教育數(shù)字化背景下數(shù)字化教學(xué)資源的出版實踐路徑

劉暢 劉丹

［摘要］當(dāng)前，高等教育的數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求與出版業(yè)的創(chuàng)新融合發(fā)展是一個重要的現(xiàn)實問題。細(xì)胞生物學(xué)3D模型與3D動畫教學(xué)資源庫是科學(xué)出版社面向數(shù)字化出版轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)知識服務(wù)的一項重要創(chuàng)新實踐。該教學(xué)資源庫是針對高等教育生命科學(xué)類、農(nóng)林類、醫(yī)學(xué)類專業(yè)師生開發(fā)的一套系統(tǒng)數(shù)字化交互系統(tǒng)。它采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，以3D模型和3D動畫的形式展示顯微、亞顯微層次的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和重要細(xì)胞生理生化過程，為用戶提供一種可視化、可交互、可移動學(xué)習(xí)的沉浸式互聯(lián)網(wǎng)教育體驗。文章以此為案例，揭示高等教育中學(xué)科專業(yè)知識轉(zhuǎn)化為數(shù)字化教學(xué)資源的現(xiàn)實路徑。

［關(guān)鍵詞］出版融合創(chuàng)新；知識服務(wù)；虛擬現(xiàn)實技術(shù)

一、教育數(shù)字化的趨勢勢不可擋

在我國高等教育繁榮發(fā)展與數(shù)字化技術(shù)日新月異的今天，教育的數(shù)字化已成為一個重要趨勢，也是商業(yè)戰(zhàn)場的廣闊藍(lán)海^［1］。這種轉(zhuǎn)型將對傳統(tǒng)的教育方式產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響和挑戰(zhàn)。由于新冠疫情的影響，大多數(shù)高校已經(jīng)采取了在線課程等與傳統(tǒng)教學(xué)模式截然不同的教學(xué)方式。這種變化進(jìn)一步加劇了對教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的迫切需求。在教育部高等教育司2023年工作要點中，加快高等教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型，打造高等教育教學(xué)新形態(tài)成為工作重點^［2］。為此，早在2021年，教育部便開始著手推動高校多個學(xué)科專業(yè)建設(shè)“虛擬教研室”，于2022年成立“國家高等教育智慧平臺”^［3］，于2023年全面推開“101計劃”，為高等院校提高教學(xué)質(zhì)量、實現(xiàn)教育數(shù)字化提供政策引導(dǎo)和有力支撐。可見，當(dāng)前，無論是教育主管部門還是高校均越來越重視教育的數(shù)字化。

教育數(shù)字化是實現(xiàn)高等教育內(nèi)涵式發(fā)展的現(xiàn)實需求。近年來，高校將提高本科教育質(zhì)量作為重要任務(wù)，這對提高人才培養(yǎng)質(zhì)量具有基礎(chǔ)性和關(guān)鍵性的作用。高質(zhì)量的教學(xué)不僅需要高校教師具備良好的授課能力，還需要高質(zhì)量的數(shù)字化教學(xué)資源的輔助，尤其是對一些難以用言語表達(dá)的專業(yè)內(nèi)容。教師充分利用數(shù)字化教學(xué)資源可以顯著提高教學(xué)效率，對學(xué)生的培養(yǎng)具有重大意義。從高校學(xué)生的角度來看，接受知識、交流信息的手段早已不限于課堂的講授這種傳統(tǒng)的教學(xué)方式，以興趣為引導(dǎo)，加強(qiáng)對學(xué)習(xí)知識的探索性，強(qiáng)調(diào)交互、強(qiáng)調(diào)及時的學(xué)習(xí)反饋成為越來越多學(xué)生喜愛的學(xué)習(xí)方式。但是在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，教學(xué)素材大都由任課教師自己收集整理，具有零散性，不系統(tǒng)，部分資源存在版權(quán)問題甚至錯誤等問題，因此，科學(xué)性強(qiáng)、權(quán)威、系統(tǒng)、內(nèi)容豐富、形式多樣的教學(xué)資源對豐富教學(xué)就顯得尤為重要。而對出版機(jī)構(gòu)，傳統(tǒng)的出版物大多是紙質(zhì)的教材，知識的承載介質(zhì)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，尤其體現(xiàn)在對高校和作者的支撐服務(wù)上顯得力不從心。面對傳統(tǒng)出版的困境，根據(jù)新的現(xiàn)實情況，推進(jìn)數(shù)字化出版轉(zhuǎn)型，也成為行業(yè)普遍的迫切需求。

二、教育數(shù)字化從設(shè)想到產(chǎn)品構(gòu)思

教育數(shù)字化從設(shè)想到產(chǎn)品構(gòu)思，是一個深入了解專業(yè)內(nèi)容知識和現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)，并融合創(chuàng)新的過程。對長期深耕高等教育領(lǐng)域的專業(yè)出版社來說，只有深入挖掘并徹底理解某個專業(yè)領(lǐng)域，才能找到生存的機(jī)會，這也是這些專業(yè)出版社在傳統(tǒng)出版領(lǐng)域一直堅持的原則。在數(shù)字出版領(lǐng)域，提供優(yōu)質(zhì)的知識服務(wù)仍然離不開其專業(yè)性。在市場調(diào)研階段，通過大量的訪談和調(diào)查，可以看出，高質(zhì)量的數(shù)字化教學(xué)資源需求迫切性非常強(qiáng)烈，尤其是對學(xué)生覆蓋度廣、知識內(nèi)容不夠具象化、師生不容易理解的專業(yè)性內(nèi)容。而目前這些內(nèi)容的建設(shè)與開發(fā)仍處于零散而專業(yè)性不足的階段，其對人力資源、建設(shè)經(jīng)費的消耗都是傳統(tǒng)出版物遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能比擬的。

經(jīng)過對學(xué)科內(nèi)容、市場反饋等方面的綜合考慮，筆者最終選擇細(xì)胞生物學(xué)這個學(xué)科及其相關(guān)課程作為數(shù)字化教學(xué)資源建設(shè)的切入點，原因如下。

首先，細(xì)胞生物學(xué)是一門生命科學(xué)類、醫(yī)學(xué)類專業(yè)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課，面向的學(xué)生群體非常廣泛，而市場上尚無同類產(chǎn)品系統(tǒng)化的數(shù)字化教學(xué)資源，因此市場前景廣闊，對生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)林、環(huán)境類專業(yè)都具有很高的應(yīng)用價值。其次，細(xì)胞生物學(xué)課程內(nèi)容主要包括細(xì)胞的形態(tài)學(xué)部分和動態(tài)的生命活動過程，這些都是微觀、非具象、難以準(zhǔn)確描述的，非常適合實現(xiàn)數(shù)字化。最后，這些數(shù)字教學(xué)資源不僅適用于高等教育，還可以延伸至科普、中小學(xué)在線教育等多個領(lǐng)域，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性和二次開發(fā)潛力，未來根據(jù)市場反饋，可以很容易地進(jìn)行二次開發(fā)，不斷優(yōu)化和擴(kuò)展數(shù)字化教學(xué)資源的內(nèi)容及使用場景。

選定專業(yè)內(nèi)容后，下一步便是對專業(yè)內(nèi)容的數(shù)字化展現(xiàn)形式進(jìn)行構(gòu)思。通過對教學(xué)內(nèi)容的分析，我們選擇通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)^［4］展示內(nèi)容資源。細(xì)胞生物學(xué)可以分為靜態(tài)和動態(tài)的兩部分內(nèi)容。其中靜態(tài)部分，如形態(tài)學(xué)內(nèi)容通過3D模型來實現(xiàn)演示和交互，如細(xì)胞中的各種細(xì)胞器，細(xì)胞器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如細(xì)胞核中的核膜、核仁、核孔等。而動態(tài)內(nèi)容，如細(xì)胞分裂、光合作用中電子的傳遞過程、細(xì)胞衰老過程、細(xì)胞信號通路等，則通過3D動畫來展示和交互。

經(jīng)過上面的調(diào)研與分析，細(xì)胞生物學(xué)3D模型與3D動畫教學(xué)資源庫（后文簡稱為3D Cells）策劃思路為以下三步。

第一，通過虛擬技術(shù)再現(xiàn)細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)，使學(xué)習(xí)內(nèi)容更加真實可見。通過3D模型和動畫，將細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生命活動過程清晰地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，使學(xué)生能夠更加直觀地理解和掌握細(xì)胞生物學(xué)的知識。第二，可觸摸交互的設(shè)計使枯燥的學(xué)科內(nèi)容變得生動且能互動。在3D Cells中，學(xué)生可以通過觸摸屏幕或使用鼠標(biāo)進(jìn)行操作，與細(xì)胞進(jìn)行互動，如放大、縮小、旋轉(zhuǎn)細(xì)胞結(jié)構(gòu)或者觸發(fā)細(xì)胞的特定生命活動過程。這種交互式的學(xué)習(xí)方式可以增強(qiáng)學(xué)生的參與感和探索性，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。第三，將分散于一門學(xué)科中的主要教學(xué)內(nèi)容集中于一個場景，使得學(xué)生對知識的整體性、關(guān)聯(lián)性有全局的認(rèn)識。3D Cells將細(xì)胞生物學(xué)的知識點整合在一個虛擬環(huán)境中，如細(xì)胞的遺傳信息傳遞、物質(zhì)運輸、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞周期等。學(xué)生可以通過在這個虛擬環(huán)境中探索和學(xué)習(xí)，建立起對細(xì)胞生物學(xué)知識的整體觀和關(guān)聯(lián)性理解，能從更高維度把握所學(xué)內(nèi)容，建立整體觀。通過3D Cells的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以從宏觀和微觀兩個層面把握細(xì)胞生物學(xué)的知識。他們可以觀察到細(xì)胞的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，也可以了解細(xì)胞的生理和生化過程。這種多維度、探究式的學(xué)習(xí)方式可以幫助學(xué)生建立對細(xì)胞生物學(xué)的整體認(rèn)知，培養(yǎng)科學(xué)思維能力和解決問題的能力。

總之，3D Cells教學(xué)資源庫的構(gòu)建旨在通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)和互動式設(shè)計，將知識點整合在一個虛擬環(huán)境中，通過改變傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)習(xí)慣和方式加深學(xué)生對細(xì)胞生物學(xué)知識的理解和掌握，提升其科學(xué)思維能力，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

三、數(shù)字化教學(xué)資源從設(shè)計藍(lán)圖到產(chǎn)品形成

數(shù)字化教學(xué)資源從構(gòu)思藍(lán)圖到產(chǎn)品形成離不開產(chǎn)品設(shè)計人員、開發(fā)人員、專家團(tuán)隊的通力合作。產(chǎn)品設(shè)計人員決定要做的內(nèi)容，以及要展現(xiàn)的知識點和呈現(xiàn)的形式等。在細(xì)胞生物學(xué)教學(xué)資源庫的設(shè)計過程中，對靜態(tài)的教學(xué)內(nèi)容多采用3D模型的方式，對動態(tài)生命活動過程采用3D動畫的方式來呈現(xiàn)。在3D Cells動物細(xì)胞結(jié)構(gòu)部分，包含了細(xì)胞膜、細(xì)胞骨架、中心體、細(xì)胞核、高爾基體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等各種不同的細(xì)胞結(jié)構(gòu)與細(xì)胞器，這需要繪制各種靜態(tài)3D模型，而在細(xì)胞膜上會涉及物質(zhì)的運輸、細(xì)胞信號的傳導(dǎo)、細(xì)胞識別、免疫等各種動態(tài)過程，這些內(nèi)容在傳統(tǒng)教材中分別屬于不同的章節(jié)，但在內(nèi)容設(shè)計中需要考慮其發(fā)生的場景以及這些知識點的關(guān)聯(lián)性，通過分析，需要把這些動態(tài)過程嵌入到相應(yīng)3D模型下一層的知識結(jié)構(gòu)中。通過立體的知識圖譜，盡量囊括本學(xué)科、本課程的核心知識點，將可交互的模型、動畫、圖片、文字、語音、測試匯集到一套系統(tǒng)中，即3D Cells的內(nèi)容設(shè)計。在內(nèi)容設(shè)計上，為了實現(xiàn)原創(chuàng)性，采取由編輯設(shè)計，專家審定，IT人員實現(xiàn)的方式。開發(fā)人員在整個產(chǎn)品建設(shè)過程中也是關(guān)鍵的角色，他們熟悉技術(shù)，可根據(jù)內(nèi)容來選擇最佳的呈現(xiàn)形式，其與內(nèi)容設(shè)計人員的高效溝通是保證成品完成的關(guān)鍵。在3D Cells的內(nèi)容開發(fā)過程中，通常要經(jīng)歷撰寫設(shè)計草稿，就專業(yè)知識對開發(fā)人員的講解，產(chǎn)品開發(fā)，產(chǎn)品初稿的審核，再次修改等步驟，通過多個步驟、多個輪次不斷完善。

對數(shù)字化教學(xué)資源的內(nèi)容設(shè)計與開發(fā)，要保證高質(zhì)量高效完成，筆者有幾點體驗分享。一是通過講解提高開發(fā)人員對專業(yè)內(nèi)容的理解度，提高數(shù)字化教學(xué)資源質(zhì)量與開發(fā)效率。二是完善內(nèi)容設(shè)計，做到內(nèi)容與呈現(xiàn)形式的完美匹配。三是做到科學(xué)性和藝術(shù)性的統(tǒng)一。在數(shù)字化教學(xué)資源內(nèi)容設(shè)計與開發(fā)過程中，這是一個難點。筆者留意到在國外同類產(chǎn)品設(shè)計過程中，通常會有科學(xué)顧問和藝術(shù)顧問等專業(yè)人員，分別從不同的角度對產(chǎn)品進(jìn)行把關(guān)，從而提升產(chǎn)品的準(zhǔn)確性和美感。

數(shù)字化教學(xué)資源在內(nèi)容設(shè)計和開發(fā)的同時也要考慮設(shè)計適宜的軟件系統(tǒng)來承載內(nèi)容，完成交互，實現(xiàn)統(tǒng)計等商業(yè)服務(wù)功能。在用戶已經(jīng)熟悉各種App和電腦軟件操作的背景下，以良好的易用性作為軟件系統(tǒng)設(shè)計的初衷，3D Cells主要可以在手機(jī)端、PC端進(jìn)行應(yīng)用。以3D Cells手機(jī)端App UI設(shè)計為例，考慮到用戶在手機(jī)有限的使用界面上的交互與操作難度，以及模型與動畫演示的直觀性、知識點檢索的便利性等各種使用特點，開發(fā)人員進(jìn)行了如下設(shè)計。3D Cells在UI界面中，將交互功能放在最中心的位置，兩側(cè)放置分別為功能區(qū)。在交互區(qū)，直接呈現(xiàn)3D模型或者3D動畫，模型可以通過直接觸摸實現(xiàn)放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、點擊進(jìn)入詳細(xì)內(nèi)容或者下一級內(nèi)容的交互功能。界面左邊設(shè)置了知識目錄，將樹狀的知識邏輯圖與逐級深入的探索式觸動邏輯結(jié)合起來，可以方便使用者了解知識圖譜的內(nèi)在聯(lián)系。同時，左側(cè)匯集了幾種最重要的功能按鈕，簡潔且又符合用戶的使用習(xí)慣與邏輯。界面最下端設(shè)計了筆記功能，方便用戶隨時記錄學(xué)習(xí)感想或重點。

四、數(shù)字化教學(xué)資源從產(chǎn)品使用到打開市場

3D Cells可以在手機(jī)和電腦等設(shè)備上隨時使用，適應(yīng)各種場景和不同的學(xué)習(xí)目標(biāo)。在使用3D Cells的過程中，無論是進(jìn)行課程教學(xué)還是自學(xué)，學(xué)習(xí)者都可以第一人稱視角進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，通過觸摸交互的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，充分滿足“所見即所得”的使用體驗。學(xué)習(xí)者可以對細(xì)胞3D模型和動畫進(jìn)行任意縮放、旋轉(zhuǎn)等操作，實現(xiàn)全方位、多角度的觀察，從宏觀的顯微鏡觀察到微觀、亞顯微鏡觀察，甚至到分子層面，逐步深入了解細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、功能和作用機(jī)制。

此外，3D Cells還支持高清圖片和視頻導(dǎo)出，具備自我講解錄制功能，方便在線教學(xué)、線下學(xué)習(xí)、資源分享等。它可以將數(shù)字教學(xué)資源與專業(yè)學(xué)習(xí)過程緊密結(jié)合，將沉浸式、探索式學(xué)習(xí)方式融入其中，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。同時，它也為教師教學(xué)、寫作等提供了有力的支持?？傊?，3D Cells的目標(biāo)是提供一種全新的學(xué)習(xí)體驗，讓學(xué)習(xí)者更加深入地了解細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能，提高學(xué)習(xí)效率。

自2021年推出以來，截至2023年年中，3D Cells已經(jīng)廣泛推廣至超過360所高等院校、中學(xué)、科研院所等單位的千余位一線教師，并且有近萬名用戶通過多種渠道使用該教學(xué)資源庫。根據(jù)抽樣反饋，絕大部分的高校教師認(rèn)為該教學(xué)資源庫對專業(yè)課程的學(xué)習(xí)非常有幫助。此外，該教學(xué)資源庫已經(jīng)榮獲多項國家級和省部級榮譽(yù)，包括2022年中國新聞出版研究院的“首屆虛擬現(xiàn)實新聞出版創(chuàng)新應(yīng)用案例”，2022年中國自然教育大會的“全國精品數(shù)字出版物”，以及2023年北京圖書訂貨會的“大家贊譽(yù)的出版新技術(shù)應(yīng)用案例”。

五、結(jié)語

高等教育的數(shù)字化轉(zhuǎn)型是一個需要付出艱苦努力的進(jìn)程，無論是教育管理人員還是一線教師，都在為推動這一進(jìn)程付出了各種努力。目前我國已經(jīng)建成了世界上規(guī)模最大的在線開放課程群，也擁有世界上人數(shù)最多的高等教育體系，從追求規(guī)模到追求質(zhì)量的轉(zhuǎn)變是一個充滿挑戰(zhàn)的過程。

科學(xué)出版社以“堅持做難而正確的事”為信念，將知識服務(wù)作為戰(zhàn)略目標(biāo)，致力于成為高等教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的積極參與者和實踐者。我們深知，在市場檢驗中，盡管很多用戶對數(shù)字化教學(xué)資源給予了肯定和鼓勵，但我們?nèi)皂毐只ヂ?lián)網(wǎng)的思維方式，不斷優(yōu)化和完善，以期為高校師生帶來更優(yōu)質(zhì)的使用體驗。

［參考文獻(xiàn)］

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［3］國家高等教育智慧教育平臺［EB/OL］.［2023-07-20］.https：//higher.smartedu.cn/.

［4］張文利，陳晨，王岳，等.基于虛擬現(xiàn)實的醫(yī)學(xué)教育應(yīng)用與設(shè)計研究［J］.中國教育技術(shù)裝備，2023（05）：36-39.

［作者簡介］劉暢（1983—），男，河南信陽人，中國科技出版?zhèn)髅焦煞萦邢薰静邉澗庉?，副編審；劉丹?982—），女，四川瀘州人，中國科技出版?zhèn)髅焦煞萦邢薰静邉澗庉?，副編審?/p>