基于学习行为记录与分析的电子书学习系统研究*

陈 矛，戴 苗，罗 航，王华鑫

（华中师范大学 国家数字化学习工程技术研究中心，湖北 武汉430079）

基于学习行为记录与分析的电子书学习系统研究*

陈 矛，戴 苗，罗 航，王华鑫

（华中师范大学 国家数字化学习工程技术研究中心，湖北 武汉430079）

通过电子书学习系统可以捕获到大量的学习行为数据，如何从海量数据中快速有效获取有价值的信息并有效利用这些大数据是目前教育信息化领域亟需研究的问题。该研究设计了一种基于云平台之上的电子书学习系统，该系统实现了对学习者行为数据的完备收集、分析和可视化呈现。文章给出了电子书学习系统的需求分析和设计框架，并详细阐述了各模块的功能。

电子书；学习行为记录与分析；学习系统

引言

大数据领域近年来蓬勃发展，作为大数据的细分领域，教育大数据具有推动教育变革的巨大潜力。[1]通过记录学习者的各种学习行为，然后利用机器学习的方法来分析挖掘收集到的海量学习行为数据，可以更加深入地考察学习行为与学习效果之间的关系，有助于教师提前发现教学和学生学习中的问题，改进教学策略，同时也可对学生的学习效果进行更为精确的预测。

完备、详细的用户学习行为记录信息，是开展教育大数据分析的前提和基础。本研究提出了一种能够支持用户阅读电子书、记录用户在阅读和使用电子书过程中各种学习行为信息的学习系统和管理平台，为研究和分析学习者学习行为与学习效果之间的关系、改善基于电子书的学习模式以及进一步优化基于电子书的教学管理和学习提供了技术支持。

一、基于电子书学习系统的学习行为记录与分析

通过采集并记录学生的学习行为来研究和分析学生的学习现状，有针对性地加以解决，是提高人才质量的关键。[2]电子书学习系统可以在课前、课中、课后全过程实时记录用户的行为和学习信息，基于这些信息，利用数据分析和机器学习技术，分析出学生的学习进展并及时做出反馈，可以帮助学习者认清自己的学习习惯和偏好，采取对应的学习策略来提高学习的成效。

我们将系统记录的学习者学习行为信息分为如下三部分：①学习者相关信息。包括学习者身份信息，如姓名、性别、年龄、年级、班级，系统属性设置信息等。其中，学习者身份信息是教师进行学情分析，分析同一课程对不同班级、不同性别学习者的教学效果的重要信息。②学习者学习情况。主要包含学习者对学习内容的学习进度、停留时间、学习次数、作业完成情况等。此部分信息对教师掌握学习者学习情况是相当重要的。例如，我们可以通过学习者对学习内容的点击次数分析，推送学习者感兴趣的学习内容。③学习者交流互动情况。主要指学习者对某门课程或某一书籍提问、评论或回复情况。

为了更好地满足实际教学的需求，发挥电子书这一资源形式的优势，就需要在电子书学习系统中融入更多的功能和手段来支持多种常用的教学模式，包括翻转课堂、个性化学习、探究式学习等。个性化学习模式下，学习者的学习一般是非线性的，即学习者并不是按照书上的章节从前到后的顺序学习。此时系统主要是学习者学习内容的记录。呈现个性化的学习界面，告知学习者，哪些知识点已经学习过、学习多少遍了，哪些知识点还没学习，每一章节的学习进度如何，学习者可以据此有选择地针对性地进行学习。[3]此外，本系统通过对电子书资源和教学视频资源的整合、学习者学习行为记录以及学习行为的统计分析与可视化，克服了翻转课堂教学模式下学习者无法有效开展交流讨论、教师对学生的学习进度无法准确把握等不足，为学生提供了良好的学习环境，能更好地服务于翻转课堂教学。

二、电子书学习系统总体设计

基于对一线师生实际教学需求和市面上已有电子书阅读软件的分析，电子书学习系统应具备打开并显示电子书、标注、属性设置（如字体大小、屏幕亮度设置等）、资源下载等基本功能。此外，为了使本系统能适用于信息化程度日益提高的教学环境，支持教师开展多种教学模式，同时也使学生能够获得更多的学习资源和交互手段，我们提出了如下3个关键功能需求，并将它们引入到本系统中。

（1）强大的后台支持

数字学习资源是传统学习资源的拓展和延伸，它的功能比传统学习资源更为广泛。[4]为满足学生的需要，系统应为学习者提供丰富的后台资源。本系统中的云服务平台为系统提供了强大的后台支持，用户可随时访问存储于平台之上相关的学习资源。除了存储丰富的学习资源，云服务平台还可存储用户的学习行为数据。此外，平台上的资源可实现实时、动态更新。

（2）全过程的学习行为记录

学习者利用电子书包的学习，从本质上看是以自律为主的学习，教师不能实现对学习者进行面对面的实时监控，学习者也面临着在学习方向上缺乏针对性、内容上缺乏针对性等问题。[5]应用电子书学习系统开展学习活动，会遇到类似的问题。因此，实现对学习者学习行为的全过程监控记录，是本系统不可缺少的功能。

全过程的学习行为记录是对学生应用电子书过程中学习行为信息的完备记录，包括对学习资源的操作（如上传资源、下载资源、阅读、注释、检索等）、交互行为（包括学习者与学习者之间的交互、学习者与教师的交互）、作业测试、资源更新等一系列信息，为下一步的学习行为统计分析与反馈提供数据源。

（3）学习行为的统计、分析与可视化

众所周知，传统课堂是一种单向的信息传递，教师是信息的输出者而学生是接收者，其最大的弊端是学生在学习的同时无法向教师及时反馈有效信息，从而影响了教与学的质量。[6]本系统将对学习者学习行为信息进行统计和分析，并以可视化的形式呈现出来。学生可以利用学习行为统计与分析功能随时跟进自己的学习进度，教师也可以随时跟进学习者的学习情况，为学习者提供个性化的学习指导和建议，并可帮助教师及时发现教学过程中和学生学习中的问题，进而改进教学策略，做到因材施教。

三、电子书学习系统实现

1.学习系统实际框架

基于以上设计需求，在借鉴已有电子书阅读软件的基础上，我们设计了如图1所示的系统框架，主要包括云服务与接口、管理平台、阅读器、学习行为记录四大功能模块。

图1 电子书学习系统框架图

云服务与接口模块是本系统的基础，它为管理平台、阅读器、学习行为记录三大模块提供了接口服务。其中，学习行为数据接口与规范明确了学习行为记录的标准，并提供了对应的接口API来存储用户学习行为数据；数据存储与获取数据接口则为管理平台和阅读器模块提供了一系列的数据存、取服务API；文件上传与文件下载则为电子书的上传与下载提供服务接口，其中云服务平台中汇聚了丰富的电子书资源供用户下载；信息推送为教师提供了选择图书，并向学生推送选定书籍的功能。信息推送功能是本系统的特色功能之一，它的实现一方面有助于教师拥有更多的手段丰富教学内容和策略，另一方面有助于教师推送给学生个性化的学习资源。

电子书管理平台主要用于管理书城和书架，包括设置、管理、预览、阅读、下载、评论、排行、导航、检索等具体功能。用户在使用管理平台过程中产生的行为信息也被实时记录，并通过接口与服务模块更新到云服务平台。

电子书阅读器是本系统的主要组成部分。它实现了EPUB3.0电子书的解压与解析功能，从而可以显示电子书中的文本、图片、视音频和交互等多媒体资源。借助阅读器，用户可以像传统阅读那样查看电子书目录、翻页、阅读，并可在电子书上添加笔记、标注、标签等操作。

学习行为记录模块实现了学习者全过程的学习行为记录，记录的信息主要来源于用户在使用管理平台和阅读器过程中产生的行为信息，并通过接口与服务模块，与云服务平台实现信息同步。学习行为的统计结果以图表等可视化形式呈现，用户可随时查看。

2.界面与功能实现

作为支持学习行为记录与分析的电子书学习系统要具备电子书阅读、管理及辅助学习者学习等功能。根据系统设计目标和特点，系统主要功能如下：

（1）属性设置

属性设置支持用户对电子书学习系统的属性进行个性化设置，根据学习情境及使用偏好的不同，本系统支持用户对字体颜色及大小、背景颜色、屏幕亮度、电子书内容排版方式等进行调整设置，以构建个性化的阅读环境。

图2 电子书阅读器阅读界面

图3 学习行为记录与分析功能结构图

（2）账号管理

用户使用账号密码登入系统。系统支持用户进行个人信息注册、更新、修改等。用户登录系统后，使用电子书学习系统中的各种数据将通过接口同步至云平台。在用户更换终端设备后，相关信息会同步至新终端设备中，以保证学习的延续性。需要说明的是，教师账号和学生账号所具备的功能是不同的，教师账号具有班级创建及管理、答疑讨论、作业批改及管理等功能；学生账号具有加入班级、问题讨论、作业管理的功能。

（3）书架管理

书架管理功能帮助用户方便地整理、查找和阅读书架上的电子书，主要包括显示模式、书籍管理、排序和本地书籍四大功能。显示模式包括“封面模式”和“列表模式”两种，其中“列表模式”主要以文本方式来展示书籍信息，而“封面模式”则以图片形式呈现书籍信息，可视化效果更好，但其所需显示区域更大。书籍管理可让用户在书架上建立分组，以对电子书进行分类管理，并可对已有分组和书籍进行删除。排序功能实现了依据“书籍名称”、“入架时间”、“阅读时间”等属性对书架上的电子书进行排序。本地书籍主要是方便用户检索、管理终端上的电子书，并可把本地书籍导入电子书学习系统。

（4）电子书阅读器

电子书阅读器是整个电子书学习系统的核心功能，用于打开、解析电子书，将电子书上的文本、视音频、交互资源等所有内容展示给用户。阅读器可使用户像阅读传统书籍那样查看目录、翻阅电子书，并可获得传统阅读中没有的交互体验和众多便捷工具，其中阅读界面如图2所示。阅读器的具体功能有：①翻页。用户可根据个人习惯在移动终端显示屏上用手指滑动翻页，也可点击“上一页”、“下一页”图标来实现翻页，同时支持页面之间的超链接跳转。②标注。对所选文字内容进行高亮标记或添加笔记，同时也可对已有高亮标记和笔记进行删除操作。③书签。用户可对选定的页面进行标记，方便日后查看。④搜索。方便用户在电子书中迅速定位特定内容。⑤词典。提供用户生词查询，可拓展为生词本等。⑥朗读。可将用户选中的文本内容直接朗读出来。

（5）书城

书城为用户提供了丰富的电子书资源，可供用户预览、下载。书城主要功能包括：①导航。为便于用户查看和浏览书城书籍，书城按照学科对书架进行分类显示。此外，系统根据用户身份（小学、初中、高中、大学学生或教师等）、用户以往使用信息以及相似用户群体的使用信息(预览、下载、收藏和评论等)，实现了“为您推荐”、“新书快递”等个性化智能推荐功能。②排行。根据系统所有用户之前的预览、下载、评论和收藏记录，书城提供了“预览排行”、“下载排行”、“评论排行”、“收藏排行”功能，便于用户把握书城的整体使用情况，同时也可给用户提供借鉴和推荐信息。③专题。专题是根据某些特定的主题（例如中考、高考、外语考试）对相关书城书籍进行组织并呈现的一种方式。④搜索。用户可按照书名、作者等关键字搜索书城的电子书。⑤预览与下载。在如上每一个模块中，用户可以通过点击页面上电子书标题，浏览作者、出版社、内容简介和目录等基本信息，也可下载感兴趣的书籍。⑥评论。用户可对电子书内容进行评论，同时可查看其他人对本书的评论内容。⑦收藏。支持用户对感兴趣的电子书进行收藏。

（6）学习行为记录与分析

学习行为记录与分析功能实现主要包括三个部分——信息采集、数据分析、可视化。在图3所示的功能结构图中，当学习者使用本系统后，系统开始记录学习者行为信息，如表1所示，并将得到的学习行为数据送到原始数据库；接着，系统对原始数据进行预处理、归一化、统计与分析，并将结果存入学习者信息数据库以更新学习者信息。当用户请求发出查询命令时，系统在进行用户权限判定后把用户需要的信息反馈给用户。

基于反馈而得的可视化信息，学习者可以及时了解自身的学习进度及知识掌握程度，从而对自己的学习目标进行调整与修正。同时，教师可以查阅学习者个体以及整体（小组、班级或年级）当前或以前某个时刻的学习状态，以整体把握教学进度。

表1 用户不同类型学习行为的记录信息

四、总结与展望

基于大数据环境下，通过对学习系统中所记录的学习行为数据的有效分析，了解学习者对学习系统的使用特点，可以有效指导面向学习者的个性化知识呈现与选择。本文介绍了一款支持学习行为记录与分析的电子书学习系统。本系统具有较为友好的交互界面和丰富的学习辅助功能。本系统的实现，对开发更为成熟的电子书阅读产品具有一定的借鉴意义，对提升电子书在教育领域中的应用具有一定的推动作用。目前，本系统仅是一个基本版本。下一步，我们将在进一步完善和丰富系统功能的基础上，开展示范应用和教学应用效果实证研究，为我国电子书方面的教育应用研究做一些尝试和探索。

[1]孙洪涛,郑勤华.教育大数据的核心技术、应用现状与发展趋势[J].远程教育杂志,2016(5):41-49.

[2]马悦.基于加速度传感器的学生学习行为采集与分析系统[J].信息通信,2016(4):160-161.

[3]邓永炎.教学网站记录学生学习过程研究[J].武汉冶金管理干部学院学报,2013(1):64-65.

[4]陈时见,王冲.论网络学习资源的意义、功能与类型[J].电化教育研究,2003(10):50-54.

[5]郭巍.网络学习行为监控可视化系统的设计与实现[D].辽宁师范大学,2010.

[6]蒋文玲.面向自主学习的互动式网络学习系统分析[J].中外交流,2016(13).

G40-057

A

1673-8454（2017）23-0041-05

本文得到华中师范大学中央高校基本科研业务费项目(项目编号：CCNU15A02006)和国家科技支撑计划课题“中国地方志数字化关键技术研究与演示平台设计”(项目编号：2015BAK07B00）的资助。

（编辑：王天鹏）