數字技術條件下的物理教材建設

繆可可程福平

(高等教育出版社 北京 100029)

近年來，數字技術的發展極大地改變了我們的生活，云存儲、云計算改變了我們協作的方式，大數據為人類行為提供了相關性分析，而人工智能則進一步將人類從低級重復的勞動中解放出來．同樣這一批數字技術的產生，對于教學改革和教材建設，也產生了極大的影響．本文將以物理教材為例，講述數字技術在教材中的應用．

物理是公認的比較難教的課程，其中涵蓋的諸多物理學概念不易被學生所理解，而在課堂教學以外，學生的學習更多是通過教材進行．如果通過上述的技術手段，對教材進行數字化改造，推動教材的形態向著更新穎、更富時代性、更適應學習模式方向發展，就可能現實教材更好的輔助教學的功能，從而提高大學物理課程教學的質量，為培養基礎扎實的理工科人才奠定良好的基礎．我們目前以數字技術為依托，在諸多大學物理教材中進行嘗試，打造了一批與數字技術結合緊密的教材，稱之為新形態教材．

1 各類數字技術在教材中的應用

1.1 云存儲技術

近年來，我們看到越來越多的教材[1]，在內容中插入了二維碼(圖1)．每個二維碼就代表一個網絡的入口，指向教材紙質文本以外的多媒體教學資源，這其實就是云存儲技術在教材中的最基本的應用．

圖1 二維碼在教材中的應用

二維碼的入口技術，給教材帶來了更多可能性．它可以指向一段拓展閱讀材料，也可以指向一段授課視頻，還可以指向電子教案．在以往的教材中，需要“開窗口”的內容，通過一個小小的二維碼，就可以實現了，既精簡了教材的主體內容，又方便學生自主瀏覽，并且資源的形式也更加豐富多樣，可以包含：文本、視頻、音頻、圖片等多種形式，輔助教學的功能更加突出．

甚至，通過二維碼和試題庫的結合，還可以在教材中附上預習題、復習題等自測[2]，從而幫助同學更好地了解自己對于所學物理概念的掌握程度．而自測成績可以與周圍同學進行對比，從而產生一定的同伴激勵作用．讀者可以掃描圖2(a)的二維碼，在手機上會出現微信登錄界面，登錄進入之后出現自測頁面[圖2(b)]，讀者可以進行自測．

圖2

2.2 H5技術

目前H5技術是比較新穎的一種形式，它最顯著的優勢在于跨平臺兼容性，用H5制作的程序可以在PC端與移動端、Windows與Linux,安卓與IOS等各個平臺上使用．這種強大的兼容性可以使得以前只能在電腦端操作的動畫教學資源，在電腦端和手機端都可以進行操作．

比如在介紹角動量的概念時，學生是比較不容易理解角動量這樣抽象的概念的．而通過在教材中引入H5動畫[3]，在角動量概念附近中插入相應的二維碼(圖3)，同學就可以自己在手機上操作，通過改變參量從而直觀地理解角動量的概念(圖4)．

圖3 直升機H5動畫二維碼

圖4 直升機H5動畫界面

2.3 AR技術

增強現實(Augmented Reality，簡稱 AR)也是近幾年興起的一項技術，是在終端屏幕上將虛擬3D圖像與攝像頭獲取的現實世界圖像進行互動的技術．我們在很多的童書中已經看到這個技術的應用，目前，在教材中，這類技術也開始逐漸被接受并使用．

在我們的大學物理實驗教學中，課前預習一直是教學中的一個盲點．學生在進入實驗室之前，無法獲取對實驗儀器的直觀印象，從而在預習時無法了解實驗的真實情況．如今，在教材中引入AR技術[4]，學生不僅可以直觀地看到實驗儀器的全貌，了解各個部件的形態和功能，甚至還可以動手進行實驗操作，從而對實驗原理有進一步的理解和認識．讀者可以掃描下方的二維碼(圖5)，觀看一下如何在AR應用中學習和使用示波器．

圖5 示波器AR錄屏演示

2 其他數字技術在教材中應用的可能性

除了以上已經在教材中實現的技術，還有很多的技術，可以進一步發掘其應用，在教材中逐漸實現．

2.1 VR技術

在教學實訓或實驗中，一些危險性(腐蝕性、爆炸性、放射性等)實驗無法讓學生實地觀測，或者一些實驗儀器非常昂貴，需要大量的資金投入，一般學校難以承擔，這些實驗都可以通過VR技術在教學中實現．目前一些簡易的VR設備，可以通過“紙質鏡框+智能手機+VR應用”就可以實現，這些資源如果充實到教材配套中，使得學生在學習相關實驗或概念時，可以親眼見證實際的實驗儀器及實驗操作過程，必定可以激發學生的學習興趣，從而更深刻地理解相關的學習內容．

2.2 大數據人工智能技術

大數據(Big Data)、人工智能技術(AI)同樣也可以應用到教材建設中．如果上述提及的云存儲等數字化技術在教材中大量使用，可以積累較多的用戶數據，比如授課視頻的學習進度、拓展閱讀材料的游覽情況，特別是自測題的作答情況，以及LBS下同學學習數據的比較，大數據可以針對讀者的學習數據進行分析，對用戶建立用戶畫像，并進一步匹配讀者的學習過程，從而AI可以實現對單獨用戶的個性化定制教輔活動，從而幫助學習者更好地掌握教學內容．

3 總結

身處新時代，數字技術深刻地改變了教學的模式和形態，教材建設同樣面臨著深刻的改革．我們看到，通過信息技術的支撐，教材不再是白紙黑字的靜態模式，其中可以包含諸如文檔、圖片、音頻、視頻等多媒體內容，可以進行自我測試，可以進行同伴交流，甚至可以擁有自己的實驗儀器、擁有個性化教學指導AI．而更多的數字技術，還在不斷地迭代發展，我們只有立足課程內容，努力擁抱新的技術，發掘各種技術手段，使得教學在多維度、多層次同步推進，以教材為支點推進教學改革，從而更好地實現我國的人才培養目標．