基于自适应学习的数字教材构建路径探索
李敏怡
摘 要：在移动互联网技术快速发展和在线教育需求日益旺盛的时代背景下，数字教材作为重要的数字教育产品，其用户数量呈快速增长趋势，但数字教材仍存在着结构体系割裂、内容资源功能性单一、个性化需求较难满足等问题。基于自适应学习构建数字教材，能够较好地解决现有问题，为数字教材的发展提供新的参考路径。
关键词：自适应 数字教材 个性化需求
科技发展和社会进步开启了教育信息化2.0时代，数字教育出版成为教育出版单位转型升级的重要方向之一。党的十九届五中全会审议通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》，提出“建设教育强国”，“建设高质量教育体系”，“发挥在线教育优势，完善终身学习体系，建设学习型社会”[1]，首次明确了在线教育在建设高质量教育体系中的重要地位。
在政策的持续支持下，數字资源和教学平台作为在线教育的重要支撑和组成部分，让大多数纸质教材出版单位都以数字教材作为其数字出版转型方向之一，而数字教材的载体从教材配套光盘向电子书包、智慧课堂发展，并在政策和市场的合力作用下，在广东、河南、北京等地进入教学一线。现阶段数字教材通过将音频、视频、文档、图片等多媒体资源嵌入教材内容中，赋予了教材多媒体性、互动性等新特性，但在开放性、时效性、自适应等方面，仍然未能很好地满足信息化教学应用和个性化学习的需求。
本文从用户需求的角度出发，对目前数字教材存在的问题进行分析，提出基于自适应学习构建数字教材的新路径，为数字教材的发展提供参考。
一、目前数字教材存在的问题
随着“互联网+”、大数据和人工智能技术在教育信息化发展进程中不断产生深刻影响，数字教材经历了多个阶段的迭代，已经从最开始的纸质教材数字化、多媒体数字教材，发展到集教材、数字资源、学科工具于一体的平台数字教材。从数字教材的用户需求来看，教师的需求是获取基于教学目标、教学原理建构的教学资源，而学生的需求是自学、互学、交流以及即时反馈。然而，现有数字教材在结构体系、内容资源方面存在着一些问题，与教师和学生的需求存在一定的偏差，并直接导致了数字教材服务平台活跃度低、适用性不强等情况。
（一）数字教材的结构体系存在一定割裂性
教材是知识的物化载体，也是最重要的课程资源之一。根据课程标准的要求编写的教材，其精髓是教材的知识结构体系，也就是教材知识内容之间的主要内在联系。教材是学生获得知识的重要源泉之一，是教师进行教学的主要依据。[2]数字教材作为“教材”，也应承担相应的功能。然而数字教材由于其“数字”的特性，其结构体系往往通过平台搭建。当不同表现形式的数字资源在平台上同时呈现时，如果缺乏知识图谱让这些资源产生内在联系，就会导致数字教材的“结构体系”出现一定的割裂性，从而影响学生认知结构的形成和教师教学过程的实施。以北师数字教材为例，该产品以北师大版纸质教材为基础，为师生提供数字化资源，将语音评测等技术与学科知识的学习融合，兼具测评和互动功能。但在北师数字教材的服务体系中，学生学习功能与教育教学资源相对独立，这在一定程度上形成了结构体系的割裂，不利于数字教材成为互联互通的开放式教与学的空间。
（二）数字教材的内容资源功能性单一
数字教材的内容资源形式一般包括图片、文本、音频、视频、动画等。尽管这些资源能提高教材的可读性，但也导致数字教材容易成为基于纸质教材的多媒体读物，难以满足不同层次、不同场景下教师教和学生学的实际需求。数字教材作为课程教学资源，不仅应具备阅读性和教学性，还应具有关联性、开放性、交互性[3]，以满足认知领域、情感领域、动作技能领域的教育目标的各层次要求。以广东省中小学数字教材为例，这是全国第一大单政府采购义务教育阶段学生数字教材项目，其应用平台内聚集了广东省内使用的各版本教材的数字化资源。这些资源多围绕纸质教材内容进行多媒体资源研发，譬如语文学科加入生字词注释、情景视频、语音诵读等，数学学科加入公式证明推导视频等。经过一年多的应用推广，平台日活跃用户为数千人次，课内课外的使用率都较低。据调查，其部分原因在于，教师们普遍认为平台内的数字教材更适合于阅读，不太适合在课堂上使用;家长们则大多因为传统观念习惯使用纸质教材等原因也不鼓励学生在家使用。
（三）数字教材在满足个性化需求方面较为欠缺
大部分提供数字教材的服务应用平台都有资源修改和自定义模式，以满足教师特色化的教学需求和学生个性化的学习需求，但其基本做法是给教师提供有限的基础资源、利用可编辑功能进行教学设计，给学生提供教师修改或自行设计的作业等。在信息技术高速发展的今天，人们可在任何时间和地点便捷地获得大量的知识，他们迫切需要的是从海量知识中选择出适合自己学习和使用的内容。显然，数字教材服务应用平台具备的这种简单的编辑修改功能与用户需求之间的矛盾突出。四川省教育资源公共平台中的中小学数字教材，其主要形式为电子版的教材、课件、练习材料等，这些纯粹的数字资源无法满足师生个性化需求。
二、自适应学习的内涵及其系统构建
（一）自适应学习的内涵
自适应学习，也称为自适应教学，是一种通过使用计算机算法调整与学习者的互动方式，并提供定制的资源和学习活动，以满足每个学习者个性化需求的教育方法。在自适应学习系统中，学习者参与测试、完成任务和实践项目，计算机会根据学习者测试、任务和实践的结果得出其学习需求，以此调整教学材料的组织与呈现方式，确保学习者接受到合适的教学。实现该学习方法的技术涉及多个研究领域，包括计算机科学、人工智能、教育学、心理学和脑科学等。自适应学习系统能够为学习者提供更精准的学习资源、更高效的学习方法，在移动互联网和人工智能技术快速发展的环境下，这是教育知识服务行业从内容平台服务向个性化知识服务发展的方向。
（二）自适应学习的系统构建
自适应学习系统通常被划分为单独的组件或“模型”。尽管不同系统的组件或模型组合形式有所不同，但是大多数系统都包含以下部分或全部组件：专家模型、学习者模型、教学模型和教学环境。
1.专家模型
专家模型是指储存需要教学的材料的模型。它可以直接记录一系列问题的解决方法，也可以储存课程和教案，甚至可以通过教学方法论来说明问题的解决方法。在某些不包括专家模型的自适应学习系统中，一般会将这些功能合并到教学模型中。
2.学习者模型
学习者模型是指跟踪和了解学习者的模型。在自适应学习系统中，确定学习者知识与技能水平的最简单方法就是利用计算机进行自适应测试，先根据学习者可能的知识与技能水平推断其可接受的难度等级，然后选择相应难度的问题向学习者提问，再根据他们的答案调整对学习者的评价。计算机自适应测试算法是比较容易实现的，其执行的操作本质上是二分搜索，先通过专家分析、实践或两者结合，基于难度汇总和评估大量问题的难度等级，然后系统总是向学习者提出一个问题，该问题的难度等级介于由计算机确定的学习者的最高和最低知识与技能水平之间;接着根据回答结果，不断调整对学习者的评价与相应的问题难度等级，如果测试者回答正确，则重新分配最小值，如果测试者回答错误，则重新分配最大值。在具体实践中，还可以对学习者模型进行编程，基于教育理念分析错误的答案，以进一步识别学习者的薄弱点。
3.教学模型
教学模型是指按需传送教学材料的模型，一般将可实现的最佳教学工具和最适当的教师教学建议相结合。教学模型的复杂程度在很大程度上取决于学习者模型的复杂程度。在包含计算机自适应测试的学习者模型系统中，教学模型将对课程进行排名，并与问题的难度等级排名相对应。当学习者的水平基本确定后，教学模型将提供相适应的课程。教学模型可以设计用于分析学习者的薄弱点集合并相应地制订课程计划。例如，当学习者模型监测到错误答案时，某些系统会以“提示”的形式提供反馈，如当学习者犯错时，会弹出诸如“仔细观察数字的符号”等有用的建议。
4.教学环境
教学环境是指自适应学习系统中实现交互功能的用户界面。根据自适应学习系统应用的环境和领域的不同，其教学环境有所不同。在自适应学习系统的用户界面中，学习者模型、教学模型和专家模型将会实现整合，以满足个性化的学习需求。
三、以自适应学习构建数字教材的实践
基于自适应学习方式构建的系统，目前大多应用于教育领域中的测评及商业培训，也逐渐被设计成应用程序引入整体课程。下面以中小学数字教材体系建设为例，说明基于自适应学习构建的数字教材及其网络学习平台。
新冠肺炎疫情使线上教学在中小学教学中得到大规模实践，混合式教学逐渐成为一种备受推荐的教学方式。如图1所示，基于自适应学习构建的数字教材及网络学习平台，正是适用于混合式学习模式的课程和满足个性化学习需求的平台，也是中小学数字教材建设的新模式：教师可依据教学内容的知识类型、教学目标来灵活选择不同的教学环境、教学方法;学生可依据自己的认知方式、知识储备状态，选取不同的学习与交流方式，来达到教学效果的最优化。
（一）以专家模型引导解决数字教材结构体系的割裂性
数字教材体系需要具备课程概览、教学资料、课程交互、课程评估等功能模块，将自适应学习系统中的专家模型内嵌于课程概览，即课程宏观信息的基础性总体描述等，可以帮助学生了解学习目标、学习目的，掌握学习方法，摸清学习脉络，确保学习高效顺利开展。教师建立课程需要基本信息、教学日志、课程大纲、考核要求、教学目标等基本内容，基于这些信息设立的问题库及解决方案，也将涉及其他几个功能模块，使各模块之间互交互联。
（二）教学模型是数字教材体系的核心部分
教学模型是整个数字教材体系的核心内容，其教学资源是学生线上线下学习的基础部分，可以由数字教材提供商提供，也可以由教师根据教学需求自行开发制作，主要包括四个方面：教学内容、教学课件、微课、扩展资源。教学内容是课程的主体部分，根据课程标准安排，按照章节或专题的模式进行资料整合。教学课件是教师在课堂上使用的多媒体资源，例如文字文档、演示文档、音视频等教学相关资源，帮助学生理解学习内容，并在课后及时复习和掌握课堂上的教学内容。微课是教师进行翻转课堂的主要教学手段，由学生在课前和课后进行自主学习时使用，可以由教师自主创作，也可以引用现有的在线课程进行资源改造。扩展资源是教师根据教学的需要，进行案例、资源、参考资料等方面的扩展。
课程交互可以促使最佳的教学工具和最适当的教师教学建议相辅相成，它是教学模型的精髓所在，是能够促进学生能力提升以及高阶思维培养的重要手段。通过课程交互，将最适当的教学建议结合最佳教学工具营造出师生学习共同体，激发学生的参与热情，达到由学习知识向培养能力的转变。利用网络学习平台中的课程论坛和讨论组快捷实现课程交互功能，其中课程论坛以班级交互为主，能进行师生之间、学生之间的讨论交流;讨论组适用于小组协作探究，通过知识的分享，促进彼此的能力提升。平台会记录下师生的讨论和交流过程，这些行为会作为分析学生学习薄弱点的依据之一，以制订合适的课程学习计划。
课程评估是数字教材有效应用的重要标准，是评价中小学学科课程教学效果的重要指标，它既保证了课程重难点和课程精髓都能够在数字教材体系中呈现，也保证了教学模型中的课程排名与专家模型中的问题难度等级排名相对应。
（三）学习者模型有助于实现个性化需求推送
網络学习平台提供了主页工具、知识图谱、资源工具、作业工具、答疑室、讨论区、成绩册、个人空间、多人协同、练习与测试等工具，帮助师生搭建教学环境，实现资源共建共享。在数字教材体系中，嵌入学习者模型的计算机自适应测试算法，可以对学生进行评估，再借助网络学习平台内的资源管理功能，使教学模型中的课程资源实现按需推送，满足个性化的学习需求。
四、结语
在移动互联网技术快速发展和在线教育需求日益旺盛的今天，数字教材作为重要的数字教育产品，其用户数量呈快速增长趋势，但从用户需求的角度来看也存在着一些问题。基于自适应学习构建数字教材，为数字教材的发展提供了新的参考路径，有望成为教育知识服务行业满足个性化知识服务的发展方向。
参考文献：
[1]中国共产党第十九届中央委员会第五次全体会议公报[EB/OL].（2020-10-29）.www.xinxuanet.com/politics/2020-10-29/c_1126674147.htm.
[2]鲁增贤.从学科结构、教材结构到教学结构[J].河北师范大学学报（教育科学版），2000（1）：96-98.
[3]肖晓羽，李佳，赵晓嬿.中小学数字教材出版的实践与思考——以北师数字教材为例[J].传播力研究，2020（7）：117-118.
（作者单位系广东教育出版社）
