教育数字化背景下数字化教学资源的出版实践路径

刘畅 刘丹

［摘要］当前，高等教育的数字化转型需求与出版业的创新融合发展是一个重要的现实问题。细胞生物学3D模型与3D动画教学资源库是科学出版社面向数字化出版转型、实现知识服务的一项重要创新实践。该教学资源库是针对高等教育生命科学类、农林类、医学类专业师生开發的一套系统数字化交互系统。它采用虚拟现实技术，以3D模型和3D动画的形式展示显微、亚显微层次的细胞结构和重要细胞生理生化过程，为用户提供一种可视化、可交互、可移动学习的沉浸式互联网教育体验。文章以此为案例，揭示高等教育中学科专业知识转化为数字化教学资源的现实路径。

［关键词］出版融合创新；知识服务；虚拟现实技术

一、教育数字化的趋势势不可挡

在我国高等教育繁荣发展与数字化技术日新月异的今天，教育的数字化已成为一个重要趋势，也是商业战场的广阔蓝海^［1］。这种转型将对传统的教育方式产生深远的影响和挑战。由于新冠疫情的影响，大多数高校已经采取了在线课程等与传统教学模式截然不同的教学方式。这种变化进一步加剧了对教育数字化转型的迫切需求。在教育部高等教育司2023年工作要点中，加快高等教育数字化转型，打造高等教育教学新形态成为工作重点^［2］。为此，早在2021年，教育部便开始着手推动高校多个学科专业建设“虚拟教研室”，于2022年成立“国家高等教育智慧平台”^［3］，于2023年全面推开“101计划”，为高等院校提高教学质量、实现教育数字化提供政策引导和有力支撑。可见，当前，无论是教育主管部门还是高校均越来越重视教育的数字化。

教育数字化是实现高等教育内涵式发展的现实需求。近年来，高校将提高本科教育质量作为重要任务，这对提高人才培养质量具有基础性和关键性的作用。高质量的教学不仅需要高校教师具备良好的授课能力，还需要高质量的数字化教学资源的辅助，尤其是对一些难以用言语表达的专业内容。教师充分利用数字化教学资源可以显著提高教学效率，对学生的培养具有重大意义。从高校学生的角度来看，接受知识、交流信息的手段早已不限于课堂的讲授这种传统的教学方式，以兴趣为引导，加强对学习知识的探索性，强调交互、强调及时的学习反馈成为越来越多学生喜爱的学习方式。但是在传统的教学过程中，教学素材大都由任课教师自己收集整理，具有零散性，不系统，部分资源存在版权问题甚至错误等问题，因此，科学性强、权威、系统、内容丰富、形式多样的教学资源对丰富教学就显得尤为重要。而对出版机构，传统的出版物大多是纸质的教材，知识的承载介质已经远远不够，尤其体现在对高校和作者的支撑服务上显得力不从心。面对传统出版的困境，根据新的现实情况，推进数字化出版转型，也成为行业普遍的迫切需求。

二、教育数字化从设想到产品构思

教育数字化从设想到产品构思，是一个深入了解专业内容知识和现代数字化技术，并融合创新的过程。对长期深耕高等教育领域的专业出版社来说，只有深入挖掘并彻底理解某个专业领域，才能找到生存的机会，这也是这些专业出版社在传统出版领域一直坚持的原则。在数字出版领域，提供优质的知识服务仍然离不开其专业性。在市场调研阶段，通过大量的访谈和调查，可以看出，高质量的数字化教学资源需求迫切性非常强烈，尤其是对学生覆盖度广、知识内容不够具象化、师生不容易理解的专业性内容。而目前这些内容的建设与开发仍处于零散而专业性不足的阶段，其对人力资源、建设经费的消耗都是传统出版物远远不能比拟的。

经过对学科内容、市场反馈等方面的综合考虑，笔者最终选择细胞生物学这个学科及其相关课程作为数字化教学资源建设的切入点，原因如下。

首先，细胞生物学是一门生命科学类、医学类专业本科生的专业基础课，面向的学生群体非常广泛，而市场上尚无同类产品系统化的数字化教学资源，因此市场前景广阔，对生命科学、医学、农林、环境类专业都具有很高的应用价值。其次，细胞生物学课程内容主要包括细胞的形态学部分和动态的生命活动过程，这些都是微观、非具象、难以准确描述的，非常适合实现数字化。最后，这些数字教学资源不仅适用于高等教育，还可以延伸至科普、中小学在线教育等多个领域，具有很强的可扩展性和二次开发潜力，未来根据市场反馈，可以很容易地进行二次开发，不断优化和扩展数字化教学资源的内容及使用场景。

选定专业内容后，下一步便是对专业内容的数字化展现形式进行构思。通过对教学内容的分析，我们选择通过虚拟现实技术^［4］展示内容资源。细胞生物学可以分为静态和动态的两部分内容。其中静态部分，如形态学内容通过3D模型来实现演示和交互，如细胞中的各种细胞器，细胞器内部结构，如细胞核中的核膜、核仁、核孔等。而动态内容，如细胞分裂、光合作用中电子的传递过程、细胞衰老过程、细胞信号通路等，则通过3D动画来展示和交互。

经过上面的调研与分析，细胞生物学3D模型与3D动画教学资源库（后文简称为3D Cells）策划思路为以下三步。

第一，通过虚拟技术再现细胞微观结构，使学习内容更加真实可见。通过3D模型和动画，将细胞的内部结构和生命活动过程清晰地呈现在学生面前，使学生能够更加直观地理解和掌握细胞生物学的知识。第二，可触摸交互的设计使枯燥的学科内容变得生动且能互动。在3D Cells中，学生可以通过触摸屏幕或使用鼠标进行操作，与细胞进行互动，如放大、缩小、旋转细胞结构或者触发细胞的特定生命活动过程。这种交互式的学习方式可以增强学生的参与感和探索性，增强学习效果。第三，将分散于一门学科中的主要教学内容集中于一个场景，使得学生对知识的整体性、关联性有全局的认识。3D Cells将细胞生物学的知识点整合在一个虚拟环境中，如细胞的遗传信息传递、物质运输、信号转导、细胞周期等。学生可以通过在这个虚拟环境中探索和学习，建立起对细胞生物学知识的整体观和关联性理解，能从更高维度把握所学内容，建立整体观。通过3D Cells的学习，学生可以从宏观和微观两个层面把握细胞生物学的知识。他们可以观察到细胞的形态和结构，也可以了解细胞的生理和生化过程。这种多维度、探究式的学习方式可以帮助学生建立对细胞生物学的整体认知，培养科学思维能力和解决问题的能力。

总之，3D Cells教学资源库的构建旨在通过虚拟现实技术和互动式设计，将知识点整合在一个虚拟环境中，通过改变传统的学习习惯和方式加深学生对细胞生物学知识的理解和掌握，提升其科学思维能力，增强学习效果。

三、数字化教学资源从设计蓝图到产品形成

数字化教学资源从构思蓝图到产品形成离不开产品设计人员、开发人员、专家团队的通力合作。产品设计人员决定要做的内容，以及要展现的知识点和呈现的形式等。在细胞生物学教学资源库的设计过程中，对静态的教学内容多采用3D模型的方式，对动态生命活动过程采用3D动画的方式来呈现。在3D Cells动物细胞结构部分，包含了细胞膜、细胞骨架、中心体、细胞核、高尔基体、内质网等各种不同的细胞结构与细胞器，这需要绘制各种静态3D模型，而在细胞膜上会涉及物质的运输、细胞信号的传导、细胞识别、免疫等各种动态过程，这些内容在传统教材中分别属于不同的章节，但在内容设计中需要考虑其发生的场景以及这些知识点的关联性，通过分析，需要把这些动态过程嵌入到相应3D模型下一层的知识结构中。通过立体的知识图谱，尽量囊括本学科、本课程的核心知识点，将可交互的模型、动画、图片、文字、语音、测试汇集到一套系统中，即3D Cells的内容设计。在内容设计上，为了实现原创性，采取由编辑设计，专家审定，IT人员实现的方式。开发人员在整个产品建设过程中也是关键的角色，他们熟悉技术，可根据内容来选择最佳的呈现形式，其与内容设计人员的高效沟通是保证成品完成的关键。在3D Cells的内容开发过程中，通常要经历撰写设计草稿，就专业知识对开发人员的讲解，产品开发，产品初稿的审核，再次修改等步骤，通过多个步骤、多个轮次不断完善。

对数字化教学资源的内容设计与开发，要保证高质量高效完成，笔者有几点体验分享。一是通过讲解提高开发人员对专业内容的理解度，提高数字化教学资源质量与开发效率。二是完善内容设计，做到内容与呈现形式的完美匹配。三是做到科学性和艺术性的统一。在数字化教学资源内容设计与开发过程中，这是一个难点。笔者留意到在国外同类产品设计过程中，通常会有科学顾问和艺术顾问等专业人员，分别从不同的角度对产品进行把关，从而提升产品的准确性和美感。

数字化教学资源在内容设计和开发的同时也要考虑设计适宜的软件系统来承载内容，完成交互，实现统计等商业服务功能。在用户已经熟悉各种App和电脑软件操作的背景下，以良好的易用性作为软件系统设计的初衷，3D Cells主要可以在手机端、PC端进行应用。以3D Cells手机端App UI设计为例，考虑到用户在手机有限的使用界面上的交互与操作难度，以及模型与动画演示的直观性、知识点检索的便利性等各种使用特点，开发人员进行了如下设计。3D Cells在UI界面中，将交互功能放在最中心的位置，两侧放置分别为功能区。在交互区，直接呈现3D模型或者3D动画，模型可以通过直接触摸实现放大、缩小、旋转、点击进入详细内容或者下一级内容的交互功能。界面左边设置了知识目录，将树状的知识逻辑图与逐级深入的探索式触动逻辑结合起来，可以方便使用者了解知识图谱的内在联系。同时，左侧汇集了几种最重要的功能按钮，简洁且又符合用户的使用习惯与逻辑。界面最下端设计了笔记功能，方便用户随时记录学习感想或重点。

四、数字化教学资源从产品使用到打开市场

3D Cells可以在手机和电脑等设备上随时使用，适应各种场景和不同的学习目标。在使用3D Cells的过程中，无论是进行课程教学还是自学，学习者都可以第一人称视角进入细胞内部，通过触摸交互的方式进行学习，充分满足“所见即所得”的使用体验。学习者可以对细胞3D模型和动画进行任意缩放、旋转等操作，实现全方位、多角度的观察，从宏观的显微镜观察到微观、亚显微镜观察，甚至到分子层面，逐步深入了解细胞的结构、功能和作用机制。

此外，3D Cells还支持高清图片和视频导出，具备自我讲解录制功能，方便在线教学、线下学习、资源分享等。它可以将数字教学资源与专业学习过程紧密结合，将沉浸式、探索式学习方式融入其中，从而激发学生学习兴趣，提高学习效率。同时，它也为教师教学、写作等提供了有力的支持。总之，3D Cells的目标是提供一种全新的学习体验，让学习者更加深入地了解细胞的结构和功能，提高学习效率。

自2021年推出以来，截至2023年年中，3D Cells已经广泛推广至超过360所高等院校、中学、科研院所等单位的千余位一线教师，并且有近万名用户通过多种渠道使用该教学资源库。根据抽样反馈，绝大部分的高校教师认为该教学资源库对专业课程的学习非常有帮助。此外，该教学资源库已经荣获多项国家级和省部级荣誉，包括2022年中国新闻出版研究院的“首届虚拟现实新闻出版创新应用案例”，2022年中国自然教育大会的“全国精品数字出版物”，以及2023年北京图书订货会的“大家赞誉的出版新技术应用案例”。

五、结语

高等教育的数字化转型是一个需要付出艰苦努力的进程，无论是教育管理人员还是一线教师，都在为推动这一进程付出了各种努力。目前我国已经建成了世界上规模最大的在线开放课程群，也拥有世界上人数最多的高等教育体系，从追求规模到追求质量的转变是一个充满挑战的过程。

科学出版社以“坚持做难而正确的事”为信念，将知识服务作为战略目标，致力于成为高等教育数字化转型的积极参与者和实践者。我们深知，在市场检验中，尽管很多用户对数字化教学资源给予了肯定和鼓励，但我们仍须秉持互联网的思维方式，不断优化和完善，以期为高校师生带来更优质的使用体验。

［参考文献］

［1］吴梦宸.教育数字化显趋势，未来大有可为［J］.商业观察，2023（24）：6-9.

［2］教育部高等教育司2023年工作要点［EB/OL］.［2023-07-20］.http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/202303/t20230329_1053339.html.

［3］國家高等教育智慧教育平台［EB/OL］.［2023-07-20］.https：//higher.smartedu.cn/.

［4］张文利，陈晨，王岳，等.基于虚拟现实的医学教育应用与设计研究［J］.中国教育技术装备，2023（05）：36-39.

［作者简介］刘畅（1983—），男，河南信阳人，中国科技出版传媒股份有限公司策划编辑，副编审；刘丹（1982—），女，四川泸州人，中国科技出版传媒股份有限公司策划编辑，副编审。