教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的突破點：智能教材的設(shè)計與實現(xiàn) ＊

李 鋒 盛 潔 黃 煒

（1. 華東師范大學教育學部，上海 200062；2. 上海市教師教育學院，上海 200062）

一、數(shù)字教材建設(shè)中的問題分析

數(shù)字教材作為教學內(nèi)容和教學策略信息的載體，是依據(jù)國家課程方案、課程標準要求進行編制和開發(fā)，用于服務(wù)師生的數(shù)字化課程資源（沙沙，2022）。近年來，學校數(shù)字教材建設(shè)與實驗性應(yīng)用，體現(xiàn)出多媒體內(nèi)容、交互式環(huán)境、學習過程跟蹤等技術(shù)優(yōu)勢。但是，教學調(diào)研也發(fā)現(xiàn)數(shù)字教材還存在著諸如簡化為“電子文本”、等同于“多媒體資源庫”、異化為“答題教師”的問題。

（一）將數(shù)字教材簡化為“電子文本”

電子文本數(shù)字教材又稱頁面保真型數(shù)字教材（page-fidelity e-textbook），是將傳統(tǒng)紙質(zhì)教材以電子文本方式呈現(xiàn)（例如PDF 文件），采用靜態(tài)媒體形態(tài)組織學習內(nèi)容。在學習應(yīng)用過程中，以復(fù)現(xiàn)傳統(tǒng)紙質(zhì)教材閱讀模式為主，要求學生通過移動終端和閱讀軟件對電子文本進行閱讀學習，借助軟件功能對文本內(nèi)容進行檢索、注釋和保存（徐麗芳，鄒青，2020）。電子文本數(shù)字教材改變了傳統(tǒng)紙質(zhì)教材內(nèi)容的媒介承載方式，學生借助移動終端即可即時獲取學習內(nèi)容，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)學習資源快速更新，拓展學生學習時空，一定程度上突顯出學生學習主體地位，促進學生利用數(shù)字教材的自主學習，推動學生從“接受式”學習向自主學習轉(zhuǎn)變。但是，隨著“電子文本數(shù)字教材”的實踐應(yīng)用，有關(guān)研究也發(fā)現(xiàn)“相對于紙質(zhì)教材，靜態(tài)電子文本降低了學生持續(xù)閱讀時長，弱化了學生對閱讀內(nèi)容的注意力和思考深度”，導(dǎo)致“淺層次閱讀”和“偽學習” 的問題（Blazer，2013；Valerio，2012）。此外，由于使用移動終端，學生需長時間觀察電子屏幕，也引發(fā)人們關(guān)于電子設(shè)備對學生視力危害的擔憂（Greenfield，2013；Lee et al.，2013）。

（二）將數(shù)字教材等同于“多媒體資源庫”

該類數(shù)字教材發(fā)揮了多媒體資源形態(tài)多樣性和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速傳播信息的功能，可以為學生提供基于“網(wǎng)絡(luò)平臺+移動終端”的數(shù)字化學習環(huán)境。該類數(shù)字教材可通過多媒體技術(shù)將文字、圖像、音頻、視頻、動畫等生動形象的學習資源加入到教學內(nèi)容中，用于激發(fā)學生學習興趣，融合學生對學習信息的獲取通道。梅耶的“雙通道信息加工原則”指出當學習者將聽覺信息通道和視覺信息通道的心理表征整合在一起時，才能更好促進學習者實現(xiàn)意義學習。事實上教學實踐也表明，在數(shù)字教材中合理融入多媒體資源可以激發(fā)學生學習興趣，多媒體形象的表達方式有助于學生理解教材內(nèi)容。此外，數(shù)字教材依托網(wǎng)絡(luò)平臺提高了教材內(nèi)容的開放性和互動性，學生通過數(shù)字教材中的“鏈接與搜索功能”可獲取適合自己需要的學習資源，提高學生對學習內(nèi)容的選擇性和與學習同伴的合作性。但是，從教材屬性來看，教材除了具有知識傳播功能外，還具有教學性特征，即教材所呈現(xiàn)內(nèi)容本質(zhì)是學科教學性知識，是把學科知識通過學生可理解的語言、敘事方式、學習活動等進行教學轉(zhuǎn)化而形成的知識（趙長林，2022）。因此，教材在內(nèi)容上并不是原原本本地呈現(xiàn)學科知識體系，而是對學科內(nèi)容進行教學適宜性改造后的作品。如果將數(shù)字教材簡化為“多媒體資源庫”，缺乏以課程與學習視角關(guān)聯(lián)組織教材內(nèi)容，就容易因資源過載而加重“學生學習負擔”（Engbrecht，2018）。

（三）將數(shù)字教材異化為“答題教師”

隨著人工智能技術(shù)發(fā)展，計算機識別、資源推薦、學習畫像等智能技術(shù)被越來越多地應(yīng)用于數(shù)字教材中，但是受“考試指揮棒”影響，一些數(shù)字教材為解決學生解題困難，借助智能技術(shù)向?qū)W生提供解題答案，數(shù)字教材被異化成“答題教師”。例如，有數(shù)字教材添加所謂“智能輔導(dǎo)教師”功能，對學生拍照上傳的習題在數(shù)據(jù)庫中檢索，為學生直接提供解題方法與答案，并推薦大量相類似練習題，提高學生解題熟練度。這種數(shù)字教材將學生學習簡單等同于“考出高分”，忽視對學生正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力的綜合素養(yǎng)培育，盡管其中引入人工智能技術(shù)，能針對學生學習過程進行學習分析，基于證據(jù)提供個性化學習資源，但在功能應(yīng)用中過于強調(diào)學生對習題的重復(fù)訓(xùn)練，惰化學生思維能力與獨立思考意識，違背素養(yǎng)導(dǎo)向的教育理念?？梢?，數(shù)字教材建設(shè)過程中如果忽視學生全面發(fā)展的教育要求，過于強調(diào)利用數(shù)字化工具追求考試分數(shù)，甚至依托智能技術(shù)向?qū)W生高頻度推送訓(xùn)練題，不僅不能發(fā)展學生核心素養(yǎng)，還會因為數(shù)字技術(shù)應(yīng)用掉入“電子題?！闭`區(qū)。

綜上所述，在教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型大背景下，數(shù)字教材建設(shè)就需避免電子文檔轉(zhuǎn)換、多媒體資源堆積、智能技術(shù)機械使用的誤區(qū)，按照現(xiàn)代教學理論與學科邏輯特征構(gòu)建教材知識圖譜，借助智能技術(shù)和機器學習算法預(yù)判學生學習現(xiàn)狀，形成學習者畫像，結(jié)合學科知識圖譜和學習者畫像為學生提供結(jié)構(gòu)化、互動性和生成性的學習內(nèi)容，推動數(shù)字教材向智能教材發(fā)展。

二、教學論視角下智能教材的功能特征

智能教材的建設(shè)既是基于大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等新興技術(shù)解決數(shù)字教材發(fā)展中所存在問題的需要，也是滿足教育“從大規(guī)模班級化教學向大規(guī)模個性化學習轉(zhuǎn)變”的發(fā)展需求。當前學界對智能教材還沒有統(tǒng)一的界定。但研究者以不同視角對其進行了研究與闡釋。張治等人（2021）結(jié)合教學需求與新技術(shù)功能指出“智能型教材系統(tǒng)是以數(shù)字教材和智能學習平臺為支撐、以提升教學效率和個性化為目的，集成智能終端、數(shù)字化資源、教與學工具、學習社群、學習路徑規(guī)劃、教學策略實現(xiàn)等的組合系統(tǒng)”。江波等人（2022）通過梳理數(shù)字教材發(fā)展歷程概述出“智能教材是以深度交互、學習畫像和自適應(yīng)為主要特征，為學生提供個性化學習、評價和規(guī)劃等服務(wù)的智能化數(shù)字教材”。Wang（2020）等人將智能教材概括為“以電子格式呈現(xiàn)內(nèi)容，集成人工智能可操縱的知識擴展常規(guī)教材，增強教材功能的自適應(yīng)學習系統(tǒng)”。綜合已有智能教材的研究成果，可發(fā)現(xiàn)盡管當前學界對其研究視角有所不同，但較多還是從技術(shù)方法層面探討數(shù)字教材的智能化特征。例如，通過屏幕觸控技術(shù)、傳感感應(yīng)技術(shù)、語音交互技術(shù)等加強教材的智能交互功能、借助3D、VR、AR 等技術(shù)豐富教材的資源形態(tài)等，鮮有從教材教學性層面分析智能教材的功能，導(dǎo)致“以技術(shù)為中心的數(shù)字化”（袁振國，2022），進而引發(fā)數(shù)字教材簡化為“電子文本”、等同于“多媒體資源庫”、異化為“答題教師”等問題。因此，為突出智能教材的教學性特征，本研究按照教材特有的知識組織、課程導(dǎo)學、對話交流、作業(yè)鞏固等教學功能，結(jié)合人工智能的知識圖譜、學習者畫像、深度交互、持續(xù)跟蹤等技術(shù)優(yōu)勢，從智適應(yīng)選學、智能化導(dǎo)學、伴隨式評價、深度學習互動等方面分析智能教材的特征。

（一）智能教材的智適應(yīng)選學功能。教材作為支持學生達成學習目標的學習材料，其內(nèi)容選擇與結(jié)構(gòu)組織要遵循學生身心發(fā)展規(guī)律，與其認知發(fā)展水平、學習興趣相契合（趙長林，2022）。教材內(nèi)容的選擇與組織需努力適應(yīng)每位學生不同進步速度和發(fā)展程度、適合相應(yīng)年齡階段和年級水平學生的成長、學習、準備和進步（瞿葆奎，1993）。然而，傳統(tǒng)紙質(zhì)教材或電子文本教材局限于給學生提供靜態(tài)學習資料，并不能對學生學習狀況進行有效判斷，無法為學生個性化選擇學習內(nèi)容提供支持。智能教材融入智能教學系統(tǒng)，根據(jù)學習者信息、資源應(yīng)用信息和學習行為日志進行數(shù)據(jù)分析和計算，通過數(shù)據(jù)挖掘、機器學習等技術(shù)進行模型量化，運用推薦算法遴選出適合學習者的最優(yōu)學習路徑，有針對性地向用戶推薦學習資源，支持學生按需選學，滿足個性化學習需求。例如，智能英語教材應(yīng)用中，其智能系統(tǒng)通過分析學生閱讀數(shù)據(jù)判斷其閱讀能力水平，按照學生閱讀能力對學習內(nèi)容和輔助材料進行坡度設(shè)計、動態(tài)組織閱讀材料，引導(dǎo)學生在個人學習基礎(chǔ)上開展英語學習。智能教材可根據(jù)學生的作業(yè)結(jié)果、學習時長、內(nèi)容斷點等學習表現(xiàn)進行學習資料推薦，支持學生選擇性學習。主要表現(xiàn)在：（1）依托學生錯題庫推薦與選學。智能教材收集與分析學生作業(yè)或練習中的錯誤內(nèi)容，將其形成學生個人錯題庫，通過學生在學習過程中出現(xiàn)的錯題判斷學生學習不足，以此進行學習資料推薦、支持學生選學。（2）按照學習時長推薦與選學。智能教材借助虛擬仿真環(huán)境、鼠標箭頭記錄軟件等工具可推斷學生對相關(guān)內(nèi)容的學習時長，分析學習者對相應(yīng)內(nèi)容學習的困難程度，推薦與相關(guān)內(nèi)容有較強關(guān)聯(lián)的內(nèi)容供學生選用。（3）針對學習內(nèi)容斷點推薦和選學。智能教材通過追蹤技術(shù)可記錄學生對教材內(nèi)容學習的斷點，按照斷點銜接關(guān)系推薦適合學生進一步需要學習的內(nèi)容供學生選學，加強學習過程的連續(xù)性。智能教材選學功能通過分析學生學習過程動態(tài)組織學習內(nèi)容、個性化推薦學習資源，支持學生按需選學，避免因?qū)W習內(nèi)容設(shè)計不足而引發(fā)的“偽學習”問題。

（二）智能教材的智能化導(dǎo)學功能。我國新修訂義務(wù)教育課程方案（以下簡稱“義教課程方案”）強調(diào)“教材建設(shè)要加強情境創(chuàng)設(shè)和問題設(shè)計，引導(dǎo)學習方式和教學方式的變革”（教育部，2022）。該要求從教學性層面強調(diào)教材“問題導(dǎo)學”功能?！皢栴}導(dǎo)學”設(shè)計體現(xiàn)出“以問題為中心，以學生為主體，以教師為指導(dǎo)”的教育理念（胡小勇，2016）。因此，為加強個性化學習指導(dǎo)，智能教材可借助學習分析技術(shù)從學習風格、認知能力以及學習態(tài)度等方面進行智能化導(dǎo)學。其一，基于學習風格的智能化導(dǎo)學。依據(jù)學習風格理論設(shè)計學習風格測試模型，開發(fā)在線工具實現(xiàn)學生學習風格自動檢測，依據(jù)學生學習風格提供相適應(yīng)的導(dǎo)學方式。例如，依據(jù)學生學習風格提供“聽講—演練”、“探究—發(fā)現(xiàn)”等導(dǎo)學支持（張治等人，2021）。其二，基于認知能力的智能化導(dǎo)學。依據(jù)學科知識圖譜設(shè)計學力測試模型，通過學習分析技術(shù)判斷學生的學習基礎(chǔ)，按照學生認知能力提供與之相適應(yīng)的導(dǎo)學內(nèi)容。其三，基于學習態(tài)度的智能化導(dǎo)學。態(tài)度作為一種內(nèi)部狀態(tài)或傾向影響著學生學習動機和對學習內(nèi)容的深入程度。利用智能教材在線跟蹤技術(shù)記錄與分析學生學習行為，辨析學生學習態(tài)度，創(chuàng)設(shè)積極的導(dǎo)學情境與學習氛圍，激發(fā)和維持學生學習動機。智能教材導(dǎo)學功能依據(jù)學生學習特征設(shè)計導(dǎo)學路徑、內(nèi)容與情境，結(jié)合學生學習經(jīng)驗提供導(dǎo)學支持，避免因?qū)W習資源過載引發(fā)的“加重學生學習負擔”問題。

（三）智能教材的伴隨式評價功能。評價作為教學實施的重要環(huán)節(jié)，其作用不再局限于甄選學生，更重要的還是通過評價幫助學生達成學習目標，促進自我發(fā)展。教材在將課程標準具體化的過程中，為能準確判斷學生學習教材內(nèi)容后是否達成學習目標，評價就成為其中的一項關(guān)鍵措施。在教材中嵌入伴隨式評價功能可及時發(fā)現(xiàn)學生學習問題，反饋學生學習情況，促進學生自我調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)紙質(zhì)教材較多是以課后作業(yè)方式對學生學習后的情況進行檢查和鞏固，較難實現(xiàn)對學生學習過程的跟蹤，基于證據(jù)的伴隨評價也就難以得到落實。智能教材具有過程跟蹤與實時記錄的技術(shù)優(yōu)勢，可按照學生綜合能力測評框架，在不同階段伴隨式收集、分析學生學習數(shù)據(jù)，依據(jù)過程性數(shù)據(jù)證據(jù)和表現(xiàn)性學習結(jié)果推動伴隨式評價開展，引導(dǎo)學生在個人學習基礎(chǔ)上持續(xù)進步，主要表現(xiàn)在：（1）通過學習日志伴隨學生學習評價。通過智能教材平臺日志獲取學習者在線行為數(shù)據(jù)，分析學生不同時間節(jié)點學習結(jié)果表現(xiàn)的變化，及時反饋學生學習進階情況，指導(dǎo)學生改進學習。（2）借助數(shù)字設(shè)備伴隨學生學習評價。借助智能教材的配套數(shù)字設(shè)備跟蹤學生學習行為的路徑，伴隨學生學習過程，發(fā)現(xiàn)學生學習過程中的難點與痛點，幫助教師為學生提供個性化學習指導(dǎo)。例如在智能數(shù)學教材中，借助電子筆可持續(xù)記錄學生答題過程，通過智能分析系統(tǒng)診斷學生答題的錯誤點，對照錯誤點的前序知識和支撐內(nèi)容提供學習資料，引導(dǎo)學生進行補償學習。（3）依托虛擬情境伴隨學生學習評價。利用智能教材創(chuàng)設(shè)虛擬仿真學習環(huán)境，實時采集學生在虛擬仿真環(huán)境中的過程性學習數(shù)據(jù)，客觀評價學生在活動過程中知識技能掌握與運用情況，提供有助于學生學習改進的建議和資源。

（四）智能教材的深度學習互動功能。數(shù)字化學習環(huán)境中只有當人與機器融為一體，實現(xiàn)人機交互、人機協(xié)同，教育數(shù)字化功能才能真正發(fā)揮出來（袁振國，2022）。智能教材建設(shè)中，其“互動”功能對學習者知識建構(gòu)起著重要作用。佐藤學（2014）在學習共同體研究中強調(diào)“學習者與學習內(nèi)容對話、與他人對話、與自我對話”的互動意義。事實上，為加強學生學習互動，傳統(tǒng)紙質(zhì)教材同樣關(guān)注教材互動功能設(shè)計，但受靜態(tài)資源和線性呈現(xiàn)形式的影響，其互動功能主要停留于做標記、留批注或?qū)懜邢氲葘用妗Ｖ悄芙滩陌l(fā)揮其數(shù)字技術(shù)優(yōu)勢，從情境創(chuàng)設(shè)、大數(shù)據(jù)分析和遠程協(xié)作等方面為學生創(chuàng)設(shè)深度互動環(huán)境。其一，借助模擬仿真技術(shù)支持學生與學習內(nèi)容的深度互動。例如，通過VR/AR 技術(shù)豐富教材的真實性情境創(chuàng)設(shè)功能，幫助學生在身臨其境情境中開展體驗學習，系統(tǒng)跟蹤學生與學習內(nèi)容互動過程，采集學生學習數(shù)據(jù)。其二，依托學習者畫像技術(shù)支持學生深度反思。智能教材通過收集、分析和可視化學生學習數(shù)據(jù)，實時向?qū)W生反饋個人學習現(xiàn)狀分析結(jié)果，學生利用個人學習數(shù)據(jù)進行自我反思，支持學生有針對性地改進學習。其三，采用協(xié)作學習平臺支持學生合作與互動。按照學習任務(wù)，智能教材以在線共享文檔、網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室等方式組織團隊成員在線協(xié)作完成任務(wù)、共同解決學習問題，保存每位成員的參與成果，以過程性數(shù)據(jù)分析學生的參與度和貢獻度，提高學習互動效果。智能教材的深度學習互動功能將學生與學習內(nèi)容、學習伙伴和自我反思緊緊粘合在一起，避免因只是呈現(xiàn)電子文本產(chǎn)生的“淺層次學習問題”。

三、智能教材的功能實現(xiàn)與應(yīng)用案例

在教育需求分析基礎(chǔ)上，結(jié)合學習分析、知識圖譜、計算機識別以及學習追蹤等技術(shù)實現(xiàn)智能教材的智適應(yīng)選學、智能導(dǎo)學、伴隨式學習評價和深度互動等智能教育功能，以“智能終端+教材專用平臺+智能系統(tǒng)”創(chuàng)新教材形態(tài)，其功能模塊結(jié)構(gòu)如圖1 所示

圖1 智能教材功能模塊示意圖

（一）以知識圖譜技術(shù)構(gòu)建知識模型，支持智能教材選學功能

1. 知識圖譜在智能教材中的應(yīng)用。知識圖譜是以符號描述物理世界中的概念及其相互關(guān)系，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的知識結(jié)構(gòu)，是結(jié)構(gòu)化的語義知識庫。借助知識圖譜技術(shù)構(gòu)建智能教材知識點之間的連接和層次關(guān)系，可實現(xiàn)知識信息的智能檢索，建立知識技能與問題解決過程的先決和對應(yīng)關(guān)系，自動識別學生能力表現(xiàn)與知識結(jié)構(gòu)的關(guān)系，將靜態(tài)數(shù)字教材轉(zhuǎn)化為自適應(yīng)教材。目前，國內(nèi)外一些成果已實現(xiàn)從各學科維度進行學科知識圖譜和知識模型的構(gòu)建。泰等人（Tay et al.，2018）使用知識圖譜技術(shù)構(gòu)建數(shù)字教材知識點之間的連接和層次關(guān)系，實現(xiàn)知識信息的智能檢索；朱珂等人（2018） 將知識圖譜技術(shù)應(yīng)用于跨媒體融合數(shù)據(jù)研究中，通過對學習資源的知識化標引和鏈接，使得非結(jié)構(gòu)化學習資源以結(jié)構(gòu)化、知識化加工的方式成為有語義關(guān)聯(lián)的知識對象，為學習者提供可重組、可融合、可創(chuàng)生的知識體系。

2. 智能教材的知識模型構(gòu)建。智能教材是在學科專家指導(dǎo)下依托知識圖譜和機器學習技術(shù)構(gòu)建知識模型，基于知識模型的教材內(nèi)容組織既可促進學習資源的動態(tài)調(diào)整，與學習者的知識結(jié)構(gòu)達到最適配狀態(tài)；也可針對學習者在學習過程中自我知識結(jié)構(gòu)的發(fā)展優(yōu)化教材內(nèi)容，支持學習者個性化學習。其技術(shù)實現(xiàn)路徑為：（1）將課程知識體系化，構(gòu)建多維度下的知識圖譜，其拓撲結(jié)構(gòu)蘊含領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)驗、知識關(guān)聯(lián)與學習路徑，為基于課程內(nèi)容自適應(yīng)學習奠定基礎(chǔ)。（2）將知識圖譜與學生已有學習數(shù)據(jù)進行融合，為學生自適應(yīng)學習提供量化的、實時策略支持。（3）基于決策支持進行學習資源推送、自適應(yīng)學習路徑規(guī)劃與自適應(yīng)學習預(yù)警等智能教材應(yīng)用與實踐。此外，在智能教材應(yīng)用過程中，依據(jù)學生學習數(shù)據(jù)分析、迭代優(yōu)化知識模型，進一步完善知識模型。

3.智能教材知識模型實現(xiàn)與選學應(yīng)用案例。知識圖譜技術(shù)助力于智能教材中知識模型的持續(xù)優(yōu)化，結(jié)合學生學習過程數(shù)據(jù)和學習分析算法，教材中的智能系統(tǒng)可判斷出學習者的認知基礎(chǔ)與學習現(xiàn)狀，以此調(diào)整知識模型，生成與學習者相適應(yīng)的學習內(nèi)容，幫助學習者根據(jù)自己的實際情況進行選學。例如，智能教材依托知識圖譜技術(shù)，通過“知識抽取與表示—知識融合與加工—知識更新與優(yōu)化”路徑實現(xiàn)高中生物課程的知識模型構(gòu)建，支持學生個性化選學。實現(xiàn)過程為：（1）建立知識模型。依據(jù)課程標準明確知識點及知識點之間的關(guān)系，例如父類、子類、前序、后序等，采用對象屬性和行為關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示生物學科知識點和知識點的關(guān)系，通過聚類法、空間向量模型和語義模型消除知識抽取中出現(xiàn)的知識點交叉、重疊概念?；趯W科知識點之間的邏輯關(guān)系建立學習結(jié)果判斷的推理規(guī)則。（2）實現(xiàn)知識推送。依據(jù)知識模型跟蹤學生對生物學科知識學習的路徑，采集學生學習數(shù)據(jù)（如測評數(shù)據(jù)、學習行為數(shù)據(jù)等），在學習大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，向?qū)W生推送個性化學習資源。（3）優(yōu)化知識模型?；谥R圖譜建立的學科知識模型和學生學習數(shù)據(jù)的相互作用，通過機器學習算法和學生學習大數(shù)據(jù)補充知識模型內(nèi)容，優(yōu)化模型中知識關(guān)系推理規(guī)則，持續(xù)完善知識模型和提高知識推送的有效性。

（二）借助學習分析技術(shù)構(gòu)建教學模型，加強智能教材導(dǎo)學功能

1.學習分析技術(shù)在智能教材中的應(yīng)用。學習分析技術(shù)是通過記錄、跟蹤、分析學習者學習過程，對其學習行為進行預(yù)測、對其狀態(tài)和效果進行評估，繼而干預(yù)學習，提高學習者學習績效的技術(shù)（Siements，2011）。智能教材嵌入學習分析技術(shù)可記錄學生使用教材學習過程中的閱讀（例如閱讀時間、讀頁數(shù)、添加標記等）、練習（例如解題過程、采用方法、練習結(jié)果等）、互動、協(xié)作等學習行為，診斷學生學習風格與認知基礎(chǔ)，采用聚類算法、非負矩陣分解算法等分析學生學習數(shù)據(jù)，建立學生學習特點與課程內(nèi)容、學習策略的關(guān)聯(lián)，為個別指導(dǎo)和個性化學習提供支持。

2.智能教材的教學模型構(gòu)建。智能教材借助學習分析技術(shù)和人工智能算法，按照學習過程中在線閱讀、虛擬探究、學習互動等細顆粒度的交互數(shù)據(jù)，生成學生在認知、行為、情感等方面的學習特征（Boulanger&Kumar，2019）構(gòu)建教學模型，包括：（1）學情診斷。通過收集學生使用智能教材中表現(xiàn)出的勾畫、批注、翻頁、點擊等交互行為數(shù)據(jù)，采用聚類算法分析學生多維度的學習行為數(shù)據(jù)，預(yù)判學生學習現(xiàn)狀。采用在線學習風格測評工具判斷學生學習風格。此外，隨著虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實以及可穿戴設(shè)備的應(yīng)用可更精細采集學習行為數(shù)據(jù)，準確分析出學生學習表現(xiàn)。（2）策略匹配。依據(jù)學生學習現(xiàn)狀診斷結(jié)果，在智能教材導(dǎo)學功能支持下，教師可以有針對性地選擇教學策略、組織教學內(nèi)容、開展教學設(shè)計。張治等人（2021）在智能教材研究中根據(jù)學生學習風格分類，提出“講解輔助的建構(gòu)、任務(wù)驅(qū)動探究、評價導(dǎo)引的補救”等教學匹配策略，歸納出“微課+評價+資源推送、加入問題鏈、測試評價+資源推送”等導(dǎo)學方案。（3）優(yōu)化關(guān)系。教學過程中，隨著學生學習投入度的深入，學生學習狀態(tài)也在發(fā)生變化，智能教材在跟蹤、采集與分析學生學習數(shù)據(jù)過程中，需要及時判斷學生學習狀態(tài)變化情況，優(yōu)化學生學習需求與教學策略的關(guān)系，為教師調(diào)整教學策略提供證據(jù)支持。

3.智能教材教學模型的實現(xiàn)與導(dǎo)學應(yīng)用案例。智能教材中的教學模型用以精準診斷學生學習問題，支持師生開展教學，促進智能導(dǎo)學實施。例如，有智能導(dǎo)學系統(tǒng)嵌入學習分析技術(shù)，沿著“診什么—怎么診—如何導(dǎo)”路徑描繪學生學習特征，實現(xiàn)智能導(dǎo)學功能。（1）診什么。按照學生綜合能力評價要求，設(shè)計“學業(yè)成績”“學科素養(yǎng)與表現(xiàn)”“學習風格”等指標，通過邏輯判斷方式賦予不同得分區(qū)間不同標簽，提取出個體與群體特征標簽。依據(jù)學習心理理論確定歸因假設(shè)，利用學習大數(shù)據(jù)，使用機器學習算法得到歸因排序/歸因組合，對歸因假設(shè)進行驗證。（2）怎么診。依托人工智能算法與學習數(shù)據(jù)，梳理出個體/群體學習過程的形成邏輯，主要包括有：學生學習信息多維展示（基本信息、學業(yè)信息、綜合評價信息、學習態(tài)度）；學生學業(yè)水平影響因素分析，診斷學習數(shù)據(jù)中影響學業(yè)成就的維度，提出針對性建議，將學習分析結(jié)果的教學建議或教學案例納入數(shù)據(jù)庫，供師生參考。（3）如何導(dǎo)。教師根據(jù)智能教材學習診斷結(jié)果，既可對個別學生學習現(xiàn)狀做出判斷，進行個別化指導(dǎo)；也可判斷群體學生學習表現(xiàn)，針對班級學習特點制定導(dǎo)學方案，提高學生群體性學習質(zhì)量。

（三）采用在線追蹤技術(shù)構(gòu)建學習者模型，支持智能教材伴隨式評價功能

1.在線追蹤技術(shù)在智能教材中的應(yīng)用。在線追蹤技術(shù)是依托信息技術(shù)軟硬件工具，對學生在線學習數(shù)據(jù)進行持續(xù)采集、綜合比較、可視化呈現(xiàn)的人機交互技術(shù)。智能教材研究中，一些學者通過鼠標移動熱力圖、文本關(guān)鍵詞、測評成績、模擬仿真等方式采集學生學習過程原始數(shù)據(jù)，基于機器學習算法建立學習者模型，構(gòu)建出學生能力增值區(qū)間，促進評價標準從共性化向個性化調(diào)整，推動教材從過于關(guān)注知識技能評價向關(guān)注學生學習過程與綜合能力評價的發(fā)展。

2.智能教材的學習者模型構(gòu)建。智能教材借助在線追蹤技術(shù)，依托學生個人學習數(shù)據(jù)庫和學習過程路徑，設(shè)計學習跟蹤節(jié)點，判斷學生進步狀況，激勵學生在原有學習基礎(chǔ)上持續(xù)學習，形成基于在線追蹤技術(shù)的學習者模型。基于在線追蹤技術(shù)的學習者模型主要為：其一，建立學生學習數(shù)據(jù)庫，形成過程性的學生學習成果集。智能教材建設(shè)中常采用學生成長電子檔案袋收集和記錄學生學習成果（許楠，2021）。其二，采用知識追蹤技術(shù)對學生學習路徑和學習行為進行追蹤，定位學生不同時段上的知識與能力水平。例如，有研究者采用貝葉斯知識追蹤技術(shù)判斷學生學習水平，將學習者對知識點的掌握情況作為潛在變量，將學習者答題表現(xiàn)結(jié)果作為觀察變量，診斷學習者的知識水平（黃詩雯，2021）。其三，通過統(tǒng)計圖、詞云圖、要素關(guān)聯(lián)圖等可視化手段形象描繪學習者畫像，分析學習者與學習資源匹配關(guān)系，為學習者推薦相適應(yīng)的學習資源。例如，王莉莉（2021）等人以學習者畫像方式，借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法探索符合學習者學習習慣與偏好的學習路徑，降低學習者學習盲目性，提升學習者在線學習的體驗效果。

3.智能教材學習者模型的實現(xiàn)與應(yīng)用案例。伴隨式學習評價是指將評價內(nèi)容嵌入到學習過程中，依據(jù)課程目標，伴隨每位學習者的學習歷程，有針對性、適時進行反饋與干預(yù)的一種評價方式（李鋒，王吉慶，2018）。智能教材中融入伴隨式評價，借助數(shù)字化手段獲取學生學習表現(xiàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建學習者模型，利用統(tǒng)計方法分析學生在不同時間點的學習數(shù)據(jù)，得到學生學習結(jié)果變化的“凈效應(yīng)”，衡量學生學習進步程度。例如，學生利用智能教材學習信息科技課程內(nèi)容時，以“數(shù)字化情境創(chuàng)設(shè)—問題解決過程跟蹤—素養(yǎng)表現(xiàn)對比分析—增值結(jié)果可視化反饋”的路徑對學生數(shù)字素養(yǎng)與技能開展伴隨式學習評價，主要表現(xiàn)為：（1）模擬數(shù)字化問題情境，采集學生素養(yǎng)表現(xiàn)數(shù)據(jù)。借助信息科技模擬真實性問題情境，為學生提供解決情境問題的交互功能，通過人機交互實現(xiàn)復(fù)雜學習結(jié)果的具體化，引發(fā)學生解決問題過程的素養(yǎng)表現(xiàn)。（2）依據(jù)素養(yǎng)表現(xiàn)評價指標，確定數(shù)字化情境中數(shù)據(jù)采集要點，伴隨追蹤學生利用交互情境解決問題的過程，記錄反映素養(yǎng)表現(xiàn)性特征的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。（3）比較不同節(jié)點學生在問題情境中素養(yǎng)表現(xiàn)的變化，綜合反饋學習評價結(jié)果，促進學生個性化學習。在信息科技課程的智能教材中，學習者模型從表現(xiàn)性指標、問題解決過程路徑、技術(shù)方法熟練程度等方面反饋學生數(shù)字素養(yǎng)與技能發(fā)展情況，不僅可以判斷學生學習提高程度，也能針對學生學習問題提供個性化指導(dǎo)。

（四）依托在線技術(shù)創(chuàng)設(shè)互動學習環(huán)境，支持智能教材深度交互功能

1.數(shù)字交互技術(shù)在智能教材中的應(yīng)用。數(shù)字交互技術(shù)是指通過數(shù)字設(shè)備的輸入、輸出功能，借助計算機軟硬件有效實現(xiàn)人與機器對話的技術(shù)。智能交互技術(shù)在智能教材中的應(yīng)用可有效加強學習者在學習過程中的體驗、對話和反思，主要表現(xiàn)在智能對話、模擬仿真、遠程協(xié)作等方面。其中，智能對話是根據(jù)預(yù)訓(xùn)練的自然語言知識庫、學科知識庫和教材內(nèi)容，通過理解、綜合和推理，結(jié)合知識表示、問答技術(shù)和自然語言生成技術(shù)，智能教材能在特定的范圍回答學生的問題并生成推薦性問題供學生選擇（江波，2022）；模擬仿真是借助虛擬/增強現(xiàn)實、仿真實驗、可穿戴設(shè)備等技術(shù)為學生創(chuàng)設(shè)探究式學習環(huán)境，支持學生與學習內(nèi)容交互，體驗在真實情境中的活動場景，采集學生開展活動的數(shù)據(jù)；遠程協(xié)作借助智能教材網(wǎng)絡(luò)平臺，學習者在交流和協(xié)作中解決問題、創(chuàng)作作品，通過在線追蹤技術(shù)記錄學生的協(xié)作過程，分析學生協(xié)作表現(xiàn)。

2.依托智能技術(shù)的交互學習環(huán)境建設(shè)。智能教材應(yīng)用深度交互技術(shù)創(chuàng)設(shè)線上線下相融合的學習環(huán)境，通過數(shù)字設(shè)備可精準采集學生的學習活動數(shù)據(jù)，為學習者提供有針對性的學習指導(dǎo)，創(chuàng)新教育教學模式。智能教材互動學習環(huán)境建設(shè)主要表現(xiàn)為：其一，線上線下融合學習環(huán)境。借助互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字設(shè)備等創(chuàng)設(shè)出開放的、具有生成性的學習環(huán)境，拓展學生學習時空，豐富學生學習手段，實時整理和保存學生生成性學習資源。其二，學生互動數(shù)據(jù)采集與記錄環(huán)境。在線上線下融合環(huán)境下，利用信息技術(shù)手段分析學生互動數(shù)據(jù)，分析學生互動過程中相關(guān)要素的相互關(guān)聯(lián)，診斷學生學習問題。例如，借助虛擬現(xiàn)實環(huán)境和可穿戴設(shè)備可準確判斷學生技術(shù)操作中的錯誤，給出精準指導(dǎo)和學習預(yù)警。其三，“智能教材+深度互動”創(chuàng)新教學模式。智能教材中交互學習環(huán)境的創(chuàng)設(shè)與應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)靜態(tài)教材學習應(yīng)用中“讀文本、理解文本、應(yīng)用文本”的線性學習方式，創(chuàng)新出“情境體驗、深度互動、數(shù)據(jù)分析、精準指導(dǎo)、反思改進”的自適應(yīng)學習方式。

3.智能教材交互學習環(huán)境實現(xiàn)與應(yīng)用案例。智能教材應(yīng)用過程中，深度交互學習環(huán)境可記錄、存儲、分析能夠反映學生真實性學習狀態(tài)的過程性全樣本數(shù)據(jù)，借助算法和計算機程序診斷學生對學習內(nèi)容的理解水平和認知層次，構(gòu)建出符合學生最近發(fā)展區(qū)的學習支架（Boulanger&Kumar，2019）。例如，智能英語教材融入智能口語練習與矯正功能，從“閱讀語音采集—計算機識別判斷—發(fā)音指導(dǎo)方案”等方面實現(xiàn)對學生智能口語學習的支持。其技術(shù)實現(xiàn)路徑是：通過智能閱讀系統(tǒng)采集學生英語口語信息，利用機器學習算法和語料庫分析學生口語表現(xiàn)情況，對照課程標準給出學生進一步提高英語口語的建議。該技術(shù)在智能英語教材中的應(yīng)用解決了英語教學中“啞巴英語”的難題。近年來，隨著移動傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及計算能力的發(fā)展與提升，智能教材借助智能技術(shù)可以更有效地采集學習者演講、工具操作、制品搭建、手勢交互、面部表現(xiàn)等多模態(tài)數(shù)據(jù)，在深度交互環(huán)境中分析學生學習行為，創(chuàng)新學習模式（牟智佳，2020）。

四、智能教材建設(shè)的推進策略

智能教材建設(shè)是一個系統(tǒng)工程，教材建設(shè)中既要避免忽視教材建設(shè)內(nèi)在規(guī)律、過于強調(diào)技術(shù)功能的“教材技術(shù)論”，也要克服無視數(shù)字化設(shè)備的技術(shù)優(yōu)勢、一味沿用傳統(tǒng)紙質(zhì)教材的“教材保守主義”。依據(jù)現(xiàn)代教學理論、注重實踐迭代、采用技術(shù)監(jiān)管等策略推進智能教材研制與應(yīng)用。

（一）以現(xiàn)代教學理論引導(dǎo)智能教材建設(shè)。學校教材區(qū)別于教育媒體材料，在于其中滲透了有計劃、有步驟的教育活動設(shè)計，凸顯教材教學性特征。從教材設(shè)計來看，不同教育理念都影響著教材結(jié)構(gòu)與內(nèi)容組織?；谛袨橹髁x的教材強調(diào)“小步子程序教學法”，根據(jù)學生應(yīng)答正誤做出適當反饋；基于認知主義的教材重視“學習者能動知識建構(gòu)”的過程，為學生創(chuàng)設(shè)自主探究學習條件；基于建構(gòu)主義的教材注重“協(xié)同學習”功能，支持學生協(xié)同建構(gòu)知識。從教材應(yīng)用來看，由于學習者性格和行為習慣的不同，不同學習者也存在學習差異，個性化學習表現(xiàn)出來的行為方式也存在著個性差異。因此，為切合學習者的學習風格、認知基礎(chǔ)及其最近發(fā)展區(qū)，智能教材建設(shè)就要依據(jù)現(xiàn)代教學理論發(fā)揮智能技術(shù)優(yōu)勢，預(yù)判學生學習特征與內(nèi)容組織的適應(yīng)方式，動態(tài)組織學習資源，支持學生開展高質(zhì)量學習。

（二）在實踐應(yīng)用中持續(xù)優(yōu)化智能教材建設(shè)。智能教材區(qū)別于傳統(tǒng)紙質(zhì)教材，在于它以“智能終端+教材專用平臺+智能系統(tǒng)”的方式創(chuàng)新教材形態(tài)。從功能效果來看，智能教材依托網(wǎng)絡(luò)技術(shù)拓展學生學習時空，豐富學習資源，為學生時時可學、處處能學創(chuàng)造條件；通過學習大數(shù)據(jù)分析學生學習狀況，為學生個性化學習資源選學提供支持；借助人工智能伴隨學生學習，為學生提供有針對性的學習指導(dǎo)。從功能實現(xiàn)來看，智能教材遵循信息系統(tǒng)研發(fā)規(guī)律，從需求分析、模型建設(shè)、數(shù)字化實現(xiàn)、優(yōu)化完善等環(huán)節(jié)進行持續(xù)迭代。因此，為達成上述功能，智能教材的研發(fā)就需要在教材實踐應(yīng)用中獲取師生需求、結(jié)合教學理論依據(jù)需求開發(fā)相應(yīng)的教育功能、在教學實踐中驗證功能、通過不斷迭代優(yōu)化智能教材。因此，智能數(shù)字化教材建設(shè)過程也是實驗學校同步應(yīng)用與逐步完善的過程。

（三）借助信息科技手段監(jiān)管智能教材建設(shè)與應(yīng)用。教材作為國家事權(quán)的政策意蘊，我國教材政策以“凡編必審”“凡選必審”“管建結(jié)合”等方式加強教材管理（郝志軍，2020）。智能教材作為新時代教材的一種新形態(tài)，勢必也要納入國家教材統(tǒng)一規(guī)劃和管理體系。但是，因智能教材自身開放性、交互性、媒體類型多樣性等因素影響，智能教材的監(jiān)管面臨著新挑戰(zhàn)。為推進智能教材建設(shè)與應(yīng)用，就需要依據(jù)智能教材標準研發(fā)智能教材管理工具，以信息化手段和工具對智能教材內(nèi)容、學習應(yīng)用、在線交互、資源生成等方面進行監(jiān)管，提高智能教材的可管理性，落實國家對教材管理要求，推動智能教材研究、設(shè)計和開發(fā)從實驗室向教室的推廣普及。

本研究針對當前數(shù)字教材建設(shè)與應(yīng)用中存在的問題，用教學論視角分析數(shù)字教材智能化的必要性及智能教材的教育性特征，結(jié)合當前智能技術(shù)發(fā)展分析了智能教材各項教育功能實現(xiàn)的技術(shù)路徑與應(yīng)用案例。但是，本研究主要還是從智能教材教學功能方面進行闡釋與分析，對于每項功能的數(shù)據(jù)模型建構(gòu)、算法設(shè)計、實現(xiàn)與驗證等還需要在開發(fā)實踐中進一步探討，這也正是以后需要研究的內(nèi)容。

（李鋒工作郵箱：fli@srcc.ecnu.edu.cn）