楊宇佳， 吳亞聯(lián)， 段 斌， 劉微容， 章 兢

(1.湘潭大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105;2.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

一方面，開放式的教育體系正逐漸建立起來；另一方面，原有的教育模式已難以應(yīng)對信息化社會對學(xué)習能力的需求.例如，學(xué)生開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動需要替代學(xué)分的依據(jù)，從而建設(shè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)評價體系和反饋機制；實驗實踐能力達標測試結(jié)果需要證據(jù)，從而進一步在能力驗證、安全保證上改進；留學(xué)生的學(xué)習成果需要驗證等.封閉與低效仍是目前教育系統(tǒng)的現(xiàn)狀，學(xué)習成果、技能的驗證是當前最大的挑戰(zhàn).開放式教育體系如何認證課堂外(校外實習、培訓(xùn))以及其他主體(其他國家、學(xué)校、院系、專業(yè)等)的能力成為亟待解決的科學(xué)問題.面對這些問題，我們迫切需要建立一個規(guī)范化的專業(yè)能力評價與驗證體系.

信息科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展煥發(fā)了教育領(lǐng)域新的生機，也使得OBE(outcomes-based education)理念下的工程教育認證更好的實施[1].斯坦福大學(xué)2025計劃繞軸翻轉(zhuǎn)教學(xué)中強調(diào)教學(xué)由過去的重知識向重能力轉(zhuǎn)換，能力是未來教育的核心組成單元[2]，且近年來網(wǎng)絡(luò)學(xué)習空間、區(qū)塊鏈、數(shù)字徽章等信息化技術(shù)的興起沖擊了傳統(tǒng)的課堂教學(xué).文獻[3]通過“世界大學(xué)城”網(wǎng)絡(luò)學(xué)習空間實施OBE教學(xué)和課程目標達成度分析，促進學(xué)生問題解決能力的達成；文獻[4]提出隨著網(wǎng)絡(luò)學(xué)習、數(shù)字化學(xué)習平臺[5]等信息化教育的興起，“教育徽章”作為一種新的學(xué)習成果認證方式和技術(shù)逐漸流行；文獻[6]中北京時間2018年6月3日下午消息，區(qū)塊鏈技術(shù)能夠讓麻省理工學(xué)院(MIT)的畢業(yè)生以數(shù)字化的方式管理自己的學(xué)術(shù)履歷.

基于此，本文提出了基于網(wǎng)絡(luò)學(xué)習空間的工程教育開放徽章.徽章的國際性與國內(nèi)標準兼容、開放徽章與工程教育專業(yè)認證學(xué)習成果評價結(jié)合、基于網(wǎng)絡(luò)學(xué)習空間的開放徽章的驗證是建立規(guī)范化的能力評價與驗證體系的關(guān)鍵.本文在Open Badges v2.0的基礎(chǔ)上結(jié)合教育部元數(shù)據(jù)規(guī)范[7]，研究了“信息安全”課程中“信息安全認知分析”探究性實踐項目，以“徽章2‘能力6：工程與社會’”為例闡述信息安全課程學(xué)習成果開放徽章.

1 工程教育開放徽章架構(gòu)設(shè)計

為了提供規(guī)范的徽章認證，美國開源軟件組織Mozilla基金會啟動了Open Badge項目，提供了一個規(guī)范化的電子徽章創(chuàng)建、發(fā)布和認證技術(shù)架構(gòu).該組織于2011年9月發(fā)布了“開放徽章架構(gòu)”(open badge infrastructure，簡稱OBI)項目[8].按照Mozilla的官方定義，開放徽章是：用來呈現(xiàn)個人通過完成特定的項目、課程或者實踐活動而獲得的技能、興趣和成就的一種“數(shù)字徽章”[9].吉普森團隊認為，數(shù)字徽章顯示“成就、興趣或從屬關(guān)系”是可視的、在線的，并且包含元數(shù)據(jù)，包括幫助解釋活動的上下文、含義、過程和結(jié)果的鏈接[10].

本文在OBI框架的基礎(chǔ)上，基于網(wǎng)絡(luò)學(xué)習空間以證據(jù)為中心搭建工程教育開放徽章框架，如圖1所示.整個框架由OBI技術(shù)框架、能力-證據(jù)-任務(wù)模型交互、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習空間三大部分構(gòu)成.

OBI技術(shù)框架：由徽章背包、教育部元數(shù)據(jù)標準、API等部分組成.OBI框架規(guī)定了一套專門的制作規(guī)格，包括徽章發(fā)行人應(yīng)具備的條件、徽章元數(shù)據(jù)規(guī)范以及徽章壓制工藝等，解決了徽章可信度和可用度等問題[11].

能力-證據(jù)-任務(wù)模型交互：在具有形成性評估學(xué)習環(huán)境中，能力模型(CM)將積累并代表對技能目標方面的信任情況.證據(jù)模型(EM)可以確定研究對象所說或所做的可以提供有關(guān)這些技能的證據(jù)[12].任務(wù)模型(TM)將表達可引發(fā)需求證據(jù)的情境.

網(wǎng)絡(luò)學(xué)習空間：在工程教育專業(yè)認證標準實施中[13]，把專業(yè)認證與空間教學(xué)結(jié)合起來.通過“世界大學(xué)城”網(wǎng)絡(luò)學(xué)習空間實施OBE教學(xué)和課程目標達成度分析，促進學(xué)生問題解決能力的達成[3].網(wǎng)絡(luò)學(xué)習空間證據(jù)鏈接嵌入開放徽章，成為徽章中重要的一環(huán).

2 工程教育學(xué)習成果開放徽章的構(gòu)建

2.1 開放徽章的國際性與國內(nèi)標準的兼容

開放徽章在國外已有相關(guān)研究且在教育領(lǐng)域內(nèi)有所應(yīng)用，但現(xiàn)階段國內(nèi)對于徽章的研究甚少.本文在Open Badges v2.0的基礎(chǔ)上結(jié)合教育部元數(shù)據(jù)規(guī)范[7]，研究了信息安全課程，以“‘能力6：工程與社會’徽章”為例闡述信息安全學(xué)習成果開放徽章.“信息安全”課程是以復(fù)雜工程問題解決[14]為內(nèi)容的學(xué)習(學(xué)生需完成“大學(xué)生信息安全認知分析”等多項學(xué)習任務(wù)).制作徽章之前把將要設(shè)計的徽章、能力、項目匹配起來.將徽章2、能力6：工程與社會、項目類別：大學(xué)生信息安全認知分析形成匹配關(guān)系.

(1) 定義發(fā)行人元數(shù)據(jù).發(fā)行人可以是個人，團體或機構(gòu).發(fā)行人需設(shè)計整個徽章體系，制定技能和知識標準及徽章的價值，以避免徽章失衡或貶值.每個徽章都鏈接到徽章的相關(guān)發(fā)行人信息，這是驗證開放徽章獎項的關(guān)鍵，接著為發(fā)行人組織信息創(chuàng)建一個JSON文件.以下為部分示例代碼.

(2) 定義徽章元數(shù)據(jù)信息類.“徽章”是整個交流的核心，需要設(shè)計徽章名稱和圖標、徽章描述技能、徽章標準、發(fā)行人信息、發(fā)行日期、獲得者信息及獲得此徽章的證據(jù)鏈接等.圖4是有關(guān)徽章獲得者的信息集合IdentityObject，采用統(tǒng)一標識符的形式來表示.

元數(shù)據(jù)包含了描述徽章的所有信息，以確?；照履軌虮焕斫夂捅或炞C使用.2017年5月27日中華人民共和國教育部發(fā)布的《基礎(chǔ)教育教學(xué)資源元數(shù)據(jù)》系列標準[7]，適用于教學(xué)數(shù)字資源的整理、建庫、匯編、發(fā)布、搜索和查詢，表1列出了“能力6：工程與社會”徽章的部分元數(shù)據(jù)信息表.

根據(jù)基礎(chǔ)教育教學(xué)資源元數(shù)據(jù)XML綁定，將元數(shù)據(jù)中元素的內(nèi)容和屬性信息封裝表達，將元數(shù)據(jù)嵌入徽章框架后，生成攜帶方便的數(shù)字徽章文件.徽章一旦發(fā)布，描述該徽章的元數(shù)據(jù)就不能改變了.圖5徽章的元數(shù)據(jù)XML綁定.

表1 “能力6：工程與社會”徽章的部分元數(shù)據(jù)信息表

將發(fā)行人JSON文件、徽章類元數(shù)據(jù)文件、圖像文件等上載到服務(wù)器，將元數(shù)據(jù)嵌入徽章圖片框架中，生成攜帶方便的電子徽章文件，之后可以頒發(fā)徽章.

(3) 定義獲得者信息類.獲得者通過學(xué)習發(fā)行人制定的技能,達到響應(yīng)標準，并在徽章體系中有明確的證據(jù)來證明其成績和能力，便可以獲得此徽章，以示擁有了相對應(yīng)的知識和技能.使用JSON創(chuàng)建徽章元數(shù)據(jù)指示獲得者和徽章獎勵本身的詳細信息的文件.圖6為獲得者信息展示，圖7為部分示例代碼.給學(xué)生頒發(fā)徽章，使用JSON創(chuàng)建徽章斷言.這些元數(shù)據(jù)將指示獲得者和徽章獎勵本身的詳細信息，以及鏈接到創(chuàng)建的徽章類，后者鏈接到發(fā)行者JSON.最后徽章將以郵件形式發(fā)送到獲得者個人徽章背包.

上例創(chuàng)建了一個名為“能力6：工程與社會”的開放徽章，描述了獲得者分析和評價工程實踐對社會、健康、安全、法律及文化的影響的能力.徽章的工程專業(yè)認證標準在http://www.ceeaa.org.cn/main!newsList4Top.w?menuID=01010702可查詢，獲得者獲得徽章的證據(jù)鏈接可通過http://www.worlduc.com/SpaceManage/ClassWork/ClassWork.aspx?cwid=134408查詢.通過嵌入徽章圖片中的元數(shù)據(jù)查看關(guān)于徽章、發(fā)行人、獲得者的各種信息.因時間關(guān)系，該徽章尚未具體實施，部分參數(shù)需要進一步精煉，這些將在后續(xù)工作中改進.

2.2 開放徽章與工程教育專業(yè)認證學(xué)習成果評價結(jié)合

工程教育的產(chǎn)出導(dǎo)向(OBE)主要落實在學(xué)生對12條畢業(yè)要求[15]的達成，而畢業(yè)要求聚焦于復(fù)雜工程問題解決的能力，因此將能力作為徽章構(gòu)建和頒發(fā)的主要影響因子，使得整個徽章實施過程貫穿OBE的教學(xué)理念.本文以信息安全課程為例，來探究徽章的OBE實施.按照通信工程專業(yè)認證標準要求，“工程與社會”是信息安全課程教學(xué)的一個學(xué)習產(chǎn)出.

(1) 發(fā)行人發(fā)布徽章任務(wù)：設(shè)計學(xué)習者希望使用徽章來指導(dǎo)他們設(shè)計決策的一般目標.

以“大學(xué)生信息安全認知分析”學(xué)習任務(wù)為例[16]，與工程教育標準中的“3.6 工程與社會”的能力要素成匹配關(guān)系.在任務(wù)模型中識別了學(xué)生可能展示的證據(jù)后，單個學(xué)習活動具體設(shè)計分配如表2所示.

表2 “大學(xué)生信息安全認知分析”子任務(wù)分解表

在嘗試解決困難的設(shè)計任務(wù)過程中給予學(xué)生的實際任務(wù)級反饋：

① 檢查問卷的有效性；

② 消除不相關(guān)數(shù)據(jù)之間的不平等；

③ 注意基于實際情況處理實驗結(jié)果；

④ 命名因素的簡單化.

(2) 學(xué)習者完成徽章任務(wù)：在創(chuàng)建的開放徽章框架內(nèi)表示該體驗.

在證據(jù)模型中以每項任務(wù)展示后量規(guī)評價結(jié)果為基礎(chǔ)，同時結(jié)合網(wǎng)絡(luò)學(xué)習空間同學(xué)們提供的測試結(jié)果進行評價.

證據(jù)模型描述了具體的行為或可觀察的事物，指示CM中不同的技能水平.表3列出了幾個用于更新工程知識、問題分析和現(xiàn)代工具的使用CM變量的證據(jù)模型可觀察數(shù)據(jù).

表3 證據(jù)模型中觀測值的例子

教師需對這些特性中的每一項進行評分，以識別、評估和總結(jié)該方面的學(xué)習成果的質(zhì)量.這些可觀察數(shù)據(jù)用來評估學(xué)生的知識和技能.一方面以更加詳細和及時的方式即任務(wù)級反饋的形式進行教學(xué)；另一方面為學(xué)生和教師提供總結(jié)性反饋.

(3) 頒發(fā)徽章：完成任務(wù)且達到徽章標準后頒發(fā)徽章.

徽章發(fā)行人定義徽章所代表的技能和知識，在進行與該能力點匹配的項目之前，需對能力做分解和建模.

圖8中的CM代表了信息工程學(xué)院15級通信工程專業(yè)信息安全課之“大學(xué)生信息安全認知分析”的知識和技能方面的變量組成的圖譜.表4對學(xué)習者在解決復(fù)雜工程問題的能力要求的不同方面進行了說明.學(xué)生所擁有的技能是在認知任務(wù)分析、教育工作者的預(yù)先工作任務(wù)分析和對工程教育認證專家判斷的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是為了反映特定領(lǐng)域的能力之間的相互關(guān)系.

(1) 信息安全領(lǐng)域知識變量表示網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)分析的聲明性知識.許多聲明性知識的元素是信息安全領(lǐng)域知識的一部分，例如項目篩選方案、數(shù)據(jù)分析方法、SPSS等.能力要求變量表示學(xué)生畢業(yè)要求，包括運用工程知識、使用現(xiàn)代工具、分析問題的復(fù)雜性、平衡工程與社會、個人與團隊和溝通等子技能.

(2) 由于每個探究性實踐活動都需要一些聲明性知識來執(zhí)行這些任務(wù)所需的過程，因此在領(lǐng)域?qū)W科知識中表示的聲明性知識與能力所需的過程知識和技能之間存在著建模關(guān)系.

(3) 信息安全認知建模變量是學(xué)生解釋和預(yù)測行為的能力.信息安全認知建模是能力要求最高的技能水平的關(guān)鍵，因此這兩個變量之間存在聯(lián)系.

(4) 產(chǎn)生信息安全認知模型的能力需要領(lǐng)域?qū)W科知識，因此表示為信息安全認知建模能力的先決條件.

表4 學(xué)習者解決復(fù)雜工程問題的能力要求的不同方面

當結(jié)束這一階段所有的信息安全課程任務(wù)之后，基于之前的各項數(shù)據(jù)，對學(xué)生所有的能力展示做出總結(jié)性評價.此時的總結(jié)性評價是準確、真實并且有跡可循的，能聚焦到課程目標的達成，以及對相應(yīng)畢業(yè)要求指標點的支撐.

將評判結(jié)果進行統(tǒng)計，將統(tǒng)計好的數(shù)據(jù)輸入轉(zhuǎn)換，按照計算模型算出學(xué)生的活動能力達成值和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習空間作業(yè)提交的能力達成值，得出該同學(xué)的最終能力達成值A(chǔ)=0.85.

表5顯性化地表達了該學(xué)生的能力達成的詳細信息，綜合研究報告、課堂展示、考試成績的各項評分，得出該學(xué)生在能力6方面的達成度評價為B等級(探索性因素分析中能分析和評價大學(xué)生信息安全認知對社會、健康、安全、法律以及文化的影響，但未能體現(xiàn)理解應(yīng)承擔的責任)，且有明確的證據(jù)證明其學(xué)習成果.通過對完成任務(wù)中可觀察數(shù)據(jù)的評價和判定，可以給該同學(xué)頒發(fā)“‘能力6：工程與社會’徽章”.

2.3 基于網(wǎng)絡(luò)學(xué)習空間證據(jù)鏈接的開放徽章驗證機制

依托網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與技術(shù)支持，學(xué)習者通過協(xié)同交互，產(chǎn)生系列過程數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)，用于學(xué)習成果測量，達成畢業(yè)要求指標點.在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習空間中，平臺不僅能讓學(xué)習者進行知識的構(gòu)建，積極的交互，還實現(xiàn)了各種學(xué)習數(shù)據(jù)的儲存、展示，為開放徽章的證據(jù)鏈接機制提供了技術(shù)支撐[17].圖9反映了網(wǎng)絡(luò)學(xué)習空間中學(xué)校教師-學(xué)生、企業(yè)工程師-實習生、學(xué)校-校外企業(yè)之間的協(xié)同交互.各種基于網(wǎng)絡(luò)學(xué)習空間交互的數(shù)據(jù)最終以證據(jù)鏈接的形式輸出[18]，進而為認知測量模型的構(gòu)建和徽章的驗證奠定了基礎(chǔ).

圖10是交互中的一部分，部分展示了學(xué)生上傳的研究報告，教師對其進行了評閱，且可通過證據(jù)鏈接http://www.worlduc.com/SpaceManage/ClassWork/ClassWork.aspx?cwid=134408查詢.

表5 該同學(xué)成績詳表

3 基于網(wǎng)絡(luò)學(xué)習空間和區(qū)塊鏈的開放徽章驗證和應(yīng)用展望

本文研究的“信息安全”課程達成度計算由成績-能力轉(zhuǎn)換模型計算得出，但目前我們正在研究利用認知測量模型[19]推出課程的熟練度，進而得到達成度.學(xué)習成果驗證首先需要對學(xué)生學(xué)習成果進行科學(xué)評價，再對評價結(jié)果進行合理校驗的過程.學(xué)習活動的多樣性決定了評價和驗證對象的多元化，因此需要一個綜合開放、具有普適性的學(xué)習成果驗證體系.圖1為基于網(wǎng)絡(luò)學(xué)習空間和區(qū)塊鏈平臺的開放徽章驗證體系架構(gòu)圖，該架構(gòu)包括網(wǎng)絡(luò)學(xué)習空間、認知測量模型、開放徽章和區(qū)塊鏈部分.

(1)圖11中，發(fā)行方將學(xué)生產(chǎn)生的過程數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)均上傳網(wǎng)絡(luò)學(xué)習空間，認知測量模型從網(wǎng)絡(luò)學(xué)習空間中取出數(shù)據(jù)推理出學(xué)習成果熟練度，僅將已達成的學(xué)生信息上開放徽章.(發(fā)放結(jié)果)

(2)利益相關(guān)接收方接收徽章之后，從徽章中取出證據(jù)鏈接，鏈接到網(wǎng)絡(luò)學(xué)習空間，取出數(shù)據(jù)再次進行認知測量模型推理，得出學(xué)習成果達成度.(驗證結(jié)果)

(3)將發(fā)放結(jié)果和驗證結(jié)果進行對比之后，兩者結(jié)果相同的達成度才能上傳區(qū)塊鏈.

學(xué)習產(chǎn)出區(qū)塊鏈的對象是完成任務(wù)且通過形成性評價達成度分析之后已獲得開放徽章的學(xué)生能力信息.完成對該學(xué)生的達成度分析并且獲得“能力6：工程與社會”的開放徽章后，方可將達成的能力開放徽章輸入分布式賬本聯(lián)盟，通過分布式共識的數(shù)據(jù)將打包進入?yún)^(qū)塊鏈儲存在梅克爾樹中[20]，構(gòu)建原理如圖12所示.

4 結(jié)語

大規(guī)模開放教育運動、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習等現(xiàn)代教育形式的興起對當前學(xué)習成果的評價和驗證提出了更高要求.本文在工程教育中引入開放徽章的技術(shù)，是OBE教學(xué)與現(xiàn)代信息化技術(shù)深層次結(jié)合的實踐與探索.本案例研究的開放徽章為徽章的國際性與國內(nèi)標準兼容問題、開放徽章在OBE理念下實踐的問題、基于網(wǎng)絡(luò)學(xué)習空間的開放徽章的驗證問題提供了有效解決方法，解決了能力驗證的需求，并提出了其在區(qū)塊鏈上應(yīng)用的展望，保證了數(shù)字徽章數(shù)據(jù)的安全可靠運行.本文的研究可滿足各類學(xué)習方式的需要，有助于彌補傳統(tǒng)教育模式的不足.