交互式電子教材寫作工具的關鍵技術與基礎技術框架 *

武法提，牟智佳

(北京師范大學 教育學部 教育技術學院，北京 100875)

一、交互式電子教材發展的趨勢判斷與現實困境

(一)交互式電子教材的研究與應用是教育改革的重要支撐點和突破口

隨著信息通信技術在教育中的作用日漸顯著，傳統紙質教材在走向具體教育情境時，所固有的穩定性、封閉性和靜態性與現代教育情境的多樣性、開放性和動態性之間存在的必然沖突和矛盾日益顯著[1]。教材是課程的載體，課程的理念、目標和內容都經由教材傳遞和表達，且教材建設又是新課程改革的核心內容和基礎工程。為此，在順應現代教材發展趨勢的背景下，教材的建設工作被逐漸提上日程。電子教材的研究與應用勢必成為教育改革的重要支撐和突破口，具有重要的社會意義。

1.從國家整體信息化發展戰略看，開展電子教材研究是加快教育信息化進程的重要舉措，符合國家整體信息化發展戰略，對培養信息化復合型人才至關重要。當前，國家正在大力推進發展數字出版行業，而開展電子教材研究無疑是推動教育類數字出版物(電子教材)發展的關鍵環節，對扶持教育類數字出版物的規范化建設起了很大的促進作用，符合信息化時代教育發展的主題。

2.從教材出版方式的變革看，電子教材出版簡化了傳統紙質出版的流程，加速了教材生產流程和教材內容更新的速度[2]。數字出版是建立在計算機技術、通訊技術、網絡技術、流媒體技術、存儲技術、顯示技術等高新技術基礎上，融合并超越了傳統出版內容而發展起來的新興出版產業[3]，其中電子書已成為當下最重要的數字出版代表。而電子教材則從根本上改變了傳統出版的生產形態和發行、流通模式，使傳統出版脫離了對紙質載體及光盤的依賴，使多媒體的內容以電子化的形式直接作為電子教材。與傳統教材相比，電子教材在教材屬性、再現方式、組織結構、學習方式、內容范圍、穩定性以及交互方式等方面都形成鮮明對照[4]。

3.從教學方式來講，電子教材突破傳統紙質教材上課內容和教學方法長期一成不變的模式。原來的紙質教材只有靜態的文字與圖片結合，而電子教材的內容表現形式不再是簡單的紙質教材搬家，通過將教材內容富媒體化，可以依據學生的學習偏好設計個性化的教與學[5]。

(二)缺少交互式電子教材成為制約我國電子書包深入發展和有效應用的瓶頸

世界正在進入“無紙書籍”學習的新時代，作為個人學習終端的電子書包將成為推動教育信息化產業蓬勃發展的原動力，然而多種裝備形態的電子書包發展了近10年仍然無法真正被教育部門廣泛接受和應用，最重要的原因是電子書包僅僅停留在各種形式的硬件設備，而作為教與學應用核心的電子教材卻無法滿足教育教學的實際需求，無法支持新型教育模式進而推動教育變革。因此電子教材已然成為制約電子書包產業深入發展和有效應用的瓶頸。

需要注意的是，電子教材雖然基于電子書的發展形成但卻又不同于電子書。電子教材集中反映了國家的意識形態和教育理念，將學科課程范疇中的教學用書進行系統編制，并提供包含視頻、動畫和虛擬現實等形式的多媒體學習環境[6]，集媒體、教科書、參考書目和字典等內容為一體，從根本上替代了傳統的紙質教材。在電子教材研究的過程中，我們不能將電子教材與電子書兩者混淆，更不能把電子書的建設等同于電子教材的建設。

(三)缺少技術標準和內容設計標準成為制約交互式電子教材研發制作的瓶頸

推動電子書包在基礎教育中的實踐應用首先需要有效的電子教材，以及解決電子教材按需制作和發行的技術問題、標準問題和有效設計問題。缺少電子教材的技術框架和內容標準以及技術設計這些技術突破，電子教材難以得到有效地開發和推廣，進而難以助力電子書包在教與學中的有效應用。而電子教材中的內容標準是互操作性的基礎，它要解決學習內容、學習平臺、學習工具和學習終端的互操作要求。

當前，國內外政府部門已出臺的電子書相關政策為促進電子教材的發展提供了支持。2010年10月新聞出版總署發布《新聞出版總署關于發展電子書產業的意見》文件，正式將電子書產業納入新聞出版產業發展總體規劃之中，制定電子書產業發展規劃[7]，同時成立電子書內容標準工作組，研究制定電子書格式、質量、平臺、版權等方面的行業及國家標準。韓國教育部從國家層面研發電子教材出版的軟硬件平臺、內容標準，分別研制了適用于Windows和Linux操作系統的軟件平臺標準，有效避免了因電子教材大規模推廣而產生的版權費用[8]。國際數字出版論壇(International Digital Publishing Forum)發布的EPUB格式電子書出版標準，為電子教材標準提供了借鑒[9]。

由于電子教材內容標準都是基于本國的教育體制研制，為了實現真正意義上的互操作和跨平臺操作，需要考慮如何結合國際上用于數字化學習的Tin Can API標準、我國的CELTS標準、《教學資源立體化建設規范》等標準規范，研究符合我國實際情況的電子教材標準體系，并能夠跨平臺、跨媒體，暢通無阻。

二、交互式電子教材寫作工具開發的關鍵技術

電子教材要打破傳統紙質教材的線性結構編排方式，涉及眾多關鍵技術的研究，本研究主要解決如下關鍵問題：

(一)知識庫技術與語義標注技術

實現知識點的結構化管理、組織和跳轉需要知識庫技術和語義標注技術。由于電子教材融語義網、知識庫、智能學習系統為一體，通過數字內容加工平臺，可將教材的內容進行結構化處理，把章、節、段拆分出來，對每一部分加語義標注，以便將來形成智能的知識庫。通過知識庫技術可以建立課程本體，對教材內容進行語義標注。通過這兩項技術可以改變傳統紙質教材的線性結構表現方式，從教材文本中自動識別出包含的知識特征，并根據教材知識本體和教學論自動標注學習內容，根據學習的目標和學習內容自動生成學習計劃，從而實現個性化的學習內容。

(二)電子教材數字版權技術

電子教材出版簡化了傳統紙質出版的流程，但是涉及一系列出版安全問題需要解決，包含電子教材內容的全盤加密技術以及數字版權的認證、鑒定、管理技術。電子教材的版權保護，需要兼顧商業出版界、非盈利性資源提供方的知識產權，同時也需要確定適當的粒度以標記內容塊的版權信息[10]。在電子教材發布過程中需要融入授權功能以實現版權保護，在該授權系統中，電子教材中的每個頁面文件都在下載過程中通過用戶賬號和機器碼進行加密，然后壓縮成一個完整的電子教材包提供下載。在電子教材閱讀終端軟件也需要融入授權功能，通過對下載的電子教材內容進行解壓，在學習者訪問某個頁面前再單獨解密某個文件，解密后的文件在客戶端不留緩存以實現版權保護。

(三)人機交互技術

由于電子教材集硬件設備、軟件平臺和媒體內容為一體，人機交互技術尤為重要。平板電腦在交互性上有著天然的優勢，根據平板電腦的特點，在開發以其為載體的電子教材時需要在互動性上讓學習者有很好的人機交互體驗[11]。電子教材的強交互性、富媒體性和高用戶體驗對提升教師的課堂教學滿意度發揮了重要作用，在抓住學生對新知識探究的好奇心、幫助學生理解重難點以及增強學生的課堂參與程度等方面都體現出獨特優勢[12]。為此，需要對電子教材的可用性和交互效果展開研究，包括交互過程的安全性、用戶學習績效、易學性和易記性等指標指數。教材內容的多媒體化，需要融合當前在視線跟蹤、語音識別、手勢輸入、感覺反饋等交互技術方面的最新研究進展，為電子教材的易用性提供解決方案。

(四)電子教材閱讀終端模擬器測試技術

為了保證電子教材內容能夠在不同的電子教材閱讀終端設備上正常顯示，在開發電子教材內容時，需要對一些常見的終端進行模擬測試，保證電子教材數字平臺內容的相互兼容性和互操作。目前常見的學習終端有臺式機、筆記本、智能手機和平板電腦，涉及的操作系統包括Windows、Android和IOS。通過終端模擬器測試技術可以設計符合終端操作系統環境下的操作界面，解決教材內容自適應的問題。

(五)電子教材內容標準

由于我國不同地方的電子教材存在區域差異，如何分區試行和整合相關資源并在各產業鏈之間達成共識有一定的難度。為此，以電子教材內容為核心構建電子教材出版標準體系，并規范整個電子教材硬件設備、軟件開發、內容建設等方面的一致性和統一性，進而實現跨平臺、跨媒體的互操作是電子教材研究的關鍵內容。

三、交互式電子教材寫作工具的基礎技術框架

在前期深入調研和分析的基礎上，結合相關的技術標準和規范，我們設計了電子教材體系結構，如圖1所示。該體系結構主要包括數據服務層、內容管理層、教材分發層、內容標準、運行環境和寫作工具。

圖1 交互式電子教材的基礎技術框架

(一)數據服務層

數據服務層涵蓋了知識管理、學習記錄、內容庫、課程本體庫、教材模板，通過這些數據服務為內容的創作與重組、內容的發現與重用、內容的個性化智能投放、內容的閱讀體驗和知識管理提供支持，這是電子教材開發的前提和基礎。

自電子教材的概念產生以來，研究者和企業都積極參與其中并且產生了不少成果，例如為電子教材閱讀器引入了書簽、筆記、過程跟蹤等工具，同時部分出版社也考慮到傳統教材的更新難度和成本，不同程度引入了媒資庫等數字化管理手段。但當電子教材發展上升到國家高度時，各地政府部門需要積極考慮如何有效地規范市場、如何有效地整合出版社、內容生產商、服務提供商、終端廠商、軟件提供商等社會資源，這就需要進行大范圍的調研、分析，從數字資源管理和服務提供的角度提出基本的技術框架，為電子教材產業的推進提供技術基礎。

隨著云計算技術服務模式的發展與終端環境的變化，技術服務發生了較大的變化，這為教育信息化提出了新的思路。作為在國內剛剛起步的電子書包、電子教材，需要緊跟技術步伐，在模式上進一步突破，同時對過去低效、重復建設、硬件基礎設施投入大等問題提出有效的解決途徑。電子教材基礎技術框架將在數據服務層提出針對性的學習者行為數據模型、跨平臺接口和互操作方式。

(二)教材分發層

教材分發層包括DRM(Digital Rights Management，數字版權管理)、流媒體服務、分發平臺和授權/計費。數字版權管理是目前數字出版的技術難點，如何在多終端、移動性、在線與離線切換的環境下進行數字版權保護是DRM的核心主題[13]。流媒體服務為網絡環境下大數據的視音頻、圖片內容的分發提供流式服務，按需出版已經成為數字出版的核心研發主題，為學生、教師提供個性化的教材推送服務也是電子教材分發不可或缺的組成部分。教材分發層為教材如何推送給用戶以及用戶如何獲得教材提供完整的支持。該技術框架將借鑒當前的數字產品銷售平臺、App Store分發模式等，同時結合我國教育教材分發的特點，提出一套基礎技術方案。該方案通過云存儲服務，使用戶能夠在不同的終端上得到一致、無縫的閱讀體驗。此外，如何為電子教材參與者之間的利益分配提供有效的技術平臺支持也是教材分發的核心組成部分，在計量、計費、機構買斷、透明分成統計上提出完整的基礎技術解決方案。

(三)內容管理層

內容管理層為教材內容的生產、組織提供在線服務，實現與寫作工具的良好對接。在內容管理層中，內容管理系統(CMS)在出版領域已成為不可或缺的基礎系統，但電子教材具有其特殊性，其富媒體性、強語義化需求對內容管理系統提出了進一步的要求。通過知識庫和語義標注技術可以對電子教材中的知識點內容以結構化和層次化方式進行存儲、組織、管理和使用，形成有組織的知識集群。而版式與具體內容分離技術能夠有效地將內容創作者和技術分開，在提高內容利用率的同時，也提高了內容的生產效率。這就需要根據電子教材的特點提供適合電子教材本身創作與組織的內容管理系統。

(四)內容標準

內容標準主要是建立一套開放、有效、語義化的電子教材標準體系，完整覆蓋了電子教材的打包、元數據、素材格式、語義標注、交互等技術環節。它與運行環境和寫作工具緊密相連，其中運行環境包括Windows、Android和IOS等三大主流終端平臺上的閱讀器，寫作工具主要是對內容的創作、已有內容的加工提供工具支持。

內容標準制定是一個復雜、需要實踐總結的過程，國際上針對電子教材的標準目前處在零散階段，國內電子課本與電子書包相關標準研制主要是以華東師范大學祝智庭教授團隊為主導，以標準專題組為主體，由總體架構組、電子課本標準組、虛擬學具標準組、學習服務標準組、學習終端標準組等五個專題項目組具體分工共同推動的電子課本與電子書包技術標準研制，但在標準研究中還存在標準研制周期性、核心標準突破、相關標準對接、標準應用、標準國際化等方面的問題[14]。本研究的內容標準將會和現有的相關標準及組織保持參照，互為補充。

(五)運行環境

電子教材終端平臺的各自為政與封閉帶來的內容不足問題較為明顯，因而難以有效推進，這迫切需要從行業角度、政府角度去規范終端。我國基礎教育硬件終端設施分布無論在終端先進性上還是終端覆蓋率上都不平衡，從而導致各地終端差異較大，同時隨著近兩年平板電腦的技術體驗相對成熟，終端設備差異進一步拉大。但從發展趨勢來看，主流平臺將會以Android、Windows和iOS為主。從整個信息技術行業看，“云+多端”的模式已經得到廣泛應用，可以看出跨終端是軟件服務廠商應該具備的能力。因此，對運行環境的規范是電子教材基礎技術框架應該重點規范和突破的。

(六)寫作工具

數字內容生產環節可以概括為創作、設計、開發，如何有效地避免技術細節帶來的低效，從而節約資源投入到創作和設計環節，是提高電子教材質量、優化行業人才結構的關鍵，寫作工具為解決此類問題提供支持。商業寫作工具只能提供通用素材的寫作支持，要對電子教材本身的語義標注、豐富的交互、內容打包提供支持，還須針對性地研發寫作工具。

四、交互式電子教材的內容標準

在設計交互式電子教材寫作工具技術框架之后，針對電子教材中的內容標準進行了定義和規范，它包括內容包裝、語義定義、媒體規范、交互規范、元數據、RTE(Run-Time Environment，運行時環境)應用程序接口、XML綁定等內容。

(一)內容包裝

內容包裝設計為數字化資源定義了一種標準的數據結構，該結構綁定了足夠的附加信息，以便于資源的快速檢索、有效共享和交換[15]。電子教材的章(或單元)、節(或課)、知識點片段之間的嵌套和包含關系需要進行良好的定義，以便為電子教材的打包、分發、更新、拆分和重組提供參考依據。目前與學習資源相關的內容包裝規范包括Tin Can API、CELTS學習內容包裝規范、EPUB等。Tin Can API是美國高級分布式學習組織在2013年4月推出了新一代的e-Learning標準。它在系統中增加了學習記錄庫，讓系統采集學習者經驗并且和其他系統使用共同的語言進行共享。通過采集所有學習者的數據，更好地理解學習者[16]。Tin Can API對學習對象組織的理念對電子教材的內容有一定借鑒意義，但學習對象不能完全涵蓋電子教材中的教材、章(或單元)、節(或課)、知識點片段的語義特性，因此不能完全套用。本研究將在借鑒Tin Can API、EPUB等相關規范的基礎上，針對電子教材內容包裝中涉及的核心要素定義一套適合電子教材的內容包裝規范。

(二)語義定義

電子教材中各個內容片段所關聯的知識點、所應達到的學習目標的層次、知識點之間的關聯關系以及學習目標之間的關聯關系需要進行良好的定義，以促進電子教材的高效共享和向智能電子教材演化。目前以LOM為代表的學習對象元數據規范中包含了部分教育相關的語義[17]，但不夠具體和完善。針對電子教材這種特殊的教學與學習載體，我們需要在參考已有學習對象元數據規范的基礎上定義一套兼顧可擴展性和完備性的教學與學習語義描述規范。

(三)媒體規范

多媒體性是電子教材的一個重要特性。本研究對電子教材所包含的文本、音頻、視頻、動畫、外部鏈接等各種媒體要素的基本屬性、擴展屬性、呈現特性、組合排版、關聯組合進行定義。與LOM、CELTS僅僅描述單個多媒體資源的基本屬性和擴展屬性不同，電子教材中的媒體規范還要重點描述多種媒體資源在排版組合和關聯組合的特性，并且還要綜合考慮普通PC、各種操作系統和不同屏幕分辨率的平板電腦對多媒體資源的適用性。

(四)交互規范

電子教材不是印刷文本內容的簡單電子化，也不是多種媒體資源的簡單堆砌，而必須在教學語義定義的基礎上體現教學交互性[18]。在交互規范上要全面分析電子教材所包含的各種交互片段，并對每種交互片段包含的屬性、要素和交互實現效果進行標準定義。隨著互聯網技術尤其是互聯網終端展示技術的發展，互聯網中出現了豐富多彩的交互組件，如果不考慮電子教材的教學性，直接將這些交互組件照搬到電子教材中也是不合適的[19]。因此，需要在充分研究電子教材所應具有的教與學特性的基礎上，廣泛參考目前出現的各種交互組件，對電子教材中需要的交互組件所應包含的屬性、要素、內容和參考交互效果進行定義。其中屬性是對交互元件的ID、標題名稱、可見性、彈出性、內容描述等信息進行定義；要素是對交互元件的類型進行定義；內容是對各交互元件所支持的功能內容進行定義；參考交互效果是對不同交互原件所實現的交互方式進行定義。

(五)元數據

為了便于電子教材及其組成部分的檢索和共享，本項目將對電子教材整體、章(單元)、節(課)、交互片段、媒體素材等各個級別要素所需要的元數據進行定義。盡管LOM、CELTS等對學習資源所應具備的元數據屬性進行了定義，但這些元數據規范的通用性比較強，適用于各種不同類型的學習資源，而針對電子教材我們需要在這些規范的基礎上進行裁剪和擴展。

(六)RTE應用程序接口

為了輔助多終端支持下的教與學，電子教材在終端閱讀過程中，通常還需要使用筆記、書簽、高亮標記等教學和學習工具，集成外部資源、第三方教具與學具等，以及學習記錄遠程保存、更新等服務接口的調用等。本部分研究將在借鑒已有的學習運行時模型的基礎上，對電子教材在使用過程中所需要的筆記、書簽、高亮標記等教學與學習工具以及學習記錄遠程保存、遠程更新等學習服務接口、外部資源集成、第三發教學與學習工具的集成接口進行定義。

(七)XML綁定

以上與電子教材內容相關的各部分標準的嚴格定義和實現最終都需要使用一種形式化語言來描述，我們將使用國際標準和規范中最通用的XML語言進行綁定描述。

五、交互式電子教材寫作工具的開發流程

依據交互式電子教材寫作工具的關鍵技術和基礎技術框架，在遵循電子教材內容標準的基礎上，我們設計了電子教材寫作工具的開發流程，如圖2所示。該流程包括需求分析、功能設計、學習記錄分析、內容開發、授權設計和發行系統設計等六部分內容，依據該設計思路可以為后面的實際開發工作提供指導。

圖2 交互式電子教材寫作工具的開發流程

(一)需求分析

電子教材寫作工具的需求分析包括電子教材中的知識點交互類型、學科教學模板和寫作工具的運行環境。在知識點交互類型上，需要總結不同學科教材中的內容交互需求。在學科教學模板上需要針對不同學科的特點設計教材制作模板，以方便教師快速電子教材。而運行環境的設計需要滿足當前多終端和跨平臺的閱讀需求。

(二)功能設計

功能設計主要是對電子教材寫作工具的內容制作頁面進行設計，包括教材目錄結構編寫功能、教材內容中的交互元件以及對教材內容中的知識點管理和多媒體資源管理。在教材結構編寫上要延續傳統教材目錄的制作風格，方便教師適應并快速掌握操作方式。在交互元件的設計上，一方面要能夠提供支持教材內容編寫的通用交互元件，另一方面也要提供針對不同學科特點的學科交互元件。而教材中的知識點管理主要是面向學習者的學習需要而設計，資源管理是方便教師對交互元件中所用的多媒體資源進行分類管理。

(三)學習記錄分析

與紙質教材相比，電子教材對教學和學習支持上的優勢之一體現在對學習過程的記錄和管理[20]。學習記錄分析主要是對電子教材中的電子檔案袋進行設計，它包括計分規則設定和學習記錄查詢。其中計分規則設定主要是對電子教材中各交互類型所占的權重和最高分以及學習者在電子教材中的學習時長、學習進度和目標通過的權重和最高分等進行設計。學習記錄查詢是為教師查看學習者的學習過程信息提供支持，同時支持學習者查看個人學習教材內容的完成結果。

(四)內容開發

內容開發是對電子教材進行編寫制作和內容封裝，它包括用戶體驗設計、編寫教材內容和內容封裝。其中用戶體驗設計是從視覺設計、內容設計、功能設計、可用性設計和交互設計等五個方面進行分析[21]。教材內容編寫通過添加目錄節點和內容片斷以及各類交互知識點來完成對電子教材的編寫。內容封裝則是按照內容標準規范對教材進行包裝。

(五)授權設計

授權設計是對電子教材的版權保護和使用權限進行設計。在版權保護上用戶在使用賬號進行下載的過程中使用機器碼進行加密，而在客戶端中學習者在訪問電子教材頁面時，會單獨彈出頁面顯示框，以保證解密后的文件在客戶端不留緩存。在使用權限上通過給輔導教師和學習者的賬號分別授權可以實現兩者之間的功能區分。

(六)發行系統設計

發行系統設計是對完整的電子教材進行發布和推送，發布后的電子教材可以供學生進行點擊閱讀。在發布系統設計過程中需要滿足不同終端和操作系統的閱讀需求，以及能夠根據終端的顯示尺寸大小自動調整內容顯示效果。通過教材發行系統可以將制作好的電子教材發布到云端書柜中，以方便學生點擊閱讀學習。

六、結束語

交互式電子教材作為當前數字化學習環境下的重要學習資源突出了教材內容的多媒體化和強交互性，非線性的編排方式和互操作性使其設計與制作需要專業化的寫作工具提供支持。本研究對電子教材寫作工具開發所需要的基礎技術框架和教材內容標準進行了分析和界定，并在此基礎上設計了電子教材寫作工具的開發流程。基于這些關鍵技術和基礎框架，本研究下一步將采用快速原型法設計和開發電子教材寫作工具，為一線學校制作通用電子教材和校本電子教材提供工具支持。

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