国外数字化实验教学研究的回顾与展望

刘作志　万勇

数字化实验有别于传统实验，是应用传感器技术、计算机技术、网络通信技术及其他数字信息技术，采集、记录、储存、分析、显示、传递、评价实验数据的实验形式。数字化实验于20世纪80年代起源于美国，当时被称为MBL（Micro-computer-Based Labs），后又称为Probeware和Lab probe。国内数字化实验出现的时间较晚，目前一般称作DIS（Digital Information System）。伴随着信息技术的不断进步，数字化实验仍在蓬勃发展，基于数字化实验的教学也成为备受关注的研究热点。教育部《关于加强和改进中小学实验教学的意见》指出，要促进传统实验教学与现代新兴科技有机融合，加强实验教学与编程教育、创客教育、人工智能教育的融合。数字化实验正是这种融合的主要方向之一。回顾数字化实验的发展脉络，展望数字化实验的发展动向，有助于为数字化背景下的实验教学改革提供导向，推动科学教育的信息化进程。

一、数据来源与研究方法

本研究以ERIC和WOS数据库为数据来源，以MBL、Microcomputer-based lab、Probeware、Sensor experiment、Lab probe、PASCO等为关键词进行主题检索，得到1985—2020年共计700余条文献题录，再将两个数据库的题录导入Endnote软件进行人工数据清洗，在剔除无关、重复文献后得到258条有效文献题录。

知识图谱是近年来兴起的文献可视化分析技术。本研究选择荷兰莱顿大学科技研究中心开发的VOSviewer软件为可视化分析工具，用Endnote软件将有效文献转换数据格式后导入VOSviewer，进行了关键词共现分析。由于现有知识图谱分析技术仍有诸多不足，尤其是对中小样本往往难以做出有意义的关键词聚类，因此，本研究结合VOSviewer共现强度统计，人工聚类高频关键词，并进行了二次共现分析。可视化分析只涉及文献题录信息，不涉及文献内容，故本研究依据关键词二次共现的结果对相关文献进行了内容分析，以期通过定量研究与质性研究的结合，尽量客观全面地反映国外数字化实验教学研究的历史与现状。

二、文献计量与可视化分析

（一）高频关键词

软件统计显示，有效文献共涉及关键词779个，出现频次在10次以上的有72个。在叠加视图下，本研究以出现频次为权重，对这72个关键词作共词分析，得到如图1所示的高频关键词共现图。

图1展现了国外数字化实验及其教学研究的缘起与嬗变：数字化实验是计算机辅助教学（CAI）与微型计算机技术相结合的产物，在20世纪90年代以前，该领域研究的核心词汇是微机（Microcomputer）;1990—2000年研究课题集中在软硬件开发和应用领域的拓展，核心词汇是教育技术（Educational Technology）;2010年左右转向科学教育与教学方法的探讨，核心词汇是科学教育（Science Instruction）;2015年以后伴随平板、智能手机等手持终端技术的成熟，数字化实验研究又展现出新的活力，其标志性词汇是“Handheld Devices”。

（二）学科学段分布

本研究从VOSviewer中导出高频关键词列表，在归并同义词的基础上，将所有关键词先按照共现强度排序，再按学科分布、学段分布、教学主题、技术主题和实验主题进行人工聚类。表1是学科与学段分布聚类中排名前五的关键词，从中我们可以看到，国外数字化实验及其教学研究主要集中在大学和中学;在中学学段，初中的数字化实验教学研究比高中活跃些;物理学科是数字化实验教学研究的主要领域，其次是化学和工程教育。

三、演进脉络与发展趋势

为客观分析国外数字化实验教学的演进脉络与发展趋势，本研究在教学、技术、实验三项主题聚类中各选出10个高共现词，将其出现频次、共现强度和加权平均年限情况以列表形式呈现，从而梳理出不同时期的研究热点及其发展轨迹。

（一）技术主题聚类

技术主题的10个高共现词是微机、手持设备、计算机软件、通信技术、实验室装备、测量装备、计算机网络、数据采集、计算机接口、技术整合。如图2所示，数字化实验的技术发展脉络较为清晰，计算机技术是数字化实验技术的起点和基石，早期的技术研究围绕微机、软件和接口展开，近年来给数字化实验带来革命的是无线通信、手持终端的快速发展。具体来说，数字化实验技术的发展主要有以下趋势。

1.计算机的微型化与智能化

个人计算机使数字化实验的教学应用成为可能，但对日常教学来说，其稍显笨重，缺乏灵活性;图形计算器（Graphing Calculator）作为数据处理终端更为灵活，但在功能上又略显单薄。随着技术的发展，掌上电脑（Handheld）成为整合两个方案优点的发展方向^[1]。2010年前后，又出现了利用智能手机及其内置传感器开展数字化实验的新形式^[2]。

2.传感器的多样化与自主化

最早应用于实验教学的传感器是用热电偶与放大电路制成的温度传感器^[3]，随后陆续出现了声波、光强、电压、心率、pH、气压等传感器;20世纪90年代开始，应用于数字化实验的运动传感器、力传感器、光电门传感器以及GMR磁传感器相继涌现;到2000年，人们尝试在传感器上整合数据输出屏幕，以脱离传感器对数据处理终端的依赖^[4]，传感器的种类进一步丰富。近年来，传感器教学应用形成了两个值得注意的发展方向：一是对手机内置传感器的应用，二是教师利用单片机系统自主开发的低成本传感器。

3.接口及软件的通用化与快捷化

数字化实验的一大技术难题在于，计算机并不具备直接处理传感器模拟信号的接口和进行实验数据分析的专门软件。早期的MBL接口主要有两类：一是利用APPLE Ⅱ等个人计算机的游戏棒及其接口做改装，二是根据某种或某几种传感器设计的模数转换接口。这些接口在传感器端无法做到广泛兼容。20世纪90年代末，多传感器的即插即用和快捷的数据分析成为成熟的技术。随着手持设备的发展，平板电脑接口被开发出来，智能手机成为整合传感器、接口和终端的数字化实验设备，数据的采集和处理更为方便快捷。

4.通信方式的无线化与网络化

数字化实验诞生之后的很长一段时间内，传感器、数据采集器、数据终端之间的通信只能通过数据线的连接来实现。20世纪90年代末，随着蓝牙无线通信技术的发展，无线通信的数字化实验设备开始出现，如PASCO的“AirLink”、Vernier的“Easylink”等。这增强了传感器应用的灵活性，为师生的户外探究活动提供了方便。近年来，传感器实现了与手持设备的直接无线连接^[5]，基于单片机系统的低成本无线数字化实验系统也被开发了出来^[6]。另外，网络化的数据采集和数据共享成为数字化实验发展的新趋势。

（二）实验主题聚类

实验主题的10个高共现词是运动、能量、力学、声、光、磁、热、分子结构、光谱、气象，反映了实验研究热点的领域分布。本研究在密度视图下选出实验主题的所有关键词作二次共现分析，绘制出如图3所示的热点分布图谱。图中圆斑的大小表示关键词出现的频次，颜色的深度表示关键词的共现强度，圆斑的融合程度表示关键词间的耦合度。

由图3可见，数字化实验主题所涉领域分布较为广泛，力学实验是数字化实验的热点主题，且与运动主题、能量主题、磁学主题有较高的耦合度。这些关键词没有明显的时间分布特征，参阅相关文献发现，实验主题研究的演进线索掩藏在技术平台的转换之中。

1.早期案例及框架形成

如前所述，数字化实验是与个人电脑相伴而生的。20世纪70年代中期，部分对教育感兴趣的高校物理学者，开始探索将计算机与传感器结合应用于实验教学^[7]。美国学者罗伯特·廷克是数字化实验研究的奠基性人物。最初，他设计了用温度传感器和个人电脑绘制温度变化图像的实验并进行了教学验证，随后他开发了涉及热学、运动学、分子动力学的系列实验案例，在数字化实验的硬件、软件、接口、架构等方面都做出了开创性贡献^[8]。

2.商用设备及应用创新

商用数字化实验设备的技术封装和资源打包，降低了研究者参与实验案例开发的技术门槛和资源成本，一些基于商用数字化实验系统应用的创新案例涌现出来。例如，基于PASCO公司的两代数据采集系统，雅科夫先后在7篇文献中发表了10个数字化实验案例设计，包括动态量热法、LCR震荡曲线绘制^[9]等。

3.智能手机及研究转向

随着智能手机技术的快速发展，自2013年起，利用智能手机的内置传感器和相关软件开展数字化实验的案例文献开始出现并不断增长，数量超过了基于商用设备的数字化实验文献。智能手机的优势在于，它具有极高的普及度，并且实现了多传感器及数据采集系统的集成（如图4）。

4.微控制器及开源价值

2018年以来，基于微控制器的数字化实验案例开始登场。诞生于创客领域的Arduino、树莓派等微控制器系统被用来设计数字化实验，并以其软硬件的开源性及对各种传感器器件的广泛兼容性，在不失完备功能的前提下极大地降低了数字化实验的成本^[10]。

（三）教学主题聚类

教学主题聚类的10个高共现词是教学方法、科学概念、科学原理、实验图像、科学活动、科学探究、学习态度、问题解决、数据分析、科学方法。在叠加视图下选出教学主题的全部关键词作二次共现分析，得到关键词共现图谱（如图5）。可见，数字化实验的教学研究也有明显的发展脉络：早期的教学研究集中在图形技能、问题解决、比较分析、教学效率等方面教学价值的探讨上;之后转向教学方法的研究，包括动机养成、概念建立、探究活动等;近年来科学观念、科学原理、科学方法教育成为教学研究热点;数字化实验与科学教师专业发展的关系也开始成为教学研究主题之一。概括来说，国外数字化实验的教学研究主要集中在以下方面。

1.教学价值的发掘及实证研究

数字化实验的一大特色是实验数据的实时采集与图形化，因而数字化实验在发展学生图形技能上的价值，在早期受到很多关注。实证研究发现，数字化实验在具体的实验现象和抽象的函数图像之间搭建了桥梁，有助于发展学生的图形技能。这种图形技能的发展很大程度上得益于物理事件与图像变化的实时匹配，体现出一定的性别差异^[11]。反过来讲，这种实时图像对学生科学概念的形成也有帮助，特别是在运动学概念与电学概念的学习上，数字化实验被证明比传统实验更有效^[12]。另外，数字化实验还被证明在模型建构、问题解决、科学态度的形成等方面有其特殊的教育价值。

2.课程设计及其有效性测评

数字化实验作为一种教学手段，要整合到相匹配的科学课程中才能发挥其教育功用。美国加州大学与一所中学合作开发了基于数字化实验的实验课程模型，并进行了为期一年的教学实践，对该课程的课程特征、课程实施、收益与困难进行了探讨^[13]。在NSF的资助下，康科德联盟（the concord consortium）组织3～8年级的60多名教师和数千名学生在100多间教室使用了数字化实验设备。测评显示，数字化实验对理科学习有显著的提升作用^[14]。普尔巴等人在一所职业高中，探索如何使用带有传感器的移动设备来促进真实境脉下的物理探究式学习，研究证实了数字化实验对构建真实境脉和促进探究式学习的积极意义^[15]。

3.新技术应用的比较与整合

数字化实验的发展过程就是不断整合新兴信息技术的过程，不少研究者尝试将数字化实验技术与其他新兴实验技术进行教学应用上的比较与整合。有研究对数字化实验技术和视频分析技术在高中物理运动学教学中的应用作了比较，发现这两种技术在教学上是成功和互补的^[16]。有研究对虚拟实验室和数字化实验室在高中物理探究学习、概念学习及学习态度养成等方面作了比较，研究发现两者对概念学习同样有效，但数字化实验的实物操作比虚拟操作更具开放性和探究性，更能激发学生兴趣^[17]。

4.科学学科教师的专业发展

数字化实验的教学应用与传播离不开学科教师的积极参与，数字化实验教学对学科教师的专业发展同样也起着特殊的作用。费尔特考察了将数字化实验纳入科学教学的专业发展需求后发现，为教师提供技术工具和适当的专业发展条件，更有利于教师的教学向探究式课堂转变^[18]。韦特等人测试了影响科学教师选择与应用技术的因素的模型后发现，相比于虚拟实验软件，科学教师更乐于使用基于传感器实测的数字化实验设备，倾向于探究式教学的物理教师更多地采用数字化实验技术^[19]。比利吉测试了24名科学教师的技术知识结构后发现，数字化实验技术是这些科学教师比较熟悉的技术之一^[20]。

四、总结与展望

国际数字化实验教学研究经历了四十多年的发展，梳理近半个世纪的历史演进，显示出三条清晰主线：技术整合是数字化实验技术发展的主线;自主创新是数字化实验案例开发的主线;课程融合是数字化实验教学研究的主线。三条主线汇流于信息时代的信息化教育，随信息技术的发展而不断深化扩展，数字化实验教学仍有极为广阔的发展前景和研究空间。

（一）技术整合与普及趋势

数字化实验发展的过程就是不断整合新技术的过程。第一次整合是个人计算机与传感器技术的整合，数字化实验由此诞生，此后传感器技术的发展拓宽了数字化实验的应用范围，计算机技术的发展强化了数字化实验的数据分析功能;第二次整合是对手持设备与无线通信技术的整合，数字化实验由此脱离了笨重的计算机和杂乱的数据线，成为可以走进教室也可以走出教室的科学探究利器;第三次整合初见端倪，新近文献显示，数字化实验与微控制器及物联网技术的联系日趋密切，驱动器的引入将使数字化实验系统具备机电控制功能，不再是单一的信息采集系统;数据的网络共享将改变数字化实验的原有面貌。创新性、实用性和经济性是数字化实验技术发展的三大方向，而决定数字化实验在多大范围内惠及学生的主要是经济性，智能手机、微控制器模式下的数字化实验极大地降低了实验成本，数字化实验有望因此迎来一波普及浪潮。

（二）自主创新与开源路径

数字化实验的精神内核是自主创新，在实验案例研究方面先后出现了三条创新路径：一是基于商用数字化实验系统的应用创新，制造商是技术专家，而教育者是教学专家，将教学问题与技术装备结合就是实验创新案例。二是基于智能手机及其内置传感器的实验案例开发，传感器、数据采集器、信息处理器、显示器的合而为一，赋予了数字化实验新的形式和可能。三是基于微控制器的实验案例设计，这种设计是从硬件到软件的完整的自主构建，因而具有极大的创新空间和自由度。早期的数字化实验开发就是软硬件的自主构建，问题是有较高的技术门槛和较低的通用性。商用设备通过封装技术、打包资源，解决了高门槛和低通用性的问题，但随之而来的是成本提高、实验开发的自主性降低问题。基于微控制器的数字化实验也是完整的自主构建，在降低成本的同时不会抬高技术门槛，可以预见，实验案例开发的开源路径将成为主流。

（三）课程融合与教育转向

数字化实验的核心价值是服务于科学教育。纵观数字化实验的教学研究历程，讨论的核心问题在于两点：数字化实验是否对科学教育有利，怎样利用数字化实验开展科学教育。这两个问题在实验层面、课堂层面、课程层面都有探讨的空间，在实验层面要考虑数字化实验与传统实验教学的融合，与其他新兴实验技术的融合;在课堂层面上要考虑数字化实验在探究式学习、项目式学习、问题化学习中可以扮演什么角色，应该扮演什么角色;在课程层面上则要从课程理念的高度、课程体系的宽度、完整课程的长度探讨数字化实验教学如何融入课程，同时应该注意的是信息化课程实施的核心因素——教师的专业发展。新一代科学教育课程标准突出“跨学科实践”理念：强调科学实践和工程实践而不是实验操作和实验技能;强调核心观念和大概念而不是事实性知识和知识点;强调跨学科的统整以解决实际问题。数字化实验作为工程实践的工具、科学观念建构的依托、跨学科统整的平台，其教学价值必将得到进一步的发掘，数字化实验的教学研究将向纵深发展。

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责任编辑：牟艳娜