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本文由《现代远程教育研究》杂志授权发布 作者：胡畔、王冬青、许骏、韩后 摘要
关键词：数字教材；形态特征；功能模型；学习系统 随着平板电脑、智能手机等高性能终端设备的普及，移动阅读与泛在阅读等电子阅读方式已成为人们数字化生活的重要组成部分，电子书的发展也随之进入快车道。数字教材作为一类面向教育教学的特殊电子书，越来越受到人们的重视与关注。教育部2013年教育信息化工作要点明确提出“全面启动第二代‘人教数字教材’等数字产品的研发，并在2013年秋季推出部分学科试用性产品”。同时，教育部副部长杜占元于2013年8月在安徽省调研教育信息化工作时强调：“坚持应用驱动和机制创新，将信息技术应用在教学的主战场上，做到常态化、大范围应用。”数字教材作为推行教学改革、开启智慧教育、提升教学质量的关键环节与核心要素，（龚朝花等，2012）在教育教学领域，特别是在基础教育主课堂中的普及与常态应用已成为必然趋势。尽管数字教材已成为当前研究的热点，但人们对于数字教材的认知与理解仍然难以统一，特别是对于怎样设计、制作与应用数字教材仍处于初步探索阶段。 一、数字教材的概念界定 数字教材也称为电子教材，与之相关或相近的研究包括电子书、电子课本、电子书包等，厘清数字教材与这些概念之间的关系，有助于人们深入理解和研究数字教材。 1.数字教材与电子书 尽管许多研究者在不同发展阶段，从不同角度对数字教材的概念与内涵进行了不同的界定，但大多数研究者认为数字教材源于电子书。（Chu，2003；祝智庭等，2011；陈桄等，2012；吴永和等，2012）纵观电子书的发展历程，其功能特性总是随着技术环境的变化而不断演进。从内容角度来看，电子书可以看作是纸质书的数字化版本；从硬件角度来看，电子书可以是存储内容和浏览信息的手持终端设备。随着智能终端设备、移动互联网及云计算等技术的兴起并逐渐与电子书结合，电子书不再仅指代数字化的内容，还包括承载设备、接口以及浏览和整合信息的系统。（Chen et al.，2011）数字教材在当前技术背景下也可以看作是一个有效整合内容、终端、教学工具与服务的数字化学习系统，它具有富媒体性、关联性、及时性、共享性、开放性、动态性、交互性等特性。（李林等，2011；祝智庭等，2011） 电子书的发展主要面向大众化的阅读需求，尤其是休闲娱乐性质的浅阅读，而数字教材作为一类面向教育教学的特殊电子书，（祝智庭等，2011）在内容设计、软件功能、硬件特性等方面都更加强调教学属性。首先，数字教材的内容设计要求遵循学生阅读规律、利于开展学习活动、符合课程目标要求；（黄荣怀、张晓英等，2012）其次，数字教材不仅具备基本的阅读支持工具，还包含教学与学习支持工具；最后，为保证教学活动的顺利实施，数字教材的终端设备应具有更强大的数据处理能力、更丰富的媒体表现与渲染能力以及更自然的人机交互方式。 2.数字教材与电子课本 尽管当前许多研究都给出了数字教材与电子课本的定义，但并没有对二者加以区分。仅从“课本”与“教材”的关系而言，课本也称之为“教科书”，是指一门课程课堂教学的核心材料，通常由教育主管部门主导发行；而教材是指包含教科书在内的所有教学材料，其涵义更为广泛，因此，电子课本可以看作是数字教材的子范畴。从内容角度来看，数字教材是指所有面向教学的电子书，而电子课本通常仅指代数字化的教科书；从制作发行的角度来看，电子课本通常由教育主管部门主导、经数字出版单位统一发行，而数字教材可由教师自行编制；从应用角度来看，电子课本的内容与功能设计更加强调面向课堂教学的应用场景。 3.数字教材与电子书包
“电子课本与电子书包”标准专题组提出：“电子书包是一种信息化环境的集成体，它整合了电子课本的内容（资源）、电子课本阅读器（设施）、虚拟学具（工具），并连通无缝学习服务（平台）。”（吴永和等，2013）这一观点将电子书包看作是一个系统，并认为电子书包具有个性化、移动性、按需服务的关键特性。而在当前技术背景下，数字教材也可以看作是以内容（资源）为中心，以阅读与学习软件（工具）、学习终端（设施）及网络服务（平台）为支持环境的学习系统。数字教材与电子书包都是包含内容资源、工具、设施及服务平台的学习系统，两者的区别在于数字教材强调以内容为中心和主体，支持环境可灵活改变，如数字教材的学习终端既可以是平板电脑，也可以是PC。而电子书包首先强调移动学习终端作为实体书包对应物所具有的移动性与便携性，其次强调终端、内容、软件及服务平台有机整合所具有的系统性与整体性。 二、数字教材的发展形态与特征 数字教材自产生以来，其形态与功能特征总是随着技术环境的发展而不断变化，并且媒体资源的丰富性、交互性、动态性始终在不断增强。如图1所示，本研究通过分析不同数字教材内容媒体的差异性，提出了数字教材的三种发展形态——静态媒体数字教材、多媒体数字教材及富媒体数字教材，并对这三种形态数字教材的功能特性、硬件设施及文档格式等进行了分析阐述。 1.静态媒体数字教材 上世纪90年代个人电脑的兴起促进了数字教材的产生与发展。数字教材发展初期以PC作为主要的硬件载体，以文本、图形、图像等无交互特性的静态媒体作为主要的内容形式，强调纸质教材内容的数字化还原。基于PC的静态媒体数字教材文档格式有PDF、LIT、CAJ、CEB、VIP等，其中，PDF作为一种面向印刷流程的开放文档格式，能够真实地反映原文档格式、字体、版式等要素，得到了广泛应用。随着E-Ink技术和专用电子书阅读器的出现，基于专用电子书阅读器的数字教材也逐渐受到人们的关注。专用电子书阅读器的主要优点是便于携带、低功耗和视力保护，但同时存在刷新速度慢、交互性不强、色彩单一等缺陷。仅能支持单一色彩的静态媒体，其文档格式主要包括PDF、AZW、MOBI、EPUB1.0/2.0等。 静态媒体数字教材具有可检索、易于传播、更新及时等特点，尤其适合于科研文献的数字化存储、检索与阅读学习。但由于媒体形式简单、缺乏交互性，静态媒体数字教材在知识呈现、使用体验及便携性等方面相对于纸质教材并无优势。尽管许多研究者试图将基于专用电子书阅读器的数字教材应用于学校教育及课堂教学中，但并没有获得理想的效果。（Shepperd et al.，2008；Woody et al.，2010；Chen et al.，2011；Liao et al.，2011）。 2.多媒体数字教材 随着互联网与多媒体技术的发展，多媒体数字教材首先以基于HTML文档的Web页面形式出现。HTML文档能够支持丰富的动态媒体形式和灵活的排版布局，可便捷布署于各类网络教学平台，有效支持在线协作学习与网络教学，也被称之为“网络教材”。（罗蓉等，2005）网络教材主要面向成人教育和继续教育，内容组织与呈现不拘泥于纸质教材。而在基础教育领域，数字教材的排版布局通常要求与纸质教材保持一致。HTML文档在这一方面较之PDF文档仍然存在差距。为了既保证对纸质教材的真实还原，又能够快速便捷地聚合多种媒体资源，另一类多媒体数字教材通过在PDF文档中直接嵌入多媒体资源的方式得以实现。这类多媒体数字教材通常以交互式电子白板、大屏幕一体机等作为硬件设施，主要面向中小学课堂教学。 多媒体数字教材不是纸质教材的简单搬家，它能够根据教学需求，将各种媒体资源有效整合，生动、形象地呈现知识内容和创设教学情境，实现传统纸质教材和教学手段难以实现的教学活动。然而，多媒体数字教材媒体内容的丰富性与交互性仍然有限。在多媒体资源创设的教学情境中，学习者只能对资源进行简单单向控制，并被动接受媒体资源信息，难以有效调动学习者的积极性与主动性，促进其参与并融入到教学情境中。 3.富媒体数字教材 “富媒体”这一概念最初源于互联网广告，它最为重要的特征不在于能提供文字、图片、视音频、动画等多种媒体类型的表现形式，而在于丰富多样的UI展现、深度的用户交互、动态驱动及实时响应、便捷的部署、融合桌面应用与网络应用等特性。富媒体与多媒体的本质区别在于，富媒体注重用户的交互体验，而多媒体注重资源的呈现形式。（傅伟，2011）富媒体技术、移动互联网及智能学习终端与数字教材的结合，极大地拓展和变革了数字教材的功能、形态与应用方式，从而产生了富媒体数字教材。 富媒体数字教材利用媒体标记语言、脚本控制语言等增强媒体资源的交互性，实现多种媒体类型的有机整合、媒体数据之间的交换以及虚拟现实等。同时，富媒体数字教材媒体资源设计能够充分利用终端设备的功能特性，实现学习者与媒体资源之间自然丰富的人机交互，提升学习者的沉浸感、参与度和资源粘合度。当前，支持富媒体特性的数字教材文档格式有苹果公司的iBooks、亚马逊的KF8、北大方正的DPUB以及国际数字出版论坛（IDPF）推出的国际电子书开放标准EPUB3.0等。 富媒体数字教材具有强大的信息表现能力和交互特性，能够创设更加复杂、真实的教学情境，促进主动、有效地学习。同时，富媒体数字教材能够有效整合内容资源、终端设备、教学工具与服务平台，构建既支持泛在情境下自主学习、又支持课堂环境下互动教学的数字化学习环境。 三、数字教材的功能模型构建 1.典型数字教材功能特性与支持环境分析 数字教材的发展涉及终端产品多样性、技术标准多样化以及产业链等因素。目前我国数字教材发展迅速，包括人民教育出版社、北京师范大学出版社、外语教学与研究出版社、大象出版社等教育出版社，以及台湾康轩文教事业股份有限公司、香港现代教育集团、明博教育科技有限公司、东田文化科技有限公司、创而新、金葫芦、盈动锐智、科大讯飞等教育科技公司都开发了数字教材。（李林等，2011）此外，许多公司提供了数字教材的制作工具，如苹果公司的iBooks Author、Adobe公司的InDesign、北大方正的飞翔创意工具、新加坡Infogrid Pacific公司的Digital Publisher等。不同企业出于自身商业利益的考虑，都试图建立封闭的私有生态系统，形成了当前数字教材形态、功能及支持环境多样化的局面，导致资源重复建设严重，阻碍了数字教材的应用推广。 学习环境的构建是实现学与教方式变革的基础，为学习者提供更加便利、舒适、有效的学习环境是未来教育信息化发展的重要方向。（黄荣怀、杨俊锋等，2012）当前，我国数字教材发展正处于从多媒体数字教材形态向富媒体数字教材形态的过渡阶段，数字教材的有效应用需要借助智能学习终端、云计算、移动互联网等新技术来构建数字化学习支持环境，以学习环境创新带动并支持学习方式与教学方式的变革。对当前几种典型数字教材的内容特征、软件工具、硬件设施及网络平台等进行对比分析，有助于我们分析探讨新技术背景下数字教材系统功能设计与支持环境构建的需求（见下表）。 目前数字教材开发主要有两种方式：一种是由出版单位组织专业团队统一制作发行，另一种是由教师或普通设计者利用专门的制作工具创作开发。创而新与科大讯飞开发的数字教材都是由专业团队以纸质教科书为蓝本进行开发，在原样呈现纸质教材的基础上嵌入多媒体资源与学习活动，其功能设计与支持环境构建都主要面向于课堂教学应用场景。北大方正与苹果公司本身并没有开发数字教材，但它们为设计者提供了包括制作工具、阅读软件、网络服务平台甚至硬件终端在内的数字教材完整解决方案，使数字教材制作与应用更加灵活多样，更有利于发挥教师的自主性与创造性。 2.数字教材系统功能设计的相关研究 国内外学者从不同维度与视角探讨了数字教材系统功能的设计方法与原则。Beer等（2011）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；陈桄等（2012）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5个方面对数字教材的功能进行设计；吴永和等（2013）认为数字教材的功能体现在三个层面，即阅读器层面的功能、内容层面的功能及系统交互层面的功能；孙众等（2013）从学习资源、学习工具、学习活动库、人际交流网络及按需生成个性化数字教材等5个关键要素对数字教材的功能特性进行了分析。 结合已有理论研究成果，研究者针对数字教材具体功能的设计与开发进行了大量的应用实践研究。一些研究者认为人们阅读电子书的行为策略通常会受到使用纸质书经验的影响，（Wilson et al.，2001；Bierman et al.，2010）因此，Liesaputra等（2012）设计了一个包括模拟翻页、位置标识、书签、注释、超链接、多媒体等功能的仿真电子书，既充分体现了数字环境的特性，又尽量模拟纸质书的应用体验。Beer等（2011）设计了一个具有情境感知功能的交互式电子书阅读系统，能够通过终端设备传感器的输入信息向学习者推送电子书中的特定内容。Liao等（2011）通过收集高中学生使用电子书阅读器的日志记录，分析了其对电子书阅读器的接受程度及潜在效果。Chu（2003）设计并实现了数字教材文本内容的双语词典与同步发音功能；Huang等（2012）引入INTERACT（Integrated Model of Multimedia Interactivity）模型，（Domagk et al.，2010）从情境化、个性化、社会化三个方面设计了一个交互式电子书学习系统，该系统具备文本发音、交互控制、注释与标签、学习过程追踪、笔记共享、家校互联等功能。Choi等（2011）基于UDL（Universal Design for Learning）原理，（Rose et al.，2002）从内容资源的呈现及学习者情感态度的表达两个维度对数字教材的功能进行了设计。 3.数字教材功能模型构建 数字教材作为教育信息化改革的关键要素，不仅要支持课外教学活动的开展，更要服务于课堂教学。因此，数字教材应该是一个同时面向课内和课外的泛在学习系统。它能够有效整合内容资源、物理设施、软件工具、网络服务、社会环境等多个层面和维度的因素，并具有持续性、可获取性、实时性、交互性、情境性等特点。（Chen et al.，2002）当前实际应用的数字教材仍存在不能满足学习者个性化需求、学习工具支持不足、学习活动相对单调、交互方式单一等问题。（孙众等，2013）参与数字教材建设的各方对于如何设计开发数字教材、怎样构建数字教材支持环境等问题仍缺乏清晰而全面的认识。本研究通过深入分析当前典型数字教材的特征及国内外相关理论与实践研究成果，从支持教与学的角度出发，构建了一个以数字教材内容为中心，以教学工具、硬件设施及网络平台为支持环境的数字教材功能模型（如图2所示），以期为数字教材的设计、开发与应用提供参考与借鉴。 （1）数字教材内容 内容是数字教材的核心要素，是知识的载体。随着“数字一代”对富媒体数字教材的逐渐接受，数字教材相较于纸质教材的优势将愈加明显。数字教材的媒体内容组织与功能设计将逐渐摆脱对纸质教材的依赖与模仿，并具备更强的个性化、情境化、模块化与动态化特征。因此，数字教材内容应具有以下主要的功能特征。 第一，支持媒体资源与知识内容的精细化语义标注。利用基于XML的轻量级媒体标记语言，数字教材能够实现内容资源的语义检索、自动聚合、动态调整以及媒体信息交换，有利于系统为学习者推荐个性化的学习资源和创设个性化的学习环境。同时，数字教材只有做到可拆分、可整合的模块化设计，才能与课堂教学中每一个活动和环节有效配合，实现高效互动的智慧课堂教学。 第二，支持丰富的媒体资源形式。媒体资源是创设教学情境与组织教学活动的关键要素与前提条件。丰富多样的媒体形式有利于更加生动形象地呈现知识内容，降低学习者的认知负荷。数字教材除了支持图像、音频、视频、动画等基本的媒体形式以外，还应支持3D模型、全景图等新的媒体资源形式，以及SVG、MathML等基于XML语言的媒体形式。 第三，支持脚本语言。脚本语言既能够实现对媒体资源的动态驱动与实时响应，又能够将不同的媒体类型整合为全新的媒体形式，如发声文本等。另外，利用脚本语言能够实现媒体资源与终端设备功能特性的结合，增强媒体资源的交互性和对外界环境的情境感知能力，使学习者能够在虚实融合的环境中与学习内容进行互动，支持情境化学习。同时，数字教材媒体资源的交互设计不应只考虑键盘、鼠标、显示器等传统的信息输入与输出设备，还要充分利用触控屏幕、麦克风、摄像头、陀螺仪、振动器等。 第四，支持灵活的内容呈现与排版布局。数字教材的内容呈现首先应支持不同语言文字、不同学科内容的排版风格，如竖排文字、拼音注释等；其次，数字教材内容应能够灵活调整与布局，以适应不同设备的屏幕尺寸；最后，数字教材内容应具有完善的数字版权保护机制，不允许用户随意修改数字教材内容，但应支持用户对任意文本及其他媒体资源的选择与操作。 （2）工具软件与终端设施 当前，数字教材的终端承载设备已不仅仅局限于PC与投影仪，还包括平板电脑、交互式电子白板、大屏幕一体机甚至智能手机等。数字教材只有具备多终端、跨平台的应用能力，才能有效支持随时、随地、随需的泛在学习活动。工具软件作为数字教材内容与终端设备的中间层，首先应能够正确解析数字教材的内容文档，实现数字教材内容在不同类型终端设备上的完整呈现；其次，教学工具的设计要充分利用终端设施的功能特性。 数字教材兼具阅读性与教学性，其软件工具也可以分为阅读工具与教学工具两大类。阅读工具主要支持对阅读环境的个性化设置，以适应学习者不同的阅读风格与偏好，如字体大小、行间距、翻页动画、屏幕亮度、阅读模式（字体前景色与背景色）等。 教学工具是数字教材应用的重要保障与有力支撑，应同时支持自主学习和课堂教学。面向自主学习时，数字教材通常以移动学习终端或PC作为硬件载体，相应的学习支持工具包括书签、目录导航、笔记记录、高亮标注、内容搜索、屏幕录制等；面向课堂教学时，数字教材通常以交互式电子白板、大屏幕一体机作为终端设备，相应的教学支持工具包括荧光笔、探照灯、放大镜、小黑板等。此外，能够同时支持教与学的工具包括词典翻译、自动测评、语音识别、虚拟学具等。词典翻译、语音识别等功能通常需要由网络服务平台提供后台支持服务，而七巧板、节拍器等虚拟学具需要与学科内容紧密关联，这是当前数字教材各自形成封闭系统的重要原因。 （3）网络平台 网络平台首先应具备资源上传、管理与分发的基本功能，同时应能为基于数字教材的教与学活动提供支持与服务，主要包括学习社区、数据存储、学习过程跟踪、学习档案以及学习分析等。 学习社区支持学习者和教师以数字教材为中心构建交流社群。学习者与教师可以通过数字教材建立联系，组建以数字教材为中心的学习圈子，通过网络平台提供BBS、即时通信、电子邮件等功能进行协作学习和个性化辅导。同时，教师也可以基于数字教材进行教学资源共享、经验交流等。 学习者在使用数字教材的过程中会生成学习笔记、标注信息、试题答案等数据资源，可以通过网络平台提供的数据存储服务实现对这些生成性资源的存储、同步及共享。生成性资源是学习者对数字教材知识内容的深化与再加工，既有利于泛在情境下个性化学习环境的创建，又有利于后继学习者借鉴他人的学习经验。同一本数字教材的每一个后继学习者都可以对他人分享的生成性资源包进行修改和完善，资源包在以数字教材为中心的学习圈子中不断演化，最终趋于稳定，从而实现生成性资源的共建共享。 学习过程跟踪能够记录基于数字教材的各种学习行为数据，如对教材特定内容的浏览时间、浏览次数、交互方式、教材中试题的完成情况与结果等，而教师与家长基于网络平台可以实时查看和了解学生的学习情况与动态。同时，服务平台能够建立完善的用户学习档案，并对用户学习行为数据与测评数据进行分析，从而建立有效的学生模型，为系统个性化资源推荐及教师的个性化辅导提供参考和依据。 四、小结 数字教材是教育信息化发展与改革的必然趋势，建设与开发高质量的数字教材是当前数字教材发展的关键。然而，数字教材在一段较长的发展时期内仍然将存在多种形态共存的局面，难以形成一致并有效的数字教材建设规范与标准。本研究基于对当前数字教材功能、内涵以及形态的深入分析，提出并构建了一个较为完整的数字教材功能模型，从内容、工具与设施、服务平台等方面详细列举了数字教材的功能特性，以期为我国当前数字教材建设提供参考与借鉴，进而促进数字教材的普及应用。 基金项目：广东省重大科技专项“云计算若干关键技术及产业化与‘粤教云’工程”（2012A080104021）。 作者简介：胡畔，博士研究生；王冬青（通讯作者），博士，副教授，硕士生导师；许骏，博士，教授，博士生导师；韩后，博士研究生，华南师范大学教育信息技术学院（广东广州510631）。
转载自：《现代远程教育研究》2014年2期／总128期 排版、插图来自公众号：MOOC（微信号：openonline） |
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