数字化实验的历史及启示

李惠马宏佳

（南京师范大学教师教育学院　江苏南京　210097）



数字化实验的历史及启示

李惠马宏佳*

（南京师范大学教师教育学院江苏南京210097）

摘要：文章基于翔实文献，以数字化实验中有重要影响的两名先驱者，Robert Tinker和David Vernier的故事为主要内容，以数字化实验的缘起、初步发展阶段和应用推广阶段为线索展开，简述了数字化实验发展的历史进程。并据此获得启示：数字化实验是信息技术发展的必然产物；是教育研究和技术研究结合的产物；数字化实验在教育中的应用有巨大潜力也有必须克服的困难。

关键词：数字化；实验；历史

数字化实验是利用传感器、数据采集器和计算机及相应软件进行的实验。数字化实验肇始于西方发达国家，目前在我国已经获得了越来越多的关注，那么，数字化实验如何缘起?又是怎样一步步发展的?这些问题自然首先引起人们的关心。本文作者通过研读相关文献［1］，试图对以上问题加以梳理和呈现，并从中获得启示。

一、数字化实验的缘起

1.罗伯特·廷克（Robert Tinker）与约翰·金（John King）相遇

Robert Tinker是数字化实验的首创者和命名人。1965年，Robert Tinker进入美国麻省理工学院跟随John King教授攻读物理和教学相结合的博士学位。John King是20世纪美国物理教育界的领导者之一，也是优秀的实验物理学家和专注的教育家，他最早将传感器引入物理教育。他的梦想是设计一个装着传感器的鞋盒大小的盒子，学生能用盒子里的传感器来测量几乎所有的东西［2］。在很多方面，数字化实验是King教育思想的直接延续。

Robert Tinker与其导师的教育思想有深刻的内在一致。在读博之前，Robert Tinker曾经在美国的史迪尔门学院任教两年，这段教学经历唤醒了他对教育的终身兴趣，同时让他得到了如何提高科学教育水平的启示。Robert Tinker教学时发现，当时的教学材料并不能满足学生需要，因此，他就用自己的观察和亲自动手实验来帮助教学。他认为，学得最明白的课是那种用好的仪器设备让学生亲手实践的课。这种学习能够对复杂现象迅速地形成直观理解。一旦好的直觉到位了，物理学那些抽象的，以公式来表示的处理方法就容易理解了［3］。正是由于这样的教学经历，Robert Tinker追随着他的导师John King的教育思想，逐步把数字化实验变成现实。

Robert Tinker数字化实验的灵感来自“发酵葡萄汁泡泡计数实验”。这是在1970年以前，微型计算机还没出现，Bi11 Wa1ton指导的“计算机和实验室计算（CLAC）”项目，开发了一个实验活动：使用一个计算器、一台x-y绘图仪和一台光检测器来检测计数发酵葡萄汁中产生的泡泡数，只要酵母在繁殖，泡泡的总量随时间推移所形成的图像是呈指数趋势上升的，绘图仪便可即时显示出泡泡数目随时间上升的变化图像，从而提高学习者对关键运算思想的直觉。这个实验让Robert Tinker意识到，数值方法和交互式的图像可以支持直觉运算，可以帮助学生对复杂现象形成直观理解，同时，计算器、绘图仪和光检测器的配合使用也使Robert Tinker印象深刻［4］。

2.计算机使用及模拟信号与数字信号的转换

1976年，在美国国家科学基金会（NSF）的支持下，Robert Tinker和Hi1ton Abbott开始了一个名为“计算机和实验室数学（CALM）”的项目。该项目的理想是建构一个计算机控制的环境来教学生逻辑和编程。例如，构建一个模型铁路，其转辙器和机车发动机变速器都由计算机程序控制。该项目为数字化实验的开发奠定了计算机控制的基础。

研究中，Robert Tinker发现，当时的实验室测量主要以模拟信号为主，如温度、光照水平和电压等均为模拟信号，这种模拟信号如何以数字信号的形式输入到计算机中，成为一个大问题。模拟信号并不适合计算机的数字世界。Robert Tinker的朋友Greg Edward是一个物理学家，也是在NSF的项目专员，他对未来科技有着清晰的视野。他使Robert Tinker相信模拟——数字转换器将使计算机成为完美的实验室仪器。于是，Robert Tinker和他的团队开展了艰苦的创造性的努力，通过编程和改造计算机硬件，终于解决了数字信号与模拟信号的转换和输入输出问题。Robert Tinker在KIM-1计算机上加入了模拟——数字转换器，一个名叫MOSK科技的小公司把它做成了单片KIM-1计算机，以245美元一台的价格出售，并被摩托罗拉等公司购买。计算机的使用和模拟信号与数字信号的转换为数字化实验提供了技术保障的基础。

3.“冷却曲线实验”—第一个教学应用的数字化实验

“发酵葡萄汁泡泡计数实验”尽管很有启发性，但对教育没有太多直接影响，因为制作含酒精的葡萄汁与学校教学内容几乎没有联系。模数转换器的加入，使数字化实验的测量范围扩大到温度、光、电压等物理量。在这个基础上，1978年，Robert Tinker开发出了第一个具有教学应用的数字化实验：“冷却曲线实验”［5］。

冷却曲线实验采用Robert Tinker改造的能够使用模拟输入的KIM-1计算机，用热电偶来测量试管中的卫生球（萘）在冷却过程中不同时点的温度，产生的模拟信号输入至计算机，并以模拟信号的方式输出到示波器上，从而实时显示出温度变化。

以前做这个实验，学生通常需要长时间实验并记录不同时刻的温度，然后将数据绘制成曲线。他们通常不能理解图形的特征和正在冷却的物质性质之间的关系。经常不能理解在固液转换期间观察到的温度曲线平台的物理意义，丢失了关键性的观察。使用Robert Tinker的数字化实验时，因为探针很小，反应灵敏，因此所需样品量很少，实验能在几分钟内完成，学生有充足的时间在没有相变的情况下完成冷却曲线，再与有相变情况下的冷却曲线相比。随着实验的进行，学生能够看见温度的变化图像。他们看见在平台期的开始阶段，固体以可爱的雪花状的粒子状态开始出现，平台后期完全凝固。当实验正在进行时，他们能够推测温度恒定的原因。如果幸运的话，也能观察到过冷现象。教师甚至提供了第二个传感器来测量周围水的温度，学生因此能够确认即使卫生球的温度保持恒定，但水变得更冷了，说明卫生球正在从水中吸收热量。

冷却曲线实验是第一个成功的具有教学应用的数字化实验，该实验展示出传感器和计算机软硬件结合具有的强大教育潜力。该实验在美国物理教师协会（AAPT）年会等会议上多次演示，引起了与会者的极大兴趣，为数字化实验研究注入了极大的活力。

4. Robert Tinker为数字化实验命名

到1980年，以教育为目的的实时数据采集的实验系统需要一个名字。Robert Tinker认为这个名字不仅要反映该技术，而且还需要表达出这是一个开放式的教育方法，从而把它与自动化实验室或用传感器进行操练和实践区别开来，他决定将其命名为以微型计算机为基础的实验（Microcomputer-Based Laboratories），简称MBL。Microcomputer这个词中强调的微型计算机是刻着时代烙印的，在当时用以区别于体积庞大的计算机。今天的个人电脑，功能强大，体积微小已成常态，早已不再需要前缀“micro”。因此，MBL的名字已经过时，在西方，人们越来越多地使用“probeware”这个Marcia Linn发明的名词来指代数字化实验。

随着计算机技术的不断进步，Robert Tinker和他的同事，不断改进数字化实验，开发了多种传感器及配套的硬件和软件。Robert Tinker是当之无愧的数字化实验的先驱。

二、数字化实验的初步发展

1.集成的数字化实验包

为了发展数字化实验，Robert Tinker的团队设计了一个“蓝盒子”（相当于现在的数据采集器），连接到苹果计算机的游戏端口，并制作了四个内置的模拟输入，2个数字输入和2个数字输出，供实验使用。温度、光、电压的传感器可以通过连接器连接到蓝盒子。他们写了一系列简短的BASIC程序，这些程序可以利用这个接口，甚至提供建议的学生活动。Robert Tinker的团队还出版了包含实验室指导的《生理学实验》套件，包括测量心率、呼吸速率、皮肤电导率等生理指标的实验。该套件包括了一个老师所需的一切：一个蓝盒子，电线，十个短程序（苹果电脑专用），传感器和一本手册。这个套件很成功，受到教师和学校的欢迎。凭直觉，Robert Tinker认为化学教师会对pH测量很感兴趣，于是，开发了另一个化学实验包。因为经费短缺，Robert Tinker和来自爱荷华州克拉克学院的化学教师Sister Diana Ma1one，利用假期完成了这个化学实验包的开发工作。

化学实验包的典型设备是一个玻璃的pH电极，通过放大器盒连接到蓝盒子上，看起来有点不伦不类，但很便宜。最令人印象深刻的实验是中和滴定。当酸或碱逐滴加入到溶液中时，其pH值与时间的曲线图完美地呈现出来，对多元酸或碱的滴定，还可以出现两个或三个滴定突跃。同时，这个化学实验包还可以进行反应动力学、化学发光、吸热放热和潜热等实验。

实验软件集成包，冲破了以前为每个实验都要编写单独程序的限制，使得软件的灵活性和学生可以进行实验探索的范围大大增加。化学实验包也取得了商业上的成功，并获得了当年的年度最佳软件奖。

2.数字化实验的课堂研究

1982年，Tim Barc1ay和Robert Tinker进行了第一个数字化实验的课堂研究。他们选择了美国阿林顿一个中等收入地区的四年级学生，进行测量温度的实验。开始，研究者们并不知道学生不会识图和认识小数，也没有这样的教学要求。但是，实验显示的温度却精确到了0.1℃。

研究的初始目的是让学生找出传感器的哪个部分是对温度敏感的。实时互动的力量引导学生理解抽象概念，这是研究者看到的第一个迹象。事实上，孩子们使用他们对温度的感觉和他们的手指的敏感度来到电脑显示器上追踪他们的经验。他们可以感觉到温度的变化，同时，看到数字的变化。根据与设备的互动，学生们不仅知道了是传感器的尖端对温度敏感，还根据手指对温度的感知、追踪显示器上实时的温度变化，学会了小数。比如，显示器将35.0℃显示为35℃，34.9℃和35℃的大小若只凭学生过去的经验，就会把34.9℃看成是349℃，比35℃大。但是通过升温的过程和图像显示的温度变化，学生会明白二者大小的正确顺序。这种与设备实时互动，能帮助学生理解抽象概念，是研究者们得到的第一个结论。

Robert Tinker1982年所做的这个数字化实验课堂教学研究，是我们所看到的最早的数字化实验课堂教学研究［6］，尽管该研究并未在正式期刊上发表，但这些研究使Robert Tinker团队确信，通过使用数字化实验进行实时互动，可以更好地进行像图和小数这样的科学概念的教学。

3.数字化实验雏形初具蓄势待发

从上世纪70年代末到80年代初，数字化实验的雏形已经形成，关键的技术问题也得到解决，其发展也已有了清晰的思路。但研究经费的缺乏仍困扰着数字化实验的研究者。

Robert Tinker的团队在美国国家科学基金会（NSF）的资助下，举办了许多工作坊和研讨会来培训教师，很受欢迎，因为在研讨会中教师学到的东西，可以在他们的教学中使用。尽管里根总统上任后，削减了联邦政府对教育的投入，Robert Tinker的团队仍然坚持在美国各地开展数字化实验的工作坊。他们提供电脑和材料供工作坊使用，并且给教师以编程语言方面的指导。Robert Tinker认为，广泛应用数字化实验，让每一位教师都能意识到它在科学课堂中的价值是最重要的。同时，Robert Tinker的团队也试图通过商业运作来为数字化实验的推广“造血”。

值得一提的是，在Robert Tinker于俄勒冈研究中心组织的工作坊上，数字化实验的教育潜力给一位名叫David Vernier的物理教师留下了深刻的印象，他后来创立了Vernier软件科技（Vernier Software& Techno1ogy）公司，并成为数字化实验的主要供应商。Vernier公司、PASCO公司等数字化实验仪器公司用所得利润不断“反哺”数字化实验研究，对数字化实验在世界范围内的应用和推广做出了巨大贡献。

与美国数字化实验主要由企业推动发展相比，在欧洲，数字化实验则更多表现为高校主导的发展模式。

三、数字化实验的发展与推广阶段

1.欧洲数字化实验的发展

在欧洲的一些国家，包括英国、苏格兰、荷兰、德国、意大利，数字化实验也独立发展起来。总的来说，欧洲的大学在教育创新中要比美国的大学担负的责任更大。因此，在欧洲数字化实验研究一直是高校主导型的，通常由物理系主导。

最令人印象深刻的努力之一，是由荷兰阿姆斯特丹大学的物理学家Ton E11ermiejer主导的。20世纪80年代以来，他一直致力于发展和推广数字化实验，首先是在大学的物理教学中应用。

在欧洲，更集中的、以学科为基础的教育体系在数字化研究方面通常是制定一个长期的计划，以实现技术发展、教师专业发展及课程变化之间的协调。例如，在荷兰，经过长时间的酝酿，数字化实验在两个地方被列入国家课程。Ton E11ermiejer的团队开发了使用这些工具的必要的硬件、软件和课程材料样本。根据这些，邀请出版者来编写他们的教学材料。同时，教这些新内容的每一个老师都会受到培训，所有的教室都有必要的硬件和软件，所有的学生材料都获得了课程的支持。

20世纪80年代，大西洋两岸召开了由北大西洋公约组织（NATO）资助的一系列研讨会。为了刺激跨大西洋研究，北约赞助所有领域的科学家召开研讨会。它决定将技术强化科学教育作为其支持的研究领域之一。其结果是1988年在意大利帕维亚大学召开了由Ron Thornton等组织的数字化实验会议。1991年在阿姆斯特丹大学举行了第二次研讨会，由Ton E11ermiejer和Robert Tinker组织。会议促使他们合作并完成了数字化实验专著《数字化实验：教育研究与标准》［7］。

Ton E11ermiejer继续完善和发展数字化实验。稳定的政府资金，加上聪明的有学科基础的本科生和研究生，成功制成了实用的数字化实验包。Ton E11ermieje的团队开发的Coach Jr.软件，可支持每一个主要的实验室接口和所有传感器。除此之外，软件还包括广泛的分析工具和建模环境，让学生尝试建立一个模型来匹配数据，甚至能支持从视频图像采集数据。欧洲的数字化实验的应用和推广方法有很强的逻辑性，其是与美国自发性研究模式大不相同的。

2.企业推动数字化实验的发展

在美国，企业对数字化实验的发展起了重要推动作用。下面以Vernier公司为例说明。

1981年，Vernier公司在俄勒冈州波特兰的David Vernier家中成立。那时David Vernier仍是一名高中教师，他的教学经历和对科学教学的兴趣引导着他一步步创立Vernier公司。David Vernier在俄勒冈州立大学获得硕士学位后，担任了8年中学物理教师。期间，可编程的电脑刚出现，他迅速发现了计算机在做模拟、提取操作数据方面的潜力，同时也发现可以通过日常的演示和高度创造性的互动的实验来让学生保持课堂上的注意力。1981年，David Vernier买了他的第一台苹果电脑，写了一些程序用于教学，并于1981年9月发广告出售这些程序。

1982年夏，美国物理教师协会在俄勒冈举办会议，Vernier公司参加了会议并设展位，这对David Vernier来说是一个大机遇，他首次同全国各地的物理教师面对面交流，建立了持续至今的联系。

1994年，Vernier公司开始同实力雄厚的美国德州仪器公司（Texas Instruments，简称TI）合作，开发了支持用图形计算器进行数据采集。图形计算器和传感器的结合是一个重大的碰撞。使得教师可以利用他们已有的图形计算器，来节约投资数字化实验新硬件的费用，同时增加动态的、实时的数据采集能力［8］。

1996年，Vernier开发了Logger Pro，一款通用数据采集和分析的计算机程序，经过了许多版本的更改之后，成为目前的Logger Pro 3［9］。现在，Vernier公司的产品可用于小学、中学、高中以及大学水平的课程，适用于几乎所有的硬件设备、计算机平台和操作系统，产品销售到120多个国家。

Vernier公司的员工大部分都是教师出身，秉承从Robert Tinker那里继承的好传统，David Vernier持续投入人力物力举办各种工作坊等教师培训活动。使得数字化实验走向良性循环。而Robert Tinker则将注意力转向在线学习平台建设，成立了著名的康科特教育研究组织（Concord Consortium），继续活跃在科学教育研究领域［10］。

四、启发和思考

通过我们对这段历史的梳理可以看到，数字化实验是随着计算机技术的进步诞生和发展的；是教育研究和技术研究结合的产物；数字化实验在教育中的应用有巨大潜力也有必须克服的困难。

1.数字化实验是信息技术进步的历史产物

当人类进入信息社会，计算机技术的进步自然会在教育领域产生影响，这是历史的必然。数字化实验最先产生于计算机技术最为发达的美国，Robert Tinker成为该领域的先驱，其中，既与他的学术背景和个人经历有关，也是社会发展的必然。即使Robert Tinker没有做这件事，也会有别的人来做。相反，如果我们还不意识到数字化实验的意义和价值，则有些落后于时代了。

2.数字化实验是教育研究和技术研究结合的产物

回顾历史我们发现，数字化实验的先驱者们，许多都是致力于改进教学的教师，他们期望有更好的方法来教授物理、化学等，他们发现数字化实验不仅让学生实时同步观察现象和数据，并且也很方便操作，很快就收到反馈，让学生有机会采集数据并分析，理解发生的变化，同数学相结合，并能自主探究和建模［11］。因此，他们在硬件和软件上不断更新，其着眼点一开始就不仅仅是技术的，而也是教育的。正如Robert Tinker所说：数字化实验的历史就是从研究到应用的历史。

3.数字化实验在教育中的应用有巨大潜力，也有必须克服的困难

科学的基本要素包括调查、探索、提问题、分析和思考。数字化实验将多种多样具有数据采集功能的探头同电脑相连，给学生一个独特的机会去观察和探索，而这正是在很多基础科学计划中缺少的［12-13］。随着数字化实验相关研究的深入，其教学功能也被不断挖掘。如今，信息化社会给每个人带来极为深刻的影响，设备的使用不仅仅在于教学相应的课程，而且可以丰富学生对世界感知的方式。数字化实验所带来的关于信息的转化与共享、获取、储存及应用信息方式的改变等体验，会对学生产生深远的影响，对现代社会合格公民的培养有所贡献。

同时，数字化实验的推广应用存在成本相对较高、教师需要培训、效果需要更多证据、与课程需要更好融合等明显的困难。没有相应的课程支持与服务、没有教学计划的配合和教学策略的实施，数字化实验给学生带来的惊喜将不复存在。数字化实验中，学生在教师、同学、设备、软件、知识和现象等多元的环境中学习，其学习和解决问题的方式必将同传统的课堂不同，无论对于教师、学生还是更加广义的教育范畴来说，都是一种挑战，而这种挑战所带来的变革，值得教育工作者共同努力，以产生我们期许的更“好”的教育。

参考文献

［1］［3］［4］［5］［6］Tinker，R.. A history of probeware：2000［EB/ OL］.［2016 -01 -04］. http：/ /www.concord.org/sites/defau1t/fi1es/pdf/probeware_history.pdf

［2］John G. King. On Physics Project Laboratories［J］. American Journa1 of Physics，1966，34（11）：1058-1062

［3］Tinker，R.. A history of probeware：2000［EB/OL］.［2016-01-04］http：/ /www.concord.org/sites/defau1t/fi1es/pdf/probeware_history.pdf.

［4］Tinker，R.. A history of probeware：2000［EB/OL］.［2016-01-04］http：/ /www.concord.org/sites/defau1t/fi1es/pdf/probeware_history.pdf

［5］Tinker，R.. A history of probeware：2000［EB/OL］.［2016-01-04］.http：/ /www.concord.org/sites/defau1t/fi1es/pdf/probeware_history.pdf

［6］Tinker，R.. A history of probeware：2000［EB/OL］.［2016-01-04］.http：/ /www.concord.org/sites/defau1t/fi1es/pdf/probeware_history.pdf

［7］Tinker，R. F.（Ed.）. Microcomputer-based 1abs：educationa1 research and standards［M］. Ber1in：Springer-Ver1ag，1996

［8］Texas Instruments and Vernier［EB/OL］.［2016-01-04］. http：/ /www.vernier.com/company/texas-instruments-andvernier/

［9］Vernier Software & Techno1ogy［EB/OL］.［2016-01-04］. https：/ /en.wikipedia.org/wiki/Vernier_Software_% 26_Techno1ogy

［10］Concord Consortium［EB/OL］.［2016-01-04］. http：/ /concord.org

［11］Metca1f，S. J.，& Robert Tinker，R. F.（2004）.Probeware and handhe1ds in e1ementary and midd1eschoo1 science. Journa1 of Science Education and Techno1ogy，13（1）：43-49

［12］Linn，M.C.Techno1ogyandscienceeducation：Startingpoints，researchprograms，and trends［J］. Internationa1 Journa1 of Science Education，2003，25（6）：727-758

［13］Zucker，A. A.，Robert Tinker，R.，Staudt，C.，Mansfie1d，A.，&Meta1f，S.. Learning scienceingrades3 -8usingprobeware andcomputers：Findings from the TEEMSSIIproject［J］. Journa1 of Science Education Techno1ogy，2007，17（1）：42-48

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.02.001

文章编号：1008-0546（2016）02-0002-05

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

*通讯联系人：马宏佳，E-mai1：mahongjia@njnu.edu.cn