虚拟学具标准研制与设计开发

雷云鹤， 郁晓华， 吴永和， 祝智庭

（1.上海市普陀区现代教育技术中心，上海 200062；2.华东师范大学教育信息技术学系，上海 200062；3.上海数字化教育装备研究中心，上海 200062）

0 引 言

我国电子课本与电子书包技术标准的研制是由华东师范大学牵头，并有业内企业、出版社、示范学校等共同参与的.在我国教育信息化发展过程中，电子书包实验与应用被寄予越来越多的期待.虚拟学具为电子书包提供了不可缺少的学习工具支持.因而随着电子书包的深化应用，虚拟学具将发挥不可替代的作用.当前应用中采用的松散式或套件式的学具架构并不能应对电子书包对学习工具的诉求.电子书包中虚拟学具应根据不同学习目标、内容、个体特征、学习方式和情境实现分级配置.同时，电子书包的构建将表现出基于学科逻辑、任务目标、认知活动和用户特点的有机关联体系［1］.

1 虚拟学具及其标准

1.1 虚拟学具的涵义

虚拟学具的提法是近两年才出现的，其内涵处于不断深化的阶段.与实体学具不同的是，虚拟学具不存在物化的承载体.虽然人们当前更偏好于实体学具，但随着信息技术在教育应用中的日臻成熟，虚拟学具完全有可能走上与实体学具对等的位置［2］.祝智庭教授（2011）认为，虚拟学具主要包括两类：一种是将传统物理性的学习工具以数字化、虚拟化的形式呈现，比如电子词典、虚拟直尺等；另一种是结合认知科学和学习理论的研究成果而设计的用以支持学习活动优化的新兴工具，如概念图工具、群件工具等［1］.为理清虚拟学具的内涵特征，进而发掘它对电子书包研究与实践的实际意义，本文尝试从教育教学、认知理论和娱乐游戏的视角提炼虚拟学具的本质特征和涵义演变（图1所示），以进一步发挥其实效价值.

图1 虚拟学具概念的演变Fig.1 The evolution of concept of virtual learning tools

从教育应用视角看，虚拟学具继承了传统教具与学具在教学活动中发挥的作用，但其最大的差异在于“数字化”.传统的教具和学具是看得见、摸得着的实体工具，而虚拟学具则是应用于数字化学习环境中的，看得见、却摸不着的数字化软件工具.

结合认知科学和学习理论而设计的新兴工具启示我们（如目前用的比较多的概念图工具、群件工具和通讯工具等）：虚拟学具的开发和设计应该更多地考虑学生的认知特征，尽量减少师生使用虚拟学具时的外部认知负荷，从而为内部认知负荷和关联认知负荷留出充足的空间.虚拟学具要实现满足教学需求的目标，就要实现“教学化”的转变.

从乐趣的视角看，虚拟学具继承了玩具的特性.一般来说，玩具的开发是为了实现用户友好、愉悦的娱乐体验，因此设计要尽可能做到人性化、乐趣化.虚拟学具开发应秉承同样的愿景，期望学习者在学习过程中迅速掌握基本操作技能，辅助真正的学习任务.因此虚拟学具的概念中蕴含着玩具开发中乐趣的理念.

广义上讲，虚拟学具是指在信息化环境中，为完成特定的学习活动，用以支撑学生学习的工具软件、平台、虚拟实验室等的总称.研究数字化环境中的虚拟学具时，还需要考虑到教师端与学生端的耦合情况.因此从狭义上讲，虚拟学具包含教师端虚拟学具和学生端虚拟学具，两者在整个系统中形成耦合与对应的关系［1］.

1.2 虚拟学具标准框架

虚拟学具标准是解决电子书包系统中的学习工具互操作问题.它主要由虚拟学具分类规范、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等五个标准规范组成［3］.五个标准规范之间的关系如图2所示：虚拟学具描述标准是最基础内容；学具分类标准为学具描述标准、学具配置标准、学具测评标准提供参考；测评规范建立在分类规范和聚合规范的基础上，并用以指导描述规范和配置规范；配置规范是该系列标准的更接近于实践应用层面的标准，以实践指南的形式指导虚拟学具的配置.

图2 虚拟学具标准框架关系图Fig.2 Framework of standards of virtual learning tools

虚拟学具标准涉及的利益相关者有教育管理者、教育者、学习者以及技术开发者.本系列标准的目的是为学习者和教育者选择适当的学具提供类别参考；为技术开发者的学具开发提供更直接明确的参照标准；辅助管理者、教育者和学习者完成包括核心、可选、扩展学具在内的不同学具的配置.在实际指导意义与对应关系方面，分类规范、描述规范、测评规范主要用于学具的选择；配置规范、测评规范和聚合规范共同指导学具的开发；配置规范和聚合规范指导虚拟学具的应用.

1.3 研制原则

电子书包中虚拟学具标准的研制遵循实用性、引领性和协调性的原则，力求研制一套有效、实用的标准体系，能对教育行业、软件行业、出版行业等起到引领性作用，促进电子书包与电子课本的研究和发展.

第一，实用性原则.虚拟学具标准的预期使用者包括教育者和学习者、教育主管部门领导及相关工作人员，虚拟学具提供商及相关从业人员，第三方测试认证服务机构、监理机构及行业协会组织等.因此，标准的研制始终坚持从最终用户的需求出发，以服务于最终用户为目标.研制思路自始至终秉承着实用、适用的理念.

第二，引领性原则.虚拟学具是电子书包系统中的一个新事物，对于大多研究者、潜在用户来说都是一个比较陌生的概念.从涵义界定来看，虚拟学具也并不是一个空洞的概念，而是建立在大量学习工具研究基础之上的.本文希望相关研究在不断优化虚拟学具研究范围的同时，更注重对今后在虚拟学具开发、应用方面起到导向和引领的作用.

第三，协调性原则.本标准规范是在协调行业专家、多家软件公司、教育工作者等人员意见的基础上进行开发的.从最初的原型开发，到研究过程中的个别访谈、问卷形式征求意见，再到一系列的研讨会，我们都广泛所取吸纳各方单位和代表人员的意见，不断进行修正，并力求在相关参与企业、专家之间通过协商合作达成一致.

2 虚拟学具分类标准研制

虚拟学具分类标准主要服务于电子书包系统中虚拟学具的选择与定位.该标准的作用有三：一是为开发者提供教育教学行业应用标准，通过分类维度的说明与应用解析，对开发者的行为产生导向作用；二是为教育管理者或教师提供虚拟学具范畴，有助于他们更快速便捷地查找、获取和使用适当的虚拟学具，实现电子书包系统环境下虚拟学具的互操作；三是有助于虚拟学具开发整体局势的均衡，并促进虚拟学具的开发走向多样化、专门化和微型化.

2.1 研制路线与过程

虚拟学具分类标准的研制主要表现为基于设计的研究路线，研究过程具有累次迭代的特征.虚拟学具分类标准主要经过三个阶段的迭代和优化：第一阶段主要是分类维度理论原型的抽取；第二阶段通过基地学校调研、专家访谈等大量研究后对分类维度进行优化；第三阶段通过反复调研与沟通，对维度进行微调，并开发设计了一套虚拟学具的编码方法.

2.1.1 第一阶段：分类维度的理论抽取

研究初期，通过对 Webtools4U2Use，Collegeathome，Web 2.0in Education，数字化布鲁姆，尼尔森在线的社会媒体等不同学习工具分类的研究，分析了国内外不同的工具分类侧重点及对本研究的指导意义.结合我国教育教学的实际情况，本研究在考察当前学习工具分类情况的基础上，抽取并确定了学习任务、认知水平、学习偏好、功能、学科领域、学段、教学事件、学习场景等维度，如表1所示.

根据这一阶段的研究结果，专题小组编制了相应的调查表，并对在相关教育单位、企业公司中进行了初步调查，征询了标准组成员单位对虚拟学具标准理论框架的初步意见.

本研究中的问卷调查不强调量化研究，而是旨在对教育人员、企业等进行调研，收集虚拟学具标准组各成员单位及个人的意见，通过协商交流，最终达成一致.研究者同时针对本次问卷调研的问题选取了部分教师进行个别访谈与交流，发现问卷未能有效完成的主要原因是：调查对象对问卷中各分类项的涵义不能准确理解.通过分析，我们发现当前确定的分类维度存在以下问题：

·分类维度的实用性不足.

·各维度的涵义不明确，模棱两可.

·学习任务和功能两个维度分类项中部分子项重叠，有冗余之嫌.

·学科领域的划分过于细致.目前市面上存在的虚拟学具基本都是可用于两个以上学科的，很少有单独用于一个学科的学具.

2.1.2 第二阶段：分类“实用”化

在第一阶段对相关企业公司、专家、中小学一线教师进行调研的过程中，我们发现初步构建的维度存在一定的问题，因为本研究主要是在综合梳理其他相关研究的基础上形成的，这些分类研究与本研究的服务对象不同、期望价值不同，因此不具有绝对的引用价值.本阶段从初始阶段提炼出“实用”的重要性，并强调“实用”对于标准研究的实践价值.鉴于第一阶段中分类维度的理论意义大于实践意义，其“实用性”不足造成了标准进一步制定进程中的难题.因此，通过咨询专家及相关企业、一线教师，我们总结得出以下几个问题：

（1）从用户（教育管理者、教师和学生等）的立场看，使用虚拟学具时最迫切的需求是什么？最关心的是什么？

（2）国外的学习工具分类办法是否直接适用于电子书包中虚拟学具的分类？

（3）虚拟学具分类的最终目的是什么？

显然，对这三个问题的解答直接关系着所制定标准的可用性、有效性和实用性.因此，在第二阶段的研究中，将着力于解决上述三个问题，并借此优化虚拟学具分类维度框架.对上述三个问题的大致思考如下.

（1）作为用户，在使用虚拟学具时，首先关心的是虚拟学具能够实现什么功能，接着会考虑是否能够解决当前的问题，完成自己的任务.

（2）当前国内电子书包的研究主要还是针对基础教育的课堂教学进行的，而国外学习网站如C4LPT和Webtools4U2Use中的分类信息大多是根据成人学习者或工作中常用的学习工具进行收集的.因此虚拟学具的使用不能完全借鉴国外知名网站的学习工具分类法.

（3）虚拟学具分类是为了电子书包系统中虚拟学具的配置，为教育者和学习者使用最恰当的虚拟学具支持教与学活动提供参考.

在此基础上，我们对分类维度进行了精简、精细和通俗化处理，舍弃了认知水平、学习偏好、教学事件等维度，并将功能与任务两个维度进行了合并处理，最终将原来八维度的分类修改为五类（见表2），并确定了词汇表.

2.1.3 第三阶段：再次优化与编码方法的制定

在回答第二阶段中第3个问题的同时，为了能够进一步规范虚拟学具的发展与应用，本研究参考《中国图书馆图书分类法》中对于图书的编码格式，尝试开发了一套虚拟学具编码办法，希望能够将电子书包中的虚拟学具进行有序、规范化处理.该编码为了能够保证经过规定程序认定的虚拟学具具有唯一的ID号，我们将所有的经认定的虚拟学具将被放置在一个类似于图书馆的“虚拟学具馆”中，这样学习者、教育者和管理者可以通过简便的查找办法获取与需求匹配的虚拟学具.

表2 虚拟学具分类维度（二）Tab.2 Dimensions of classification of virtual learning tools（No.2）

2.2 分类词汇表

根据上述对虚拟学具五个维度的分类，包括功能、学科、学段、使用对象、技术粒度等.我们分别开发了相应的词汇表.这五个词汇表的开发是在参考了大量相关文献和研究，并深入调查了一线教师和课堂的实际情况后，最终归纳形成的.

功能词汇表.由于任何虚拟工具的功能都不是孤立存在的，因此在确定功能词汇表时仅考虑主要应用功能，而忽略其他次要功能.主要功能与次要功能的区分主要考虑软件工具开发者的开发目的.

学科词汇表.本研究的重点是服务于电子书包中的虚拟学具配置，最终使用对象主要是在基础教育领域，包括幼儿园、小学、初中、高中等.因此学科词汇表综合参考《九年义务教育全日制小学、初级中学课程方案（试行）（1992年）》和《普通高中课程方案（实验）（2003年）》，将这两个课程方案中相同学科（如语文与语文）项进行了合并，对不同学段的相似课程（如思想品德与思想政治）作为单独的科目分别列入词汇表，而不进行合并处理（即合并相同项，区分相似性）.

学段词汇表.本研究主要以基础教育阶段中的电子书包应用为主，因此在综合考虑学生的身心发展和年龄特征、认知水平、各学科的教学需要，以及教学管理等因素的基础上，将学段划分为六个阶段：幼儿段、小学低年级段（1—2年级）、小学中年级段（3—4年级）、小学高年级段（5—6年级）、初中段（7—9年级）、高中段.

使用对象词汇表.根据使用对象的不同，可以划分为教师用虚拟学具、学生用虚拟学具、师生用虚拟学具、教师主控型虚拟学具.

技术粒度词汇表.根据虚拟学具技术粒度的不同，可将虚拟学具分为系统平台、课件、插件等.系统平台类虚拟学具具有独立完整的平台功能.课件是指细化到知识点粒度的教学应用课件，插件类虚拟学具是采用插件的结构，在系统平台上安装一系列小的功能结构，通过接口向外部提供自己的服务.

2.3 虚拟学具编码方法

虚拟学具的编码主要从利于用户查找和检索的角度出发，采用中文大写字母A—Z与阿拉伯数字相结合的方式对学具进行分段式编码.学具的编码取值包括六部分内容，分别为功能、学科、学段、使用对象、序号.其中第一段为功能，第二段为学科，第三段为学段，第四段为使用对象，第五段为同种类型学具的序号.下面是一个实例：该虚拟学具的在“虚拟学具馆”中的ID号为“029.B.1.S.0000”，图3对编码值各部分内容进行了说明.

图3 虚拟学具编码实例示意图Fig.3 An example of coding of virtual learning tools

功能分为通用、概念图、网站制作、文稿演示、时间表制作、动画卡通、绘图工具、浏览跟踪、照片娱乐、调查投票、讨论工具、媒体剪辑、图表图示、地图工具、音乐工具、电子书工具、文档处理、思维训练、合作工具、屏幕共享、替身制作、测验游戏、视频剪辑、流媒体制作、可视化搜索、评估工具、建模工具、网页裁剪、远程监控指导、语音文字转化、数据可视化等等，分别用0、1、2、3、4……28、29、30数字表示.

学科是通用、语文、数学、自然、社会、音乐、美术、体育、思想品德、思想政治、英语、俄语、日语、物理、化学、生物、历史、地理、劳动技术、艺术、音乐、美术、体育与健康、技术（通用技术和信息技术）、研究性学习、社会实践等等，分别用A、B、C、D……Y表示.

学段分为通用、幼儿段、小学低年级段（1—2年级）、小学中年级段（3—4年级）、小学高年级段（5—6年级）、初中段（7—9年级）、高中段，分别用G、K、A、B、C、J、H 表示.

使用对象为教师用、学生用、教师主控、师生共用，分别用T、S、B、G表示.

序号采用特殊的编码方法.该编码中包含了公司名称、申报日期等信息.通过加密计算并转化成序号的表示代码.该序号使用MD5加密算法（Message－Digest Algorithm5）.

3 虚拟学具描述标准研制

虚拟学具描述标准主要服务于电子书包系统中虚拟学具的开发与选择.虚拟学具描述标准对基本属性进行描述，对开发起到基础的规范作用.学具开发者在提供虚拟学具时，可按照描述标准对开发的虚拟学具进行基本的元数据描述，方便电子书包系统中虚拟学具的后期装配.对于教育管理者和教育者来说，虚拟学具经过规范化描述，能够为他们提供直观、完整的虚拟学具基本信息，也就提高了虚拟学具的选择和应用的便捷性.

虚拟学具描述标准的核心在于对虚拟学具元数据的描述，其中包含基本信息描述、拓展信息部分和个性化信息加载.对应在虚拟学具元数据中，表现为基本层次、学习层次和扩展层次三部分.虚拟学具描述标准的研制本着“继承”的原则，充分吸收学习对象元数据描述中的研制思路和内容结构.

3.1 第一阶段：元数据的理论映射

本研究在对虚拟学具元数据进行定义时，完成了从学习对象元数据到虚拟学具元数据的映射关系.考虑到虚拟学具本身自有的特征，在进行虚拟学具元数据描述时，我们直接继承和引用了CELTS LOM中的通用、生存期、权利、技术等项［4］，舍弃了其他项.

由于在虚拟学具标准中，术语“通用”已经用来表示支持两种或两种以上不同功能、学科等的学习工具.所以在元数据描述中，我们使用术语“工具概述”来代替CELTS LOM中的“通用”.在生存期、权利和技术方面，虚拟学具元数据与学习对象元数据不存在差异，因此可以直接引用学习对象元数据中的描述.

由于虚拟学具的分类在虚拟学具的应用中发挥着至关重要的作用，因此在元数据描述中，应该强调“分类”项.但是虚拟学具元数据描述中的“分类”不同于学习对象元数据中的“分类”，应该拓宽其内涵.研究直接引用虚拟学具分类标准中的分类维度和词汇表.

3.2 第二阶段：从“实用”角度细化描述

在完成了从学习对象元数据到虚拟学具元数据的理论映射以后，沿着“实用”的思路，我们将虚拟学具三个层面分别确定为基本层次、学习层次和扩展层次.基本层次包含虚拟学具元数据的基本信息描述，涉及工具概述、生存期、权利和技术等方面.学习层次的确定主要是根据虚拟学具分类标准中的分类维度和词汇表来确定的，主要是为了支持数字化环境中的学习与教学.扩展层次包含工具形态、数字环境支撑和个性化设置等方面，即为了满足学习者和教学者个性化的需求而进行扩展的性能和功能描述.虚拟学具元数据的基本数据结构如图4所示.

图4 虚拟学具元数据描述概览Fig.4 An overview of metadata of virtual learning tools

3.2 第三阶段：元数据概念模型

基于上述理论模型我们编制了虚拟学具元数据分类项调查问卷，并发放调查问卷，回收反馈结果，同时进行个别化访谈.根据反馈意见我们修正了虚拟学具元数据模型的原型结构，最终确定的虚拟学具概念模型包含十二个基本概念，分别为工具概述、权利、技术、生存期、功能、学科、学段、使用对象、技术粒度、评述、个性设置、数字环境支撑等.

如图5所示，虚拟学具描述概念模型是基本层次包含虚拟学具基本的信息数据，包括名称、权利、技术、生存期等，通过这一层次对虚拟学具的基本配置信息进行描述；学习层次包含教学与学习服务的支持属性描述，如服务功能、适用范围、适用评注等，可满足虚拟学具互动教学和按需关联设置方面的需要；扩展层次涉及个性化设置、数字环境支撑等个性化属性特征，用以满足更高级的个性化服务的需求.

图5 虚拟学具描述概念模型Fig.5 Conceptual model of description of virtual learning tools

4 其他标准研制思路

4.1 虚拟学具测评标准

虚拟学具的测评标准主要分析虚拟学具在测评过程中需要考虑的因素.通过第三方测评机构，对提交的虚拟学具进行基本信息、学习服务支持等方面的评测，决定其是否可以进入虚拟学具的备选库.虚拟学具的测评标准仅提供测评的主要内容项，具体的测评权重和测评结果将根据实际情况决定，所以虚拟学具测评标准中各指标项的权重不在本研究范围之内.

4.2 虚拟学具聚合标准

虚拟学具聚合标准的最终用户是虚拟学具的开发者和教育管理者.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，因此当在装配到电子书包系统中时，就要制定统一的标准规范，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虚拟学具之间的调用和整合问题，同时提供虚拟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，建立关联的两个虚拟学具之间调用时应遵循的编码规则、通信机制和技术细节等不在本规范的研究范围之内.

4.3 虚拟学具配置标准

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一定的自主空间，教师可以根据不同的教学活动、不同学生的学习特征灵活地配置虚拟学具集.如图6所示，核心学具集适宜所有相同学段、相同学科的教学和学习活动，支持学段与学科层面的配置；可选学具集的配置因学习活动的不同而不同，即支持学习活动层面上的学具配置；扩展学具集配置因学习者不同而异，配置时充分考虑学习者的个性化特征.

图6 虚拟学具三级配置图Fig.6 The configuration of virtual learning tools

5 总结与展望

如今的软件产品和学习工具种类繁多，质量参差不齐；要将其引入电子书包系统，并应用于教学领域时，应当遵循一定的技术规范，实现工具与数字环境的整合与融合.虚拟学具系列标准能够指导教师、学生、管理者、开发者在虚拟学具的开发、选择、配置和应用上更加有序，有效，高效.

本研究中虚拟学具标准草稿的征询意见范围相对较小，局限于有限的软件公司技术人员、专家和基础教育一线教师.此外，标准草稿的后期实证和迭代优化环节相对薄弱，有待进一步强化.我们期待在后续的研究中，继续完成对分类和描述标准的理论模型的多次迭代优化，保证标准的科学性和先进性，并完成对其余三个标准的研制与开发；广泛听取基础教育管理者和一线教师的意见，以最终服务于用户为导向，促进虚拟学具标准的可持续应用与发展；与技术开发人员协商合作，引领学具开发向着有利于电子书包应用的方向发展.

在电子书包的实际意义从“虚”的减负向“实”的学习方式变革转化的过程中，数字资源内容和数字化软件工具是重要的桥梁.虚拟学具作为数字化学习环境必需的学习工具，在电子书包中也将发挥重要作用.

［1］ 祝智庭，郁晓华.电子书包系统及其功能建模［J］.电化教育研究，2011（4）：27－34.

［2］ 郁晓华.幼儿多触控虚拟学具的研究与设计［J］.中国电化教育，.2011（1）：133－137.

［3］ 郁晓华，雷云鹤，祝智庭，吴永和.变革理念下虚拟学具标准研制现状梳理与体系框架.现代远程教育研究，2013（2）：68－75.

［4］ CELTSC.学习对象元数据标准［DB／OL］.［2012－12－19］.http：／／www.celtsc.edu.cn／.