新形態信息科技數字教材設計探究

2025年1月，中共中央、國務院在《教育強國建設規劃綱要（2024一2035年）》中提出要加快推進教材數字化轉型。同年4月，教育部等九部門印發《關于加快推進教育數字化的意見》，指出要推動課程體系、教材體系、教學體系智能化升級，分領域分專業研發一批示范性精品數字教材。數字教材已成為教育數字化轉型的關鍵載體，在推動教育強國建設中具有重要意義。

近年來，我國中小學數字教材發展迅速，眾多出版單位、教研單位和科技企業都在積極探索高質量數字教材建設的有效途徑，取得了諸多實踐成果。然而，當前主流數字教材仍停留在“教材PDF文件 + 數字資源”的模式，與紙質教材內容的融合度不夠，在交互性、智能性、自適應性等方面均有待提升。

信息科技作為現代科學技術領域的重要部分，意味著義務教育階段的信息科技課程在培養學生數字時代的學習能力與創新思維方面發揮著關鍵作用，具有推動教材數字化升級的獨特優勢。人教版信息科技數字教材以大數據、人工智能、物聯網等新興技術為支撐，在紙數融合、深度交互、伴隨式評價及智能體等方面開展創新嘗試，積極探索新型數字教材的研發路徑，以契合教育數字化發展的時代需求。

一、中小學數字教材建設現狀及特點

在教育信息化和出版融合發展戰略協同推進的背景下，越來越多的數字教育出版單位加人數字教材的研究和實踐，數字教材涉及的學科也從數學、英語等單一學科拓展到義務教育階段的全學科。經過十余年的飛速發展，中小學數字教材作為信息化教學環境中的一種核心課程資源，其重要性在基礎教育領域已被廣泛認知[1，其研究與實踐也取得了重要進展。教材出版領域逐漸形成了一種以紙質教材的數字鏡像版為基礎，再配以多媒體資源的數字教材設計模式[2。這種設計模式主要針對教師群體，以課程標準為指導，以紙質教材為藍本，在教材頁面設置熱區或圖標錨點，使用者點擊后即可打開基于本頁知識點拓展的多媒體內容，通過圖片、音頻、視頻、動畫、學科工具等數字資源，立體化、形象化、動態化、交互化地豐富教材知識的呈現方式。這種多媒體型的數字教材已經逐步成為國內中小學數字教材的主流形式，并在廣東、河南等省作為省級試點項目，在中小學校全面應用。

多地的實踐結果表明，多媒體型數字教材能有效地支持教師開展課堂教學活動，在激發學生學習興趣、降低知識理解難度、輔助學生體驗探究、拓展學生知識領域等方面都具有一定成效，但同時也存在著一些待改進的問題。例如，數字教材中絕大多數多媒體資源無法融入紙質教材原有的教學策略、教學活動，以圖標錨點形式呈現的多媒體資源缺少該怎樣用、什么時候用等結構性信息，特別是當資源較多時，在教學活動中選用哪些資源、如何選用資源等都增加了數字教材的應用難度[3]。再如，數字教材主要針對教師群體，以教師課堂演示為主，缺乏師生之間的互動。對于學生自主學習和自主探究等應用場景，數字教材缺乏基于大數據和人工智能技術支持的學習數據分析、實時學情反饋，以及個性化學習路徑規劃、針對性學習內容推送等，無法做到讓每一位學生都能夠根據自己的實際情況進行個性化的學習和探究。

要解決上述問題，滿足教育“從大規模班級化教學向大規模個性化學習轉變”的發展需求[4，數字教育出版單位需要在原有數字教材領域研究的基礎上，從教育教學規律出發，結合學生的年齡特征和認知特點，基于大數據、人工智能、區塊鏈等新興技術，在紙數融合、深度交互、伴隨式評價、學習畫像、自適應等方面做創新嘗試，研發新形態數字教材，解決師生在教、學中的實踐需求，支撐新時代課程形式和學習模式創新。

二、新形態信息科技數字教材研發路徑

2020年1月，教育部印發了《國家教材建設重點研究基地管理辦法》，強調要開展教材建設研究，重點研究信息時代新形態教材。2022年4月，教育部頒布了《義務教育課程方案和課程標準（2022年版）》，部分學科明確提出要嘗試研制與信息技術深度融合的新型教科書。隨著智能型數字教材系統的核心理念和技術實現方案的提出，新形態數字教材的發展涌現出越來越多的可能性[5。信息科技作為數字化時代背景下的國家課程，主要研究以數字形式表達的信息，在數字化創新應用方面具有天然優勢，同時承載著提升學生數字素養與技能的課程目標。本文嘗試以人教版信息科技數字教材（以下簡稱“信息科技數字教材”）的研發為例，從紙數融合一體設計、構建實驗生態系統、支持深度學習互動、創新引人人工智能系統等方面，探討新形態信息科技數字教材的設計路徑及推進策略。

（一）紙數融合一體設計，注重用戶體驗

信息科技數字教材的紙數融合體現在內容設計和內容呈現兩方面。

1.內容設計

為解決數字教材中的多媒體資源過于分散，與紙質教材原有教學策略、教學活動關聯度不高的問題，信息科技數字教材應依據國家課程標準，與人教版紙質學生學習手冊（以下簡稱“學習手冊”）一體化編研。數字教材研發人員應在緊密結合學習手冊編排思路和設計意圖的基礎上，根據教育教學規律和學科學習邏輯，聚焦實驗探究等核心教學活動，對學習手冊文本內容進行數字化改造，整體設計數字教材內容體系（見表1），以確保各種數字化呈現方式都基于學習手冊原有教學策略、學習活動進行，化線性為系統，化平面為立體，化單一為多元，化靜態為動態，化抽象為直觀，為學生提供更加豐富、優質的數字化學習體驗。

2.內容呈現

要跳出多媒體型數字教材以熱區或圖標錨點鏈接多媒體資源的固有模式，信息科技數字教材在呈現形式上就需要把圖文、音視頻、動畫、思維導圖、實驗工具等多模態數字資源與學習手冊原有知識體系有機融合。這種方式一方面可以確保數字教材的內容呈現方式與傳統閱讀習慣一致，支持學生直接在頁面原位閱讀圖文、觀看視頻、開展探究實驗、完成線上練習、繪制思維導圖等，避免多個窗口之間的跳轉，方便學生聯系對照前后知識進行連貫性思考；另一方面，可以讓數字資源增加突出顯示放大至全屏的效果，幫助學生摒棄干擾、聚焦重點，為不同的學習場景提供更為靈活的選擇。

（二）搭建實驗生態系統，體現開放創新

信息科技是一門“科”“技”并重的課程，強調從實踐應用出發，加深學生對基本概念和基本原理的理解，培養學生的科學思維和科技倫理，提升數字素養與技能。《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課程標準”）

表1信息科技數字教材內容體系

注：各年級學習手冊欄目設置略有差異，該表以四年級為例，對數字教材內容體系進行說明。

目前，全國各地中小學校信息科技實驗室的設施條件差異性較大，部分學校缺乏硬件實驗設備，導致“過程與控制”“物聯網實踐與探索”等模塊的實驗教學活動很難開展;部分學校雖然購買了硬件實驗設備，但數量有限，學生實踐操作的機會受限，動手操作能力、創新實踐能力、問題解決能力得不到充分發展。另外，由于硬件實驗設備與教學平臺缺乏互聯互通，教師授課時需要在不同平臺間切換，實驗數據無法與教學平臺的其他教學數據深度融合。針對上述問題，數字教材一方面需要進行數字化的嘗試與探索，結合學習手冊實驗活動內容，創設場景式、體驗式、沉浸式數字化實驗情境，為學生“做中學”“用中學”“創中學”提供支持；另一方面需要開展與多種主流實驗硬件的技術對接，全力打造以數字教材為核心的實驗硬件生態。

1.研發數字實驗工具

提出重視建設支持信息科技教學實驗環境的實驗室，合理運用線上實驗、模擬、仿真等方式，引導學生自主學習、合作學習，為實驗教學的開展提供了切實可行的指導路徑。教育部教育技術與資源發展中心（中央電化教育館）在2023年發布《中小學實驗教學基本目錄》，信息科技學科在小學學段和初中學段分別提煉了63個和31個基本實驗，為實驗教學的開展提供了豐富多樣的內容參考。

針對一線教學缺少軟硬件實驗環境的難點，研發包括探究性實驗、驗證性實驗、仿真實驗等在內的一系列數字實驗工具，對支持學生開展體驗式實驗活動具有積極意義。

第一，探究性實驗。探究性實驗強調學生主動探索和發現知識的過程。創設多場景的個性化實驗探究情境，能夠吸引學生充分體驗、全程參與，為學生理解科學原理概念、實現知識應用遷移提供有效抓手，助力學生由淺層學習向深度學習轉化，培養學生的實踐能力和創新能力。

例如，學習手冊四年級第14課“編碼也能動起來”的學習目標之一是了解編碼不僅可以表示文字、圖片、顏色，還可以表示動作。為了輔助開展“推箱子”這一學習活動，數字教材設計了相應的數字實驗，不僅內置了學習手冊中的活動地圖，還把編輯地圖的主動權交給了學生。學生可以快速設計地圖的形狀，設置起點、終點和箱子的位置，滿足個性化探究需求。在實驗過程中，學生通過思考如何對動作編碼，逐步感受到只要設置的編碼規則合理，就能夠簡潔地表示和記錄對應的動作，并準確地傳遞出去，初步體驗用編碼描述秩序。

第二，驗證性實驗。驗證性實驗是信息科技學科最常見的實驗類型，一般是通過編程來驗證算法設計的正確性、程序代碼運行的效率、過程與控制系統方案設計的可行性、物聯系統中的控制與反饋等[。Python是教師在教學中經常使用的驗證性實驗工具。它雖然是常見的編程語言，但不管是環境的搭建、電腦和系統的適配，還是各種庫的下載、程序代碼的編寫，對于缺乏計算機相關專業背景的教師來說都比較困難。為了幫助教師減輕備課壓力，信息科技數字教材圍繞課程標準提出的計算機程序體驗，創設了免安裝、即用型Python編程環境，預置了與學習手冊中案例相匹配的數據庫和程序代碼。對于簡單的算法，學生可以嘗試自己編寫程序；對于復雜的算法，學生可以調取預置的程序，直接運行或者修改關鍵語句、設置不同參數之后再運行。

例如，學習手冊五年級第10課“猜數游戲有捷徑”的教學目標之一是讓學生通過猜數游戲理解二分法。學生可以打開數字教材里的Python編程工具，利用預置的程序，修改目標數字進行驗證。學生在驗證時會發現，哪怕數值范圍擴大到了10000，利用二分法，最多14次就能把這個數猜出來。學生在此過程中切實感受到算法的效率，體會編程解決問題的方法。

另外，為了幫助學生更好地理解編程語言，數字教材還設計了流程圖編程工具作為學習

Python前的過渡。流程圖編程工具的編程界面和學生熟悉的流程圖基本一致。學生只需要把流程圖中的關鍵語句轉換為編程語言，就能夠完成程序的編寫。這種以圖形化的方式來表示算法邏輯和順序、分支、循環等控制流程，對初次接觸編程的學生來說更加直觀明了。

第三，仿真實驗。仿真實驗是利用計算機技術模擬真實實驗，為學生創設立體、開放、多樣、安全的虛擬仿真環境，讓學生在不受時間和空間限制的情況下，進行場景搭建、實驗操作和原理探索，幫助學生深入理解實驗過程和結果。

針對“過程與控制”和“物聯網實踐與探索”這兩個模塊，信息科技數字教材提供了開放式虛擬仿真實驗。這類仿真實驗可以支持實驗場景的搭建，讓學生根據實驗特點，靈活設置整體環境以及各個模型之間的運動關系；可以支持對程序語言的修改，滿足不同層次學生的需求；還可以支持高級建模，讓學生基于現有實驗案例，進行個性化創作，培養學生的創新實踐能力。

2.構建硬件實驗生態

數字實驗工具雖然幫助缺乏硬件實驗設備的學校解決了一些課程實施中的困難，但是它依舊無法取代真實實驗的探究過程。因此，具備條件的學校要鼓勵教師開展真實的硬件實驗。硬件實驗能增強學生的參與感和體驗感，學生要動手進行設備的連接、配置和調試，直觀看到系統的實時反饋，親身感受真實環境下出現的各種問題。這有助于培養學生的動手能力、解決問題能力和創新思維能力。

為滿足全國各地差異化硬件環境的需要，打破硬件實驗設備和教學平臺之間的壁壘，信息科技數字教材應積極促進與多種不同主流實驗硬件的技術對接，全力構建以數字教材為核心、開放創新的實驗硬件生態。

（三）支持深度學習互動，積累過程評價

在數字教材中應用大數據等新興技術構建生機交互、師生交互等深度交互學習環境，能夠增強學習體驗，積累學習數據，為教學評價提供有力的參考依據。

1.生機交互

在數字教材中使用多樣化生機交互方式能夠為學生的自主學習創設豐富、立體、多元的體驗環境。這種體驗一方面體現在靈活應用數字資源上，例如，閱讀圖片時使用動態輪播和任意切換的效果；觀看視頻時根據需要調節播放速度、打開（關閉）字幕、截取并保存重要片段；線上練習時使用選擇、判斷、填空、拖電、連線等多種作答方式；開展數字實驗時進行開放性體驗和個性化創作等。另一方面體現在便捷記錄學習過程上，例如，為重要頁面添加書簽，通過書簽列表快速進入特定頁面；在重要文本內容上畫線標注、高亮顯示，添加個性化學習筆記等。

2.師生交互

師生交互能改變教師單向輸出的教學方式，反映出教與學之間真實發生的內在聯系，幫助教師關注學生知識掌握程度，判斷教學自標達成情況。師生交互在數字教材的應用體現在為師生創設更為便捷的數字化交流環境。例如，教師給學生分組發送包括交互練習、數字實驗活動、數字評價表等在內的多樣化線上學習任務，實時查看班級整體提交情況以及每位學生的提交情況并給出相應評價，點擊放大學生的學習成果進行班級講評，將示范性作品推送給全班學生等。

3.數據積累

數字教材能夠對學生的自主學習行為進行全方位伴隨式數據收集，包括學生線上學習基本情況的跟蹤數據以及學生提交的練習情況反饋等學習表現數據，前者包括數字教材的登錄時間、閱讀數字教材時長、點擊觀看和學習的數字資源等。這些數據能夠幫助教師了解學情，從多維度準確把握學生的學習狀況，為過程性評價的開展打下基礎。

（四）創新引入人工智能技術，開展智能探索

隨著人工智能技術的高速發展，它對教育領域的影響日益顯著。人工智能技術能夠為師生提供更加精準化、智能化、個性化的服務，更好地支撐教育“向大規模個性化學習轉變”的發展需求，為學科教、學注入全新活力。在信息科技數字教材中創新引入人工智能技術，開展智能探索，對推動我國中小學新形態數字教材建設具有重要意義。

1.夯實底層基礎，構建專業知識庫

高質量的標注數據集是生成式人工智能有效賦能新型課堂教學評價與優化的基礎[。信息科技數字教材基于人工智能技術搭建了信息科技學科專屬知識庫，一方面對課程標準、教學指南、學習手冊等學科內容，從知識體系、難度系數、素養特征、思維啟發、能力培養等維度進行深度梳理、精細加工，確保學科知識庫內容專業嚴謹；另一方面運用自然語言轉換技術和數據增強技術，精準提取編寫思路、知識結構、關鍵特征，增強大模型對學習場景的認知，提高人工智能輸出的有效性，為人工智能在信息科技數字教材中的多場景應用打下堅實基礎。

2.創設虛擬助手，提供針對性指導

課程標準頒布之后，中小學校信息科技學科的教學體系和教學內容都發生了巨大變化，這些變化對信息科技教師的專業能力提出了嚴峻考驗。因此，基于學科知識庫研發AI助教、AI出題等人工智能輔助教學的功能具有重要意義。例如，AI助教功能可以借助智能算法精準解答教師提出的學科專業問題，深度剖析知識點之間的邏輯，高效梳理知識結構，定制化設計教學活動。又如，在教師選定冊次、單元、課時、知識點、難度系數、題型（選擇題、填空題、簡答題、編程題等）后，AI出題功能可迅速生成練習題，同步給出參考答案及詳細解析。人工智能技術在數字教材中的應用，能為教師提供有針對性的幫助和指導，幫助教師全面提升備課效率與質量。

三、未來與展望

隨著國家教育數字化戰略的穩步推進，教育數字化轉型已進入關鍵階段，為數字出版行業帶來了日益顯著的影響。數字教材作為連接教育數字化戰略與中小學校教學實踐的紐帶，正經歷著從內容呈現形式到教學應用模式的系統性變革。這種變革體現在教學理念、教學方式和前沿技術的融合創新上。數字教材的建設質量直接關系到教育現代化的實現程度，對教育數字化轉型具有重要意義。

我國中小學數字教材建設在探索中不斷發展和創新，從單一的知識載體逐漸演變為更加立體化、動態化、智能化、精準化的教學生態系統。作為數字時代的國家課程，信息科技學科承擔著提升學生數字素養與技能的重要使命。探索新形態信息科技數字教材的建設，能夠給義務教育階段的其他學科提供可參考的實施路徑，為推動高質量數字教育體系建設，培養適應未來社會需求的創新人才奠定堅實基礎。

信息科技數字教材未來的發展方向將聚焦于個性化學習模式創新的有效途徑，重點關注學習數據的采集與分析、學習狀態的評價與反饋以及自適應內容的推送與指導，通過引人人工智能、大數據、云計算等前沿技術，增強數智融合，構建“數據驅動一智能評價一自適應推送”的適應性學習系統，建立人機協同的新型教學共同體。具體實現路徑如下。

第一，學習數據的采集與分析。利用人工智能技術，在系統自動批改客觀題的基礎上，借助深度學習算法與預設評分模型，信息科技數字教材可實現編程題、流程圖繪制題、思維導圖創建題等具有學科特色的主觀題的自動閱卷，全面收集學生作答數據，從知識技能、問題解決、學科思維、核心素養等多個維度提供具有針對性的問題分析與改進建議。

第二，學習狀態的評價與反饋。利用人工智能技術，整合多元數據，包括練習、測評等階段性數據，以及自主學習產生的過程性數據，基于多維度數據的挖掘和分析，信息科技數字教材可從學生的學習進度、學習水平、學習能力等方面為學生客觀勾勒全方位學習畫像，輸出個性化學習評價，為學生自適應學習提供詳細參考，為教師精準掌握學情、評估學生表現、調整教學策略、優化教學內容提供關鍵依據，以促進教學質量提升，為教育研究提供豐富的實證基礎。

第三，自適應內容的推送與指導。根據系統采集分析的學習數據、評價反饋的學習狀態，信息科技數字教材可為學生提供量身定制的個性化學習路徑，如根據學生的錯題進行針對性練習推送，根據學生的興趣需求進行相關學習材料推送等，以實現因材施教，讓不同層次的學生都有適合自己的學習體驗。

當數字教材支持自適應學習時，其未來發展將呈現更強的包容性與開放性。教師角色將從知識傳授者轉變為學習設計師，教育將實現從“規模化”向“精準化”、從“標準化”向“個性化”的躍遷。數字教材的創新發展不僅關乎教育技術的迭代升級，更是教育本質的回歸與重構，將為培養具備數字素養和創新能力的新時代人才開辟全新路徑。

參考文獻

[1]沙沙，余宏亮，我國中小學數字教材的發展歷程與技術演進[J].中小學數字化教學，2019（12）：5-8.

[2]

[3]沙沙，賈楠.新一代國家課程核心數字資源設計理念突破：中小學數字教材結構性問題研究［J].中國教育信息化，2022（12）：46-52.

[4]李鋒，盛潔，黃煒.教育數字化轉型的突破點：智能教材的設計與實現[J].華東師范大學學報（教育科學版），2023（3）：101-109.

[5]逯行，薛晉紅，賈楠．技術如何驅動數字教材的設計創新與風險規避？：韓國《AI數字教科書開發指南》解讀及其啟示［J].甘肅開放大學學報，2024（2）：13-23.

[6]魏雄鷹.加強信息科技實驗教學發揮信息科技育人價值[J].教育與裝備研究，2024（2）：12-15.

[7]宋宇，許昌良，穆欣欣.生成式人工智能賦能的新型課堂教學評價與優化研究[J].現代教育技術，2024（12）：27-36.

（作者高嵐系人民教育音像數字出版社高級編輯；李明月系人民教育音像數字出版社智慧教學事業部主任）

責任編輯：李媛