教育數字化背景下數字化教學資源的出版實踐路徑

劉暢 劉丹

［摘要］當前，高等教育的數字化轉型需求與出版業的創新融合發展是一個重要的現實問題。細胞生物學3D模型與3D動畫教學資源庫是科學出版社面向數字化出版轉型、實現知識服務的一項重要創新實踐。該教學資源庫是針對高等教育生命科學類、農林類、醫學類專業師生開發的一套系統數字化交互系統。它采用虛擬現實技術，以3D模型和3D動畫的形式展示顯微、亞顯微層次的細胞結構和重要細胞生理生化過程，為用戶提供一種可視化、可交互、可移動學習的沉浸式互聯網教育體驗。文章以此為案例，揭示高等教育中學科專業知識轉化為數字化教學資源的現實路徑。

［關鍵詞］出版融合創新；知識服務；虛擬現實技術

一、教育數字化的趨勢勢不可擋

在我國高等教育繁榮發展與數字化技術日新月異的今天，教育的數字化已成為一個重要趨勢，也是商業戰場的廣闊藍海^［1］。這種轉型將對傳統的教育方式產生深遠的影響和挑戰。由于新冠疫情的影響，大多數高校已經采取了在線課程等與傳統教學模式截然不同的教學方式。這種變化進一步加劇了對教育數字化轉型的迫切需求。在教育部高等教育司2023年工作要點中，加快高等教育數字化轉型，打造高等教育教學新形態成為工作重點^［2］。為此，早在2021年，教育部便開始著手推動高校多個學科專業建設“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質量、實現教育數字化提供政策引導和有力支撐。可見，當前，無論是教育主管部門還是高校均越來越重視教育的數字化。

教育數字化是實現高等教育內涵式發展的現實需求。近年來，高校將提高本科教育質量作為重要任務，這對提高人才培養質量具有基礎性和關鍵性的作用。高質量的教學不僅需要高校教師具備良好的授課能力，還需要高質量的數字化教學資源的輔助，尤其是對一些難以用言語表達的專業內容。教師充分利用數字化教學資源可以顯著提高教學效率，對學生的培養具有重大意義。從高校學生的角度來看，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的教學方式，以興趣為引導，加強對學習知識的探索性，強調交互、強調及時的學習反饋成為越來越多學生喜愛的學習方式。但是在傳統的教學過程中，教學素材大都由任課教師自己收集整理，具有零散性，不系統，部分資源存在版權問題甚至錯誤等問題，因此，科學性強、權威、系統、內容豐富、形式多樣的教學資源對豐富教學就顯得尤為重要。而對出版機構，傳統的出版物大多是紙質的教材，知識的承載介質已經遠遠不夠，尤其體現在對高校和作者的支撐服務上顯得力不從心。面對傳統出版的困境，根據新的現實情況，推進數字化出版轉型，也成為行業普遍的迫切需求。

二、教育數字化從設想到產品構思

教育數字化從設想到產品構思，是一個深入了解專業內容知識和現代數字化技術，并融合創新的過程。對長期深耕高等教育領域的專業出版社來說，只有深入挖掘并徹底理解某個專業領域，才能找到生存的機會，這也是這些專業出版社在傳統出版領域一直堅持的原則。在數字出版領域，提供優質的知識服務仍然離不開其專業性。在市場調研階段，通過大量的訪談和調查，可以看出，高質量的數字化教學資源需求迫切性非常強烈，尤其是對學生覆蓋度廣、知識內容不夠具象化、師生不容易理解的專業性內容。而目前這些內容的建設與開發仍處于零散而專業性不足的階段，其對人力資源、建設經費的消耗都是傳統出版物遠遠不能比擬的。

經過對學科內容、市場反饋等方面的綜合考慮，筆者最終選擇細胞生物學這個學科及其相關課程作為數字化教學資源建設的切入點，原因如下。

首先，細胞生物學是一門生命科學類、醫學類專業本科生的專業基礎課，面向的學生群體非常廣泛，而市場上尚無同類產品系統化的數字化教學資源，因此市場前景廣闊，對生命科學、醫學、農林、環境類專業都具有很高的應用價值。其次，細胞生物學課程內容主要包括細胞的形態學部分和動態的生命活動過程，這些都是微觀、非具象、難以準確描述的，非常適合實現數字化。最后，這些數字教學資源不僅適用于高等教育，還可以延伸至科普、中小學在線教育等多個領域，具有很強的可擴展性和二次開發潛力，未來根據市場反饋，可以很容易地進行二次開發，不斷優化和擴展數字化教學資源的內容及使用場景。

選定專業內容后，下一步便是對專業內容的數字化展現形式進行構思。通過對教學內容的分析，我們選擇通過虛擬現實技術^［4］展示內容資源。細胞生物學可以分為靜態和動態的兩部分內容。其中靜態部分，如形態學內容通過3D模型來實現演示和交互，如細胞中的各種細胞器，細胞器內部結構，如細胞核中的核膜、核仁、核孔等。而動態內容，如細胞分裂、光合作用中電子的傳遞過程、細胞衰老過程、細胞信號通路等，則通過3D動畫來展示和交互。

經過上面的調研與分析，細胞生物學3D模型與3D動畫教學資源庫（后文簡稱為3D Cells）策劃思路為以下三步。

第一，通過虛擬技術再現細胞微觀結構，使學習內容更加真實可見。通過3D模型和動畫，將細胞的內部結構和生命活動過程清晰地呈現在學生面前，使學生能夠更加直觀地理解和掌握細胞生物學的知識。第二，可觸摸交互的設計使枯燥的學科內容變得生動且能互動。在3D Cells中，學生可以通過觸摸屏幕或使用鼠標進行操作，與細胞進行互動，如放大、縮小、旋轉細胞結構或者觸發細胞的特定生命活動過程。這種交互式的學習方式可以增強學生的參與感和探索性，增強學習效果。第三，將分散于一門學科中的主要教學內容集中于一個場景，使得學生對知識的整體性、關聯性有全局的認識。3D Cells將細胞生物學的知識點整合在一個虛擬環境中，如細胞的遺傳信息傳遞、物質運輸、信號轉導、細胞周期等。學生可以通過在這個虛擬環境中探索和學習，建立起對細胞生物學知識的整體觀和關聯性理解，能從更高維度把握所學內容，建立整體觀。通過3D Cells的學習，學生可以從宏觀和微觀兩個層面把握細胞生物學的知識。他們可以觀察到細胞的形態和結構，也可以了解細胞的生理和生化過程。這種多維度、探究式的學習方式可以幫助學生建立對細胞生物學的整體認知，培養科學思維能力和解決問題的能力。

總之，3D Cells教學資源庫的構建旨在通過虛擬現實技術和互動式設計，將知識點整合在一個虛擬環境中，通過改變傳統的學習習慣和方式加深學生對細胞生物學知識的理解和掌握，提升其科學思維能力，增強學習效果。

三、數字化教學資源從設計藍圖到產品形成

數字化教學資源從構思藍圖到產品形成離不開產品設計人員、開發人員、專家團隊的通力合作。產品設計人員決定要做的內容，以及要展現的知識點和呈現的形式等。在細胞生物學教學資源庫的設計過程中，對靜態的教學內容多采用3D模型的方式，對動態生命活動過程采用3D動畫的方式來呈現。在3D Cells動物細胞結構部分，包含了細胞膜、細胞骨架、中心體、細胞核、高爾基體、內質網等各種不同的細胞結構與細胞器，這需要繪制各種靜態3D模型，而在細胞膜上會涉及物質的運輸、細胞信號的傳導、細胞識別、免疫等各種動態過程，這些內容在傳統教材中分別屬于不同的章節，但在內容設計中需要考慮其發生的場景以及這些知識點的關聯性，通過分析，需要把這些動態過程嵌入到相應3D模型下一層的知識結構中。通過立體的知識圖譜，盡量囊括本學科、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中，即3D Cells的內容設計。在內容設計上，為了實現原創性，采取由編輯設計，專家審定，IT人員實現的方式。開發人員在整個產品建設過程中也是關鍵的角色，他們熟悉技術，可根據內容來選擇最佳的呈現形式，其與內容設計人員的高效溝通是保證成品完成的關鍵。在3D Cells的內容開發過程中，通常要經歷撰寫設計草稿，就專業知識對開發人員的講解，產品開發，產品初稿的審核，再次修改等步驟，通過多個步驟、多個輪次不斷完善。

對數字化教學資源的內容設計與開發，要保證高質量高效完成，筆者有幾點體驗分享。一是通過講解提高開發人員對專業內容的理解度，提高數字化教學資源質量與開發效率。二是完善內容設計，做到內容與呈現形式的完美匹配。三是做到科學性和藝術性的統一。在數字化教學資源內容設計與開發過程中，這是一個難點。筆者留意到在國外同類產品設計過程中，通常會有科學顧問和藝術顧問等專業人員，分別從不同的角度對產品進行把關，從而提升產品的準確性和美感。

數字化教學資源在內容設計和開發的同時也要考慮設計適宜的軟件系統來承載內容，完成交互，實現統計等商業服務功能。在用戶已經熟悉各種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設計的初衷，3D Cells主要可以在手機端、PC端進行應用。以3D Cells手機端App UI設計為例，考慮到用戶在手機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，開發人員進行了如下設計。3D Cells在UI界面中，將交互功能放在最中心的位置，兩側放置分別為功能區。在交互區，直接呈現3D模型或者3D動畫，模型可以通過直接觸摸實現放大、縮小、旋轉、點擊進入詳細內容或者下一級內容的交互功能。界面左邊設置了知識目錄，將樹狀的知識邏輯圖與逐級深入的探索式觸動邏輯結合起來，可以方便使用者了解知識圖譜的內在聯系。同時，左側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慣與邏輯。界面最下端設計了筆記功能，方便用戶隨時記錄學習感想或重點。

四、數字化教學資源從產品使用到打開市場

3D Cells可以在手機和電腦等設備上隨時使用，適應各種場景和不同的學習目標。在使用3D Cells的過程中，無論是進行課程教學還是自學，學習者都可以第一人稱視角進入細胞內部，通過觸摸交互的方式進行學習，充分滿足“所見即所得”的使用體驗。學習者可以對細胞3D模型和動畫進行任意縮放、旋轉等操作，實現全方位、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，逐步深入了解細胞的結構、功能和作用機制。

此外，3D Cells還支持高清圖片和視頻導出，具備自我講解錄制功能，方便在線教學、線下學習、資源分享等。它可以將數字教學資源與專業學習過程緊密結合，將沉浸式、探索式學習方式融入其中，從而激發學生學習興趣，提高學習效率。同時，它也為教師教學、寫作等提供了有力的支持。總之，3D Cells的目標是提供一種全新的學習體驗，讓學習者更加深入地了解細胞的結構和功能，提高學習效率。

自2021年推出以來，截至2023年年中，3D Cells已經廣泛推廣至超過360所高等院校、中學、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資源庫。根據抽樣反饋，絕大部分的高校教師認為該教學資源庫對專業課程的學習非常有幫助。此外，該教學資源庫已經榮獲多項國家級和省部級榮譽，包括2022年中國新聞出版研究院的“首屆虛擬現實新聞出版創新應用案例”，2022年中國自然教育大會的“全國精品數字出版物”，以及2023年北京圖書訂貨會的“大家贊譽的出版新技術應用案例”。

五、結語

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

科學出版社以“堅持做難而正確的事”為信念，將知識服務作為戰略目標，致力于成為高等教育數字化轉型的積極參與者和實踐者。我們深知，在市場檢驗中，盡管很多用戶對數字化教學資源給予了肯定和鼓勵，但我們仍須秉持互聯網的思維方式，不斷優化和完善，以期為高校師生帶來更優質的使用體驗。

［參考文獻］

［1］吳夢宸.教育數字化顯趨勢，未來大有可為［J］.商業觀察，2023（24）：6-9.

［2］教育部高等教育司2023年工作要點［EB/OL］.［2023-07-20］.http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/202303/t20230329_1053339.html.

［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.基于虛擬現實的醫學教育應用與設計研究［J］.中國教育技術裝備，2023（05）：36-39.

［作者簡介］劉暢（1983—），男，河南信陽人，中國科技出版傳媒股份有限公司策劃編輯，副編審；劉丹（1982—），女，四川瀘州人，中國科技出版傳媒股份有限公司策劃編輯，副編審。