高等教育數字化轉型實踐

劉暢 劉丹

摘 要：高等教育的數字化轉型需求與出版業的創新融合發展是當前面臨的現實問題，本文以科學出版社策劃出版的細胞生物學3D模型與3D動畫教學資源庫（簡稱3D Cells）為例，展示了高等教育中學科專業知識的數字化過程。該庫是面向高等教育生命科學類、醫學類專業師生開發的一套系統數字化教學資源，采用虛擬現實技術，將微觀細胞結構和生命活動過程以3D模型與3D動畫形式直觀地展示出來，實現了可視化、可交互、可移動學習的沉浸式互聯網教育體驗，也是出版社面向數字化轉型、實現知識服務的創新實踐。

關鍵詞：細胞生物學 虛擬現實技術 數字出版 知識服務

在我國當前高等教育蓬勃發展的大背景下，教育的數字化是一個重要趨勢，也是一個必經過程，對傳統的教育方式必將帶來巨大的挑戰。疫情期間，大部分高校都經歷了在線課程等與傳統教學模式截然不同的授課方式，這對教育數字化提出更加迫切的需求。[1]教育數字化是當前互聯網技術推動下的一個重要趨勢，無論是教育主管部門還是高校均越來越重視。教育數字化主要表現在對教學內容的數字化和教學過程及效果反饋流程管理上的數字化。教育部在2021年推動高校多個學科專業建設“虛擬教研室”，同時于2022年成立“國家高等教育智慧平臺”[2]，在國家層面為高等學校提升教學質量、實現教育數字化提供有力支撐。在2023年教育部重點工作中，加快高等教育數字化轉型，打造高等教育教學新形態成為重點推進的工作之一。[3]

一、高等教育數字化的現實需求

在我國當前高等教育蓬勃發展的大背景下，教育的數字化是一個重要趨勢，也是一個必經過程，對傳統的教育方式必將帶來巨大的挑戰。

1.高質量教學需求

提高本科教育質量、打造一流課程是近幾年高校關注的重點，這對于提升人才培養質量，是一項基礎性也是重要的工作。高質量教學，不僅需要高校教師良好的授課能力，同時也需要高質量的數字化教學資源的輔助，尤其是一些難以口述表達的專業內容。在高質量教學過程中，充分利用數字化教學資源大幅提升教學效率對于學生培養意義重大。

2.在線課程開設的需求

面對當前在互聯網時代成長起來的學生，越來越多的教師發現教學方式不能僅限于講授和PPT演示，教學資源多元化、教學過程可記錄、適應新的學習習慣（如移動式學習、互動式體驗）在在線課程的開設中成為一個追求的目標。

3.系統性的教學資源缺乏

在傳統教學過程中，教學素材大都由任課老師自己收集整理，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于教學就顯得尤為重要。

4.出版轉型的迫切需求

傳統的出版物大多是紙質教材，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。出版單位對于教材使用的高校，不能提供原創的教學資源輔助教師教學；在作者團隊的編寫過程中，諸如高質量的專業學術圖片、動畫、音頻、視頻、習題等資源缺乏，不能給作者的編寫提供很好的支撐。面對傳統出版的困境，根據新的現實情況，推進出版數字化轉型，成為行業普遍的迫切需求。

二、數字化建設的切入點

對于深耕高等教育多年的專業性出版機構，只有做深做透才有生存的機會，這也是其在傳統出版領域一直堅持的原則。在數字出版領域，出版社依然堅持優良傳統，做好知識服務。通過對國內幾十家高校、研究所等教學單位一線教師的走訪，他們普遍反映，對于高等教育，尤其是各個本科的專業基礎課程，專業性教學資源的建設非常有必要，但是對于單個教師或高校來說，建設經費和技術能力都無法支撐高質量數字資源的開發。通過充分調研、深入思考，科學出版社基于以下幾個原因，選擇了細胞生物學這個學科及其相關課程作為數字化資源建設的切入點。

一是課程性質屬性。細胞生物學屬于生命科學類專業、醫學類專業本科生的專業基礎課，面向學生群體大，尚無同類產品，市場前景廣闊，對生命科學、醫學、農、林、環境類專業均適用。二是其課程內容屬性。課程知識主要包括細胞的形態學部分和動態的生命活動過程，都是微觀、非具象、難以準確描述的，適合實現數字化。三是內容可延展性。對于建設出來的這些數字資源，既可用于高等教育，也可以延伸至科普、中小學在線教育，等等。未來根據市場反饋，容易進行二次開發。

三、數字資源呈現形式確定

通過對教學內容的分析，科學性選擇通過虛擬現實技術[4]展示3D的內容資源。細胞生物學形態學部分通過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，如線粒體的嵴、ATP合酶，等。細胞生物學中動態過程，如細胞有絲分裂、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。這樣選擇主要考慮以下幾點：一是技術的先進性；二是震撼的視覺體驗；三是可交互性，滿足沉浸式教學體驗；四是制作內容非常適合，如細胞的微觀化、不可見性。

本庫通過對微觀結構的虛擬再現，使得學習內容真實可見；同時，可以觸摸交互的設計使得枯燥的學科內容變得有互動，學習過程變得具有探索性、沉浸感；將分散于一門學科中的主要教學內容集中于一個場景，使得學生對于知識的整體性、關聯性有全局的認識，能從更高維度把握所學內容，建立整體觀。

四、數字資源開發過程

數字資源的開發是圍繞科學性、系統性等的要求，全面實現教學內容的可視化，將3D模型、3D動畫、音頻、文字、圖片等完美地統一起來，以實現最初的產品設想。3D Cells主要包括了內容設計和系統設計兩部分，分別對應了內容呈現和交互過程的實現。

1.內容設計

內容設計是數字資源開發的重中之重，數字資源的開發過程充滿了對傳統編輯工作的挑戰，編輯需要成為一名優秀的產品經理。例如，根據細胞生物學的教學內容，繪制知識圖譜，梳理出要制作的內容及重點，以及采用什么呈現形式，動態3D動畫還是靜態3D模型，這些都需要編輯進行詳細的思考和策劃。在內容設計上，為了實現原創性，分工如下：由編輯設計，專家審定，IT人員實現。

首先是知識圖譜的繪制，內容制作大綱的確立。需要做的準備包括：參考國內外最新、最權威的細胞生物學教材，理解其結構體系；收集世界范圍內各類優秀的細胞生物學教學資源，充分吸收其思路及優點。其次，通過對內容的拆解與設計，先有了“劇本”大綱，接下來進行3D模型與3D動畫后續開發。這個過程中的主要工作及分工如下。

主要工作：根據收集到的全球范圍內優秀的細胞生物學圖片、視頻和動畫等，分析其優點和思路，寫出針對每個模型和動畫的設計腳本；通過反復與開發人員溝通，確定開發人員能夠明白其專業性含義和最后呈現效果。

人員分工：編輯寫出設計腳本，專家提出補充意見，綜合意見后，IT工程師實施開發。模型或者動畫初稿設計出來后進行審核、繼續修改和補充資料等。

對于數字化產品的內容設計，從科學社的經驗來看，有幾點需要特別注意。一是注重溝通，提升數字資源質量與開發效率。模型和動畫由于是原創開發，是對已有資料的集大成和創新，與IT開發人員的反復溝通與修改是開發工作中重要的部分。一門課程內容資源的開發，通常周期很長，除了面對面交流外，做好腳本和注釋對于保存工作記錄和提高工作效率也非常重要。二是周密設計，做到內容與呈現形式的完美匹配。產品內容開發其中有一項重要的內容即為學科內容的編輯整理。3D cells中每種細胞有300余個詞條與動畫，這些詞條和動畫都配備有專業的文字詳述和語音講解、線條模式圖、電鏡圖，等等，整體的文字多達15萬字。文稿經過編輯整理，審讀，補充，匹配模型、動畫播放過程后上線，這個過程需要細致且全面的考慮，確保內容以最豐滿的形式呈現。三是科學性和藝術性的統一。在內容設計過程中，這是一個難點。科學性是其基礎，包括構建模型或動畫的典型性、知識點覆蓋度、準確性等等。藝術性主要包括模型與動畫的材質，形狀，運動過程的和諧度、美感，風格統一性，色彩一致性，等等。兩者的和諧統一才會帶來較好的視覺體驗。

2.系統設計

好的內容同樣需要優秀的軟件系統來展示，系統設計主要是為了形成完整的產品而圍繞內容資源進行的軟件開發。3D Cells主要包括了手機端APP、電腦客戶端、后臺服務端等。以手機端App UI設計為例，根據3D Cells的應用場景，我們根據國內外前沿的數字產品，對界面的功能及演示邏輯進行多輪設計與修改，將樹狀的知識點邏輯圖與逐級深入的探索式觸動邏輯結合起來，以期帶給師生更好的使用體驗。系統設計的目標是符合大部分用戶的使用操作習慣，不增加軟件學習難度的情況下，最大化提升專業學習的效率。在界面中，我們將交互功能放在最中心的位置，兩側放置了各種功能按鈕，盡量簡潔且符合用戶使用習慣與邏輯。

3.應用場景、營銷與推廣

（1）應用場景。3D Cells可以在手機端、電腦端隨時打開，適應多個場景下不同目標的學習與使用。在3D Cells的使用過程中，無論是在課程教學還是課下自學，操作者以第一人稱視角進入細胞內部，通過觸摸的交互式學習過程充分滿足所見即所得的使用體驗，可對細胞3D模型及3D動畫進行任意縮放、旋轉，從而實現360°全方位、多角度觀察，從顯微到亞顯微直至分子層面，逐級深入觀察與學習細胞的結構、功能與作用機制。該庫支持高清圖片及視頻導出，具有自我講解錄制功能，方便在線教學、線下學習、資源分享等，可以作為數字教學素材，靈活運用于課程建設、教材及學術著作撰寫、科普展示等不同的使用場景中，為教師教學、寫作等提供有力支撐。學生在學習過程中，還可以隨時完成學習筆記，留住瞬間靈感。使數字教學資源緊扣專業學習過程，將沉浸式、探索式學習方式融入其中，大幅提高學習興趣、提升學習效率，是3D Cells力求達到的目標。

（2）效果反饋。3D Cells自2021年推出以來，截至2023年初，累計推廣至350余所高校、中學、研究所等單位的1000多位一線教師，更有近萬名用戶通過多種渠道使用了該教學資源庫，經過抽樣反饋，絕大部分高校教師認為該資源庫有助于專業課程的學習，占比9成以上，二十余家單位經過試用后完成資源庫的購買。目前，該教學資源庫已經榮獲2022年中國新聞出版研究院“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“全國精品數字出版物”，2023年北京圖書訂貨會“大家贊譽的出版新技術應用案例”等國家級省部級的榮譽，這既是國家相關部門對高等教育數字化探索的鼓勵，也是出版社繼續前進的動力。

五、結語

高等教育數字化是一個艱難的過程，無論是教育管理者還是一線教師，都付出了各種努力來共同推進。目前，我國已經建成了世界上規模最大的在線開放課程群[5]，也擁有世界上人數最多的高等教育體系，從規模第一到質量第一是一個艱難的過程。科學社正是憑著“堅持做難而正確的事”這個信念把知識服務作為戰略目標，成為高等教育數字化的同行者與實踐者。3D Cells的開發是科學社面向知識服務、創新融合出版轉型的一次探索，相信通過此次實踐能為同行提供一些借鑒，共同推進出版轉型與高等教育數字化發展。

（作者單位系中國科技出版傳媒股份有限公司）