手持技术数字化实验在我国近20年的研究进展及现状

王晓芳　鹿钰锋　夏建华

摘要：运用文献计量学方法对近20年手持技术数字化实验主题下的386篇文献进行数据挖掘，借助可视化知识图谱软件CiteSpace进行研究者合作分析，关键词聚类分析，同时配合中介中心性、突现词等指标属性，刻画该领域整体的研究水平;深度挖掘聚类标签背后四个热点研究主题，为数字化实验在化学学科的深入发展提供参考。

关键词：手持技术数字化实验;研究进展;CiteSpace可视化分析;知识图谱

文章编号：1005-6629（2021）04-0032-06 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

在国内，手持技术数字化实验又称“数字化实验”“手持技术实验”“掌上实验室”“DIS实验”，最早于2003年由华南师范大学钱扬义教授提出并给予定义，近十年在实践应用和科学研究两个方面取得快速发展。应用实践方面，在我国教育资源丰富的地区，手持技术实验进入课堂呈现常态化的趋势;科学研究方面，前期主要集中在对教材中化学实验的改进与创新，后期逐步转向借助数字化实验深入探索学生的认知规律。当前钱扬义教授团队提出了TQVC认知理论模型，尝试从认知心理学的视角解释手持技术实验在学生建构化学知识中所发挥的作用。

《普通高中化学课程标准（2017年版）》也明确提出要适当增加数字化实验、定量实验和创新实践活动，让学生在实验探究活动中学习科学方法，认识科学过程，体会、认识技术手段的创新对化学科学的重要价值。

1数据来源与研究方法

在中国知网中以“数字化实验”或“手持技术”为主题进行高级检索（文献检索日期为2020年6月15日），手动剔除会议通知、发刊词等不相关的记录，以Refworks导出数据并清洗去重，剩余386条记录。

CiteSpace是计算机与情报学教授陈超美基于Java开发的信息可视化软件，用以探寻学科领域的演化路径和知识转折点，分析某学科的潜在动力机制，在文献计量学中被广泛运用。启动软件，将Time Slicing设为2003～2020年;Years Per Slice设为1年;Node Type依次为“Author”“Keyword”;Selection Criteria设为Top50%;Pruning选择Minimum Spanning Tree。

2结果分析

2.1整体趋势分析

通过年度发文量（如图1），对研究领域的整体发展水平进行刻画，其大体呈现先慢后快的发展趋势。2003～2008年为萌芽期，发文量均在10篇以下，且增长速度较为缓慢;2009～2016年为快速增长期，学者对于手持技术数字化实验的了解更为全面，年发文量出现大幅增长，各类论文如雨后春笋般出现在期刊杂志上;2017至今为稳步发展期，年发文量在40篇左右浮动，2017年核心素养的提出为数字化实验持续深入的研究发展提供动力。

2.2研究者合作分析

借助CiteSpace可进行宏观层面研究国家、中观层面研究机构、微观层面研究者合作分析。科学计量学之父Price提出：合作论文的平均合作者会增加。学术问建立成熟的合作关系对于创造成功相当重要，通过合作图谱能够直观反映学术影响力及社会关系。

将节点类型设为“Author”，得到研究者合作网络图谱（如图2）。从图谱参数N=80，E=93，即有80位研究者和93次彼此间的联系，Density=0.0294，表明分布适中。从整体网络结构，节点问连线丰富，合作关系紧密，节点孤立存在的情形较少，且主要形成以钱扬义、衷明华为中心的大型合作网络，该领域内已经形成具有权威的研究集群。从关键节点，节点越大发文量越多，钱扬义、衷明华、邓峰、林建芬等人是这一领域内具有影响力的研究者，其中邓峰和林建芬所在的研究集群属于钱扬义的合作子网络。

2.3关键词聚类分析

关键词共现网络能快速找到该领域某一时期的热点及演变趋势，自动聚类标签视图是在默认视图基础上通过聚类算法生成知识聚类，然后通过算法提取标签词，以此来表征知识基础和研究前沿。

将节点类型设为“Keyword”，得到关键词聚类图谱（如图3）。图中N=90，E=118，Density=0.0259，Q=0.5786{Q一般在[0—1）之间，Q>0.3就意味着划分出来的社团结构是显著的}，Mean Silhouette=0.503 5（S值在0.5时，一般认为该聚类是合理的，若S值在0.7以上，則认为聚类是令人信服的），共形成七个聚类标签：#0研究性学习、#l温度传感器、#2离子反应、#3实验探究、#4信息技术、#5浓度、#6化学反应速率。

在图3基础上，选择Timeline View生成关键词时间线图谱（如图4），它能科学直观地展示出不同聚类之间的相互联系、相互影响，及某个聚类的文献历史跨度。

通过挖掘每个聚类背后的数据信息，得到LLR算法下每个聚类包含的主要关键词（如表1），各个聚类的节点丰富，轮廓值均大于0.7，说明各聚类内部节点联系紧密，聚类效果良好，具有可信度。

知识图谱根据一定的算法量化分析样本文献的数据而得出，其科学性不言而喻，但对于研究主题的梳理还需要整合、分类。结合图4和表1，确定以下四个热点研究主题：

2.3.1数字化实验支持下的研究性学习和实验探究

聚类#0研究性学习、聚类#3实验探究，节点数量丰富，都是在教师的带领下借助数字化实验开展小课题研究，同时开发出相关的校本课程资源，因此合并讨论。数字化实验便携、数据储存量大的特点让化学学习的空间不再局限在学校，一经推广到中学，就得到广大师生的认可，因此在关键词时间线图谱（如图4），聚类#0研究性学习的演进历程中，2004到2012年间节点多且连线较为密集，聚类#3实验探究在2012年节点大且有紫色外圈，说明研究成果丰硕，中介中心性极高，这反映出数字化实验运用于研究性学习是非常成功的。

倪霞则带领学生运用电势电位传感器对果蔬中维生素c的含量进行测定。王萌萌利用各类传感器，开展天津郊区土壤的含水量、钙离子、钾离子、铵根离子等含量检测。

数字化实验为研究性学习提供技术支持，丰富研究性学习的实践手段，但在已有的研究中，数字化实验在研究性学习中的应用主要集中在“食品”“环境”这两类问题，图4中“研究性学习”的节点和连线数量在2012年之后有所减少，显示出该方向的研究热度有所下降。

2.3.2数字化实验创新传统化学实验

聚类#1温度传感器、聚类#4信息技术，两个模块的子关键词内部一致性均较高，均运用各类传感器进行实验改进与创新，因此合并为一个主题。数字化实验直观、实时、微量、绿色，在改进传统实验缺点等方面效果明显，因此是发文的热点主题。王旭斌借助湿度传感器、CO₂感器对浓硫酸“黑面包实验”进行改进。

从关键词聚类标签的统计分析（表1）：传感器的运用主要集中于温度传感器、pH传感器、电导率传感器，呈现单一、重复的特点。此外关键词时间线图（如图4）中“手持技术”与“信息技术”在2004年同时出现第一个节点信息，数字化实验在开始出现的时候就被赋予了信息技术与教育融合发展的理念。

2.3.3基于数字化实验的教学设计与教学案例开发

聚类#2离子反应、聚类#6化学反应速率、聚类#5浓度、聚类#l温度传感器的子关键词“化学平衡”，这一主题集中在借助数字化实验开发典型的教学案例，合并讨论。优质的教学案例不仅有利于数字化实验的推广，而且为教师备课提供借鉴。

姚娟娟开发出基于数字化实验的“离子反应”完整教学案例。张越自制简易的光敏传感器，用于探究温度、浓度对化学反应速率的影响一节课的教学。经大致统计与阅览，“离子反应”“中和反应”“强弱电解质”等课题的受关注度较高，而元素化合物、有机化学、热化学等主题的知识关注较少。

2.3.4数字化实验背景下教学模式的创新与丰富

聚类#0研究性学习中的子关键词“四重表征”和聚类#4信息技术的子关键词“POE”都是数字化实验背景下的教学模式产物，整合为一个研究主题。

宏观上观察和描述物质及变化，微观上解释本质及规律，符号上表达宏微联系，这是化学学科独特的思维方式。对学生而言，微观表征的建立及转化是认知难点，而通过分析曲线的特殊点（起点、拐点、终点）及特殊线段变化趋势，将强化学生头脑中宏观与微观联系，促进化学概念、化学原理的理解，这就让化学三重表征拓展到四重表征。

林建芬等人提出基于数字化实验的四重表征教学模式。彭豪在四重表征模式的指导下展开实践教学。邓峰等人还提出“6S”探究教学模式。教学模式的引入与创新，丰富了已有的化学教学理论，而且在实践层面上给予化学教师更多实践指引。

2.4关键词突现性分析

突现词是在某些年份出现关键性转折的词汇，配合中介中心性的相关参数，能快速找到某一研究领域的拐点（转折点）信息，从而得出研究前沿。关键词突现性检测如图5。

突现时间跨度最长的关键词是“化学实验”，从2007年一直持续到2014年，这是因为化学实验是数字化实验的“知识基础”，数字化实验是化学实验的下位概念。突现起始时间最早的是“研究性学习”（2009年）、“化学教学”（2009年）。研究性学习是综合实践活动课程的四大内容之一，自2001年新课改以来备受关注，而数字化实验满足其自主性、生活性、实践性、综合性等原则要求，经过几年的发展推广到一线中学，教师纷纷展开数字化实验的研究性学习，因此出现爆发点。

此外，突现强度最高的是“核心素养”，虽起始于2019年，但在短短1年内强度高达5.6664，截止到目前仍然备受关注，是数字化实验研究领域内关键的转折点，这是因为数字化实验在发展“宏观与微观”“变化与平衡”等素养方面具有优势，借助数字化实验落实化学核心素养将是未来一段时间内最具热度的研究主题。

3研究展望

通过本研究，得出数字化实验应用于化学教育领域后得到了快速的发展，先后涌现出研究性学习、实验创新、案例开发、四重表征教学模式等热点研究主题。反思与展望如下：

3.1以学生开展数字化实验为基础的科学探究理念与实践研究

中学阶段的科学探究本着掌握知识、学会方法的原则，更多地让学生学习知识，并在科学探究过程中给予方法与思维上的训练。科学探究包括“提出问题猜想与假设制定计划收集证据”等环节，数字化实验支持下的学生探究活动，能够实现不同深度、不同维度科学思维与能力的培养，尤其在推理意识和证据意识方面。

因此，在主题选取时，不应居泥于教材，除已有研究性學习中所涉及的“环境”和“食品”问题以外，还可以包括与人体生命、地质气候有关的都是具有价值的探究学习课题，例如人体中某种微量元素的测定、香烟中的化学、温室效应、水体富营养化、气候变暖等。这些课题与学生的生活贴切，在拓展学生视野的同时，更容易渗透科学探究的理念。在方案设计时，充分尊重学生的理解，让学生自主设计探究方案，动手操作，实现知识的获取与建构。而实施过程中，教师应有意识地引导学生发挥数字化实验能同时测定多种数据的优势，在同一实验过程中运用多种传感器，多角度观察实验现象，丰富和完善知识体系，培养学生证据意识的高阶思维。

3.2数字化实验在基础教育中的实证研究

当前，数字化实验在中学的普及程度并不高、实验室建设经费高昂、教师实验价值认识欠缺，这都是数字化实验在基础教育继续深入发展的制约因素。而在已有研究中，实验案例的开发仍是主流方向，相关的实证研究占据很小比例。在国外，研究者首先关注的就是数字化实验在化学教学中的效果与潜力、教师和学生对新技术的态度，丰富的实证研究在数字化实验推广过程中起到巨大助推作用。因此，今后还是要重视实证研究，从量化研究的角度客观地论证数字化实验的价值。例如，运用数字化实验能提升学生数形结合的思想，学生读图、识图能力提升程度到底如何，这需要真实的数据予以论证;数字化实验能改变学生的认知方式，这就需要切实和学生进行访谈。此外，对于还没有数字化实验室的学校，建设成本是多少，如何保证实验室的使用率，学生的理科成绩是否确实有提升，这就需要站在学校决策者的角度展开论证。

3.3数字化实验在选修课程中的案例开发

基于数字化实验的教学设计和案例开发，大都集中在必修阶段的课程，在“常见无机物及应用”“化学反应与能量”“化学反应速率”“水溶液中的离子平衡”等专题的案例研究已经较为成熟，但选修教材《化学与生活》《化学与技术》《实验化学》的案例开发几乎无人问津，这大多因为授课对象是文科班学生或者高考并不涉及相关模块的考点。这是该领域发展的薄弱点，选修课程中能够进行挖掘的点有很多，例如，药品成分的检测、植物中某些离子的检测、含氯消毒液的性质与作用的探究，案例的拓展开发能够解决传感器使用单一、重复的问题，发挥数字化实验更大的教育价值。同时，一系列优质的教学案例就能组合成一套具有特色的校本课程，这对于学校的科技特色教育的宣传具有积极意义。

3.4数字化实验融入STEM教育的模式与案例开发

STEM教育理念提倡面对真实情境问题，整合各个学科的知识与方法（物理、化学、工程、生物、数学等）来解决实际问题，更强调学科知识问的联结和融合发展，这与数字化实验在培养批判性、开放性等高阶思维方面的特点相吻合。目前国内STEM教育的研究处在初级阶段，数字化实验融入STEM教育的教学模式与案例研究更是几乎处于空白，这一方向在今后显示出较大的研究空间。数字化实验支持下的STEM教学模式将凸显“技术”与“工程”在现代教学中的重要作用，同时将为信息技术有效运用于课堂提供清晰的理论支持。在案例的开发方面，各学科教师需协同配合，利用好新技术在各学科的应用特征，例如图形计算器在数学学科的应用、数字测距仪在物理学科的应用、虚拟标本在生物学科的应用，以项目的形式整合各学科的知识衔接点，巧妙地设计在一节课中，通过可操作、易推广的案例推进STEM教育在我国的发展。