高等教育数字化转型实践

刘畅 刘丹

摘 要：高等教育的数字化转型需求与出版业的创新融合发展是当前面临的现实问题，本文以科学出版社策划出版的细胞生物学3D模型与3D动画教学资源库（简称3D Cells）为例，展示了高等教育中学科专业知识的数字化过程。该库是面向高等教育生命科学类、医学类专业师生开发的一套系统数字化教学资源，采用虚拟现实技术，将微观细胞结构和生命活动过程以3D模型与3D动画形式直观地展示出来，实现了可视化、可交互、可移动学习的沉浸式互联网教育体验，也是出版社面向数字化转型、实现知识服务的创新实践。

关键词：细胞生物学 虚拟现实技术 数字出版 知识服务

在我国当前高等教育蓬勃发展的大背景下，教育的数字化是一个重要趋势，也是一个必经过程，对传统的教育方式必将带来巨大的挑战。疫情期间，大部分高校都经历了在线课程等与传统教学模式截然不同的授课方式，这对教育数字化提出更加迫切的需求。[1]教育数字化是当前互联网技术推动下的一个重要趋势，无论是教育主管部门还是高校均越来越重视。教育数字化主要表现在对教学内容的数字化和教学过程及效果反馈流程管理上的数字化。教育部在2021年推动高校多个学科专业建设“虚拟教研室”，同时于2022年成立“国家高等教育智慧平台”[2]，在国家层面为高等学校提升教学质量、实现教育数字化提供有力支撑。在2023年教育部重点工作中，加快高等教育数字化转型，打造高等教育教学新形态成为重点推进的工作之一。[3]

一、高等教育数字化的现实需求

在我国当前高等教育蓬勃发展的大背景下，教育的数字化是一个重要趋势，也是一个必经过程，对传统的教育方式必将带来巨大的挑战。

1.高质量教学需求

提高本科教育质量、打造一流课程是近几年高校关注的重点，这对于提升人才培养质量，是一项基础性也是重要的工作。高质量教学，不仅需要高校教师良好的授课能力，同时也需要高质量的数字化教学资源的辅助，尤其是一些难以口述表达的专业内容。在高质量教学过程中，充分利用数字化教学资源大幅提升教学效率对于学生培养意义重大。

2.在线课程开设的需求

面对当前在互联网时代成长起来的学生，越来越多的教师发现教学方式不能仅限于讲授和PPT演示，教学资源多元化、教学过程可记录、适应新的学习习惯（如移动式学习、互动式体验）在在线课程的开设中成为一个追求的目标。

3.系统性的教学资源缺乏

在传统教学过程中，教学素材大都由任课老师自己收集整理，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于教学就显得尤为重要。

4.出版转型的迫切需求

传统的出版物大多是纸质教材，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。出版单位对于教材使用的高校，不能提供原创的教学资源辅助教师教学；在作者团队的编写过程中，诸如高质量的专业学术图片、动画、音频、视频、习题等资源缺乏，不能给作者的编写提供很好的支撑。面对传统出版的困境，根据新的现实情况，推进出版数字化转型，成为行业普遍的迫切需求。

二、数字化建设的切入点

对于深耕高等教育多年的专业性出版机构，只有做深做透才有生存的机会，这也是其在传统出版领域一直坚持的原则。在数字出版领域，出版社依然坚持优良传统，做好知识服务。通过对国内几十家高校、研究所等教学单位一线教师的走访，他们普遍反映，对于高等教育，尤其是各个本科的专业基础课程，专业性教学资源的建设非常有必要，但是对于单个教师或高校来说，建设经费和技术能力都无法支撑高质量数字资源的开发。通过充分调研、深入思考，科学出版社基于以下几个原因，选择了细胞生物学这个学科及其相关课程作为数字化资源建设的切入点。

一是课程性质属性。细胞生物学属于生命科学类专业、医学类专业本科生的专业基础课，面向学生群体大，尚无同类产品，市场前景广阔，对生命科学、医学、农、林、环境类专业均适用。二是其课程内容属性。课程知识主要包括细胞的形态学部分和动态的生命活动过程，都是微观、非具象、难以准确描述的，适合实现数字化。三是内容可延展性。对于建设出来的这些数字资源，既可用于高等教育，也可以延伸至科普、中小学在线教育，等等。未来根据市场反馈，容易进行二次开发。

三、数字资源呈现形式确定

通过对教学内容的分析，科学性选择通过虚拟现实技术[4]展示3D的内容资源。细胞生物学形态学部分通过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，如线粒体的嵴、ATP合酶，等。细胞生物学中动态过程，如细胞有丝分裂、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。这样选择主要考虑以下几点：一是技术的先进性；二是震撼的视觉体验；三是可交互性，满足沉浸式教学体验；四是制作内容非常适合，如细胞的微观化、不可见性。

本库通过对微观结构的虚拟再现，使得学习内容真实可见；同时，可以触摸交互的设计使得枯燥的学科内容变得有互动，学习过程变得具有探索性、沉浸感；将分散于一门学科中的主要教学内容集中于一个场景，使得学生对于知识的整体性、关联性有全局的认识，能从更高维度把握所學内容，建立整体观。

四、数字资源开发过程

数字资源的开发是围绕科学性、系统性等的要求，全面实现教学内容的可视化，将3D模型、3D动画、音频、文字、图片等完美地统一起来，以实现最初的产品设想。3D Cells主要包括了内容设计和系统设计两部分，分别对应了内容呈现和交互过程的实现。

1.内容设计

内容设计是数字资源开发的重中之重，数字资源的开发过程充满了对传统编辑工作的挑战，编辑需要成为一名优秀的产品经理。例如，根据细胞生物学的教学内容，绘制知识图谱，梳理出要制作的内容及重点，以及采用什么呈现形式，动态3D动画还是静态3D模型，这些都需要编辑进行详细的思考和策划。在内容设计上，为了实现原创性，分工如下：由编辑设计，专家审定，IT人员实现。

首先是知识图谱的绘制，内容制作大纲的确立。需要做的准备包括：参考国内外最新、最权威的细胞生物学教材，理解其结构体系；收集世界范围内各类优秀的细胞生物学教学资源，充分吸收其思路及优点。其次，通过对内容的拆解与设计，先有了“剧本”大纲，接下来进行3D模型与3D动画后续开发。这个过程中的主要工作及分工如下。

主要工作：根据收集到的全球范围内优秀的细胞生物学图片、视频和动画等，分析其优点和思路，写出针对每个模型和动画的设计脚本；通过反复与开发人员沟通，确定开发人员能够明白其专业性含义和最后呈现效果。

人员分工：编辑写出设计脚本，专家提出补充意见，综合意见后，IT工程师实施开发。模型或者动画初稿设计出来后进行审核、继续修改和补充资料等。

对于数字化产品的内容设计，从科学社的经验来看，有几点需要特别注意。一是注重沟通，提升数字资源质量与开发效率。模型和动画由于是原创开发，是对已有资料的集大成和创新，与IT开发人员的反复沟通与修改是开发工作中重要的部分。一门课程内容资源的开发，通常周期很长，除了面对面交流外，做好腳本和注释对于保存工作记录和提高工作效率也非常重要。二是周密设计，做到内容与呈现形式的完美匹配。产品内容开发其中有一项重要的内容即为学科内容的编辑整理。3D cells中每种细胞有300余个词条与动画，这些词条和动画都配备有专业的文字详述和语音讲解、线条模式图、电镜图，等等，整体的文字多达15万字。文稿经过编辑整理，审读，补充，匹配模型、动画播放过程后上线，这个过程需要细致且全面的考虑，确保内容以最丰满的形式呈现。三是科学性和艺术性的统一。在内容设计过程中，这是一个难点。科学性是其基础，包括构建模型或动画的典型性、知识点覆盖度、准确性等等。艺术性主要包括模型与动画的材质，形状，运动过程的和谐度、美感，风格统一性，色彩一致性，等等。两者的和谐统一才会带来较好的视觉体验。

2.系统设计

好的内容同样需要优秀的软件系统来展示，系统设计主要是为了形成完整的产品而围绕内容资源进行的软件开发。3D Cells主要包括了手机端APP、电脑客户端、后台服务端等。以手机端App UI设计为例，根据3D Cells的应用场景，我们根据国内外前沿的数字产品，对界面的功能及演示逻辑进行多轮设计与修改，将树状的知识点逻辑图与逐级深入的探索式触动逻辑结合起来，以期带给师生更好的使用体验。系统设计的目标是符合大部分用户的使用操作习惯，不增加软件学习难度的情况下，最大化提升专业学习的效率。在界面中，我们将交互功能放在最中心的位置，两侧放置了各种功能按钮，尽量简洁且符合用户使用习惯与逻辑。

3.应用场景、营销与推广

（1）应用场景。3D Cells可以在手机端、电脑端随时打开，适应多个场景下不同目标的学习与使用。在3D Cells的使用过程中，无论是在课程教学还是课下自学，操作者以第一人称视角进入细胞内部，通过触摸的交互式学习过程充分满足所见即所得的使用体验，可对细胞3D模型及3D动画进行任意缩放、旋转，从而实现360°全方位、多角度观察，从显微到亚显微直至分子层面，逐级深入观察与学习细胞的结构、功能与作用机制。该库支持高清图片及视频导出，具有自我讲解录制功能，方便在线教学、线下学习、资源分享等，可以作为数字教学素材，灵活运用于课程建设、教材及学术著作撰写、科普展示等不同的使用场景中，为教师教学、写作等提供有力支撑。学生在学习过程中，还可以随时完成学习笔记，留住瞬间灵感。使数字教学资源紧扣专业学习过程，将沉浸式、探索式学习方式融入其中，大幅提高学习兴趣、提升学习效率，是3D Cells力求达到的目标。

（2）效果反馈。3D Cells自2021年推出以来，截至2023年初，累计推广至350余所高校、中学、研究所等单位的1000多位一线教师，更有近万名用户通过多种渠道使用了该教学资源库，经过抽样反馈，绝大部分高校教师认为该资源库有助于专业课程的学习，占比9成以上，二十余家单位经过试用后完成资源库的购买。目前，该教学资源库已经荣获2022年中国新闻出版研究院“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“全国精品数字出版物”，2023年北京图书订货会“大家赞誉的出版新技术应用案例”等国家级省部级的荣誉，这既是国家相关部门对高等教育数字化探索的鼓励，也是出版社继续前进的动力。

五、结语

高等教育数字化是一个艰难的过程，无论是教育管理者还是一线教师，都付出了各种努力来共同推进。目前，我国已经建成了世界上规模最大的在线开放课程群[5]，也拥有世界上人数最多的高等教育体系，从规模第一到质量第一是一个艰难的过程。科学社正是凭着“坚持做难而正确的事”这个信念把知识服务作为战略目标，成为高等教育数字化的同行者与实践者。3D Cells的开发是科学社面向知识服务、创新融合出版转型的一次探索，相信通过此次实践能为同行提供一些借鉴，共同推进出版转型与高等教育数字化发展。

（作者单位系中国科技出版传媒股份有限公司）