基于大学物理教学的互动式电子书教材的设计

吴天刚 左 娜 张 睿 王祖源

(同济大学物理学院，上海 200092)

基于大学物理教学的互动式电子书教材的设计

吴天刚 左 娜 张 睿 王祖源

(同济大学物理学院，上海 200092)

文章针对大学物理课程内容以及学习者的特征进行分析，结合交互式电子书的学习者需求问卷结果对互动式电子书的资源呈现和功能模块进行了设计开发。互动式电子书具有交互性强、能加载3D模型以及内容整合度高等特性，能模拟物理情景，外显学习内容，借由富媒体特性增强学习体验，促进激发学生的学习兴趣；实现了测试与反馈、嵌入视音频、互动游戏等功能，适合大学基础物理课程内容的呈现，并满足学生在共性教学环境下，进行个性化学习的需求。因此，本研究将该互动式电子书定位于大学基础物理课程的教学，作为辅助教材使用，可以达到更好的教学效果。

互动式电子书；物理教学；交互性；富媒体；个性化学习

目前，我国的高校教学形式还是以教师课堂授课为主，学生缺乏主动学习。所采用的教材也是传统的图文结合的纸质教材，即使有一些电子教材也是PDF格式的影印版，不能满足学生个性化学习的需求。而基于科技的发展，EPUB3.0(电子出版3.0)的出现使得电子教材功能愈发强大，其所带来的优越的交互性能和视听体验，如果能够合理运用到教学当中，将会带来不一样的学习体验。目前基于EPUB3.0标准的电子书开发软件，以苹果公司的iBookAuthor平台性能最为稳定并且可实现较为丰富的交互功能，因此，本研究依托iBookAuthor平台进行电子书教材的开发。纵观目前已开发的电子书，大多数是针对学龄前教育、小学教育或者语言学习的，很少有针对大学课程内容的。大学物理课程是本科大学生各专业重要的通识性基础课程，具有一定的难度和抽象性，适合于借助互动式电子书来呈现课程内容。通过对纸质教材内容进行功能性重构互动式电子书，可以满足学生自主学习的需求。为此，本研究以大学基础物理为内容设计开发互动式电子书。

1 互动式电子书教材对教与学的支撑作用

1.1 互动式电子书概述

互动式电子书采用了EPUB3.0规范，给电子书的内容提供者制定了电子书出版格式的新标准，不同于EPUB2.0单纯的图文结合，EPUB3.0可以集成音频、视频等多媒体内容，具有更多的语义与互动性[1]。

互动式电子书除了具有一般电子书的标记、笔记、书签功能外，还具有以下特性:

(1) 提供了一种离线学习的模式状态，实现碎片化阅读；

(2) 及时给学生提供反馈，帮助学生及时发现自己在学习过程中出现的问题；

(3) 电子书提供收集学生测试和练习的结果的接口，教师可以由此分析学生的学习状况；

(4) 提供良好的交互功能，可以增强使用者的学习兴趣；

(5) 可以在手机、平板、电脑上阅读，满足使用者在任何时间、任何地点，按需、及时学习的需求。

1.2 电子教材的定义及对学习的支持

本研究中的电子教材引用了项国雄(2005)提出的定义:“电子教材是一种以信息技术为工具开发的、超越时空的多媒体教材，具有字、音、形、色、义等的合成性、动态性及可再生性等特点，其目的在于构建一种网络化学习环境，最大限度地利用计算机和网络的优势来实施教与学的活动[2]。”

电子教材可以实现以下功能：在内容呈现方面，实现具有纸质读物的仿真性，同时具有富媒体特性。相较于纸质教材，基于电子教材的阅读形式，电子教材页面显示的文字信息量相应地减少，增加了图片、视音频等媒体资源。其次，电子教材设计者可以借助电子教材，将物理概念模型以可交互的三维立体模型的形式呈现出来。另外，电子书教材可以嵌入计算器、笔记、照相机等控件，实现功能的一体化；在交互体验方面，电子书教材强调高品质的视、听交互体验，支持呈现高清晰度的图片、视频、插件，及高度灵敏的交互感触和反馈；在笔记标记功能上，除了具备高亮、书签、笔记的功能外，还可以实现知识点检索，章节-目录快速跳转，学习卡片等功能；在例题、测试方面，及时提供反馈，答题分开，实现统计测试结果等功能。电子教材提供给用户外部接口用来传输学生的测试结果，一般以邮件或者excel表格的形式进行传送。教师通过数据分析软件对数据进行分析，更有针对性地调整授课内容与节奏；在知识拓展功能上，提供与生活有关的课外知识，并添加游戏环节来调节学生的学习节奏，强化学习效果。

1.3 碎片化阅读的理解

对于碎片化阅读，在字面意义上可以作两种理解：一种是传统意义上的阅读形式，即在纸质媒介独领风骚时期，人们利用碎片化时间，通过报纸、期刊所进行的“碎片化内容”的阅读习惯；二是指伴随着智能手机、平板电脑、电子书等数码产品的普及和移动互联网的无处不在而带来的自由、开放的阅读模式。本文中的碎片化阅读主要是第二层含义。

碎片化教育资源的精细化推送应该注意以下几点： ①每个碎片化单元的内容相对独立、完整，而不同碎片单元又可以相互融合成聚合体，控制“碎片化”篇幅的字数，适度满足学生在碎片时间阅读切入与抽身的顺畅性。②提供个性化的教育资源，把不同个性族群的学习需求与特点，建立并推送具有针对性的教育资源。③推送更引人注目的适宜阅读作品。在内容的组织上，适度模块化设计，增加分节分段的提示；在呈现的形式，适度减少枯燥单调的文字，增添形式活泼的图片等。[3]

1.4 互动式电子书的开发平台

目前可以进行互动式电子书开发的平台有很多，基于平台功能的稳定性，本研究采用了iOS系统下的iBookAuthor。iBookAuthor具有界面美观，功能强大，交互体验性强的特征。由iBookAuthor开发的电子书可以发布并上架到iBook Store供读者下载阅读，作者的版权可以得到很好的保障；对读者而言，获取电子书的方式也较为简单，读者不需要安装额外的软件，直接在iBook Store上，下载电子书就可以在苹果设备上阅读。

除了传统形式的电子书可以实现的图文、标注、笔记功能外，iBookAuthor还具有以下功能：实现视频、音频和模型的加载；测试并及时提供反馈；生成图表、表单；嵌入计算器、照相机等工具；制作并嵌入游戏等。值得一提的是，iBookAuthor支持的超链接功能可以实现电子书内部章节之间以及与外部网页、APP的跳转交互。借助外部插件iBooky，电子书可以实现更多的交互功能。iBooky是一个外部插件提供平台，在网页平台上完成插件开发后，ibooky可以生成iBookAuthor所支持的控件并提供下载，用户下载控制后直接拖入到iBookAuthor中就可以使用，且下载后的iBooky控件在使用中无需再联网。iBookAuthor开发的电子书教材，苹果系统的手机、平板以及电脑都可以使用(图1)。

图1 苹果设备移动端的显示效果

2 互动式电子书教材的总体设计

2.1 互动式电子书教材的教学设计

(1) 互动式电子书教材设计的前端分析

首先，考虑大学物理课程的特征，含有较多的原理与概念模型，内容具有一定的难度和抽象性。因此，可以借助三维交互模型将抽象概念转化为具体可见的模型，在不同维度来帮助学生理解。同时，突出互动式电子书的富媒体、强交互特性，通过丰富多彩的形式及内容，调动学生好奇心及学习积极性。结合设计前针对互动式电子书功能的问卷结果：学生希望教材中包含更多的测试、例题、交互与游戏，来对大学物理课程的纸质教材进行重新规划与设计。

其次，大学物理课程要求学生掌握物理课程的基本概念、基本理论和基本方法，增强学生分析问题和解决问题的能力，同时注重学生探索精神和创新意识的培养。

最后，对学习者进行分析：参与大学基础物理课程的学生，大多为刚步入大学的一年级新生，有较强的好奇心和求知欲并且已经具有一定的网络和移动设备的使用技能，因此互动式电子书用于大学物理教学是可实行的。

(2) 从促进学生学习的角度分析电子书的功能

学生认知过程可划分为：导入、知识掌握、理解应用。电子书教材在这3个层面上为学生提供了不同的交互体验，增加了学生学习的沉浸性[4]。例如，导入部分可以添加一些视频、图片等媒体形式，增加阅读的趣味性；在知识掌握环节，添加一些交互三维模型或者触控式弹出插件，来增加知识性的内容，帮助学生强化知识点的理解；在理解运用环节，加入游戏、有反馈的测试题以及课外拓展知识来强化并加深学习记忆。

交互式电子书在设计时，还需要考虑使用对象的学习习惯和学习心理。本研究的受众是大学生，他们的学习动机主要包含内部动机和外部动机。内部动机由学生个体内在的求知欲、学习兴趣、改善和提高自身能力的愿望引起，这样的内部动机会促使学生积极主动地学习。而外界环境触发的外部学习动机，则有利于激发学生学习的激情与兴趣[5]。学生的学习动机可以借由电子教材内容的创新、材料的多元、虚拟现实的情境、练习并及时反馈以及奖励机制来激发。结合加涅的八个阶段学习过程：(1)动机(期待)；(2)领会(选择性知觉)；(3)获得；(4)保持(存储)；(5)回忆(检索)；(6)概括(迁移)；(7)动作(反应)；(8)反馈(强化)[6]，来合理规划设计学习资源。在设计测试问题以及交互体验时，需要考虑如何通过一定的鼓励机制来激发学生的学习动机。根据成就动机理论原理，在设计测试或是游戏时，适当提升难度以达到调动学生积极性的目的；但问题的设计也不能太难，如果超出学生的能力范围则适得其反。互动式电子书可以直接跳转到其他已安装的APP应用上，可以极大化地融合现有的资源环境，比如，在学习实验部分的时候，可以直接点击链接跳转到设备上的实验预习APP当中，也可以在章节最后跳转到外部的测试题库APP，互动式电子书为学生建立了一种非线性的学习机制。在互动式电子书中还可以嵌入一些与课程内容相关的小游戏，以引导学生劳逸结合，并增强学会的学习兴趣。

互动式电子书教材所提供的丰富内容与动态交互不同于传统纸质书籍，借由互动式电子书的非线性结构，它为学生的自主探索式学习提供了条件。互动式电子书的设计与制作流程，如图2。

图2 互动式电子书的设计与制作流程

2.2 互动式电子教材的交互设计

互动式电子书主要运用视觉和听觉两个感知觉器官来建构对知识的认知。在设计电子书时，更应该注重交互体验的设计。根据信息架构专家Peter Morville 的UX蜂窝模型，将用户体验分为7个内容，即有用性、可用性、可寻性、可靠性、可获得性、满意度以及价值性(图3)[7]。

图3 UX蜂窝模型

参照该模型在不同维度的针对性，对互动式电子书的交互进行设计。设计符合用户认知及使用习惯的UI，可以使读者快速熟悉阅读环境及电子书的功能。比如以下描述是一般读者所熟悉的，可以借鉴到UI设计中，例如：文字变色并加有下划线，表示可以实现超链接跳转功能；文字中有阴影的图标，表示按钮；图片下方亮度不同的小圆点，表示有多张图片并且这些图片可以滑动切换。还有一些不明显的交互控件，可以通过一些简单的文字或者阴影给予读者提示，帮助用户快速上手简化使用过程。同时，在交互控件UI设计上应该尽量保持风格、大小的一致性，便于识别且界面友好，使电子教材更加系统与功能完整(图4)。

图4 电子书教材排版以及三维交互模型在手机上的显示效果

建构主义的观点指出：学习是学生个体自主建构的过程，它强调个体建构的差异与多元化，并且强调学习情境、教学环境的建构。本研究注重学习资源的重构，提供交互3D模型以增强学习体验，强调仿真性、动态性和直观性，旨在还原情境、促进知识的获取与建构。

2.3 互动式电子教材的界面设计

人的注意分为有意注意和无意注意两种。其中，有意注意是指有预设目的的注意，需要意志上努力才可以做到的注意；反之，则是无意注意。注意有3个特性：注意的广度、稳定性和分配[8]。注意的广度就是注意的范围，是指同一时间内能清楚地把握对象的数量。影响注意广度的因素主要有两个：一是知觉对象的特点，二是个人知觉活动的任务和知识经验。注意的稳定性是指在同一对象环境或同一活动上的注意持续时间，时间增长会降低注意力，需要多样性与新信息来保持注意的稳定性。注意的分配即在一个时间内将注意分给两种或以上不同对象[9]，例如一边听课一边笔记。在设计互动式电子书教材的时候，应该利用注意的特性，将有意注意和无意注意适当结合起来。利用教材内容的物理属性(颜色、形状等)、情绪特征(情境性等)、差异特征(新颖性、独特感等)来刺激对象进行无意注意，而有意注意则可以结合对象的兴趣点、积极性以及人物驱动等方面来维持。

图5 互动式电子书教材内容设计框架

在电子书教材的文字排版方式上，应该接近纸质书籍，这样符合学生的学习阅读习惯，可以帮助其快速进入学习状态。本研究中电子教材的排版方式采用了竖式排版，接近纸质书籍的布局，并且在读者转动阅读设备时文字图片不会出现图文交错的现象。同时电子教材左右翻页的功能，类似实体课本阅读方式，可以增加读者的使用亲切感。

在图片处理方面，尽量保持文本与图片在色调上有一定的区分度，但是这种区分度也不能太突出。要能够引起一定的视觉关注度，又能让读者将关注点主要集中于重要的文字部分，以免过度分散读者注意，影响正常阅读。基于图片引起的注意大于文字的原理，在设计教材时往往将图片放置在页面的右侧，有利于调节读者对内容的阅读节奏。文字与图片之间应保持一定的间隔，可以通过对图片添加阴影的方式使图文分布清晰。

文字部分在超链接的制作上，采用一般网页链接的样式——字体变色并加下划线。重点文字内容，用变色和加粗功能来强调重要性。基于电子教材内容的展现方式，在编辑文字时，应采用较大的行距和字号，字体选择上则选择有基线的中英文字体，提高文字的辨识度。

2.4 互动式电子教材的内容设计

交互式电子书，通过“探索+学习”的过程，让电子教材运用到变革学习方式、提升学习效果中去。针对互动式电子书教材可以实现的功能、课程目标、教与学的策略分析、学生的特征、学生的需求以及学生的学习倾向进行内容设计，并遵循教学效果优化的原则、促进学生成长的原则、可操作性强的原则[10]。本研究主要采用基于问题的学习方式，来重新建构电子书教材的内容。

在内容布局上，每章节开头有一个问题情境导入部分，通过文字加图片，配以视频的方式呈现。通过创设新的问题情境，将新知识渗透到具体的情境中，以情境为需要解决问题，促进学生原有知识与新知识发生冲突，由此激发学生获取新知识和探索新事物的兴趣。这种通过问题情境的创设而建立起的学生思维的内部条件，将为教学过程和学生发展提供驱动力，促使学生在意义建构中达成知识学习目标[11]。

在每章节中，借助三维建模软件将抽象难懂的知识概念构建成三维模型嵌入到互动式电子书教材中，将抽象的概念直观化，帮助学生理解。每节内容中涉及的实验部分，采用交互插件或者视频的形式模拟呈现，强化理解，并增加学习的趣味性。章节的例题部分，采用了“刮刮乐”式的交互插件嵌入电子书中，增加学习的趣味性，将问题与答案部分分离，促进学生自主思考。

每节内容结束以后，提供具有代表性的测试。测试提供及时反馈，帮助学生发现问题。学生发现自己的问题以后进行反思，保罗·弗莱雷认为反思是对话学习的构成要素和必要条件，离开了反思，对话就变成了单纯的行动主义，所以学习反思十分重要[12]。学生的测试结果会通过互动式电子书提供的接口，以excel或者文本的方式通过邮件或其他形式传送给教师，教师再通过数据分析软件对学生的学习情况进行分析，及时发现学生的问题并调整教学节奏。

另外，电子书在章节结尾会提供一些与生活有关的可爱补充知识供学生学习、思考，深化对章节内容理解并调动学生的探索兴趣。

3 结语

本研究从大学生物理学习的现状入手，结合互动式电子书教材对教与学的支撑功能，开发、设计了针对大学基础物理课程的互动式电子书。强调学生自主探索并获得知识的过程，打破了传统教材的死板和局限性，强调学生在学习过程中的主体地位，强化了电子书教材的功能，弥补了教学网络平台不能离线使用的不足，实现了资源利用的最优化，帮助学生建立非线性的学习体验。通过阶段性测试的形成性评价机制产生反馈，促进学生调整自身的学习策略。并通过互动式仿真模拟来增强学生对所学内容的感受和体验，深化所学知识。实现了泛在学习和碎片化学习，强调学生的个性化学习，努力促进学生学习的积极性，旨在激发学生学习动机，提升教学效果。

[1] 朱时良,王震.浅谈EPUB3.0电子书格式[J].出版与印刷,2015(1):13-16. Zhu Shiliang, Wang Zhen. Brief discussion on EPUB3.0 E-Book format[J]. Publishing & Printing, 2015(1): 13-16. (in Chinese)

[2] 项国雄.从传统教材到电子教材[J].信息技术教育,2005(5):8-10. Xiang Guoxiong. From traditional textbooks to electronic textbooks[J]. China Information Technology Education, 2005(5): 8-10. (in Chinese)

[3] 张菁,张增田.碎片化阅读时代的教科书变革[J].课程.教材.教法,2015，35(10):20-24. Zhang Jing, Zhang Zengtian. Textbook reform in the fragmented reading[J]. Curriculum, Teaching Material and Method, 2015, 35(10): 20-24. (in Chinese)

[4] 赵伟琼.基于移动学习的交互式电子教材的设计与开发——以五年级数学上册“图形与几何”为例[D].成都：四川师范大学，2014. Zhao Weiqiong. Design and development of interactive electronic teaching material based on mobile learning—taking the graph and geometry of Grade 5 as an example[D]. Chengdu: Sichuan Normal University, 2014. (in Chinese)

[5]，[7] 陈心仪.强化用户体验的-惠山泥人-电子教材研究[D].无锡：江南大学，2015. Chen Xinyi. Strengthening the user experience—Research on the electronic textbook[D]. Wuxi: Jiangnan University, 2015. (in Chinese)

[6] 加涅.学习的条件和教学论[M].上海：华东师范大学出版社，1999.

[8]，[9] 彭聃龄.普通心理学[M].北京：北京师范大学出版社，2001.

[10] 江吉林,王艳萍,赵清真.电子书包发展及其在高等教育中的应用探索[J].中国教育信息化,2015,(17): 24-27. Jiang Jilin, Wang Yanping, Zhao Qingzhen. The Development of Electronic Bag and Its Application in Higher Education[J]. China Educational Technology, 2015(17): 24-27. (in Chinese)

[11]，[12] 管珏琪,苏小兵,郭毅，等.电子书包环境下小学数学复习课教学模式的设计[J].中国电化教育,2015(3):103-109. Guan Yuqi, Su Xiaobing, Guo Yi et al. The design of the teaching mode of primary mathematics review class in the environment of electronic[J]. China Educational Technology, 2015(3): 103-109. (in Chinese)

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

上海市哲学社会科学规划教育学一般项目(项目申请号：A1600305，项目批准号：A1610)。项目名称：技术支持学习环境下对学习者学习成效影响研究。

吴天刚,男,教授,主要从事物理教学科研工作，研究方向为大学物理、 计算机图像与仿真技术、多媒体技术导论,wutg@tongji.edu.cn；左娜，女，研究生，研究方向为移动学习,651941063@qq.com；张睿,男,副教授,主要从事物理教学科研工作，研究方向为翻转课堂、微课程、spocmooc教学,zr2002_7@163.com；王祖源,女,教授,主要从事物理教学科研工作，研究方向为移动学习、翻转课堂、微课程、spocmooc教学,zuyuanwang@tongji.edu.cn。

吴天刚，左娜，张睿，等. 基于大学物理教学的互动式电子书教材的设计[J]. 物理与工程，2017，27(2)：26-31.