電子教材寫作工具的交互元件設計與功能實現(xiàn)*

牟智佳，武法提

(北京師范大學 教育學部 教育技術學院，北京 100875)

電子教材寫作工具的交互元件設計與功能實現(xiàn)*

牟智佳，武法提

(北京師范大學 教育學部 教育技術學院，北京 100875)

內容交互是電子教材區(qū)別傳統(tǒng)紙質教材的一個關鍵特征與用戶良好體驗所在。該文通過對以語文、英語為代表的文科課程和以數(shù)學、物理為代表的理科課程電子教材中交互知識點的內容分析，設計了六類電子教材通用交互元件，包括文本、圖片、幻燈片、視頻動畫、主觀題和交互組。在此基礎上，依據(jù)設計的電子教材通用交互元件和用戶體驗原則，采用J2EE的技術路線和開源的MySQL底層數(shù)據(jù)庫，設計開發(fā)了電子教材寫作工具軟件。該軟件包括教材結構設計、內容片斷編寫、交互片斷選擇和學習過程記錄等四部分功能，支持教師基于多種終端設備和操作系統(tǒng)協(xié)作編寫電子教材且內容具有終端適應性。最后分別展示了Web端和移動端的電子教材編寫案例。

電子教材；交互知識點；內容分析；交互元件；學習記錄

一、引言

當前，隨著互聯(lián)網(wǎng)絡的深入發(fā)展和移動技術的日漸普及，以平板電腦、智能手機等為代表的移動設備正變革著傳統(tǒng)的閱讀手段和閱讀習慣。國家新聞出版總署在《新聞出版業(yè)“十二五”時期發(fā)展規(guī)劃》中指出，要順應數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡化趨勢，發(fā)展以內容生產數(shù)字化、管理過程數(shù)字化、產品形態(tài)數(shù)字化、傳播渠道網(wǎng)絡化為主要特征，以網(wǎng)絡出版、手機出版為主要代表的數(shù)字出版等新興業(yè)態(tài)，推動數(shù)字內容加工、存儲、傳輸、閱讀等技術和裝備的研發(fā)與制造，發(fā)展電子閱讀及有聲閱讀，實現(xiàn)新聞出版內容資源的深度整合[1]。從新聞出版政策中可以看出，以電子書為產品形態(tài)的數(shù)字出版是出版產業(yè)大規(guī)模發(fā)展的機遇和突破口。在教育領域中，教材作為學生閱讀中的重要資源要滿足學生的數(shù)字化閱讀需求，不僅要能支持在不同終端中的閱讀需要，而且能實現(xiàn)多種形式的內容交互。然而已有的電子課本多是將紙質教材進行數(shù)字化，其知識內容仍是單向傳遞，尚缺乏與學習者產生雙向交互的知識內容，而交互性是電子教材區(qū)別傳統(tǒng)教材的一個重要特征，是促進學生進行深度學習和增強閱讀體驗的重要所在。本研究通過對文理科中電子教材交互知識點的分析，厘清電子教材中的通用交互元件，并設計開發(fā)交互式電子教材寫作工具，以期為今后中小學校制作校本電子教材提供技術支持。

二、文科課程電子教材的交互知識點分析

電子教材是一類遵循學生閱讀規(guī)律、利于組織學習活動、符合課程目標要求、按圖書風格編排的電子書或電子讀物[2]。它是對紙質教材的再加工，在內容表現(xiàn)形式上進行了圖文聲像的多媒體化，在內容廣度上提供了豐富的拓展學習材料，在內容深度上針對內容提供了名師解析。針對電子教材中的交互知識點分析上要遵從兩方面的原則：一是要與課程標準中所提出的課程目標相一致；二是要體現(xiàn)基礎教育學段的基本課程內容，即在交互設計方向上要實現(xiàn)課程“目標—內容”的統(tǒng)一。在內容設計方面，電子教材實現(xiàn)的兩個核心部分是基本內容的呈現(xiàn)與交互方式的實現(xiàn)[3]，因此設計時需要滿足兩方面的需求：一是要完成紙質教材中非交互知識點的數(shù)字化；二是要實現(xiàn)紙質教材中交互知識點的富媒體化[4]，即在交互內容設計方向上要實現(xiàn)“單向—交互”的統(tǒng)一。在上述設計原則和需求的指導下，我們對文理科教材知識點中的交互元素進行了探索。對文科課程電子教材的分析主要是以語文和英語兩科為例，以人教版出版的教材為分析對象進行分析。

(一)分析方法

本研究采用層級分析法和內容分析法對電子教材中的交互知識點進行分析。層級分析法是用來揭示教學目標所要求掌握的從屬技能的一種分析方法[5]。該方法采用逆向分析，即從已確定的教學目標開始出發(fā)，逐步分析學習者獲得教學目標規(guī)定的能力。通過該方法可以確定電子教材中的交互知識點維度和層級關系。

內容分析法則是對明顯的傳播內容做客觀而有系統(tǒng)地量化并加以描述的一種研究方法[6]。該方法主要用于對大量文本內容進行分析，通過內容分析法可以挖掘教材中所涉及的交互知識點。該方法的分析步驟包括內容抽樣、評判記錄和信度分析。其中內容抽樣采用來源抽樣方式，以人教版教材為樣本來源。評判記錄則是按照應用層級分析法得出的交互知識點類目表格，按分析單元順序判斷并記錄各知識點類目出現(xiàn)的頻數(shù)。本研究選取了一名教師和兩名研究生對分析類目進行了參與評判，分別用A、B、C字母代表，其中教師A為主評判員，B和C為助理評判員。信度分析是指兩個以上參與內容分析的研究者對相同類目判斷的一致性，其判定公式為，其中R為信度，為平均同意度，K是三個評判員之間相互同意的程度，其值為，M為兩者都完全同意的類目，N1和N2為兩個評判員分析的類目數(shù)。經(jīng)過信度分析之后，若其值大于0.90，則可以將主評判員的結果作為內容分析的結果，若低于該值則需同時考慮三人的評判信度并保證整體值大于0.60。在實際分析過程中，若信度值大于0.90，我們將以教師A的評判作為內容分析結果；在整體值大于0.60時將以三人中同項目內容的多數(shù)認同作為結果；若整體值小于0.60則再尋求一名教師對內容進行評判，并以兩名教師的評判作為分析結果。

(二)語文課程電子教材中的交互知識點分析

對語文電子教材的交互知識點分析是從義務教育課程教材和高中課程教材兩個階段展開分析，因為不同階段的課程標準和學習目標不同，需要分類考慮。義務教育階段語文課程的總目標是要從知識與能力、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀三個方面設計，三者相互滲透，融為一體，目標的設計著眼于語文素養(yǎng)的整體提高[7]。高中課程目標則是通過必修課程和選修課程的學習，學生在積累與整合、感受與鑒賞、思考與領悟、應用與拓展、發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)新等五個方面獲得發(fā)展[8]。在兩階段課標的指導下，通過對教材各單元的層級分析和內容分析，形成了電子教材交互知識點結構圖。如下頁圖1所示，其中左邊為義務教育階段電子教材中的交互知識點類目，包括識字與寫字、閱讀和寫作三個方面，右邊為高中階段電子教材交互知識點類目，包括詩歌與散文、小說與戲劇、文言文閱讀、新聞與傳記以及寫作與修改等五個方面。這兩部分的交互知識點可以進一步歸結為字詞發(fā)音、漢字書寫、文本圖畫、詞句注釋、批改標注、知識鏈接、思考練習等類型。基于此，我們認為在語文電子教材工具的設計中需要滿足上述幾類知識點的交互功能設計。

(三)英語課程電子教材中的交互知識點分析

義務教育階段英語課程的總目標是通過英語學習使學生形成初步的綜合語言運用能力，促進心智發(fā)展，提高綜合人文素養(yǎng)，而綜合語言運用能力的形成建立在語言技能、語言知識、情感態(tài)度、學習策略和文化意識等方面整體發(fā)展的基礎之上[9]。高中英語課程的總目標則是在義務教育階段學習的基礎上，進一步明確英語學習目的，形成有效的英語學習策略，培養(yǎng)學生的綜合語言應用能力[10]。從課標所指向的內容上可以看出，英語課程的電子教材要在語言技能和語言知識兩個目標指導下進行分析。通過對英語人教版教材進行內容分析，形成了英語電子教材中的交互知識點結構，包括語言技能類的交互知識點(涵蓋視聽層面和讀寫層面)和語言知識類的交互知識點(涵蓋語音、詞匯和語法層面)。這兩類的交互知識點可歸結為單詞拼讀、英語視聽、短文聽寫、看圖識句、對話練習等類型。可以看出，英語電子教材中的交互設計注重視聽和拼寫兩個方面。針對英語學習對聽說的要求，可以設計聽讀、跟讀、對話等模塊，利用語音識別、錄音、復讀、回放等技術，促使學生聽讀、跟讀和對話[11]。而針對英語拼寫的需求，可以提供單詞書寫和筆記功能，以提高學生的寫作能力。

三、理科課程電子教材的交互內容分析

在理科課程教材的分析上，我們以數(shù)學和物理兩門課程為分析對象，以人教版教材為內容分析來源。這兩門課程在學科地位和內容特性上具有一定的代表性，通過分析可以挖掘理科課程電子教材在交互設計方面的學科需求。

圖1 語文電子教材知識點分析

(一)數(shù)學課程電子教材中的交互知識點分析

對數(shù)學課程電子教材交互知識點的分析同樣分為義務教育學段和高中學段。義務教育階段數(shù)學課程的總目標是從知識技能、數(shù)學思考、問題解決和情感態(tài)度四個方面培養(yǎng)學生獲得適應社會生活和進一步發(fā)展所必需的數(shù)學基礎知識、基本技能、基本思想、基本活動經(jīng)驗[12]。高中數(shù)學課程的總目標是使學生在九年義務教育數(shù)學課程的基礎上，進一步提高作為未來公民所必要的數(shù)學素養(yǎng)，以滿足個人發(fā)展與社會進步的需要[13]。基于兩階段的課程目標，通過對教材內容的分析形成了電子教材知識點分類。如下頁圖2所示，其中左邊是基礎教育階段交互知識點的分類，包括數(shù)與代數(shù)、圖形與幾何以及統(tǒng)計與概率三部分；右邊為高中階段交互知識點的分類，包括集合與初等函數(shù)、幾何初步、算法與統(tǒng)計、三角函數(shù)與向量、數(shù)列與不等式、邏輯用語與圓錐曲線等方面。這兩邊知識點的交互類型可進一步歸類為數(shù)學符號與運算符、圖形與幾何、函數(shù)與公式、算法語句與程序框圖、邏輯符號與曲線、思考練習等。

(二)物理課程電子教材中的交互知識點分析

義務教育物理課程標準(2011年版)在課程內容部分規(guī)定了物理課程的基本學習內容和應達到的基本要求，其中課程內容由科學內容和科學探究兩部分組成[14]。而高中課程標準則從物理一、物理二和選修模塊描述了知識點的內容標準和活動建議[15]。依據(jù)課程標準我們對物理教材中科學內容部分的交互知識點進行梳理和分析，包括初中階段物理交互知識點分類和高中階段交互知識點分類。其中初中階段包括物質、運動和相互作用、能量三部分。高中階段包括運動的描述、相互作用與運動規(guī)律、機械能和能源、拋體運動與圓周運動以及選修模塊中的知識點分類。將兩部分交互知識點進一步概括總結可分為實驗工具和儀器選擇、實驗動畫演示、物理現(xiàn)象圖解、知識鏈接、物理符號與公式、問題與練習等類型。

四、電子教材寫作工具的通用交互元件設計

通過對文理科中各類交互知識點的分析可以看出，盡管不同學科之間在交互知識點上存在差異，但在交互類型上存在共性。在對文理科各類交互類型分析的基礎上，我們將設計了六類電子教材通用交互元件，包括文本、圖片、幻燈片、視頻動畫、主觀題和交互組。

(一)文本交互元件

圖2 數(shù)學電子教材知識點分析

文本交互是各類電子教材中的基本交互元件，主要是為學科教材中的文本知識內容提供寫作支持，它包括文本編寫與排版、學科符號與公式、表格與圖形、內容片斷鏈接、外部鏈接、音頻鏈接、批注提示等功能。在電子教材寫作工具管理端中通過插入文本交互元件，不僅可以編寫完成學科教材中的文本知識內容，而且能夠建立各知識點之間的語義關系，使其能夠相互鏈接跳轉，以支持和幫助學習者更好地掌握從屬知識點內容。在學生端學習者與文本之間的交互操作方式有筆記、批注、書簽、點讀、鏈接等，以方便學習者進行知識管理以及建立個人學習記錄。

(二)圖片交互元件

通過對前面文理科交互知識點的分析可以看出，圖片交互是教材中較為通用的一個片段，它能夠幫助學習者更好地理解知識內容。圖片交互元件主要是為學科教材中的知識配圖提供支持，它包括靜態(tài)圖片和動態(tài)圖片兩類，能夠支持不同格式的圖片導入。學習者與圖片之間的交互操作包括編輯、放大和縮小、旋轉、最佳顯示、適應屏幕等方式，以方便學習者更好地瀏覽和查看圖片。

(三)幻燈片交互元件

幻燈片交互元件是為電子教材中需要插入一組意義相關聯(lián)的圖片以及課堂學習的PPT文件提供支持。在理科教材中需要一些實驗來引導得出定理和規(guī)律，而這些實驗通常需要圖片以序列的方式呈現(xiàn)以便于進行前后對比，通過插入幻燈片交互元件可以更好地展示實驗過程，方便學習者對實驗內容進行觀察對比。此外，教師可以將課上講授的PPT文件通過幻燈片交互形式嵌入到電子教材中，以方便學習者在課下預習教師要講授的知識內容。在學生端學習者與幻燈片之間的交互操作方式有左右滑動、編輯、放大和縮小等方式。

(四)視頻動畫交互元件

相對于文本內容，視頻學習更有利于促進學習者對概念的掌握和對知識的理解[16]。該交互元件主要是為學科教材中需要講解知識點的視頻和實驗動畫提供支持，內容包括教學視頻、微視頻、FLASH動畫、網(wǎng)頁動畫等，支持AVI、FLV、WMV、MPEG、RMVB、SWF等常見視頻格式。在電子教材中插入視頻動畫交互，不僅可以使學習者更深刻地理解知識點內容，同時能夠記錄學生的學習進度，特別是微視頻中的交互點，通過視頻中設置的問題交互及反饋結果可以查看學習者是否學習和掌握了該知識點[17]。在微視頻的交互點中，可以設置選擇題交互、填空題交互、知識點總結等交互形式，也可以插入一些學習工具、論壇模塊、拓展資料等，方便學習者能直接鏈接到其它學習模塊中。學習者與視頻之間的交互操作主要是點播、播放進度控制、全屏、音量控制等，而在微視頻的學習過程中，還需要對彈出的知識問題進行回答才能學習后面的視頻內容。

(五)主觀題交互元件

在課程教材中思考題是文理科中都需要的一類知識交互，因此我們通過設計主觀題交互元件來支持教師設計問題交互。該交互元件包括題干、問題答案和解析，在教師端可以對答案和解析設置是否可見和彈出，以便為學習者提供思考問題的時間。學習者與主觀題之間的交互操作主要是點擊瀏覽按鈕下的答案和解析，為避免顯示的解析內容進入學生視野影響其思考，可點擊隱藏按鈕不顯示問題答案和解析。

除了上述五種交互元件外，為了方便對各類交互元件的管理還需要設計交互組元件，以形成一組交互片段，從而有效地進行內容的結構組織。通過交互組元件既可以實現(xiàn)多個元件之間的層級交互，又可以基于前面五種類型的交互元件制作一套常用的內容交互元件包，從而為建立學科電子教材模板提供支持。

五、電子教材寫作工具的交互功能實現(xiàn)與案例展示

在電子教材寫作工具開發(fā)過程中，我們通過兩方面的設計原則來提高用戶體驗：一是結構與流程設計要遵循“圖書”的隱喻和用戶的閱讀習慣；二是交互設計要遵循易辨識、易觸發(fā)的原則[18]。依據(jù)設計的電子教材通用交互元件和用戶體驗原則，通過采用J2EE的技術路線，以Hibernate、Spring、Spring MVC等為開源框架，采用開源的MySQL底層數(shù)據(jù)庫，并將Eclipse作為集成開發(fā)環(huán)境，使用Java版的Jena Jar包進行知識庫本體操作和推理，設計開發(fā)了電子教材寫作工具軟件，如圖3所示。該軟件包括教材結構設計、內容片斷編寫、交互片斷選擇和學習過程記錄等四部分功能，基于這些功能可以完成交互式電子教材內容的編寫與制作，并記錄學生學習知識點的過程。

(一)編寫教材結構

教材結構包括元數(shù)據(jù)、教材大綱和內容片斷三部分，其內容編寫主要通過節(jié)點和內容片斷來完成，如圖3中左邊模塊所示。其中元數(shù)據(jù)的內容包括教材編寫作者、教材出版社、內容簡介、學科名稱、使用范圍、出版時間和語言等。教材大綱的編寫是通過添加節(jié)點來完成，點擊教材大綱可以編寫每個單元標題，而點擊每個標題則可以建立每個單元的子標題，編寫完之后可以鎖定各個單元，避免內容被修改。內容片斷的作用是編寫與教材大綱相對應的教材內容，它與教材大綱建立聯(lián)系的方式是通過節(jié)點功能中的“內容節(jié)點”形成對應關系。通過內容片斷可以添加不同類型的交互片斷以編寫交互式電子教材內容。

(二)編寫教材內容

教材內容的編寫是在內容片斷編輯工作區(qū)中進行，其操作通過兩步來完成：一是將工具面板中的交互片斷拖動到編輯工作區(qū)中，二是在交互片斷中編寫教材內容。其中工具面板中的交互片斷包括文本、圖片、幻燈片、視頻和主觀題等五種類型的交互，是學科教材編寫中的通用交互片斷。交互面板中的資源部分主要存儲教材中的各類素材，而屬性部分則是用于填寫交互片斷的基本信息。在文本交互片斷中，可以編寫教材的文本內容并對其進行格式排版，也可以添加外部鏈接、內容片段鏈接、交互片斷鏈接、音頻鏈接、注釋等交互內容。其中外部鏈接是將語詞鏈接到外部網(wǎng)頁內容，內容片斷鏈接是建立本單元各部分內容之間的關聯(lián)，交互片斷鏈接是實現(xiàn)不同單元之間的交互內容鏈接。在圖片交互片斷中，可以將教材內容中需要的圖片添加到資源庫并應用到教材中。在幻燈片交互片斷中，通過從資源庫中導入多張圖片內容可以完成幻燈片內容的編寫。視頻交互片斷是通過從資源庫中選擇視頻添加到電子教材中。主觀題交互是通過從工具面板拖動一個主觀題交互片斷和三個文本交互片斷來實現(xiàn)電子教材中思考題的添加，其中三個文本交互分別用于填寫思考題題干、答案和解析等內容。在編寫教材內容過程中，學科教師也可以進行異步協(xié)作編寫，實現(xiàn)教材內容的共建共享。

(三)Web端教材案例展示

電子教材寫作工具除了能夠支持不同學科內容的編寫與制作，同時也要能支持在不同系統(tǒng)平臺中進行閱讀[19]。為了清晰展示各個交互功能，我們以人教版高一語文必修一電子教材為例，對常用的Web閱讀方式進行示例。如圖4所示，右邊展示的是電子教材中的文本和圖片交互內容，左邊是教材目錄。圖中交互文本的地方帶有對應的交互按鈕標識，包含的交互知識點有作者介紹、字的發(fā)音、詞語的注釋等，文本下方是教材中的內容配圖和視頻配樂朗誦，學習者點擊播放按鈕可以自行試聽學習。

圖4 電子教材中的文本和圖片交互示例

(四)移動端教材案例展示

在電子教材寫作工具中，我們設計開發(fā)了電子教材發(fā)行系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有終端適應性。它是基于智能知識庫技術，能夠將同一種內容發(fā)布到智能手機、xPAD、筆記本電腦、PC機等多種終端設備以及Win7、Win8、Android等多種操作系統(tǒng)，且能夠自動調整內容以適合終端顯示。如圖5所示的是平板電腦中人教版八年級語文下冊《海燕》一課的電子教材內容，圖中左邊包括教材目錄、筆記、書簽等功能，右邊是電子教材內容。在平板電腦中，學習者不僅可以通過多點觸控屏幕學習教材中的各類交互內容，而且可以在教材內容中做筆記、添加書簽、高亮內容等，其中筆記部分支持學習者手動書寫、語音錄入、拍照圖片等，而書簽則方便學習者標記頁面內容。通過多點觸控屏幕可增強學習活動過程中的人機互動性，給電子教材設計帶來全新的理念[20]。

圖5 平板電腦中的電子教材內容示例

(五)電子教材內容學習記錄

由于電子教材既可用于學生的課外學習，又可應用于師生的課堂教學，為了更好地實現(xiàn)實時測評、跟蹤記錄學習過程等[21]，我們還在電子教材寫作工具中開發(fā)了電子教材內容學習記錄功能。它主要是對學生在學習電子教材過程中所產生的交互數(shù)據(jù)進行追蹤和記錄，并進一步形成個人電子檔案袋[22]。該模塊能夠對學生的學習次數(shù)、學習時長、上次學習時間、教材中交互知識點的觸發(fā)情況、已完成目標數(shù)和已通過目標數(shù)等內容進行記錄。在教師端可以通過點擊“查看學習記錄”各個學生的教材內容情況，便于對學習者進行過程性評價。在學生端學習者可以點擊“詳細學習記錄”自行查看每個單元內容交互點的完成情況。通過學習記錄功能可以為實現(xiàn)對學生的發(fā)展性評價提供學習數(shù)據(jù)支持。

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牟智佳：在讀博士，研究方向為數(shù)字化學習技術與環(huán)境(ambitionyt@163.com)。

武法提：教授，博士生導師，北京師范大學教育技術學院院長，研究方向為數(shù)字化學習環(huán)境與學習資源設計(wft@bnu.edu.cn)。

2015年1月3日

責任編輯：趙興龍

The Interaction Element Design and Function Implementation of Electronic Textbook Writing Tool

Mou Zhijia,Wu Fati
(School of Educational Technology,Faculty of Education,Beijing Normal University,Beijing 100875)

The content interaction is a key feature and preferable user experience of electronic textbook related to traditional paper materials.Content analysis is conducted for interaction knowledge of arts curriculum that include Chinese and English and science curriculum that include mathematics and physics.Then we designed six kinds of general interaction elements which include text,picture,slide,video animation,subjective question and interaction group.In addition,the electronic textbook writing software was developed using J2EE technology line and open source of MySQL bottom database according to the general interaction element and user experience principle.The software include four parts function that are structural design of instruction material,content fragments written,interaction fragment selection,and learning process record.It can support cooperative written for instructors based on various terminal equipment and operating system and be displayed with adaptive terminal.Finally,the examples of electronic textbooks for the web and mobile are demonstrated respectively.

Electronic Textbook; Interaction Knowledge Point; Content Analysis; Interaction Element; Learning Record

G434

A

1006—9860(2015)08—0092—07

* 本文系2012年全國教育信息技術研究“十二五”規(guī)劃重點課題“電子教材基礎技術框架及適用性研究”(課題編號：126220694)研究成果。