基于大學物理教學的互動式電子書教材的設計

吳天剛 左 娜 張 睿 王祖源

(同濟大學物理學院，上海 200092)

基于大學物理教學的互動式電子書教材的設計

吳天剛 左 娜 張 睿 王祖源

(同濟大學物理學院，上海 200092)

文章針對大學物理課程內容以及學習者的特征進行分析，結合交互式電子書的學習者需求問卷結果對互動式電子書的資源呈現和功能模塊進行了設計開發。互動式電子書具有交互性強、能加載3D模型以及內容整合度高等特性，能模擬物理情景，外顯學習內容，借由富媒體特性增強學習體驗，促進激發學生的學習興趣；實現了測試與反饋、嵌入視音頻、互動游戲等功能，適合大學基礎物理課程內容的呈現，并滿足學生在共性教學環境下，進行個性化學習的需求。因此，本研究將該互動式電子書定位于大學基礎物理課程的教學，作為輔助教材使用，可以達到更好的教學效果。

互動式電子書；物理教學；交互性；富媒體；個性化學習

目前，我國的高校教學形式還是以教師課堂授課為主，學生缺乏主動學習。所采用的教材也是傳統的圖文結合的紙質教材，即使有一些電子教材也是PDF格式的影印版，不能滿足學生個性化學習的需求。而基于科技的發展，EPUB3.0(電子出版3.0)的出現使得電子教材功能愈發強大，其所帶來的優越的交互性能和視聽體驗，如果能夠合理運用到教學當中，將會帶來不一樣的學習體驗。目前基于EPUB3.0標準的電子書開發軟件，以蘋果公司的iBookAuthor平臺性能最為穩定并且可實現較為豐富的交互功能，因此，本研究依托iBookAuthor平臺進行電子書教材的開發。縱觀目前已開發的電子書，大多數是針對學齡前教育、小學教育或者語言學習的，很少有針對大學課程內容的。大學物理課程是本科大學生各專業重要的通識性基礎課程，具有一定的難度和抽象性，適合于借助互動式電子書來呈現課程內容。通過對紙質教材內容進行功能性重構互動式電子書，可以滿足學生自主學習的需求。為此，本研究以大學基礎物理為內容設計開發互動式電子書。

1 互動式電子書教材對教與學的支撐作用

1.1 互動式電子書概述

互動式電子書采用了EPUB3.0規范，給電子書的內容提供者制定了電子書出版格式的新標準，不同于EPUB2.0單純的圖文結合，EPUB3.0可以集成音頻、視頻等多媒體內容，具有更多的語義與互動性[1]。

互動式電子書除了具有一般電子書的標記、筆記、書簽功能外，還具有以下特性:

(1) 提供了一種離線學習的模式狀態，實現碎片化閱讀；

(2) 及時給學生提供反饋，幫助學生及時發現自己在學習過程中出現的問題；

(3) 電子書提供收集學生測試和練習的結果的接口，教師可以由此分析學生的學習狀況；

(4) 提供良好的交互功能，可以增強使用者的學習興趣；

(5) 可以在手機、平板、電腦上閱讀，滿足使用者在任何時間、任何地點，按需、及時學習的需求。

1.2 電子教材的定義及對學習的支持

本研究中的電子教材引用了項國雄(2005)提出的定義:“電子教材是一種以信息技術為工具開發的、超越時空的多媒體教材，具有字、音、形、色、義等的合成性、動態性及可再生性等特點，其目的在于構建一種網絡化學習環境，最大限度地利用計算機和網絡的優勢來實施教與學的活動[2]。”

電子教材可以實現以下功能：在內容呈現方面，實現具有紙質讀物的仿真性，同時具有富媒體特性。相較于紙質教材，基于電子教材的閱讀形式，電子教材頁面顯示的文字信息量相應地減少，增加了圖片、視音頻等媒體資源。其次，電子教材設計者可以借助電子教材，將物理概念模型以可交互的三維立體模型的形式呈現出來。另外，電子書教材可以嵌入計算器、筆記、照相機等控件，實現功能的一體化；在交互體驗方面，電子書教材強調高品質的視、聽交互體驗，支持呈現高清晰度的圖片、視頻、插件，及高度靈敏的交互感觸和反饋；在筆記標記功能上，除了具備高亮、書簽、筆記的功能外，還可以實現知識點檢索，章節-目錄快速跳轉，學習卡片等功能；在例題、測試方面，及時提供反饋，答題分開，實現統計測試結果等功能。電子教材提供給用戶外部接口用來傳輸學生的測試結果，一般以郵件或者excel表格的形式進行傳送。教師通過數據分析軟件對數據進行分析，更有針對性地調整授課內容與節奏；在知識拓展功能上，提供與生活有關的課外知識，并添加游戲環節來調節學生的學習節奏，強化學習效果。

1.3 碎片化閱讀的理解

對于碎片化閱讀，在字面意義上可以作兩種理解：一種是傳統意義上的閱讀形式，即在紙質媒介獨領風騷時期，人們利用碎片化時間，通過報紙、期刊所進行的“碎片化內容”的閱讀習慣；二是指伴隨著智能手機、平板電腦、電子書等數碼產品的普及和移動互聯網的無處不在而帶來的自由、開放的閱讀模式。本文中的碎片化閱讀主要是第二層含義。

碎片化教育資源的精細化推送應該注意以下幾點： ①每個碎片化單元的內容相對獨立、完整，而不同碎片單元又可以相互融合成聚合體，控制“碎片化”篇幅的字數，適度滿足學生在碎片時間閱讀切入與抽身的順暢性。②提供個性化的教育資源，把不同個性族群的學習需求與特點，建立并推送具有針對性的教育資源。③推送更引人注目的適宜閱讀作品。在內容的組織上，適度模塊化設計，增加分節分段的提示；在呈現的形式，適度減少枯燥單調的文字，增添形式活潑的圖片等。[3]

1.4 互動式電子書的開發平臺

目前可以進行互動式電子書開發的平臺有很多，基于平臺功能的穩定性，本研究采用了iOS系統下的iBookAuthor。iBookAuthor具有界面美觀，功能強大，交互體驗性強的特征。由iBookAuthor開發的電子書可以發布并上架到iBook Store供讀者下載閱讀，作者的版權可以得到很好的保障；對讀者而言，獲取電子書的方式也較為簡單，讀者不需要安裝額外的軟件，直接在iBook Store上，下載電子書就可以在蘋果設備上閱讀。

除了傳統形式的電子書可以實現的圖文、標注、筆記功能外，iBookAuthor還具有以下功能：實現視頻、音頻和模型的加載；測試并及時提供反饋；生成圖表、表單；嵌入計算器、照相機等工具；制作并嵌入游戲等。值得一提的是，iBookAuthor支持的超鏈接功能可以實現電子書內部章節之間以及與外部網頁、APP的跳轉交互。借助外部插件iBooky，電子書可以實現更多的交互功能。iBooky是一個外部插件提供平臺，在網頁平臺上完成插件開發后，ibooky可以生成iBookAuthor所支持的控件并提供下載，用戶下載控制后直接拖入到iBookAuthor中就可以使用，且下載后的iBooky控件在使用中無需再聯網。iBookAuthor開發的電子書教材，蘋果系統的手機、平板以及電腦都可以使用(圖1)。

圖1 蘋果設備移動端的顯示效果

2 互動式電子書教材的總體設計

2.1 互動式電子書教材的教學設計

(1) 互動式電子書教材設計的前端分析

首先，考慮大學物理課程的特征，含有較多的原理與概念模型，內容具有一定的難度和抽象性。因此，可以借助三維交互模型將抽象概念轉化為具體可見的模型，在不同維度來幫助學生理解。同時，突出互動式電子書的富媒體、強交互特性，通過豐富多彩的形式及內容，調動學生好奇心及學習積極性。結合設計前針對互動式電子書功能的問卷結果：學生希望教材中包含更多的測試、例題、交互與游戲，來對大學物理課程的紙質教材進行重新規劃與設計。

其次，大學物理課程要求學生掌握物理課程的基本概念、基本理論和基本方法，增強學生分析問題和解決問題的能力，同時注重學生探索精神和創新意識的培養。

最后，對學習者進行分析：參與大學基礎物理課程的學生，大多為剛步入大學的一年級新生，有較強的好奇心和求知欲并且已經具有一定的網絡和移動設備的使用技能，因此互動式電子書用于大學物理教學是可實行的。

(2) 從促進學生學習的角度分析電子書的功能

學生認知過程可劃分為：導入、知識掌握、理解應用。電子書教材在這3個層面上為學生提供了不同的交互體驗，增加了學生學習的沉浸性[4]。例如，導入部分可以添加一些視頻、圖片等媒體形式，增加閱讀的趣味性；在知識掌握環節，添加一些交互三維模型或者觸控式彈出插件，來增加知識性的內容，幫助學生強化知識點的理解；在理解運用環節，加入游戲、有反饋的測試題以及課外拓展知識來強化并加深學習記憶。

交互式電子書在設計時，還需要考慮使用對象的學習習慣和學習心理。本研究的受眾是大學生，他們的學習動機主要包含內部動機和外部動機。內部動機由學生個體內在的求知欲、學習興趣、改善和提高自身能力的愿望引起，這樣的內部動機會促使學生積極主動地學習。而外界環境觸發的外部學習動機，則有利于激發學生學習的激情與興趣[5]。學生的學習動機可以借由電子教材內容的創新、材料的多元、虛擬現實的情境、練習并及時反饋以及獎勵機制來激發。結合加涅的八個階段學習過程：(1)動機(期待)；(2)領會(選擇性知覺)；(3)獲得；(4)保持(存儲)；(5)回憶(檢索)；(6)概括(遷移)；(7)動作(反應)；(8)反饋(強化)[6]，來合理規劃設計學習資源。在設計測試問題以及交互體驗時，需要考慮如何通過一定的鼓勵機制來激發學生的學習動機。根據成就動機理論原理，在設計測試或是游戲時，適當提升難度以達到調動學生積極性的目的；但問題的設計也不能太難，如果超出學生的能力范圍則適得其反。互動式電子書可以直接跳轉到其他已安裝的APP應用上，可以極大化地融合現有的資源環境，比如，在學習實驗部分的時候，可以直接點擊鏈接跳轉到設備上的實驗預習APP當中，也可以在章節最后跳轉到外部的測試題庫APP，互動式電子書為學生建立了一種非線性的學習機制。在互動式電子書中還可以嵌入一些與課程內容相關的小游戲，以引導學生勞逸結合，并增強學會的學習興趣。

互動式電子書教材所提供的豐富內容與動態交互不同于傳統紙質書籍，借由互動式電子書的非線性結構，它為學生的自主探索式學習提供了條件。互動式電子書的設計與制作流程，如圖2。

圖2 互動式電子書的設計與制作流程

2.2 互動式電子教材的交互設計

互動式電子書主要運用視覺和聽覺兩個感知覺器官來建構對知識的認知。在設計電子書時，更應該注重交互體驗的設計。根據信息架構專家Peter Morville 的UX蜂窩模型，將用戶體驗分為7個內容，即有用性、可用性、可尋性、可靠性、可獲得性、滿意度以及價值性(圖3)[7]。

圖3 UX蜂窩模型

參照該模型在不同維度的針對性，對互動式電子書的交互進行設計。設計符合用戶認知及使用習慣的UI，可以使讀者快速熟悉閱讀環境及電子書的功能。比如以下描述是一般讀者所熟悉的，可以借鑒到UI設計中，例如：文字變色并加有下劃線，表示可以實現超鏈接跳轉功能；文字中有陰影的圖標，表示按鈕；圖片下方亮度不同的小圓點，表示有多張圖片并且這些圖片可以滑動切換。還有一些不明顯的交互控件，可以通過一些簡單的文字或者陰影給予讀者提示，幫助用戶快速上手簡化使用過程。同時，在交互控件UI設計上應該盡量保持風格、大小的一致性，便于識別且界面友好，使電子教材更加系統與功能完整(圖4)。

圖4 電子書教材排版以及三維交互模型在手機上的顯示效果

建構主義的觀點指出：學習是學生個體自主建構的過程，它強調個體建構的差異與多元化，并且強調學習情境、教學環境的建構。本研究注重學習資源的重構，提供交互3D模型以增強學習體驗，強調仿真性、動態性和直觀性，旨在還原情境、促進知識的獲取與建構。

2.3 互動式電子教材的界面設計

人的注意分為有意注意和無意注意兩種。其中，有意注意是指有預設目的的注意，需要意志上努力才可以做到的注意；反之，則是無意注意。注意有3個特性：注意的廣度、穩定性和分配[8]。注意的廣度就是注意的范圍，是指同一時間內能清楚地把握對象的數量。影響注意廣度的因素主要有兩個：一是知覺對象的特點，二是個人知覺活動的任務和知識經驗。注意的穩定性是指在同一對象環境或同一活動上的注意持續時間，時間增長會降低注意力，需要多樣性與新信息來保持注意的穩定性。注意的分配即在一個時間內將注意分給兩種或以上不同對象[9]，例如一邊聽課一邊筆記。在設計互動式電子書教材的時候，應該利用注意的特性，將有意注意和無意注意適當結合起來。利用教材內容的物理屬性(顏色、形狀等)、情緒特征(情境性等)、差異特征(新穎性、獨特感等)來刺激對象進行無意注意，而有意注意則可以結合對象的興趣點、積極性以及人物驅動等方面來維持。

圖5 互動式電子書教材內容設計框架

在電子書教材的文字排版方式上，應該接近紙質書籍，這樣符合學生的學習閱讀習慣，可以幫助其快速進入學習狀態。本研究中電子教材的排版方式采用了豎式排版，接近紙質書籍的布局，并且在讀者轉動閱讀設備時文字圖片不會出現圖文交錯的現象。同時電子教材左右翻頁的功能，類似實體課本閱讀方式，可以增加讀者的使用親切感。

在圖片處理方面，盡量保持文本與圖片在色調上有一定的區分度，但是這種區分度也不能太突出。要能夠引起一定的視覺關注度，又能讓讀者將關注點主要集中于重要的文字部分，以免過度分散讀者注意，影響正常閱讀。基于圖片引起的注意大于文字的原理，在設計教材時往往將圖片放置在頁面的右側，有利于調節讀者對內容的閱讀節奏。文字與圖片之間應保持一定的間隔，可以通過對圖片添加陰影的方式使圖文分布清晰。

文字部分在超鏈接的制作上，采用一般網頁鏈接的樣式——字體變色并加下劃線。重點文字內容，用變色和加粗功能來強調重要性。基于電子教材內容的展現方式，在編輯文字時，應采用較大的行距和字號，字體選擇上則選擇有基線的中英文字體，提高文字的辨識度。

2.4 互動式電子教材的內容設計

交互式電子書，通過“探索+學習”的過程，讓電子教材運用到變革學習方式、提升學習效果中去。針對互動式電子書教材可以實現的功能、課程目標、教與學的策略分析、學生的特征、學生的需求以及學生的學習傾向進行內容設計，并遵循教學效果優化的原則、促進學生成長的原則、可操作性強的原則[10]。本研究主要采用基于問題的學習方式，來重新建構電子書教材的內容。

在內容布局上，每章節開頭有一個問題情境導入部分，通過文字加圖片，配以視頻的方式呈現。通過創設新的問題情境，將新知識滲透到具體的情境中，以情境為需要解決問題，促進學生原有知識與新知識發生沖突，由此激發學生獲取新知識和探索新事物的興趣。這種通過問題情境的創設而建立起的學生思維的內部條件，將為教學過程和學生發展提供驅動力，促使學生在意義建構中達成知識學習目標[11]。

在每章節中，借助三維建模軟件將抽象難懂的知識概念構建成三維模型嵌入到互動式電子書教材中，將抽象的概念直觀化，幫助學生理解。每節內容中涉及的實驗部分，采用交互插件或者視頻的形式模擬呈現，強化理解，并增加學習的趣味性。章節的例題部分，采用了“刮刮樂”式的交互插件嵌入電子書中，增加學習的趣味性，將問題與答案部分分離，促進學生自主思考。

每節內容結束以后，提供具有代表性的測試。測試提供及時反饋，幫助學生發現問題。學生發現自己的問題以后進行反思，保羅·弗萊雷認為反思是對話學習的構成要素和必要條件，離開了反思，對話就變成了單純的行動主義，所以學習反思十分重要[12]。學生的測試結果會通過互動式電子書提供的接口，以excel或者文本的方式通過郵件或其他形式傳送給教師，教師再通過數據分析軟件對學生的學習情況進行分析，及時發現學生的問題并調整教學節奏。

另外，電子書在章節結尾會提供一些與生活有關的可愛補充知識供學生學習、思考，深化對章節內容理解并調動學生的探索興趣。

3 結語

本研究從大學生物理學習的現狀入手，結合互動式電子書教材對教與學的支撐功能，開發、設計了針對大學基礎物理課程的互動式電子書。強調學生自主探索并獲得知識的過程，打破了傳統教材的死板和局限性，強調學生在學習過程中的主體地位，強化了電子書教材的功能，彌補了教學網絡平臺不能離線使用的不足，實現了資源利用的最優化，幫助學生建立非線性的學習體驗。通過階段性測試的形成性評價機制產生反饋，促進學生調整自身的學習策略。并通過互動式仿真模擬來增強學生對所學內容的感受和體驗，深化所學知識。實現了泛在學習和碎片化學習，強調學生的個性化學習，努力促進學生學習的積極性，旨在激發學生學習動機，提升教學效果。

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THE DESIGN OF INTERACTIVE ELECTRONIC TEXTBOOKS BASED ON THE COLLEGE PHYSICS TEACHING

Wu Tiangang Zuo Na Zhang Rui Wang Zuyuan

(Institute of physics, Tongji University, Shanghai 200092)

Based on the questionnaire about the need of students, designed the presentation and function-modules of interactive electronic books. The interactive electronic books have optimize diversified interaction effects, excellent media resources presentation abilities, and information-organization and integration performance; it can simulate the physical scenes, explicit learning content, the rich media will enhance learning experience, help to stimulate students’ learning interests；realize the need of testing and feedbacks, embedding audios and interactive games and other functions, it is more suitable to present the content of the basic college physics. Meanwhile, it also meets the needs of individual learning in generality-education environments. Thus, the electronic book is used for teaching, to achieve better learning effects.

interactive electronic textbooks; physics teaching; interactivity; individual learning; rich-media

2016-07-17

上海市哲學社會科學規劃教育學一般項目(項目申請號：A1600305，項目批準號：A1610)。項目名稱：技術支持學習環境下對學習者學習成效影響研究。

吳天剛,男,教授,主要從事物理教學科研工作，研究方向為大學物理、 計算機圖像與仿真技術、多媒體技術導論,wutg@tongji.edu.cn；左娜，女，研究生，研究方向為移動學習,651941063@qq.com；張睿,男,副教授,主要從事物理教學科研工作，研究方向為翻轉課堂、微課程、spocmooc教學,zr2002_7@163.com；王祖源,女,教授,主要從事物理教學科研工作，研究方向為移動學習、翻轉課堂、微課程、spocmooc教學,zuyuanwang@tongji.edu.cn。

吳天剛，左娜，張睿，等. 基于大學物理教學的互動式電子書教材的設計[J]. 物理與工程，2017，27(2)：26-31.