数字技术条件下的物理教材建设

缪可可程福平

(高等教育出版社 北京 100029)

近年来，数字技术的发展极大地改变了我们的生活，云存储、云计算改变了我们协作的方式，大数据为人类行为提供了相关性分析，而人工智能则进一步将人类从低级重复的劳动中解放出来．同样这一批数字技术的产生，对于教学改革和教材建设，也产生了极大的影响．本文将以物理教材为例，讲述数字技术在教材中的应用．

物理是公认的比较难教的课程，其中涵盖的诸多物理学概念不易被学生所理解，而在课堂教学以外，学生的学习更多是通过教材进行．如果通过上述的技术手段，对教材进行数字化改造，推动教材的形态向着更新颖、更富时代性、更适应学习模式方向发展，就可能现实教材更好的辅助教学的功能，从而提高大学物理课程教学的质量，为培养基础扎实的理工科人才奠定良好的基础．我们目前以数字技术为依托，在诸多大学物理教材中进行尝试，打造了一批与数字技术结合紧密的教材，称之为新形态教材．

1 各类数字技术在教材中的应用

1.1 云存储技术

近年来，我们看到越来越多的教材[1]，在内容中插入了二维码(图1)．每个二维码就代表一个网络的入口，指向教材纸质文本以外的多媒体教学资源，这其实就是云存储技术在教材中的最基本的应用．

图1 二维码在教材中的应用

二维码的入口技术，给教材带来了更多可能性．它可以指向一段拓展阅读材料，也可以指向一段授课视频，还可以指向电子教案．在以往的教材中，需要“开窗口”的内容，通过一个小小的二维码，就可以实现了，既精简了教材的主体内容，又方便学生自主浏览，并且资源的形式也更加丰富多样，可以包含：文本、视频、音频、图片等多种形式，辅助教学的功能更加突出．

甚至，通过二维码和试题库的结合，还可以在教材中附上预习题、复习题等自测[2]，从而帮助同学更好地了解自己对于所学物理概念的掌握程度．而自测成绩可以与周围同学进行对比，从而产生一定的同伴激励作用．读者可以扫描图2(a)的二维码，在手机上会出现微信登录界面，登录进入之后出现自测页面[图2(b)]，读者可以进行自测．

图2

2.2 H5技术

目前H5技术是比较新颖的一种形式，它最显著的优势在于跨平台兼容性，用H5制作的程序可以在PC端与移动端、Windows与Linux,安卓与IOS等各个平台上使用．这种强大的兼容性可以使得以前只能在电脑端操作的动画教学资源，在电脑端和手机端都可以进行操作．

比如在介绍角动量的概念时，学生是比较不容易理解角动量这样抽象的概念的．而通过在教材中引入H5动画[3]，在角动量概念附近中插入相应的二维码(图3)，同学就可以自己在手机上操作，通过改变参量从而直观地理解角动量的概念(图4)．

图3 直升机H5动画二维码

图4 直升机H5动画界面

2.3 AR技术

增强现实(Augmented Reality，简称 AR)也是近几年兴起的一项技术，是在终端屏幕上将虚拟3D图像与摄像头获取的现实世界图像进行互动的技术．我们在很多的童书中已经看到这个技术的应用，目前，在教材中，这类技术也开始逐渐被接受并使用．

在我们的大学物理实验教学中，课前预习一直是教学中的一个盲点．学生在进入实验室之前，无法获取对实验仪器的直观印象，从而在预习时无法了解实验的真实情况．如今，在教材中引入AR技术[4]，学生不仅可以直观地看到实验仪器的全貌，了解各个部件的形态和功能，甚至还可以动手进行实验操作，从而对实验原理有进一步的理解和认识．读者可以扫描下方的二维码(图5)，观看一下如何在AR应用中学习和使用示波器．

图5 示波器AR录屏演示

2 其他数字技术在教材中应用的可能性

除了以上已经在教材中实现的技术，还有很多的技术，可以进一步发掘其应用，在教材中逐渐实现．

2.1 VR技术

在教学实训或实验中，一些危险性(腐蚀性、爆炸性、放射性等)实验无法让学生实地观测，或者一些实验仪器非常昂贵，需要大量的资金投入，一般学校难以承担，这些实验都可以通过VR技术在教学中实现．目前一些简易的VR设备，可以通过“纸质镜框+智能手机+VR应用”就可以实现，这些资源如果充实到教材配套中，使得学生在学习相关实验或概念时，可以亲眼见证实际的实验仪器及实验操作过程，必定可以激发学生的学习兴趣，从而更深刻地理解相关的学习内容．

2.2 大数据人工智能技术

大数据(Big Data)、人工智能技术(AI)同样也可以应用到教材建设中．如果上述提及的云存储等数字化技术在教材中大量使用，可以积累较多的用户数据，比如授课视频的学习进度、拓展阅读材料的游览情况，特别是自测题的作答情况，以及LBS下同学学习数据的比较，大数据可以针对读者的学习数据进行分析，对用户建立用户画像，并进一步匹配读者的学习过程，从而AI可以实现对单独用户的个性化定制教辅活动，从而帮助学习者更好地掌握教学内容．

3 总结

身处新时代，数字技术深刻地改变了教学的模式和形态，教材建设同样面临着深刻的改革．我们看到，通过信息技术的支撑，教材不再是白纸黑字的静态模式，其中可以包含诸如文档、图片、音频、视频等多媒体内容，可以进行自我测试，可以进行同伴交流，甚至可以拥有自己的实验仪器、拥有个性化教学指导AI．而更多的数字技术，还在不断地迭代发展，我们只有立足课程内容，努力拥抱新的技术，发掘各种技术手段，使得教学在多维度、多层次同步推进，以教材为支点推进教学改革，从而更好地实现我国的人才培养目标．