电子教材写作工具的交互元件设计与功能实现*

牟智佳，武法提

(北京师范大学 教育学部 教育技术学院，北京 100875)

电子教材写作工具的交互元件设计与功能实现*

牟智佳，武法提

(北京师范大学 教育学部 教育技术学院，北京 100875)

内容交互是电子教材区别传统纸质教材的一个关键特征与用户良好体验所在。该文通过对以语文、英语为代表的文科课程和以数学、物理为代表的理科课程电子教材中交互知识点的内容分析，设计了六类电子教材通用交互元件，包括文本、图片、幻灯片、视频动画、主观题和交互组。在此基础上，依据设计的电子教材通用交互元件和用户体验原则，采用J2EE的技术路线和开源的MySQL底层数据库，设计开发了电子教材写作工具软件。该软件包括教材结构设计、内容片断编写、交互片断选择和学习过程记录等四部分功能，支持教师基于多种终端设备和操作系统协作编写电子教材且内容具有终端适应性。最后分别展示了Web端和移动端的电子教材编写案例。

电子教材；交互知识点；内容分析；交互元件；学习记录

一、引言

当前，随着互联网络的深入发展和移动技术的日渐普及，以平板电脑、智能手机等为代表的移动设备正变革着传统的阅读手段和阅读习惯。国家新闻出版总署在《新闻出版业“十二五”时期发展规划》中指出，要顺应数字化、信息化、网络化趋势，发展以内容生产数字化、管理过程数字化、产品形态数字化、传播渠道网络化为主要特征，以网络出版、手机出版为主要代表的数字出版等新兴业态，推动数字内容加工、存储、传输、阅读等技术和装备的研发与制造，发展电子阅读及有声阅读，实现新闻出版内容资源的深度整合[1]。从新闻出版政策中可以看出，以电子书为产品形态的数字出版是出版产业大规模发展的机遇和突破口。在教育领域中，教材作为学生阅读中的重要资源要满足学生的数字化阅读需求，不仅要能支持在不同终端中的阅读需要，而且能实现多种形式的内容交互。然而已有的电子课本多是将纸质教材进行数字化，其知识内容仍是单向传递，尚缺乏与学习者产生双向交互的知识内容，而交互性是电子教材区别传统教材的一个重要特征，是促进学生进行深度学习和增强阅读体验的重要所在。本研究通过对文理科中电子教材交互知识点的分析，厘清电子教材中的通用交互元件，并设计开发交互式电子教材写作工具，以期为今后中小学校制作校本电子教材提供技术支持。

二、文科课程电子教材的交互知识点分析

电子教材是一类遵循学生阅读规律、利于组织学习活动、符合课程目标要求、按图书风格编排的电子书或电子读物[2]。它是对纸质教材的再加工，在内容表现形式上进行了图文声像的多媒体化，在内容广度上提供了丰富的拓展学习材料，在内容深度上针对内容提供了名师解析。针对电子教材中的交互知识点分析上要遵从两方面的原则：一是要与课程标准中所提出的课程目标相一致；二是要体现基础教育学段的基本课程内容，即在交互设计方向上要实现课程“目标—内容”的统一。在内容设计方面，电子教材实现的两个核心部分是基本内容的呈现与交互方式的实现[3]，因此设计时需要满足两方面的需求：一是要完成纸质教材中非交互知识点的数字化；二是要实现纸质教材中交互知识点的富媒体化[4]，即在交互内容设计方向上要实现“单向—交互”的统一。在上述设计原则和需求的指导下，我们对文理科教材知识点中的交互元素进行了探索。对文科课程电子教材的分析主要是以语文和英语两科为例，以人教版出版的教材为分析对象进行分析。

(一)分析方法

本研究采用层级分析法和内容分析法对电子教材中的交互知识点进行分析。层级分析法是用来揭示教学目标所要求掌握的从属技能的一种分析方法[5]。该方法采用逆向分析，即从已确定的教学目标开始出发，逐步分析学习者获得教学目标规定的能力。通过该方法可以确定电子教材中的交互知识点维度和层级关系。

内容分析法则是对明显的传播内容做客观而有系统地量化并加以描述的一种研究方法[6]。该方法主要用于对大量文本内容进行分析，通过内容分析法可以挖掘教材中所涉及的交互知识点。该方法的分析步骤包括内容抽样、评判记录和信度分析。其中内容抽样采用来源抽样方式，以人教版教材为样本来源。评判记录则是按照应用层级分析法得出的交互知识点类目表格，按分析单元顺序判断并记录各知识点类目出现的频数。本研究选取了一名教师和两名研究生对分析类目进行了参与评判，分别用A、B、C字母代表，其中教师A为主评判员，B和C为助理评判员。信度分析是指两个以上参与内容分析的研究者对相同类目判断的一致性，其判定公式为，其中R为信度，为平均同意度，K是三个评判员之间相互同意的程度，其值为，M为两者都完全同意的类目，N1和N2为两个评判员分析的类目数。经过信度分析之后，若其值大于0.90，则可以将主评判员的结果作为内容分析的结果，若低于该值则需同时考虑三人的评判信度并保证整体值大于0.60。在实际分析过程中，若信度值大于0.90，我们将以教师A的评判作为内容分析结果；在整体值大于0.60时将以三人中同项目内容的多数认同作为结果；若整体值小于0.60则再寻求一名教师对内容进行评判，并以两名教师的评判作为分析结果。

(二)语文课程电子教材中的交互知识点分析

对语文电子教材的交互知识点分析是从义务教育课程教材和高中课程教材两个阶段展开分析，因为不同阶段的课程标准和学习目标不同，需要分类考虑。义务教育阶段语文课程的总目标是要从知识与能力、过程与方法、情感态度与价值观三个方面设计，三者相互渗透，融为一体，目标的设计着眼于语文素养的整体提高[7]。高中课程目标则是通过必修课程和选修课程的学习，学生在积累与整合、感受与鉴赏、思考与领悟、应用与拓展、发现与创新等五个方面获得发展[8]。在两阶段课标的指导下，通过对教材各单元的层级分析和内容分析，形成了电子教材交互知识点结构图。如下页图1所示，其中左边为义务教育阶段电子教材中的交互知识点类目，包括识字与写字、阅读和写作三个方面，右边为高中阶段电子教材交互知识点类目，包括诗歌与散文、小说与戏剧、文言文阅读、新闻与传记以及写作与修改等五个方面。这两部分的交互知识点可以进一步归结为字词发音、汉字书写、文本图画、词句注释、批改标注、知识链接、思考练习等类型。基于此，我们认为在语文电子教材工具的设计中需要满足上述几类知识点的交互功能设计。

(三)英语课程电子教材中的交互知识点分析

义务教育阶段英语课程的总目标是通过英语学习使学生形成初步的综合语言运用能力，促进心智发展，提高综合人文素养，而综合语言运用能力的形成建立在语言技能、语言知识、情感态度、学习策略和文化意识等方面整体发展的基础之上[9]。高中英语课程的总目标则是在义务教育阶段学习的基础上，进一步明确英语学习目的，形成有效的英语学习策略，培养学生的综合语言应用能力[10]。从课标所指向的内容上可以看出，英语课程的电子教材要在语言技能和语言知识两个目标指导下进行分析。通过对英语人教版教材进行内容分析，形成了英语电子教材中的交互知识点结构，包括语言技能类的交互知识点(涵盖视听层面和读写层面)和语言知识类的交互知识点(涵盖语音、词汇和语法层面)。这两类的交互知识点可归结为单词拼读、英语视听、短文听写、看图识句、对话练习等类型。可以看出，英语电子教材中的交互设计注重视听和拼写两个方面。针对英语学习对听说的要求，可以设计听读、跟读、对话等模块，利用语音识别、录音、复读、回放等技术，促使学生听读、跟读和对话[11]。而针对英语拼写的需求，可以提供单词书写和笔记功能，以提高学生的写作能力。

三、理科课程电子教材的交互内容分析

在理科课程教材的分析上，我们以数学和物理两门课程为分析对象，以人教版教材为内容分析来源。这两门课程在学科地位和内容特性上具有一定的代表性，通过分析可以挖掘理科课程电子教材在交互设计方面的学科需求。

图1 语文电子教材知识点分析

(一)数学课程电子教材中的交互知识点分析

对数学课程电子教材交互知识点的分析同样分为义务教育学段和高中学段。义务教育阶段数学课程的总目标是从知识技能、数学思考、问题解决和情感态度四个方面培养学生获得适应社会生活和进一步发展所必需的数学基础知识、基本技能、基本思想、基本活动经验[12]。高中数学课程的总目标是使学生在九年义务教育数学课程的基础上，进一步提高作为未来公民所必要的数学素养，以满足个人发展与社会进步的需要[13]。基于两阶段的课程目标，通过对教材内容的分析形成了电子教材知识点分类。如下页图2所示，其中左边是基础教育阶段交互知识点的分类，包括数与代数、图形与几何以及统计与概率三部分；右边为高中阶段交互知识点的分类，包括集合与初等函数、几何初步、算法与统计、三角函数与向量、数列与不等式、逻辑用语与圆锥曲线等方面。这两边知识点的交互类型可进一步归类为数学符号与运算符、图形与几何、函数与公式、算法语句与程序框图、逻辑符号与曲线、思考练习等。

(二)物理课程电子教材中的交互知识点分析

义务教育物理课程标准(2011年版)在课程内容部分规定了物理课程的基本学习内容和应达到的基本要求，其中课程内容由科学内容和科学探究两部分组成[14]。而高中课程标准则从物理一、物理二和选修模块描述了知识点的内容标准和活动建议[15]。依据课程标准我们对物理教材中科学内容部分的交互知识点进行梳理和分析，包括初中阶段物理交互知识点分类和高中阶段交互知识点分类。其中初中阶段包括物质、运动和相互作用、能量三部分。高中阶段包括运动的描述、相互作用与运动规律、机械能和能源、抛体运动与圆周运动以及选修模块中的知识点分类。将两部分交互知识点进一步概括总结可分为实验工具和仪器选择、实验动画演示、物理现象图解、知识链接、物理符号与公式、问题与练习等类型。

四、电子教材写作工具的通用交互元件设计

通过对文理科中各类交互知识点的分析可以看出，尽管不同学科之间在交互知识点上存在差异，但在交互类型上存在共性。在对文理科各类交互类型分析的基础上，我们将设计了六类电子教材通用交互元件，包括文本、图片、幻灯片、视频动画、主观题和交互组。

(一)文本交互元件

图2 数学电子教材知识点分析

文本交互是各类电子教材中的基本交互元件，主要是为学科教材中的文本知识内容提供写作支持，它包括文本编写与排版、学科符号与公式、表格与图形、内容片断链接、外部链接、音频链接、批注提示等功能。在电子教材写作工具管理端中通过插入文本交互元件，不仅可以编写完成学科教材中的文本知识内容，而且能够建立各知识点之间的语义关系，使其能够相互链接跳转，以支持和帮助学习者更好地掌握从属知识点内容。在学生端学习者与文本之间的交互操作方式有笔记、批注、书签、点读、链接等，以方便学习者进行知识管理以及建立个人学习记录。

(二)图片交互元件

通过对前面文理科交互知识点的分析可以看出，图片交互是教材中较为通用的一个片段，它能够帮助学习者更好地理解知识内容。图片交互元件主要是为学科教材中的知识配图提供支持，它包括静态图片和动态图片两类，能够支持不同格式的图片导入。学习者与图片之间的交互操作包括编辑、放大和缩小、旋转、最佳显示、适应屏幕等方式，以方便学习者更好地浏览和查看图片。

(三)幻灯片交互元件

幻灯片交互元件是为电子教材中需要插入一组意义相关联的图片以及课堂学习的PPT文件提供支持。在理科教材中需要一些实验来引导得出定理和规律，而这些实验通常需要图片以序列的方式呈现以便于进行前后对比，通过插入幻灯片交互元件可以更好地展示实验过程，方便学习者对实验内容进行观察对比。此外，教师可以将课上讲授的PPT文件通过幻灯片交互形式嵌入到电子教材中，以方便学习者在课下预习教师要讲授的知识内容。在学生端学习者与幻灯片之间的交互操作方式有左右滑动、编辑、放大和缩小等方式。

(四)视频动画交互元件

相对于文本内容，视频学习更有利于促进学习者对概念的掌握和对知识的理解[16]。该交互元件主要是为学科教材中需要讲解知识点的视频和实验动画提供支持，内容包括教学视频、微视频、FLASH动画、网页动画等，支持AVI、FLV、WMV、MPEG、RMVB、SWF等常见视频格式。在电子教材中插入视频动画交互，不仅可以使学习者更深刻地理解知识点内容，同时能够记录学生的学习进度，特别是微视频中的交互点，通过视频中设置的问题交互及反馈结果可以查看学习者是否学习和掌握了该知识点[17]。在微视频的交互点中，可以设置选择题交互、填空题交互、知识点总结等交互形式，也可以插入一些学习工具、论坛模块、拓展资料等，方便学习者能直接链接到其它学习模块中。学习者与视频之间的交互操作主要是点播、播放进度控制、全屏、音量控制等，而在微视频的学习过程中，还需要对弹出的知识问题进行回答才能学习后面的视频内容。

(五)主观题交互元件

在课程教材中思考题是文理科中都需要的一类知识交互，因此我们通过设计主观题交互元件来支持教师设计问题交互。该交互元件包括题干、问题答案和解析，在教师端可以对答案和解析设置是否可见和弹出，以便为学习者提供思考问题的时间。学习者与主观题之间的交互操作主要是点击浏览按钮下的答案和解析，为避免显示的解析内容进入学生视野影响其思考，可点击隐藏按钮不显示问题答案和解析。

除了上述五种交互元件外，为了方便对各类交互元件的管理还需要设计交互组元件，以形成一组交互片段，从而有效地进行内容的结构组织。通过交互组元件既可以实现多个元件之间的层级交互，又可以基于前面五种类型的交互元件制作一套常用的内容交互元件包，从而为建立学科电子教材模板提供支持。

五、电子教材写作工具的交互功能实现与案例展示

在电子教材写作工具开发过程中，我们通过两方面的设计原则来提高用户体验：一是结构与流程设计要遵循“图书”的隐喻和用户的阅读习惯；二是交互设计要遵循易辨识、易触发的原则[18]。依据设计的电子教材通用交互元件和用户体验原则，通过采用J2EE的技术路线，以Hibernate、Spring、Spring MVC等为开源框架，采用开源的MySQL底层数据库，并将Eclipse作为集成开发环境，使用Java版的Jena Jar包进行知识库本体操作和推理，设计开发了电子教材写作工具软件，如图3所示。该软件包括教材结构设计、内容片断编写、交互片断选择和学习过程记录等四部分功能，基于这些功能可以完成交互式电子教材内容的编写与制作，并记录学生学习知识点的过程。

(一)编写教材结构

教材结构包括元数据、教材大纲和内容片断三部分，其内容编写主要通过节点和内容片断来完成，如图3中左边模块所示。其中元数据的内容包括教材编写作者、教材出版社、内容简介、学科名称、使用范围、出版时间和语言等。教材大纲的编写是通过添加节点来完成，点击教材大纲可以编写每个单元标题，而点击每个标题则可以建立每个单元的子标题，编写完之后可以锁定各个单元，避免内容被修改。内容片断的作用是编写与教材大纲相对应的教材内容，它与教材大纲建立联系的方式是通过节点功能中的“内容节点”形成对应关系。通过内容片断可以添加不同类型的交互片断以编写交互式电子教材内容。

(二)编写教材内容

教材内容的编写是在内容片断编辑工作区中进行，其操作通过两步来完成：一是将工具面板中的交互片断拖动到编辑工作区中，二是在交互片断中编写教材内容。其中工具面板中的交互片断包括文本、图片、幻灯片、视频和主观题等五种类型的交互，是学科教材编写中的通用交互片断。交互面板中的资源部分主要存储教材中的各类素材，而属性部分则是用于填写交互片断的基本信息。在文本交互片断中，可以编写教材的文本内容并对其进行格式排版，也可以添加外部链接、内容片段链接、交互片断链接、音频链接、注释等交互内容。其中外部链接是将语词链接到外部网页内容，内容片断链接是建立本单元各部分内容之间的关联，交互片断链接是实现不同单元之间的交互内容链接。在图片交互片断中，可以将教材内容中需要的图片添加到资源库并应用到教材中。在幻灯片交互片断中，通过从资源库中导入多张图片内容可以完成幻灯片内容的编写。视频交互片断是通过从资源库中选择视频添加到电子教材中。主观题交互是通过从工具面板拖动一个主观题交互片断和三个文本交互片断来实现电子教材中思考题的添加，其中三个文本交互分别用于填写思考题题干、答案和解析等内容。在编写教材内容过程中，学科教师也可以进行异步协作编写，实现教材内容的共建共享。

(三)Web端教材案例展示

电子教材写作工具除了能够支持不同学科内容的编写与制作，同时也要能支持在不同系统平台中进行阅读[19]。为了清晰展示各个交互功能，我们以人教版高一语文必修一电子教材为例，对常用的Web阅读方式进行示例。如图4所示，右边展示的是电子教材中的文本和图片交互内容，左边是教材目录。图中交互文本的地方带有对应的交互按钮标识，包含的交互知识点有作者介绍、字的发音、词语的注释等，文本下方是教材中的内容配图和视频配乐朗诵，学习者点击播放按钮可以自行试听学习。

图4 电子教材中的文本和图片交互示例

(四)移动端教材案例展示

在电子教材写作工具中，我们设计开发了电子教材发行系统，该系统具有终端适应性。它是基于智能知识库技术，能够将同一种内容发布到智能手机、xPAD、笔记本电脑、PC机等多种终端设备以及Win7、Win8、Android等多种操作系统，且能够自动调整内容以适合终端显示。如图5所示的是平板电脑中人教版八年级语文下册《海燕》一课的电子教材内容，图中左边包括教材目录、笔记、书签等功能，右边是电子教材内容。在平板电脑中，学习者不仅可以通过多点触控屏幕学习教材中的各类交互内容，而且可以在教材内容中做笔记、添加书签、高亮内容等，其中笔记部分支持学习者手动书写、语音录入、拍照图片等，而书签则方便学习者标记页面内容。通过多点触控屏幕可增强学习活动过程中的人机互动性，给电子教材设计带来全新的理念[20]。

图5 平板电脑中的电子教材内容示例

(五)电子教材内容学习记录

由于电子教材既可用于学生的课外学习，又可应用于师生的课堂教学，为了更好地实现实时测评、跟踪记录学习过程等[21]，我们还在电子教材写作工具中开发了电子教材内容学习记录功能。它主要是对学生在学习电子教材过程中所产生的交互数据进行追踪和记录，并进一步形成个人电子档案袋[22]。该模块能够对学生的学习次数、学习时长、上次学习时间、教材中交互知识点的触发情况、已完成目标数和已通过目标数等内容进行记录。在教师端可以通过点击“查看学习记录”各个学生的教材内容情况，便于对学习者进行过程性评价。在学生端学习者可以点击“详细学习记录”自行查看每个单元内容交互点的完成情况。通过学习记录功能可以为实现对学生的发展性评价提供学习数据支持。

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牟智佳：在读博士，研究方向为数字化学习技术与环境(ambitionyt@163.com)。

武法提：教授，博士生导师，北京师范大学教育技术学院院长，研究方向为数字化学习环境与学习资源设计(wft@bnu.edu.cn)。

2015年1月3日

责任编辑：赵兴龙

The Interaction Element Design and Function Implementation of Electronic Textbook Writing Tool

Mou Zhijia,Wu Fati
(School of Educational Technology,Faculty of Education,Beijing Normal University,Beijing 100875)

The content interaction is a key feature and preferable user experience of electronic textbook related to traditional paper materials.Content analysis is conducted for interaction knowledge of arts curriculum that include Chinese and English and science curriculum that include mathematics and physics.Then we designed six kinds of general interaction elements which include text,picture,slide,video animation,subjective question and interaction group.In addition,the electronic textbook writing software was developed using J2EE technology line and open source of MySQL bottom database according to the general interaction element and user experience principle.The software include four parts function that are structural design of instruction material,content fragments written,interaction fragment selection,and learning process record.It can support cooperative written for instructors based on various terminal equipment and operating system and be displayed with adaptive terminal.Finally,the examples of electronic textbooks for the web and mobile are demonstrated respectively.

Electronic Textbook; Interaction Knowledge Point; Content Analysis; Interaction Element; Learning Record

G434

A

1006—9860(2015)08—0092—07

* 本文系2012年全国教育信息技术研究“十二五”规划重点课题“电子教材基础技术框架及适用性研究”(课题编号：126220694)研究成果。