劉作志　萬勇

數字化實驗有別于傳統(tǒng)實驗，是應用傳感器技術、計算機技術、網絡通信技術及其他數字信息技術，采集、記錄、儲存、分析、顯示、傳遞、評價實驗數據的實驗形式。數字化實驗于20世紀80年代起源于美國，當時被稱為MBL（Micro-computer-Based Labs），后又稱為Probeware和Lab probe。國內數字化實驗出現的時間較晚，目前一般稱作DIS（Digital Information System）。伴隨著信息技術的不斷進步，數字化實驗仍在蓬勃發(fā)展，基于數字化實驗的教學也成為備受關注的研究熱點。教育部《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》指出，要促進傳統(tǒng)實驗教學與現代新興科技有機融合，加強實驗教學與編程教育、創(chuàng)客教育、人工智能教育的融合。數字化實驗正是這種融合的主要方向之一。回顧數字化實驗的發(fā)展脈絡，展望數字化實驗的發(fā)展動向，有助于為數字化背景下的實驗教學改革提供導向，推動科學教育的信息化進程。

一、數據來源與研究方法

本研究以ERIC和WOS數據庫為數據來源，以MBL、Microcomputer-based lab、Probeware、Sensor experiment、Lab probe、PASCO等為關鍵詞進行主題檢索，得到1985—2020年共計700余條文獻題錄，再將兩個數據庫的題錄導入Endnote軟件進行人工數據清洗，在剔除無關、重復文獻后得到258條有效文獻題錄。

知識圖譜是近年來興起的文獻可視化分析技術。本研究選擇荷蘭萊頓大學科技研究中心開發(fā)的VOSviewer軟件為可視化分析工具，用Endnote軟件將有效文獻轉換數據格式后導入VOSviewer，進行了關鍵詞共現分析。由于現有知識圖譜分析技術仍有諸多不足，尤其是對中小樣本往往難以做出有意義的關鍵詞聚類，因此，本研究結合VOSviewer共現強度統(tǒng)計，人工聚類高頻關鍵詞，并進行了二次共現分析?？梢暬治鲋簧婕拔墨I題錄信息，不涉及文獻內容，故本研究依據關鍵詞二次共現的結果對相關文獻進行了內容分析，以期通過定量研究與質性研究的結合，盡量客觀全面地反映國外數字化實驗教學研究的歷史與現狀。

二、文獻計量與可視化分析

（一）高頻關鍵詞

軟件統(tǒng)計顯示，有效文獻共涉及關鍵詞779個，出現頻次在10次以上的有72個。在疊加視圖下，本研究以出現頻次為權重，對這72個關鍵詞作共詞分析，得到如圖1所示的高頻關鍵詞共現圖。

圖1展現了國外數字化實驗及其教學研究的緣起與嬗變：數字化實驗是計算機輔助教學（CAI）與微型計算機技術相結合的產物，在20世紀90年代以前，該領域研究的核心詞匯是微機（Microcomputer）;1990—2000年研究課題集中在軟硬件開發(fā)和應用領域的拓展，核心詞匯是教育技術（Educational Technology）;2010年左右轉向科學教育與教學方法的探討，核心詞匯是科學教育（Science Instruction）;2015年以后伴隨平板、智能手機等手持終端技術的成熟，數字化實驗研究又展現出新的活力，其標志性詞匯是“Handheld Devices”。

（二）學科學段分布

本研究從VOSviewer中導出高頻關鍵詞列表，在歸并同義詞的基礎上，將所有關鍵詞先按照共現強度排序，再按學科分布、學段分布、教學主題、技術主題和實驗主題進行人工聚類。表1是學科與學段分布聚類中排名前五的關鍵詞，從中我們可以看到，國外數字化實驗及其教學研究主要集中在大學和中學;在中學學段，初中的數字化實驗教學研究比高中活躍些;物理學科是數字化實驗教學研究的主要領域，其次是化學和工程教育。

三、演進脈絡與發(fā)展趨勢

為客觀分析國外數字化實驗教學的演進脈絡與發(fā)展趨勢，本研究在教學、技術、實驗三項主題聚類中各選出10個高共現詞，將其出現頻次、共現強度和加權平均年限情況以列表形式呈現，從而梳理出不同時期的研究熱點及其發(fā)展軌跡。

（一）技術主題聚類

技術主題的10個高共現詞是微機、手持設備、計算機軟件、通信技術、實驗室裝備、測量裝備、計算機網絡、數據采集、計算機接口、技術整合。如圖2所示，數字化實驗的技術發(fā)展脈絡較為清晰，計算機技術是數字化實驗技術的起點和基石，早期的技術研究圍繞微機、軟件和接口展開，近年來給數字化實驗帶來革命的是無線通信、手持終端的快速發(fā)展。具體來說，數字化實驗技術的發(fā)展主要有以下趨勢。

1.計算機的微型化與智能化

個人計算機使數字化實驗的教學應用成為可能，但對日常教學來說，其稍顯笨重，缺乏靈活性;圖形計算器（Graphing Calculator）作為數據處理終端更為靈活，但在功能上又略顯單薄。隨著技術的發(fā)展，掌上電腦（Handheld）成為整合兩個方案優(yōu)點的發(fā)展方向^[1]。2010年前后，又出現了利用智能手機及其內置傳感器開展數字化實驗的新形式^[2]。

2.傳感器的多樣化與自主化

最早應用于實驗教學的傳感器是用熱電偶與放大電路制成的溫度傳感器^[3]，隨后陸續(xù)出現了聲波、光強、電壓、心率、pH、氣壓等傳感器;20世紀90年代開始，應用于數字化實驗的運動傳感器、力傳感器、光電門傳感器以及GMR磁傳感器相繼涌現;到2000年，人們嘗試在傳感器上整合數據輸出屏幕，以脫離傳感器對數據處理終端的依賴^[4]，傳感器的種類進一步豐富。近年來，傳感器教學應用形成了兩個值得注意的發(fā)展方向：一是對手機內置傳感器的應用，二是教師利用單片機系統(tǒng)自主開發(fā)的低成本傳感器。

3.接口及軟件的通用化與快捷化

數字化實驗的一大技術難題在于，計算機并不具備直接處理傳感器模擬信號的接口和進行實驗數據分析的專門軟件。早期的MBL接口主要有兩類：一是利用APPLE Ⅱ等個人計算機的游戲棒及其接口做改裝，二是根據某種或某幾種傳感器設計的模數轉換接口。這些接口在傳感器端無法做到廣泛兼容。20世紀90年代末，多傳感器的即插即用和快捷的數據分析成為成熟的技術。隨著手持設備的發(fā)展，平板電腦接口被開發(fā)出來，智能手機成為整合傳感器、接口和終端的數字化實驗設備，數據的采集和處理更為方便快捷。

4.通信方式的無線化與網絡化

數字化實驗誕生之后的很長一段時間內，傳感器、數據采集器、數據終端之間的通信只能通過數據線的連接來實現。20世紀90年代末，隨著藍牙無線通信技術的發(fā)展，無線通信的數字化實驗設備開始出現，如PASCO的“AirLink”、Vernier的“Easylink”等。這增強了傳感器應用的靈活性，為師生的戶外探究活動提供了方便。近年來，傳感器實現了與手持設備的直接無線連接^[5]，基于單片機系統(tǒng)的低成本無線數字化實驗系統(tǒng)也被開發(fā)了出來^[6]。另外，網絡化的數據采集和數據共享成為數字化實驗發(fā)展的新趨勢。

（二）實驗主題聚類

實驗主題的10個高共現詞是運動、能量、力學、聲、光、磁、熱、分子結構、光譜、氣象，反映了實驗研究熱點的領域分布。本研究在密度視圖下選出實驗主題的所有關鍵詞作二次共現分析，繪制出如圖3所示的熱點分布圖譜。圖中圓斑的大小表示關鍵詞出現的頻次，顏色的深度表示關鍵詞的共現強度，圓斑的融合程度表示關鍵詞間的耦合度。

由圖3可見，數字化實驗主題所涉領域分布較為廣泛，力學實驗是數字化實驗的熱點主題，且與運動主題、能量主題、磁學主題有較高的耦合度。這些關鍵詞沒有明顯的時間分布特征，參閱相關文獻發(fā)現，實驗主題研究的演進線索掩藏在技術平臺的轉換之中。

1.早期案例及框架形成

如前所述，數字化實驗是與個人電腦相伴而生的。20世紀70年代中期，部分對教育感興趣的高校物理學者，開始探索將計算機與傳感器結合應用于實驗教學^[7]。美國學者羅伯特·廷克是數字化實驗研究的奠基性人物。最初，他設計了用溫度傳感器和個人電腦繪制溫度變化圖像的實驗并進行了教學驗證，隨后他開發(fā)了涉及熱學、運動學、分子動力學的系列實驗案例，在數字化實驗的硬件、軟件、接口、架構等方面都做出了開創(chuàng)性貢獻^[8]。

2.商用設備及應用創(chuàng)新

商用數字化實驗設備的技術封裝和資源打包，降低了研究者參與實驗案例開發(fā)的技術門檻和資源成本，一些基于商用數字化實驗系統(tǒng)應用的創(chuàng)新案例涌現出來。例如，基于PASCO公司的兩代數據采集系統(tǒng)，雅科夫先后在7篇文獻中發(fā)表了10個數字化實驗案例設計，包括動態(tài)量熱法、LCR震蕩曲線繪制^[9]等。

3.智能手機及研究轉向

隨著智能手機技術的快速發(fā)展，自2013年起，利用智能手機的內置傳感器和相關軟件開展數字化實驗的案例文獻開始出現并不斷增長，數量超過了基于商用設備的數字化實驗文獻。智能手機的優(yōu)勢在于，它具有極高的普及度，并且實現了多傳感器及數據采集系統(tǒng)的集成（如圖4）。

4.微控制器及開源價值

2018年以來，基于微控制器的數字化實驗案例開始登場。誕生于創(chuàng)客領域的Arduino、樹莓派等微控制器系統(tǒng)被用來設計數字化實驗，并以其軟硬件的開源性及對各種傳感器器件的廣泛兼容性，在不失完備功能的前提下極大地降低了數字化實驗的成本^[10]。

（三）教學主題聚類

教學主題聚類的10個高共現詞是教學方法、科學概念、科學原理、實驗圖像、科學活動、科學探究、學習態(tài)度、問題解決、數據分析、科學方法。在疊加視圖下選出教學主題的全部關鍵詞作二次共現分析，得到關鍵詞共現圖譜（如圖5）?？梢姡瑪底只瘜嶒灥慕虒W研究也有明顯的發(fā)展脈絡：早期的教學研究集中在圖形技能、問題解決、比較分析、教學效率等方面教學價值的探討上;之后轉向教學方法的研究，包括動機養(yǎng)成、概念建立、探究活動等;近年來科學觀念、科學原理、科學方法教育成為教學研究熱點;數字化實驗與科學教師專業(yè)發(fā)展的關系也開始成為教學研究主題之一。概括來說，國外數字化實驗的教學研究主要集中在以下方面。

1.教學價值的發(fā)掘及實證研究

數字化實驗的一大特色是實驗數據的實時采集與圖形化，因而數字化實驗在發(fā)展學生圖形技能上的價值，在早期受到很多關注。實證研究發(fā)現，數字化實驗在具體的實驗現象和抽象的函數圖像之間搭建了橋梁，有助于發(fā)展學生的圖形技能。這種圖形技能的發(fā)展很大程度上得益于物理事件與圖像變化的實時匹配，體現出一定的性別差異^[11]。反過來講，這種實時圖像對學生科學概念的形成也有幫助，特別是在運動學概念與電學概念的學習上，數字化實驗被證明比傳統(tǒng)實驗更有效^[12]。另外，數字化實驗還被證明在模型建構、問題解決、科學態(tài)度的形成等方面有其特殊的教育價值。

2.課程設計及其有效性測評

數字化實驗作為一種教學手段，要整合到相匹配的科學課程中才能發(fā)揮其教育功用。美國加州大學與一所中學合作開發(fā)了基于數字化實驗的實驗課程模型，并進行了為期一年的教學實踐，對該課程的課程特征、課程實施、收益與困難進行了探討^[13]。在NSF的資助下，康科德聯(lián)盟（the concord consortium）組織3～8年級的60多名教師和數千名學生在100多間教室使用了數字化實驗設備。測評顯示，數字化實驗對理科學習有顯著的提升作用^[14]。普爾巴等人在一所職業(yè)高中，探索如何使用帶有傳感器的移動設備來促進真實境脈下的物理探究式學習，研究證實了數字化實驗對構建真實境脈和促進探究式學習的積極意義^[15]。

3.新技術應用的比較與整合

數字化實驗的發(fā)展過程就是不斷整合新興信息技術的過程，不少研究者嘗試將數字化實驗技術與其他新興實驗技術進行教學應用上的比較與整合。有研究對數字化實驗技術和視頻分析技術在高中物理運動學教學中的應用作了比較，發(fā)現這兩種技術在教學上是成功和互補的^[16]。有研究對虛擬實驗室和數字化實驗室在高中物理探究學習、概念學習及學習態(tài)度養(yǎng)成等方面作了比較，研究發(fā)現兩者對概念學習同樣有效，但數字化實驗的實物操作比虛擬操作更具開放性和探究性，更能激發(fā)學生興趣^[17]。

4.科學學科教師的專業(yè)發(fā)展

數字化實驗的教學應用與傳播離不開學科教師的積極參與，數字化實驗教學對學科教師的專業(yè)發(fā)展同樣也起著特殊的作用。費爾特考察了將數字化實驗納入科學教學的專業(yè)發(fā)展需求后發(fā)現，為教師提供技術工具和適當的專業(yè)發(fā)展條件，更有利于教師的教學向探究式課堂轉變^[18]。韋特等人測試了影響科學教師選擇與應用技術的因素的模型后發(fā)現，相比于虛擬實驗軟件，科學教師更樂于使用基于傳感器實測的數字化實驗設備，傾向于探究式教學的物理教師更多地采用數字化實驗技術^[19]。比利吉測試了24名科學教師的技術知識結構后發(fā)現，數字化實驗技術是這些科學教師比較熟悉的技術之一^[20]。

四、總結與展望

國際數字化實驗教學研究經歷了四十多年的發(fā)展，梳理近半個世紀的歷史演進，顯示出三條清晰主線：技術整合是數字化實驗技術發(fā)展的主線;自主創(chuàng)新是數字化實驗案例開發(fā)的主線;課程融合是數字化實驗教學研究的主線。三條主線匯流于信息時代的信息化教育，隨信息技術的發(fā)展而不斷深化擴展，數字化實驗教學仍有極為廣闊的發(fā)展前景和研究空間。

（一）技術整合與普及趨勢

數字化實驗發(fā)展的過程就是不斷整合新技術的過程。第一次整合是個人計算機與傳感器技術的整合，數字化實驗由此誕生，此后傳感器技術的發(fā)展拓寬了數字化實驗的應用范圍，計算機技術的發(fā)展強化了數字化實驗的數據分析功能;第二次整合是對手持設備與無線通信技術的整合，數字化實驗由此脫離了笨重的計算機和雜亂的數據線，成為可以走進教室也可以走出教室的科學探究利器;第三次整合初見端倪，新近文獻顯示，數字化實驗與微控制器及物聯(lián)網技術的聯(lián)系日趨密切，驅動器的引入將使數字化實驗系統(tǒng)具備機電控制功能，不再是單一的信息采集系統(tǒng);數據的網絡共享將改變數字化實驗的原有面貌。創(chuàng)新性、實用性和經濟性是數字化實驗技術發(fā)展的三大方向，而決定數字化實驗在多大范圍內惠及學生的主要是經濟性，智能手機、微控制器模式下的數字化實驗極大地降低了實驗成本，數字化實驗有望因此迎來一波普及浪潮。

（二）自主創(chuàng)新與開源路徑

數字化實驗的精神內核是自主創(chuàng)新，在實驗案例研究方面先后出現了三條創(chuàng)新路徑：一是基于商用數字化實驗系統(tǒng)的應用創(chuàng)新，制造商是技術專家，而教育者是教學專家，將教學問題與技術裝備結合就是實驗創(chuàng)新案例。二是基于智能手機及其內置傳感器的實驗案例開發(fā)，傳感器、數據采集器、信息處理器、顯示器的合而為一，賦予了數字化實驗新的形式和可能。三是基于微控制器的實驗案例設計，這種設計是從硬件到軟件的完整的自主構建，因而具有極大的創(chuàng)新空間和自由度。早期的數字化實驗開發(fā)就是軟硬件的自主構建，問題是有較高的技術門檻和較低的通用性。商用設備通過封裝技術、打包資源，解決了高門檻和低通用性的問題，但隨之而來的是成本提高、實驗開發(fā)的自主性降低問題?；谖⒖刂破鞯臄底只瘜嶒炓彩峭暾淖灾鳂嫿ǎ诮档统杀镜耐瑫r不會抬高技術門檻，可以預見，實驗案例開發(fā)的開源路徑將成為主流。

（三）課程融合與教育轉向

數字化實驗的核心價值是服務于科學教育?？v觀數字化實驗的教學研究歷程，討論的核心問題在于兩點：數字化實驗是否對科學教育有利，怎樣利用數字化實驗開展科學教育。這兩個問題在實驗層面、課堂層面、課程層面都有探討的空間，在實驗層面要考慮數字化實驗與傳統(tǒng)實驗教學的融合，與其他新興實驗技術的融合;在課堂層面上要考慮數字化實驗在探究式學習、項目式學習、問題化學習中可以扮演什么角色，應該扮演什么角色;在課程層面上則要從課程理念的高度、課程體系的寬度、完整課程的長度探討數字化實驗教學如何融入課程，同時應該注意的是信息化課程實施的核心因素——教師的專業(yè)發(fā)展。新一代科學教育課程標準突出“跨學科實踐”理念：強調科學實踐和工程實踐而不是實驗操作和實驗技能;強調核心觀念和大概念而不是事實性知識和知識點;強調跨學科的統(tǒng)整以解決實際問題。數字化實驗作為工程實踐的工具、科學觀念建構的依托、跨學科統(tǒng)整的平臺，其教學價值必將得到進一步的發(fā)掘，數字化實驗的教學研究將向縱深發(fā)展。

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責任編輯：牟艷娜