用，上网费用相对较贵，图书馆资料电子版本还比较少等.这些基础设施和条件的不足，都会对e－Learning的广泛开展起到制肘的作用，不仅不能帮助校内的教学需求，更难以支持学生在家庭、课外和社会环境下的泛在学习.

图1 虚拟学习社区模型［5］Fig.1 Model of virtual learning zone

1.2 电子书包解决方案

个人学习环境，将学习看作是一个社会化网络形成的建构过程，其中表达了一种“关系中学”和“分布式认知”的观念.电子书包作为一个良好的个人学习终端，要实现互动及基于多种学习策略开展学习，需要一个大平台的支持；而个人学习环境下的用户也需借助有效的个人学习终端实现脱网自学与联网互学，从而有效拓展学习空间.因此，本文将基于个人学习环境系统的概念框架与设计框架，以功能全新的电子书包作为个人学习终端，以学习中心为学习服务的主要提供者，构建个人学习环境管理系统（Personal Learning Environment Systey，PLES）.在实现电子书包“互动”概念的同时，突显以学习者为中心的协同学习环境下教与学的协同增效，同时该系统将为龙芯电脑在教育领域的应用提供完善的解决方案.

1.3 相关项目与任务分析

个人学习环境及其系统的构造［6］，是以学习者为中心的分布式学习系统的概念模型与结构模型.电子书包是学习者个人计算设备的应用设计，在本地计算环境、网络计算环境构成的分布式虚拟学习环境中，为用户提供个性化的学习环境.

个人学习环境的理念是把对学习的管理从教育机构转移到学习者自身，更加倡导在社区中的学习创造.PLE向学习者提供了个性化的网络学习环境、针对性的学习指导以及泛在的学习模式.交互式电子书包［7］是PLE中不可或缺的重要组成部分，在非正式学习中占有重要地位.目前市场现存的电子书包，如汉王电子书包等产品，主要采用主观被动式教学模式，忽略了教育中要求互动的本质，难以满足构建PLE的需求.因此，龙芯多媒体互动电子书包的设计和研制十分必要.

本设计的主要任务是，

（1）针对我国基础教育特点，设计以学习者为中心，电子书包资源为辅助手段的个人学习环境.

（2）目前国内外针对“多媒体电子书”的研究较少，尚未出台相应行业标准.本文通过研究基础教育多媒体电子资源的组织和架构，提出面向电子书包资源服务的集成方案.

2 系统服务实现的框架与方法

2.1 系统架构

构建基于Linux的、以学习者为中心的个人学习环境.其中学习者的协作学习的设计采用本团队的协同学习的实现机制，以便更大程度上体现电子书包的互动性，突破现有学习管理模式的局限，同时推进龙芯电脑在教育领域的应用.PLES基本组成包括个人学习终端（Porsonal Learning Terminal，PLT）、学习套具（LTK）、EBK（电子课本、电子书、泛资源库）、为公共服务平台（PSP）.

PLES与现有e－Learning学习管理平台相比，有如下优势：

引入电子书包作为个人学习终端，使学习者不仅可以进行联网互学，还可以在离线状态下进行自学，实现电子书包的互动性.

在教学模式的支持方面，突破了传统学习管理系统不能动态调用教学策略的局限，顺应学习策略多元化、混合学习日渐流行的趋势.

在强调学习内容的同时，更加注重对学习内容组装成一个学习单元乃至动态学习过程的管理与支持.

在互联、共享、重用学习内容的同时，更加强调教学设计、教学策略上的复用与互操作，支持学生、教师、内容的六重深度互动.

系统能够提供海量资源库，支持多媒体资源的重组，实现适应性学习的同时，促成资源库的可持续发展，为PLES的应用注入更加强大的源动力.

2.2 系统实现的参考模型

系统参考模型架构［8］（图2），包括基础平台、公共管理模块、公共工具模块、应用平台，其中应用平台又包括个人学习终端（电子书包）、协同学习套具以及以电子课本为核心的资源库这三个部分.

图2 PLES系统参考模型Fig.2 Reference model of PLE

2.3 终端设备的结构框架

个人学习终端（PLT），针对个人学习行为设计，是以学习中心为核心的服务平台进行支撑的个人学习设备.鉴于此，我们提出了一个电子书包解决方案——龙芯多媒体互动电子书包；设计简洁的电子书包.不单包含了教材、字典，连作业和练习都能很好地实现.系统整体架构如图3所示.

图3 电子书包系统架构Fig.3 Architecture of e－Schoolbag

2.4 系统设计的实现框架

整体设计框架如图4所示.

1.客户端设计

客户端设计有两种方案，基于Window操作系统与基于龙芯Linux操作系统.

2.服务端设计

基于Ubuntu的服务器版的操作系统的架构，其中间件的设计是基于ACE框架，数据模型的管理是借助于MySQL数据库管理系统，其Web服务器是基于Tomcat.

图4 系统设计框架Fig.4 Framework of system design

2.5 电子书包工作模式

电子书包有以下两种工作模式［9］.

（1）本地模式.在没有网络连接的情况下，电子书包工作在本地模式.此时，电子书包可以打开位于本地磁盘的“我的图书馆”，查阅所有存储在本地的电子资源.相关的批注、标注等信息都存放于本地数据库.当发现有网络连接时，自动将存储在本地的学习信息同步至网络数据库，以便获得基于学习网络的服务.

（2）联网模式.当有网络连接时，系统自动连接到服务平台即学习中心，与学习中心交互，上传用户的学习轨迹或学习笔记，同时下载更新电子书资源至本地图书馆.学生还可以登录系统嵌入的Web浏览器，登录服务平台相关页面，建构个性化的网络学习平台，以及订阅电子书，跟师生交流互动等.

3 学习中心设计

3.1 学习中心功能

3.1.1 情境分析

在PLES中，可实现多种形式的学习［10］，具体描述如下.

个别化学习：学习者借助个人学习终端（PLT），利用本地资源开展学习，表现为电子书包内部的交互；或通过与泛资源库（UR）的交互，实现自主学习，表现为电子书包与UR的交互.

点对点学习：指两个学习者借助PSP提供的交互功能，通过PLT进行交互学习，当然还包括个人学习终端与UR的交互.

图5 PLES中点对点学习Fig.5 Point to point learning in PLES

无策略的小组学习：指学习者群体借助PSP提供的交互功能，通过PLT进行交互学习，期间包括PLT与UR的交互.

图6 PLES中无策略的小组学习Fig.6 Random group learning in PLES

协同学习：指学习者群体借助PLT，在协同学习环境（CSSL）支持下，利用UR开展深度有意义的学习.

图7 CSSL中有意义的学习Fig.7 Meaningful learning in CSSL

3.1.2 主要功能

公共管理模块与公共工具模块.公共工具模块主要提供公告板、BBS、聊天室、邮件系统等公共服务工具的服务.

3.2 学习中心服务设计

3.2.1 服务分类

1.用户管理

主要功能为学生管理和教师管理.学生管理包括初始化、登录注册管理、学生所在班级管理等.教师管理包括初始化、为教师分配学生等.

2.分组管理

主要功能是系统为教师提供多种分配策略，教师则根据教学设计需求采用某种策略对特定主题下一个班级的学生进行分组.

3.资源管理

主要是指对UR中的资源进行管理，具体包括以下主要功能.

（1）添加／删除／更新书目及电子书.

（2）资源下载权限与下载方式设置.

（3）资源的订阅管理.

4.系统日志管理

主要功能是能够记录相应操作人员的操作时间、操作类型、操作对象等信息.协同工具配置的主要功能是配置LTK中提供的所有工具，作为教师流程管理中的备选学习环节，包括设置工具名称、接口地址、工具数据库、数据库用户名和密码.

5.课堂管理

指管理与学习者学习过程相关的内容，具体包括以下主要功能.

（1）主题管理.主要包括添加主题功能，设置主题的基本信息，包括主题名称、教学计划等.

（2）流程管理.主要包括设置流程、流程复用、控制流程环节等功能.设置流程是指教师依据教学主题，设置协同学习流程环节，为学习者创设协同学习环境；流程复用是指导入已有的学习流程；控制流程环节是指设置流程中每一学习环节的开始、结束时间及每一环节的状态.

（3）作业管理.包括分配作业、批改作业、查看作业提交情况等功能.

（4）课程相关资源管理.包括课程资源资源管理、过程资源管理及流程资源管理.课程资源管理包括从UR中添加课程相关资源，并将资源与课程主题相关.过程资源过程是指管理协同学习过程中各学习环节产生的学习结果.流程资源管理是指管理不同阶段设置的学习流程.

6.学习进度监控

监控学习者的学习情况.

3.2.2 实现方法

实现的方法有基于MUbuntu的服务框架和基于ACE的中间件设计.

4 客户端设计

4.1 客户端功能设计

4.1.1 设计思路

电子书包客户端的功能设计［11］主要考虑以下几个方面.

1.电子书播放器（VWR）

电子书播放器的主要功能为播放、阅读、标注电子书.其主要功能包括：打开本地的电子书文件、显示在制定的窗体中、支持用户的交互操作，如放大、缩小、翻页等.同时，支持用户的简单标注操作，如文字涂色、评论等，标注信息保存在本地数据库中.此外支持若干种电子资源格式，如“.pdf”，“.txt”等.后续的版本逐步扩展支持的电子资源格式，并制定私有文件格式Emf.

2.电子书编辑器（EDT）

电子书编辑器的主要功能是编辑、生成电子书资源文件，可生成Emf格式和pdf格式等，并支持常见格式电子书之间的格式转换，可将常见格式转换为Emf格式.

3.我的图书馆（LBR）

“我的图书馆”管理本地资源文件的目录和存储等.主要包含以下功能模块：

（1）本地资源管理引擎LRME.主要功能是管理本地资源文件系统、管理本地数据库与本地文件系统一致性、管理本地数据库中学习信息等内容.

（2）资源同步引擎SYNE.有网络连接时，同步本地资源系统与网上的资源文件服务，将用户订阅的资源下载到本地，并更新数据库；同步U盘中的资源与本地资源系统，将U盘中的资源导入到本地，并更新本地数据库.

4.协同学习客户端（SLCI）

协同学习客户端，负责与协同学习平台交互，开展基于多种学习策略的学习.其主要功能模块以下两个方面.

（1）公共交互客户端模块：可通过平台的公共交互工具实现交互.

（2）Web客户端WBCI模块：一个嵌入客户端的Web浏览器，可以打开协同学习平台上的页面开展学习，具体包括“我的课堂”、“我的作业”、“我的短信”、“我的档案”等功能.“我的课堂”是学习者进入课堂学习的入口，包括学习要求、学习环节、相关资源等栏目.进入后学习者可按照教师设置的主题及其学习流程开展协同学习.“我的作业”包括完成作业、提交作业、查看作业及反馈等功能.“我的短信”是获取教师或其他学习者发送至我的短信，并针对短信内容进行回复.“我的档案”包括个人基本信息设置以及个人学习记录、学习计划等内容.

4.1.2 实现方法

1.数据模型设计

（1）电子书包的学习空间数据模型

本模型为数据模型规范提供了表示格式，并为学习空间制定了通用的数据模型结构和数据模型元素.主要是：支持学习空间及其组件应用目的的理解；支持学习空间的建立和管理；规范本规范中的数据模型实例，及其数据模型元素实例之间的关系.

（2）电子书包的学习环境数据模型

本模型为学习环境提供了数据模型并指定了学习空间服务方面相关的信息.将学习空间的服务及其相关实体作为独立的实体，为其提供定义和实例化的标准方式；为学习空间的学习环境的建立、实施、管理和评价指定技术和架构需求.

（3）电子书包的学习工作组数据模型

本模型为学习工作组的参与者扮演的角色指定了构成部分，为每一个角色指定角色占位符，并将参与者指派到这些角色占位符上.将学习工作组的角色及角色占位符作为对立实体，为其构成提供定义和实例化的标准方式.为学习工作组的建立、实施、管理和评价指定学习空间的成员需求.

2.系统模块

系统模块有：① 电子书（e－Book）阅读器；② 协作学习管理器；③ 我的图书馆具体框架如图8所示.

图8 客户端系统模块图Fig.8 Reference model of client

4.2 客户端服务设计

4.2.1 服务分类

按照功能分类如下：

（1）我的图书馆：打开我的图书馆页面，显示本地所有图书.

（2）我的网络：打开嵌入的Web浏览器，登陆协同学习网站.

（3）我的历史：查看我的阅读历史信息等内容.

（4）我的问题：查看我提出的问题和老师的解答.

（5）同步：与网络同步本地图书馆和数据库信息等.

（6）导入U盘：导入USB电子书资源和内容.

4.2.2 实现路径

电子书包标准体系［12－13］虽然被划分为五个类别，但是作为一个有机的整体，任何一个类别的标准都不能孤立地看待.电子课本与电子书包总体标准是整个标准体系的基础，为整个标准体系的研制提供指导，并规定了学习内容的格式以及内容交互接口；但是电子课本内容的呈现需要学习终端的支持，内容交互也需要虚拟学具标准和学习服务标准的支持.学习终端标准为电子书包规定了软硬件的配置要求，其教学软件配置部分需要引用到虚拟学具标准和学习服务标准的内容.虚拟学具标准规定了在电子书包中可用的学习工具及其接口.学习服务标准规定了电子书包系统中可以使用的服务，为虚拟学具的实现提供了支撑.以上学习中心与客户端设计给出了设计的初步想法与基本思路.如图9所示.

图9 客户端服务分类Fig.9 Category of client serves

5 结 论

本文给出了基于个人学习环境的面向服务架构的设计模式以及设计的系统参考模型，提出了系统服务实现的框架与方法.然后重点探讨了基于个人学习环境的电子书包应用设计框架以及学习中心与客户端的设计方法.本研究对电子书包的教学服务模式的设计与完善具有一定的参考价值.目前，电子书包的研究大体保持在2010年因特尔教育研究院的合作项目规划的三个方向，本研究不仅对面向电子书包的数字化课程环境的设计与开发有一定借鉴作用，而且对个人学习环境下的自主学习的设计，特别是创设个性化学习空间、电子书包终端标准化工作有一定的指导作用.我们相信电子书包通过不断的研究和持续的应用推广，会对中国的教学变革及产业发展产生持久的驱动力.

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