基于云端环境的EPUB3.0电子书学习系统设计与实现

摘要：随着互联网技术的发展和个人移动终端设备的普及，“云服务+终端”模式已成为数字化学习环境的主要特征。作为云端环境下数字内容服务的重要组成部分，电子教材已经成为当前研究的重点。EPUB3.0是新一代电子书国际标准，尤其适合新型电子教材的制作和出版。本文探讨了EPUB3.0电子教材的功能特性与优势，分析了电子书学习系统对情境化学习、个性化学习及社会化学习的功能支持，设计并实现了一种基于云端环境的EPUB3.0电子书学习系统。

关键词：云端环境；EPUB3.0；电子书；电子教材

【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009-8097（2014）01-0119-08

引言

随着云计算与移动通讯技术的不断发展，以及电子书阅读器、平板电脑、智能手机等便携式终端设备的普及，移动阅读己成为人们的一种生活方式，也逐渐改变了人们的思维习惯与学习方式，形成了从电子学习到移动学习，再到泛在学习的发展变革。

电子书是电子阅读环境中知识内容的承载者，也是构建新型数字化学习环境的重要内容保障。深入研究与探讨电子书的格式标准、设计开发、阅读软件与平台服务等一系列问题，构建基于云服务平台与数字化学习终端的电子书学习系统，是电子书和电子教材应用与推广的前提，也是促进电子阅读与数字化学习融合的重要环节。

一、电子书格式标准与EPUB3.0阅读软件

1.电子书格式标准与电子教材出版

电子书是指以数字形式制作、出版、存取和使用的出版物，通常需借助一定的阅读软件和电子设备进行读取。新媒体联盟（NMC）的The 2010 Horizon Report与The 2011 HorizonReport两个报告都指出电子书将在未来2～3年发展成熟并深刻影响教育领域。电子教材是一类遵循学生阅读规律、有利于组织学习活动、符合课程目标要求、按图书风格编排的电子书或电子读物。相对于传统的纸制教材来说，电子教材具有易于保存、更新和传输的优点。

目前，国内外电子书格式多达数十种，比较常用的格式包括PDF、KF8、CEB、AZW、UMD、PDG、MOBI、CAJ、VIP、iBooks、EPUB等。其中，以PDF为代表的面向印刷流程的固定版式电子书标准，能够比较真实地反映原文档的格式、字体、版式和图片等要素，但不支持自动排版，缺少文档逻辑信息和富媒体、强交互特性，并不适合新型电子教材出版。随着跨媒体出版的兴起，尤其是目前电子书的载体逐步向移动媒体终端过渡，许多大型IT公司都推出了基于XML并能支持HTML5、CSS等Web技术的新一代电子书格式标准，如亚马逊的KF8、苹果的iBooks及国内方正的DPUB等。这些新格式标准能够有效满足新型电子教材在多种终端上的应用需求，但不同企业出于保护自身商业利益与内容资源等因素的考虑，各自所支持的私有格式之间难以统一和兼容，导致内容资源和阅读系统重复开发问题严重，也严重制约了电子教材的发展与普及。同时，各公司通常将其私有格式电子书与阅读软件、阅读器硬件终端及数字内容平台关联绑定，形成一个极为封闭的系统，难以适用于数字教育出版的发展与应用需求。

2.EPUB3.0标准的功能特性

EPUB是国际数字出版论坛IDPF（International Digital Publishing Forum）的电子书开放国际标准，自以来得到了众多终端厂商、平台开发商及主流出版商的支持与认可，已逐渐成为开放电子书格式的主流标准。IDPF自2006年以来先后了多个EPUB版本，其中，EPUB2.0得到了以E-Ink技术为基础的专用电子书阅读器的普遍支持。专用电子书阅读器的主要优势是低功耗和视力保护，但同时存在不能支持动态媒体格式、翻页速度慢、交互性不强等缺陷。随着平板电脑等新一代数字化学习终端的快速发展，其良好的动态富媒体支持及自然人机交互体验对电子教材提出了更高的要求。祝智庭等认为新型电子教材应该具备开放性、关联性、互动性与富媒体性。面对终端设备和Web技术的最新发展趋势，IDPF于2011年了EPUB3.0标准。EPUB3.0支持丰富的数字化媒体、多样的内容布局与呈现方式、深度用户交互以及动态驱动和响应，能更好的满足新型电子教材的出版需求。

（1）富媒体性

EPUB3.0标准支持在电子教材中嵌入音频、视频、SVG矢量图以及基于MathML语言的数学公式。此外，EPUB3.0标准利用同步多媒体集成语言SMIL（Synchronous Multimedia IntegrateLanguage）能够将音频剪辑片段与文本对象关联，实现电子教材中文本对象的点读功能。

（2）强交互性

基于HTML5、CSS及JavaScript脚本语言，EPUB3.0电子教材内能够嵌入和集成各种交互性的教学活动，包括互动教学游戏以及单选、多选、填空等多种客观题型的评测与反馈。

（3）关联性

EPUB3.0标准在元数据中引入链接元素“link”，能够引用和关联与电子书相关的各种资源。此外，EPUB3.0制定了一套片段标识符规范CFI（Canonical Fragment Identifier），用于描述电子教材中任意内容的标识和链接方式。学习者可以将学习过程中的生成性信息与电子教材中的各种对象进行精确关联，实现学习资源的动态生成和进化发展。

（4）开放性

EPUB3.0作为一个开放的国际标准对任何个人与组织都是透明和免费的，它不但支持如HTML5、CSS3、DAISY等开放技术和标准，同时也支持如SVG、OGG、WebM等开放、免费的媒体文件格式，从而为电子教材的制作与开发提供了一个自由开放的环境，有利于EPUB3.0格式电子教材的推广普及与内容互操作。

3.EPUB3.0电子书阅读软件的现状

随着EPUB3.0不断推广普及，其逐渐得到了许多知名阅读软件的支持，如Adobe公司的Adobe Digital Editions，苹果公司iPad上的阅读软件iBooks，索尼公司的Sony Reader等。此外，一些公司与机构也都推出了专门支持EPUB3.0的阅读软件或系统，如IDPF开发的开源软件项目Readium，InfogridPacific公司开发的AZARDI，AEL Data公司开发的Lektz eBookReader，Bluefire Productions公司开发的Bluefire reader以及香港应用科技研究院开发的ASTRI-Bee等。尽管以上阅读软件能够支持EPUB3.0标准，但难以满足云端环境下电子教材的应用需求。首先，依据美国图书行业协会的最新调查报告“EPUB3 Support Grid”，大多数阅读软件对EPUB3.0标准特性的支持还不全面；其次，以上阅读软件不能够提供完善的学习辅助功能与服务，包括笔记记录与分享、文本内容标注、测评与反馈等；第三，一些国外公司虽然提供了包含内容服务平台在内的商业化整体解决方案，但不能综合考虑泛在学习情境下电子书的内容设计与整合，构建功能完善的电子书学习系统。

二、EPUB3.0电子书学习系统设计

1.系统设计要求

电子书学习系统的设计应充分考虑系统的硬件特性、网络环境、应用情境等因素，构建一个功能完备、界面友好的数字化学习环境，以有效支持学习者泛在情境下的自主探究学习，具体要求如下。

首先，随着终端设备性能的不断提升，新型数字化学习终端通常具备强大的芯片处理能力和高分辨率彩色显示屏。学习系统中资源内容的设计与展示应充分发挥终端设备的硬件优势，不仅局限于图像、音频、视频等媒体内容，还可以引入3D图形、全景图等新的知识内容呈现形式。此外，学习系统的交互方式设计也应充分利用学习终端的多点触控屏幕、摄像头、麦克风等硬件模块，为学习者提供更加自然和谐的人机交互体验。

其次，由于无线网络范围无法有效覆盖、网络带宽不足等制约因素，云端网络环境难以确保学习者随时随地访问与获取学习资源。因此，电子书学习系统应尽可能实现学习资源的本地化，以支持离线状态下学习者的自主探究学习；同时，学习系统应该具备资源下载及数据交换的自动化、智能化特性，以支持学习者的在线协作学习与社会化学习。

第三，学习者在移动环境下通常难以连贯、系统地进行学习，因此，学习系统中内容资源的设计应具备资源内容片状化、资源形式特殊化、内容呈现简洁化等特性。

2.系统的功能需求分析

国内外研究者针对新型电子教材的功能特性与应用需求进行了许多有益的探索。陈桄等认为应该从结构化呈现、媒体可操控性、笔记功能、作业功能及管理功能等五个方面对电子教材的功能进行考察。Wolfgang Beer等认为一个具有情境感知功能的交互式电子书阅读系统应该具备多媒体内容、多终端应用、易于分发、情境感知和可离线应用等特点。INTERACT（IntegratedModel of MultimediaInteractivity）是一个针对交互式多媒体教学提出的应用模型，它包含用户、学习环境以及学习者心理模型等学习变量。Yueh-Min Huang等引入该模型，从情境化、个性化、社会化三个方面设计了电子书学习系统功能模块。如图1所示，基于电子书学习系统功能模块与INTERACT的映射关系，本研究认为EPUB3.0电子书所具备的功能特性能够有效支持学习者的情境化、个性化和社会化学习活动，并提出了EPUB3.0电子书学习系统的具体功能需求。

（1）情境化学习支持

根据INTERACT理论，基于学习者需求创设特定的学习情境有助于认知活动发展，进而影响学习行为活动。EPUB3.0电子书支持音频、视频及文本同步发音等富媒体形式学习内容，有助于激发学习兴趣，加深学习者对知识的理解与记忆，为主动学习创造条件。此外，在电子书学习环境中引入用户控制的交互活动能够形成信息环路，有助于学习者主动参与到知识建构的过程中，提升学习者的学习体验和沉浸感。基于EPUB3.0标准的强交互性支持，在EPUB3.0电子学习系统中能够实现各种交互活动，如教学互动游戏、试题评价与反馈等。

（2）个性化学习支持

学习行为活动作为一个独立元素能够有效促进学习者认知活动的发展。在基于资源的学习过程中，学习者的行为活动将会产生大量的生成性信息，这些生成性信息与学习资源紧密相关，形成了个性化的学习资源。为满足学习者个性化学习需要，电子书学习系统应支持生成性信息的记录与存储，包括文本标注、笔记记录、答案信息记录、书签设置等。基于EPUB3.0标准的关联性，电子书学习系统能够实现生成性信息与学习资源之间的精确链接，将生成性信息独立存储于云平台，学习者可以随时随地的获取个性化学习资源，确保了学习过程的有效性与延续性。

（3）社会化学习支持

根据维果斯基的社会建构主义理论，社会化学习能够将学习者在泛在学习情境下的思考与感受外化并进行分享，从而增强学习者的社会交互性。基于EPUB3.0标准的开放性，在电子书学习系统中设计支持社会化学习的功能，可以利用云存储服务实现学习笔记、试题答案等信息的分享；此外，还可以借助于微博、短信等第三方应用实现电子书内容的分享，从而帮助学习者获取更加全面的知识，以完成有意义的学习。

三、EPUB3.0电子书学习系统的实现

1.学习系统整体结构

基于云端环境的EPUB3.0电子书学习系统包括EPUB3.0格式电子书、电子书阅读软件EPUB3.0 Reader、数字内容管理与云服务平台以及数字化学习终端四部分内容，系统整体结构如图2所示。

EPUB3.O电子书实质上是一个后缀名为epub的zip格式压缩文档，它包含了各种类型的学习资源以及与资源组织、描述和呈现相关的文档。数字内容超市中提供的电子书主要为以纸制教材为蓝本，以科学认知理论和教学理论为指导设计开发的EPUB3.0电子教材。

电子书阅读软件EPUB3.0 Reader是学习系统的主要组成部分，它包括java语言开发的Android应用程序和JavaScript语言开发的Web应用程序两个版本。EPUB3.0标准主要通过基于HTML5和CSS规范的xhtml内容文档对资源进行组织与描述，并且对HTML5进行了内容和语义扩展。因此，EPUB3.0 Reader的核心功能是调用浏览器引擎对xhtml内容文档进行解析、渲染和呈现，将xhtml内容文档中EPUB3.0的扩展内容替换为浏览器引擎能够识别和渲染的脚本内容，在此基础上进一步实现笔记记录与存储、学习过程跟踪、试题评价与反馈等学习与阅读辅助功能。

数字内容管理与云服务平台主要通过数字内容超市和云盘为EPUB3.0电子书学习系统提供支持与服务。数字内容超市主要提供包括电子书存储、管理、购买与结算在内的各种功能与服务。云盘存储服务则是通过与金山软件公司合作，将金山快盘整合到云服务平台中，利用金山快盘提供的OpenAPI进行二次开发，实现多终端数据同步及用户间的数据共享。

数字化学习终端主要为内容资源呈现与系统软件运行提供硬件支持，EPUB3.0电子书学习系统的硬件终端具备10.1寸多点触控屏幕，搭载Android4.0操作系统，具有强大的芯片处理能力及稳定流畅的操控体验，能够很好的支撑学习系统的运行。

2.学习系统的界面与功能实现

应用EPUB3.0电子书学习系统进行学习的过程中，学习者可以进行字体设置、笔记标注等操作，主要应用界面如图3所示。此外，系统还能够实现文本点读、笔记分享、学习过程跟踪及自动测评与反馈等功能。

（1）阅读环境的设置

根据学习情境及个人学习风格的不同，学习系统支持学习者对字体大小、屏幕亮度、阅读模式等进行调整，以构建个性化的阅读环境。学习者可以根据环境光源设置阅读模式为“夜间模式”或“日间模式”，也可以自行定义文本的前景色与背景色组合模式。此外，学习者还可以对翻页效果、横屏锁定、行间距及字间距等进行设置。

（2）文本操作与处理

基于交互式电子书进行自主学习的过程中，文本内容是大多数学习行为活动的操作对象。在图3所示应用界面中，学习者在学习终端屏幕上长按某一文本对象将会弹出前后浮标，移动浮标可以精确选择电子书中的任意文本对象并进行笔记标注、分享、搜索、词典、复制、高亮标记等操作。

①笔记标注。利用新型数字化学习终端所具备的触控屏幕、麦克风、摄像头等硬件特性，学习系统支持虚拟键盘、拍照、录音及摄像等多种方式录入笔记信息，学习者可以根据需要灵活选择不同的笔记记录方式，实现多媒体笔记信息与选定文本的关联。

②分享。学习者可以借助于第三方应用程序将电子书中的文本内容以短信、电子邮件及微博等方式进行分享。

③搜索。学习系统支持对任意选定文本进行全书搜索和网络搜索。全书搜索将在电子书内容文档中查找并标记出与选定文本相同的所有内容，学习者可以逐条定位并查看；网络搜索则通过调用系统自带浏览器搜索相关的网络资源。

④词典。学习系统集成了英汉词典、汉英词典和新华字典数据库，学习者能够快速查阅电子书中任意文本内容的释意，有助于学习效率提升。

（3）文本点读与同步显示

EPUB3.0电子书可以利用SMIL语言将音频剪辑片段与文本对象进行关联。系统在解析EPUB3.0电子书的过程中，若检测到与xhtml内容文档关联的smil文档，将会自动激活文本点读功能。此时，若学习者单击电子书中某一文本对象，系统将会自动播放该文本的关联音频片段并同步改变其显示状态。此外，在学习系统中可以设置文本点读功能为连续播放模式，在这一模式下点击发音文本对象，系统将在当前文本关联音频片段播放结束后自动查找并播放下一个文本对象的关联音频片段，直至整个xhtml文档结束。

（4）笔记记录与分享

在电子书中进行笔记标注，首先需要对被标注对象进行标识与定位，并实现注释信息与标注对象的关联。EPUB3.0标准提供一种通用文件片段标识规范CFI，能够对xhtml文档中的文本、图片、音频及视频等对象进行精确标识。CFI不仅能够标识文本对象中任意字符的位置信息，还能够标识图片对象中的坐标点位置、音频对象播放的时间点以及视频对象某一时间画面中的坐标点位置。基于此标准，系统目前实现了文本对象的笔记标注功能，笔记注释信息可以是文本、图像、音频及视频四种媒体形式，并且支持对笔记内容进行删除、修改、导出和导入操作，如图4所示。

导出的笔记内容将会封装为一个zip压缩文档，该文档中包含一个基于CFI规范的xml文档，以及与笔记注释信息相关的图像、音频和视频文档。xml文档包含了电子书ID值、注释信息中媒体资源的存储路径、被标识对象的内容与定位信息等。其中，电子书ID值主要用于笔记文档与电子书的关联与匹配。系统将导出笔记的文档直接存储在云盘同步目录下，通过云盘实现笔记内容共享及多终端设备同步。学习者可以在同一电子书中导入并查看多个笔记文档信息，也可以选择性地导出部分笔记内容并分享给其他学习者。

（5）试题评价与反馈

EPUB3.0电子书学习系统支持基于QTI标准的客观题测评与反馈。QTI（Question&TestInteroperability）是一个关于测试的互操作规范，它由一系列的单个文本规范组成，主要用于解决不同考试系统之间的内容交互问题。利用QTI编辑工具能够制作并生成符合QTI标准的xml文档，文档包含试题类型、试题题干、正确答案及分值等元数据信息，可直接打包成为EPUB3.0电子书内容的一部分。

在图5所示的原理框图中，试题内容数据封装在EPUB3.0电子书文档内，而试题交互控制源代码存储在阅读软件中，能够有利于电子书的版权保护和控制电子书文件大小。当系统检测到xhtml文档中包含试题内容时，即在该文档的head标签中加入测评交互控制代码的引用链接。测评交互引擎从QTI标准文档中提取试题元数据并添加至xhtml文档中预定好的脚本模块内，结合CSS对试题内容进行排版布局，再由系统解析、渲染和呈现，最终实现与测评相关的各种交互活动。

试题交互引擎基于JavaScript及Jquery框架开发，能够支持单选、多选、填空、判断等多种客观题题型，并为每一个测验模块提供“检查”、“重做”、“复位”和“提交”四种操作功能，如图4所示。其中，“检查”功能能够检测并标识出答错试题，显示提示信息但不给出正确答案，而“提交”功能则直接给出了答错试题的正确答案。“重做”功能可以清除答错试题的作答信息，而“复位”功能清除整个测验模块的作答信息。

四、总结与展望

基于EPUB3.0标准及云端学习环境的特性与优势，本研究设计并实现了一个支持EPUB3.0标准的电子书学习系统，该系统具备较为完善的学习辅助功能和友好的交互界面，能够为泛在学习环境下的自主探究学习提供良好的支持与服务。

在本论文研究工作的基础上，后续将推动和开展EPUB3.0电子教材的试点应用工作，总结EPUB3.0电子书学习系统在实际应用中的优势与不足，以进一步完善和改进系统，并深入探索EPUB3.0电子教材设计开发的理论与方法。