信息技术对教育发展具有革命性影响,以教育信息化全面推动教育现代化是信息时代我国实现教育改革和发展的重要战略决策。截止到2016年底，我国中小学校教育信息化基础硬件设施部署已经实施到冲刺阶段。全国中小学中，87.6%的学校实现网络接入，配备多媒体教室280万间，占普通教室的79.4%，学校的信息化应用基础条件进一步夯实¹。此外，据《教育部2017年工作要点》²，在全面实施《教育信息化“十三五”规划》时，2017年基本实现各级各类学校互联网全覆盖。

随着教育信息化基础服务设施的成熟，教育信息化正在朝深化信息技术与教育教学的融合发展而前进。促进信息化教学理念、教学模式和教学内容的改革，推进信息技术在日常教学中的深入、广泛应用，就成为教育主管部门以及中小学校接下来教育信息化工作的重点。依托人工智能技术的发展，科大讯飞、皖新传媒等大型公司都在部署智能教育教学平台，如畅言“智慧课堂”“AI学平台”等，探索学校课堂信息化教学模式。随着政策和市场的双轮驱动，信息化教学的发展越来越快。

学校教学模式由传统黑板讲授向信息化教学转变，课堂主体有由老师向学生转移的趋势，但教材仍是不可或缺的核心教学要素。广义上，数字教材是符合课标要求、教师和学生进行教学活动的数字化教学材料，包括教科书、讲义、参考书以及其他辅助材料。狭义上国内外的理解却有差异，国内学者陈桄等认为数字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、按照图书风格编排的电子书或电子读物³。但是随着智能信息化教学模式的演进，数字教材必然需要重新定义。

人工智能技术的进步、富媒体的创新、学校互联网设施的逐渐完善，数字教材很可能演化出独特的智能化特征，即教材自身通过一定的独特功能实现对课堂教学场景的感知能力、记忆和思维能力、学习与自适应能力以及行为决策能力，以更聪明高效地促进课堂的信息化教学。

国内中小学教育目前主要聚焦在教育信息化软硬件革新与布局上，对数字教材的智能化并未有深度的研究与探索。但依据教育政策、教学理念、技术革新、教育意识上的进步，信息化教学模式下的科学数字教材将出现交互自然化、概念可视化、教材动态化、学习个性化等智能化演化趋势。

传统教学中教师通过翻阅教材、粉笔书写的方式予以教学。当前信息化教学中，教师使用电脑或平板进行电子课件教学，因为鼠标点击、触屏操作等交互方式的限制，教师上课的自主性与效率反而一定程度上受到了制约。用人类熟悉的自然交互方式来进行信息化教学，能够消除人所处的环境和计算机系统之间的界限，降低数字教材的使用难度。语音识别技术，可现场感知和识别老师的讲话内容，根据口述命令实时调取和显示相应的数字教学内容；图像识别技术，可识别和解读实物图片，实时调取和显示无法用语言清楚表述的图形化多媒体内容；AR/VR交互技术，可互动体验沉浸式教学场景与内容等等。

数字教材通过集成语音识别、图像识别以及AR/VR等现有技术实现交互智能化，使教师利用自然语音、实物教具、虚拟影像与数字教材进行智能交互，更为自然地使用丰富多彩的教材内容，打开教学自主性，提升教学深度与效率。

建构主义学习理论认为，学习是一个“有意识的、建构的、动态的过程”。概念作为思维的基本形式之一，是“反映客观事物本质特性”、“指代具有共同特征（关键属性）的物体、符号或事件的标记系统”⁴。学习的“概念转变”理论认为，当直觉概念变得不符合要求即无法预测或解释经验时，它们就会被更有用的概念替代⁵。据此可认为科学概念是科学教学的核心，是建构科学知识网络的关键。此外据学习金字塔理论（Edgard Dale,1946年）可知，富媒体感知比单纯的阅读或聆听更有利于知识的理解和记忆，尤其是亲自体验或动手做排名最高。据此可知利用富媒体技术将知识可视化甚至进行模拟体验，将会有更好的学习效果。

基于以上理论，通过富媒体技术形式让科学概念对应的现象与原理具象化、互动化，从而实现概念的可视化，有利于科学概念的教学效果提升。如利用4K高清视频呈现自然现象，让概念更为具象；模拟显微镜缩放观察，让微观世界更为真实；VR第一人称视角沉浸体验，让课堂亲身体验成为可能。概念可视化，将是发挥数字教材富媒体优势的有力手段。

传统教材千人一面，依照课标知识点排布固定，不可避免有较大的滞后性，教学重点难点无法及时更新，从而对实际的教学效果有较大的影响，也导致经验丰富的老师惯用自编教材，影响教材的课堂使用率。随着网络与软硬件的普及、大数据分析技术的成熟，数字教材则可通过知识图谱分析，细分成多个既相对独立又彼此关联的碎片化知识点，并构成完整的教材体系。通过集成大数据分析模块，数字教材可对课堂实测、作业自动批改、智能组卷测试得到的学生学习大数据进行分析，在统计学意义上明晰知识点讲授的难点动态变化情况，从而动态调整数字教材的知识点难点分布与分级，指导老师和学生动态分布教学时间，安排教学进程。根据教学需要，数字教材的教学难点动态更新可以精确到一个学校甚至是一个班级，提升学校教师的教学精细化程度，也是整体提升学校个性化教学质量的必要手段。

数字教材通过实现云端存储、知识点模块在线或下载使用的方式，理论上可不受载体容量的限制，可解决传统教材容量有限不利于学生自学的问题。因此，数字教材除供课堂教学用的教学版外，每个学生还可以拥有自适应个性化学习模块，方便个性化学习。

数字教材记录学生的测评反馈数据，可动态调整学生能力模型，并根据学生个人学习进度主动推荐自学知识点模块、测试题，推动学生的个性化自学，不断解锁学有余力之人的学习路径，同时也照顾到学习进度慢的学生的学习进度，从而让学习过程更为公平，真正发挥教材的辅助学习功能。

随着教育信息化深入发展，传统纸质科学教材及其简单数字化版本因其枯燥、抽象、交互性差的缺点，已不适应新的信息化教学模式，从而凸显了科学数字教材内容与形式创新的重要性。基于对数字教材智能演化趋势的前瞻性考虑，美丽化学数字教材项目于2014年3月立项，开始探索科学数字教材智能化创新的路径与实践策略。

美丽化学作为数字教材研发项目，首期成果于2014年10月以原创数字科普作品的形式，通过美丽化学官方网站（见图1）面向国内外进行发布（beautifulchemistry.net），旨在将化学的神奇与美丽传递给公众。项目得到包括《TIME》在内的国内外130余家主流媒体的关注与报道，同时收到来自BBC、Discovery在内的多家科学教育媒体的邀请授权使用。2015年2月美丽化学获得由美国国家科学基金会和大众科学杂志联合举办的2015年度VIZZIES科学可视化大赛视频专家奖，2016年2月出版的图书《美丽的化学反应》荣获“2016年度大众最喜爱的五十本图书之一”奖项。以美丽化学项目为开端，项目组开启了对科学类数字教材智能化创新路径的探索与探索。

图1

基于对数字教材概念可视化的演化预测，美丽化学项目组利用显微摄影、延时摄影、红外摄影等特殊摄影技术以及计算机图像技术等，将科学概念用视觉艺术进行表达，通过视频（或模型）的形式让科学概念对应的现象与原理具象化，同时融入视觉艺术的审美情趣，形成数字教材内容，见图2、图3。

图2

图3

作为概念可视化的创新作品，美丽化学初期成果通过互联网面向国内外发布，以面向公众的实践策略收集用户的使用情况和反馈评价。截至2017年4月底检索发现，总计有203个国家的用户访问过美丽化学官网，用户直接访问官网占比48.85%，其他2680个第三方网站带来剩余51.15%的访问流量。来自中国、美国的用户占比分别为31.92%、21.03%，其他国家用户占比1%—3%的有西班牙、俄国、英国等14个国家。据www.sciencephoto.com不完全统计，美丽化学作品有来自全球教材出版商如PEARSON等、数字资源服务商如TWIG等、学校、学术机构如澳大利亚科学院等的多次授权。

基于美丽化学作品的全球扩散与积极反馈，项目组认为美丽化学通过概念可视化视频为解决抽象概念的教学困境提供了可行的替代方案，有理由认为概念可视化是数字教材可行的创新路径之一。

美丽化学项目组从老师访谈中获知，正常的化学课堂教学活动中，老师更倾向于演示简短的实验视频或模型以辅助抽象概念的讲解，单个实验视频通常不超过3分钟，且针对一个具体的概念。经过实验设计，项目组发现单个概念对应的美丽化学实验，通过正常摄影、延时摄影与高速摄影，能够用30秒至90秒的视频予以呈现，可符合课堂内对知识点细分的需求。

在详细分析和设计化学教学知识体系与实验图谱的基础上，项目组经过多次重复实验，利用显微摄影、微距摄影、延时摄影、高速摄影等捕捉精美的实验现象，形成了高中化学实验教学素材库。

此外，基于个性化学习的需求，项目组将素材与概念讲解通过教研进行了融合，研发了《高一化学•核心概念》微课程，以实现数字教材对预习与复习的支持，见图4。

图4

项目组采取了通过自媒体发布和进校为老师试用的双重策略，验证碎片化知识点视频的教学实际应用效果。截至2017年10月底，项目组通过BILIBILI官方账号陆续发布了90个美丽化学体验视频，实际获取85万B站视频访问量，共计1.5万余条评论与弹幕信息，以及2.4万个粉丝。弹幕与评论主要呈正面，极少呈负面。

其次，项目组与国内用户数破亿的在线学习平台沪江网校进行合作，将用于自学的微课通过沪江网进行发布，为高一学生提供付费学习服务。从表1得知，高中在线微课程进行自学的习惯与需求仍处于培养阶段，规模受限较为明显。

传统的多媒体教材均需通过网页访问、自定义搜索或翻页的人机交互模式寻找内容，人机之间界限尤为突出，无法有效地解决信息化教学的效率问题。项目组比较后发现，二维码为政策不允许、VR与语音交互技术受限于软硬件技术成熟度难以短期应用于数字教材，利用AR引擎快速识别纸质教材、讲义、卡片的图像特征来高效调取数字教材内容，更为实用等。

项目组利用第三方主流AR引擎vuforia与Unity3D引擎技术，在数字教材APP版中集成了AR交互技术，教师只需持有PAD扫描教学卡片或自编教材上的核心化学概念、化学方程式、分子结构等的图像，就可一一对应显示播放相应内容。全国多个公开课演示了基于AR数字教材的数字课堂教学新模式，其中合肥某学校老师2017年据此荣获市化学优质课评比一等奖。

通过三年以来分阶段的创新与实践，项目组认为智能信息化教学进校园的发展趋势下，数字教材智能化演进主要表现在概念可视化、交互自然化、教材动态化、学习个性化等上，具体的形式还有待充分的实践验证，期待更多专家共同推进数字教材智能化的创新、演化与应用。