交互式电子教材写作工具的关键技术与基础技术框架 *

武法提，牟智佳

(北京师范大学 教育学部 教育技术学院，北京 100875)

一、交互式电子教材发展的趋势判断与现实困境

(一)交互式电子教材的研究与应用是教育改革的重要支撑点和突破口

随着信息通信技术在教育中的作用日渐显著，传统纸质教材在走向具体教育情境时，所固有的稳定性、封闭性和静态性与现代教育情境的多样性、开放性和动态性之间存在的必然冲突和矛盾日益显著[1]。教材是课程的载体，课程的理念、目标和内容都经由教材传递和表达，且教材建设又是新课程改革的核心内容和基础工程。为此，在顺应现代教材发展趋势的背景下，教材的建设工作被逐渐提上日程。电子教材的研究与应用势必成为教育改革的重要支撑和突破口，具有重要的社会意义。

1.从国家整体信息化发展战略看，开展电子教材研究是加快教育信息化进程的重要举措，符合国家整体信息化发展战略，对培养信息化复合型人才至关重要。当前，国家正在大力推进发展数字出版行业，而开展电子教材研究无疑是推动教育类数字出版物(电子教材)发展的关键环节，对扶持教育类数字出版物的规范化建设起了很大的促进作用，符合信息化时代教育发展的主题。

2.从教材出版方式的变革看，电子教材出版简化了传统纸质出版的流程，加速了教材生产流程和教材内容更新的速度[2]。数字出版是建立在计算机技术、通讯技术、网络技术、流媒体技术、存储技术、显示技术等高新技术基础上，融合并超越了传统出版内容而发展起来的新兴出版产业[3]，其中电子书已成为当下最重要的数字出版代表。而电子教材则从根本上改变了传统出版的生产形态和发行、流通模式，使传统出版脱离了对纸质载体及光盘的依赖，使多媒体的内容以电子化的形式直接作为电子教材。与传统教材相比，电子教材在教材属性、再现方式、组织结构、学习方式、内容范围、稳定性以及交互方式等方面都形成鲜明对照[4]。

3.从教学方式来讲，电子教材突破传统纸质教材上课内容和教学方法长期一成不变的模式。原来的纸质教材只有静态的文字与图片结合，而电子教材的内容表现形式不再是简单的纸质教材搬家，通过将教材内容富媒体化，可以依据学生的学习偏好设计个性化的教与学[5]。

(二)缺少交互式电子教材成为制约我国电子书包深入发展和有效应用的瓶颈

世界正在进入“无纸书籍”学习的新时代，作为个人学习终端的电子书包将成为推动教育信息化产业蓬勃发展的原动力，然而多种装备形态的电子书包发展了近10年仍然无法真正被教育部门广泛接受和应用，最重要的原因是电子书包仅仅停留在各种形式的硬件设备，而作为教与学应用核心的电子教材却无法满足教育教学的实际需求，无法支持新型教育模式进而推动教育变革。因此电子教材已然成为制约电子书包产业深入发展和有效应用的瓶颈。

需要注意的是，电子教材虽然基于电子书的发展形成但却又不同于电子书。电子教材集中反映了国家的意识形态和教育理念，将学科课程范畴中的教学用书进行系统编制，并提供包含视频、动画和虚拟现实等形式的多媒体学习环境[6]，集媒体、教科书、参考书目和字典等内容为一体，从根本上替代了传统的纸质教材。在电子教材研究的过程中，我们不能将电子教材与电子书两者混淆，更不能把电子书的建设等同于电子教材的建设。

(三)缺少技术标准和内容设计标准成为制约交互式电子教材研发制作的瓶颈

推动电子书包在基础教育中的实践应用首先需要有效的电子教材，以及解决电子教材按需制作和发行的技术问题、标准问题和有效设计问题。缺少电子教材的技术框架和内容标准以及技术设计这些技术突破，电子教材难以得到有效地开发和推广，进而难以助力电子书包在教与学中的有效应用。而电子教材中的内容标准是互操作性的基础，它要解决学习内容、学习平台、学习工具和学习终端的互操作要求。

当前，国内外政府部门已出台的电子书相关政策为促进电子教材的发展提供了支持。2010年10月新闻出版总署发布《新闻出版总署关于发展电子书产业的意见》文件，正式将电子书产业纳入新闻出版产业发展总体规划之中，制定电子书产业发展规划[7]，同时成立电子书内容标准工作组，研究制定电子书格式、质量、平台、版权等方面的行业及国家标准。韩国教育部从国家层面研发电子教材出版的软硬件平台、内容标准，分别研制了适用于Windows和Linux操作系统的软件平台标准，有效避免了因电子教材大规模推广而产生的版权费用[8]。国际数字出版论坛(International Digital Publishing Forum)发布的EPUB格式电子书出版标准，为电子教材标准提供了借鉴[9]。

由于电子教材内容标准都是基于本国的教育体制研制，为了实现真正意义上的互操作和跨平台操作，需要考虑如何结合国际上用于数字化学习的Tin Can API标准、我国的CELTS标准、《教学资源立体化建设规范》等标准规范，研究符合我国实际情况的电子教材标准体系，并能够跨平台、跨媒体，畅通无阻。

二、交互式电子教材写作工具开发的关键技术

电子教材要打破传统纸质教材的线性结构编排方式，涉及众多关键技术的研究，本研究主要解决如下关键问题：

(一)知识库技术与语义标注技术

实现知识点的结构化管理、组织和跳转需要知识库技术和语义标注技术。由于电子教材融语义网、知识库、智能学习系统为一体，通过数字内容加工平台，可将教材的内容进行结构化处理，把章、节、段拆分出来，对每一部分加语义标注，以便将来形成智能的知识库。通过知识库技术可以建立课程本体，对教材内容进行语义标注。通过这两项技术可以改变传统纸质教材的线性结构表现方式，从教材文本中自动识别出包含的知识特征，并根据教材知识本体和教学论自动标注学习内容，根据学习的目标和学习内容自动生成学习计划，从而实现个性化的学习内容。

(二)电子教材数字版权技术

电子教材出版简化了传统纸质出版的流程，但是涉及一系列出版安全问题需要解决，包含电子教材内容的全盘加密技术以及数字版权的认证、鉴定、管理技术。电子教材的版权保护，需要兼顾商业出版界、非盈利性资源提供方的知识产权，同时也需要确定适当的粒度以标记内容块的版权信息[10]。在电子教材发布过程中需要融入授权功能以实现版权保护，在该授权系统中，电子教材中的每个页面文件都在下载过程中通过用户账号和机器码进行加密，然后压缩成一个完整的电子教材包提供下载。在电子教材阅读终端软件也需要融入授权功能，通过对下载的电子教材内容进行解压，在学习者访问某个页面前再单独解密某个文件，解密后的文件在客户端不留缓存以实现版权保护。

(三)人机交互技术

由于电子教材集硬件设备、软件平台和媒体内容为一体，人机交互技术尤为重要。平板电脑在交互性上有着天然的优势，根据平板电脑的特点，在开发以其为载体的电子教材时需要在互动性上让学习者有很好的人机交互体验[11]。电子教材的强交互性、富媒体性和高用户体验对提升教师的课堂教学满意度发挥了重要作用，在抓住学生对新知识探究的好奇心、帮助学生理解重难点以及增强学生的课堂参与程度等方面都体现出独特优势[12]。为此，需要对电子教材的可用性和交互效果展开研究，包括交互过程的安全性、用户学习绩效、易学性和易记性等指标指数。教材内容的多媒体化，需要融合当前在视线跟踪、语音识别、手势输入、感觉反馈等交互技术方面的最新研究进展，为电子教材的易用性提供解决方案。

(四)电子教材阅读终端模拟器测试技术

为了保证电子教材内容能够在不同的电子教材阅读终端设备上正常显示，在开发电子教材内容时，需要对一些常见的终端进行模拟测试，保证电子教材数字平台内容的相互兼容性和互操作。目前常见的学习终端有台式机、笔记本、智能手机和平板电脑，涉及的操作系统包括Windows、Android和IOS。通过终端模拟器测试技术可以设计符合终端操作系统环境下的操作界面，解决教材内容自适应的问题。

(五)电子教材内容标准

由于我国不同地方的电子教材存在区域差异，如何分区试行和整合相关资源并在各产业链之间达成共识有一定的难度。为此，以电子教材内容为核心构建电子教材出版标准体系，并规范整个电子教材硬件设备、软件开发、内容建设等方面的一致性和统一性，进而实现跨平台、跨媒体的互操作是电子教材研究的关键内容。

三、交互式电子教材写作工具的基础技术框架

在前期深入调研和分析的基础上，结合相关的技术标准和规范，我们设计了电子教材体系结构，如图1所示。该体系结构主要包括数据服务层、内容管理层、教材分发层、内容标准、运行环境和写作工具。

图1 交互式电子教材的基础技术框架

(一)数据服务层

数据服务层涵盖了知识管理、学习记录、内容库、课程本体库、教材模板，通过这些数据服务为内容的创作与重组、内容的发现与重用、内容的个性化智能投放、内容的阅读体验和知识管理提供支持，这是电子教材开发的前提和基础。

自电子教材的概念产生以来，研究者和企业都积极参与其中并且产生了不少成果，例如为电子教材阅读器引入了书签、笔记、过程跟踪等工具，同时部分出版社也考虑到传统教材的更新难度和成本，不同程度引入了媒资库等数字化管理手段。但当电子教材发展上升到国家高度时，各地政府部门需要积极考虑如何有效地规范市场、如何有效地整合出版社、内容生产商、服务提供商、终端厂商、软件提供商等社会资源，这就需要进行大范围的调研、分析，从数字资源管理和服务提供的角度提出基本的技术框架，为电子教材产业的推进提供技术基础。

随着云计算技术服务模式的发展与终端环境的变化，技术服务发生了较大的变化，这为教育信息化提出了新的思路。作为在国内刚刚起步的电子书包、电子教材，需要紧跟技术步伐，在模式上进一步突破，同时对过去低效、重复建设、硬件基础设施投入大等问题提出有效的解决途径。电子教材基础技术框架将在数据服务层提出针对性的学习者行为数据模型、跨平台接口和互操作方式。

(二)教材分发层

教材分发层包括DRM(Digital Rights Management，数字版权管理)、流媒体服务、分发平台和授权/计费。数字版权管理是目前数字出版的技术难点，如何在多终端、移动性、在线与离线切换的环境下进行数字版权保护是DRM的核心主题[13]。流媒体服务为网络环境下大数据的视音频、图片内容的分发提供流式服务，按需出版已经成为数字出版的核心研发主题，为学生、教师提供个性化的教材推送服务也是电子教材分发不可或缺的组成部分。教材分发层为教材如何推送给用户以及用户如何获得教材提供完整的支持。该技术框架将借鉴当前的数字产品销售平台、App Store分发模式等，同时结合我国教育教材分发的特点，提出一套基础技术方案。该方案通过云存储服务，使用户能够在不同的终端上得到一致、无缝的阅读体验。此外，如何为电子教材参与者之间的利益分配提供有效的技术平台支持也是教材分发的核心组成部分，在计量、计费、机构买断、透明分成统计上提出完整的基础技术解决方案。

(三)内容管理层

内容管理层为教材内容的生产、组织提供在线服务，实现与写作工具的良好对接。在内容管理层中，内容管理系统(CMS)在出版领域已成为不可或缺的基础系统，但电子教材具有其特殊性，其富媒体性、强语义化需求对内容管理系统提出了进一步的要求。通过知识库和语义标注技术可以对电子教材中的知识点内容以结构化和层次化方式进行存储、组织、管理和使用，形成有组织的知识集群。而版式与具体内容分离技术能够有效地将内容创作者和技术分开，在提高内容利用率的同时，也提高了内容的生产效率。这就需要根据电子教材的特点提供适合电子教材本身创作与组织的内容管理系统。

(四)内容标准

内容标准主要是建立一套开放、有效、语义化的电子教材标准体系，完整覆盖了电子教材的打包、元数据、素材格式、语义标注、交互等技术环节。它与运行环境和写作工具紧密相连，其中运行环境包括Windows、Android和IOS等三大主流终端平台上的阅读器，写作工具主要是对内容的创作、已有内容的加工提供工具支持。

内容标准制定是一个复杂、需要实践总结的过程，国际上针对电子教材的标准目前处在零散阶段，国内电子课本与电子书包相关标准研制主要是以华东师范大学祝智庭教授团队为主导，以标准专题组为主体，由总体架构组、电子课本标准组、虚拟学具标准组、学习服务标准组、学习终端标准组等五个专题项目组具体分工共同推动的电子课本与电子书包技术标准研制，但在标准研究中还存在标准研制周期性、核心标准突破、相关标准对接、标准应用、标准国际化等方面的问题[14]。本研究的内容标准将会和现有的相关标准及组织保持参照，互为补充。

(五)运行环境

电子教材终端平台的各自为政与封闭带来的内容不足问题较为明显，因而难以有效推进，这迫切需要从行业角度、政府角度去规范终端。我国基础教育硬件终端设施分布无论在终端先进性上还是终端覆盖率上都不平衡，从而导致各地终端差异较大，同时随着近两年平板电脑的技术体验相对成熟，终端设备差异进一步拉大。但从发展趋势来看，主流平台将会以Android、Windows和iOS为主。从整个信息技术行业看，“云+多端”的模式已经得到广泛应用，可以看出跨终端是软件服务厂商应该具备的能力。因此，对运行环境的规范是电子教材基础技术框架应该重点规范和突破的。

(六)写作工具

数字内容生产环节可以概括为创作、设计、开发，如何有效地避免技术细节带来的低效，从而节约资源投入到创作和设计环节，是提高电子教材质量、优化行业人才结构的关键，写作工具为解决此类问题提供支持。商业写作工具只能提供通用素材的写作支持，要对电子教材本身的语义标注、丰富的交互、内容打包提供支持，还须针对性地研发写作工具。

四、交互式电子教材的内容标准

在设计交互式电子教材写作工具技术框架之后，针对电子教材中的内容标准进行了定义和规范，它包括内容包装、语义定义、媒体规范、交互规范、元数据、RTE(Run-Time Environment，运行时环境)应用程序接口、XML绑定等内容。

(一)内容包装

内容包装设计为数字化资源定义了一种标准的数据结构，该结构绑定了足够的附加信息，以便于资源的快速检索、有效共享和交换[15]。电子教材的章(或单元)、节(或课)、知识点片段之间的嵌套和包含关系需要进行良好的定义，以便为电子教材的打包、分发、更新、拆分和重组提供参考依据。目前与学习资源相关的内容包装规范包括Tin Can API、CELTS学习内容包装规范、EPUB等。Tin Can API是美国高级分布式学习组织在2013年4月推出了新一代的e-Learning标准。它在系统中增加了学习记录库，让系统采集学习者经验并且和其他系统使用共同的语言进行共享。通过采集所有学习者的数据，更好地理解学习者[16]。Tin Can API对学习对象组织的理念对电子教材的内容有一定借鉴意义，但学习对象不能完全涵盖电子教材中的教材、章(或单元)、节(或课)、知识点片段的语义特性，因此不能完全套用。本研究将在借鉴Tin Can API、EPUB等相关规范的基础上，针对电子教材内容包装中涉及的核心要素定义一套适合电子教材的内容包装规范。

(二)语义定义

电子教材中各个内容片段所关联的知识点、所应达到的学习目标的层次、知识点之间的关联关系以及学习目标之间的关联关系需要进行良好的定义，以促进电子教材的高效共享和向智能电子教材演化。目前以LOM为代表的学习对象元数据规范中包含了部分教育相关的语义[17]，但不够具体和完善。针对电子教材这种特殊的教学与学习载体，我们需要在参考已有学习对象元数据规范的基础上定义一套兼顾可扩展性和完备性的教学与学习语义描述规范。

(三)媒体规范

多媒体性是电子教材的一个重要特性。本研究对电子教材所包含的文本、音频、视频、动画、外部链接等各种媒体要素的基本属性、扩展属性、呈现特性、组合排版、关联组合进行定义。与LOM、CELTS仅仅描述单个多媒体资源的基本属性和扩展属性不同，电子教材中的媒体规范还要重点描述多种媒体资源在排版组合和关联组合的特性，并且还要综合考虑普通PC、各种操作系统和不同屏幕分辨率的平板电脑对多媒体资源的适用性。

(四)交互规范

电子教材不是印刷文本内容的简单电子化，也不是多种媒体资源的简单堆砌，而必须在教学语义定义的基础上体现教学交互性[18]。在交互规范上要全面分析电子教材所包含的各种交互片段，并对每种交互片段包含的属性、要素和交互实现效果进行标准定义。随着互联网技术尤其是互联网终端展示技术的发展，互联网中出现了丰富多彩的交互组件，如果不考虑电子教材的教学性，直接将这些交互组件照搬到电子教材中也是不合适的[19]。因此，需要在充分研究电子教材所应具有的教与学特性的基础上，广泛参考目前出现的各种交互组件，对电子教材中需要的交互组件所应包含的属性、要素、内容和参考交互效果进行定义。其中属性是对交互元件的ID、标题名称、可见性、弹出性、内容描述等信息进行定义；要素是对交互元件的类型进行定义；内容是对各交互元件所支持的功能内容进行定义；参考交互效果是对不同交互原件所实现的交互方式进行定义。

(五)元数据

为了便于电子教材及其组成部分的检索和共享，本项目将对电子教材整体、章(单元)、节(课)、交互片段、媒体素材等各个级别要素所需要的元数据进行定义。尽管LOM、CELTS等对学习资源所应具备的元数据属性进行了定义，但这些元数据规范的通用性比较强，适用于各种不同类型的学习资源，而针对电子教材我们需要在这些规范的基础上进行裁剪和扩展。

(六)RTE应用程序接口

为了辅助多终端支持下的教与学，电子教材在终端阅读过程中，通常还需要使用笔记、书签、高亮标记等教学和学习工具，集成外部资源、第三方教具与学具等，以及学习记录远程保存、更新等服务接口的调用等。本部分研究将在借鉴已有的学习运行时模型的基础上，对电子教材在使用过程中所需要的笔记、书签、高亮标记等教学与学习工具以及学习记录远程保存、远程更新等学习服务接口、外部资源集成、第三发教学与学习工具的集成接口进行定义。

(七)XML绑定

以上与电子教材内容相关的各部分标准的严格定义和实现最终都需要使用一种形式化语言来描述，我们将使用国际标准和规范中最通用的XML语言进行绑定描述。

五、交互式电子教材写作工具的开发流程

依据交互式电子教材写作工具的关键技术和基础技术框架，在遵循电子教材内容标准的基础上，我们设计了电子教材写作工具的开发流程，如图2所示。该流程包括需求分析、功能设计、学习记录分析、内容开发、授权设计和发行系统设计等六部分内容，依据该设计思路可以为后面的实际开发工作提供指导。

图2 交互式电子教材写作工具的开发流程

(一)需求分析

电子教材写作工具的需求分析包括电子教材中的知识点交互类型、学科教学模板和写作工具的运行环境。在知识点交互类型上，需要总结不同学科教材中的内容交互需求。在学科教学模板上需要针对不同学科的特点设计教材制作模板，以方便教师快速电子教材。而运行环境的设计需要满足当前多终端和跨平台的阅读需求。

(二)功能设计

功能设计主要是对电子教材写作工具的内容制作页面进行设计，包括教材目录结构编写功能、教材内容中的交互元件以及对教材内容中的知识点管理和多媒体资源管理。在教材结构编写上要延续传统教材目录的制作风格，方便教师适应并快速掌握操作方式。在交互元件的设计上，一方面要能够提供支持教材内容编写的通用交互元件，另一方面也要提供针对不同学科特点的学科交互元件。而教材中的知识点管理主要是面向学习者的学习需要而设计，资源管理是方便教师对交互元件中所用的多媒体资源进行分类管理。

(三)学习记录分析

与纸质教材相比，电子教材对教学和学习支持上的优势之一体现在对学习过程的记录和管理[20]。学习记录分析主要是对电子教材中的电子档案袋进行设计，它包括计分规则设定和学习记录查询。其中计分规则设定主要是对电子教材中各交互类型所占的权重和最高分以及学习者在电子教材中的学习时长、学习进度和目标通过的权重和最高分等进行设计。学习记录查询是为教师查看学习者的学习过程信息提供支持，同时支持学习者查看个人学习教材内容的完成结果。

(四)内容开发

内容开发是对电子教材进行编写制作和内容封装，它包括用户体验设计、编写教材内容和内容封装。其中用户体验设计是从视觉设计、内容设计、功能设计、可用性设计和交互设计等五个方面进行分析[21]。教材内容编写通过添加目录节点和内容片断以及各类交互知识点来完成对电子教材的编写。内容封装则是按照内容标准规范对教材进行包装。

(五)授权设计

授权设计是对电子教材的版权保护和使用权限进行设计。在版权保护上用户在使用账号进行下载的过程中使用机器码进行加密，而在客户端中学习者在访问电子教材页面时，会单独弹出页面显示框，以保证解密后的文件在客户端不留缓存。在使用权限上通过给辅导教师和学习者的账号分别授权可以实现两者之间的功能区分。

(六)发行系统设计

发行系统设计是对完整的电子教材进行发布和推送，发布后的电子教材可以供学生进行点击阅读。在发布系统设计过程中需要满足不同终端和操作系统的阅读需求，以及能够根据终端的显示尺寸大小自动调整内容显示效果。通过教材发行系统可以将制作好的电子教材发布到云端书柜中，以方便学生点击阅读学习。

六、结束语

交互式电子教材作为当前数字化学习环境下的重要学习资源突出了教材内容的多媒体化和强交互性，非线性的编排方式和互操作性使其设计与制作需要专业化的写作工具提供支持。本研究对电子教材写作工具开发所需要的基础技术框架和教材内容标准进行了分析和界定，并在此基础上设计了电子教材写作工具的开发流程。基于这些关键技术和基础框架，本研究下一步将采用快速原型法设计和开发电子教材写作工具，为一线学校制作通用电子教材和校本电子教材提供工具支持。

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