中國數(shù)字化實驗十五年發(fā)展綜述

馮容士 李鼎

摘 要：上世紀(jì)80年代，數(shù)字化實驗出現(xiàn)于美國。2002年，上海市二期課改啟動，數(shù)字化實驗的概念、方法在上海課標(biāo)和上海教材中得以體現(xiàn)。2003年起，數(shù)字化實驗開始借國家新一輪課程教材改革走向全國。鑒于數(shù)字化實驗已經(jīng)在全國范圍內(nèi)取得了一定的教學(xué)成果，故筆者在直接從事相關(guān)研究的同時，采用比較研究法、歷史研究法和文獻研究法對十五年來中國數(shù)字化實驗的發(fā)展進程進行了一番梳理，對中美數(shù)字化實驗的發(fā)展規(guī)律、中國數(shù)字化實驗的發(fā)展現(xiàn)狀進行了初步的歸納和總結(jié)。本文認為：中國的數(shù)字化實驗發(fā)展迅速，且對整個理科實驗教學(xué)的改革產(chǎn)生了深遠的影響。但未來仍需解決技術(shù)進步、拓展應(yīng)用和知識產(chǎn)權(quán)保護三大難題，才能夠使數(shù)字化實驗在產(chǎn)品類型、教學(xué)實踐和研究發(fā)展方面形成真正的中國特色，對教育改革提供更有力的支撐。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)；數(shù)字化實驗；教育改革

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）3-0010-3

數(shù)字化實驗，特指使用傳感器和計算機為代表的數(shù)字化技術(shù)替代傳統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)采集和處理分析，從而形成的新型實驗?zāi)Ｊ健Ｄ壳霸趪鴥?nèi)統(tǒng)稱為DIS，即Digital Information System。數(shù)字化實驗在國外出現(xiàn)較早，但在中國，卻是伴隨著始于2002年的上海二期課改和2003年的國家新一輪課程教材改革而出現(xiàn)的新生事物。自誕生以來，數(shù)字化實驗憑借與學(xué)科教學(xué)相整合的信息技術(shù)手段，深刻地改變了實驗教學(xué)形態(tài)，已成為理科教育，特別是實驗教學(xué)的“熱點”。因此，其發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢格外值得重視和研究。

1 興起并發(fā)展于美國

1986年，美國國家儀器公司（NI）的Lab View產(chǎn)品誕生，計算機開始成為儀器分析的核心平臺。通過傳感器采集數(shù)據(jù)、通過計算機分析和處理數(shù)據(jù)的“虛擬儀器”開始成為成長最快的儀器類別。盡管NI并沒有進入基礎(chǔ)教育實驗教學(xué)市場，但其Lab View產(chǎn)品在科研領(lǐng)域和高校的工程學(xué)教學(xué)領(lǐng)域的成功啟發(fā)了PASCO、Vernier等美國教學(xué)儀器公司。他們先后依托當(dāng)時剛開始在美國教育界流行起來的個人電腦，開發(fā)出了能夠采集、傳輸實驗數(shù)據(jù)的傳感器和接口裝置，以及能夠顯示實驗數(shù)據(jù)變化過程并能夠進行數(shù)據(jù)分析的軟件，然后逐漸形成了各自的實驗教學(xué)系統(tǒng)。

隨著上述實驗教學(xué)系統(tǒng)中的傳感器日益豐富、軟件功能不斷完善，PASCO等公司又根據(jù)數(shù)字化實驗的特征和需求，開發(fā)了多種新型配套實驗器材，不僅解決了傳感器與實驗教學(xué)的接口問題，還優(yōu)化了實驗室的基礎(chǔ)裝備，提高了實驗數(shù)據(jù)質(zhì)量。

計算機始終是數(shù)字化實驗的核心。美國的數(shù)字化實驗教學(xué)設(shè)備先后經(jīng)歷了與PC臺式機、筆記本電腦、圖形計算器直至iPad等移動終端的配套過程。最近出現(xiàn)的是與Google Chrome Book（谷歌公司推行的一種不需要硬盤、僅需要低端CPU的“完全在線式”筆記本電腦）連接的數(shù)字化實驗裝置。這類實驗裝置的出現(xiàn)，標(biāo)志著實驗教學(xué)的數(shù)據(jù)處理和存儲也正在“云端化”。

美國數(shù)字化實驗教學(xué)的發(fā)展過程中，呈現(xiàn)出“物理為先、其他學(xué)科跟進”的發(fā)展規(guī)律。即便處在美國推行綜合科學(xué)教育的大環(huán)境下，數(shù)字化實驗也是首先用于與物理相關(guān)的實驗內(nèi)容，隨后才是生命科學(xué)和化學(xué)等。由于美國科學(xué)教育界有較強的“做中學(xué)”（Hands On）傳統(tǒng)，數(shù)字化實驗亦被廣泛應(yīng)用于探究式教學(xué)和學(xué)生自主實驗，包括野外觀察和項目研究等[1]。

美國數(shù)字化實驗教學(xué)的應(yīng)用實踐，對世界范圍內(nèi)的實驗教學(xué)數(shù)字化發(fā)展起到了帶動作用。目前除美國之外，獨立研究和應(yīng)用數(shù)字化實驗的國家，在其起步階段都或多或少地受到了美國的影響。

2 中國數(shù)字化實驗的起步

美國數(shù)字化實驗產(chǎn)品在中國亮相的時間大約是在上世紀(jì)九十年代。當(dāng)時介入中國實驗教學(xué)最深的，并不是PASCO和Vernier，而是美國德克薩斯儀器公司（TI）。TI公司的拳頭產(chǎn)品是數(shù)學(xué)領(lǐng)域的圖形計算器，同時也有部分與之配套的傳感器，而當(dāng)時TI針對中國教育市場的計劃就是從數(shù)學(xué)向科學(xué)延伸。

盡管現(xiàn)在看來當(dāng)時進入中國的數(shù)字化實驗產(chǎn)品都很初級，僅能完成有限的幾個物理量和化學(xué)量的測量，支持幾個相對簡單的小實驗，比如“實時顯示條形磁鐵進出通電螺線管時電流、電壓的變化曲線”“測量籃球落地反彈后的動作衰減”等，但卻給中國實驗教學(xué)界帶來了強烈的震撼。很多有識之士已經(jīng)敏銳地覺察到了信息技術(shù)與實驗教學(xué)整合的巨大潛力，并主動地開始了相關(guān)的探索研究。

上海南洋中學(xué)奚天敬等物理教師參考PASCO產(chǎn)品，自行搭建起了簡易的以計算機為基礎(chǔ)的實驗數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)。1992年起，教育部下屬教學(xué)儀器研究所的房德惠研究員嘗試推出了名為“HPC-1微機輔助物理實驗接口箱”的數(shù)字化實驗教學(xué)系統(tǒng)，并在國內(nèi)進行了小范圍應(yīng)用。90年代末，以山東遠大為代表的國內(nèi)幾家小型技術(shù)公司也開始轉(zhuǎn)型從事數(shù)字化實驗設(shè)備的開發(fā)。但是，彼時國內(nèi)機構(gòu)和個人的上述工作，不僅缺乏系統(tǒng)的教學(xué)研究作為支撐，而且缺乏配套的教材，所以并沒有形成廣泛的教學(xué)應(yīng)用。

隨著國家新一輪課程教材改革的試點區(qū)——上海進入二期課改的籌備階段，上海教委認識到：通過信息技術(shù)手段實現(xiàn)對實驗數(shù)據(jù)流的掌控，并對學(xué)生的認知提供有力支持，是數(shù)字化實驗最為根本的教學(xué)價值。上海教委隨即對數(shù)字化實驗作出了明確規(guī)劃：“積極探索多媒體計算機與物理實驗的結(jié)合，實現(xiàn)對物理實驗的實時控制及對實驗數(shù)據(jù)的自動化采集和處理，以更好地發(fā)揮實驗教學(xué)的功能?！盵2]

自2002年6月起，上海市教委教研室組建了上海市中小學(xué)數(shù)字化實驗系統(tǒng)研發(fā)中心，成為了中國首家、也是目前唯一一家專業(yè)的數(shù)字化實驗研發(fā)機構(gòu)，實現(xiàn)了數(shù)字化實驗領(lǐng)域基于教育需求的“訂制-研發(fā)”功能。隨后，上海教委在課程標(biāo)準(zhǔn)層面明確提出：要“在物理實驗教學(xué)中引進現(xiàn)代技術(shù)，配置DIS實驗室及計算機輔助物理實驗軟件，改革實驗教學(xué)模式”[3]，并將其作為課標(biāo)實施的重要保障手段。2002年版的上海二期課改中學(xué)物理教材引入了20個數(shù)字化實驗（含數(shù)字化實驗體驗研究項目），并在隨后的改版教材中進一步將涵蓋力、熱、聲、電、光、原的數(shù)字化實驗在全部實驗中的占比提升到了42%。事實證明，課程標(biāo)準(zhǔn)和基于課程標(biāo)準(zhǔn)編寫的上海課改教材的推行，確保了數(shù)字化實驗在教學(xué)一線的實際應(yīng)用。

3 中國數(shù)字化實驗的成長

在中國的教育版圖上，上海教委的嘗試，只能算是給數(shù)字化實驗開了個好頭。數(shù)字化實驗在全國的推廣，首先得益于中國理科教學(xué)界，特別是物理教學(xué)界對于其教學(xué)價值的肯定，其次得益于人民教育出版社等出版的國家級新課標(biāo)教材對數(shù)字化實驗的接納。

相比于能夠統(tǒng)籌“全市一盤棋”的上海教委，人教社等新課標(biāo)物理教材面對的是全國幾十個省份。由于各地的經(jīng)濟、教育發(fā)展不均衡，因此他們在教材中引入數(shù)字化實驗的過程顯得格外謹慎。上述教材普遍采取了“先用數(shù)字化實驗做傳統(tǒng)方法做不了的實驗、再做傳統(tǒng)實驗做不好的實驗”的漸進策略，事后被證明是相當(dāng)務(wù)實、有效的。比如，2004年版的人教版高中物理必修1教材在“做一做”單元首先引入了分體式位移傳感器和力傳感器，在選修3-4等教材中引入了相對光照度分布傳感器及磁感應(yīng)強度、G-M等傳感器，分別推出了牛頓第二定律、牛頓第三定律和光的干涉衍射等多個實驗的數(shù)字化解決方案。這一做法打動了長期被上述實驗問題困擾的一線教師，對數(shù)字化實驗起到了良好的導(dǎo)入作用。

物理新課標(biāo)教材的積極嘗試帶動了生物和化學(xué)等學(xué)科的實驗教學(xué)數(shù)字化進程，中國數(shù)字化實驗在各個學(xué)科內(nèi)的發(fā)展順序也由此體現(xiàn)出了與美國類似的規(guī)律。隨著新課標(biāo)教材的推廣，同時越來越多的教師憑借數(shù)字化實驗在全國教學(xué)大賽上獲獎，中國數(shù)字化實驗的時代正式開啟。

經(jīng)過多年發(fā)展，中國的數(shù)字化實驗已經(jīng)形成了頗具特色的產(chǎn)品和應(yīng)用體系：其軟件按照架構(gòu)進行劃分，可分為C/S、B/S和APP三大類。常見的實驗教學(xué)軟件多為C/S架構(gòu)。近些年隨著移動互聯(lián)網(wǎng)平臺的發(fā)展，支持安卓和IOS甚至谷歌Chrome系統(tǒng)的APP軟件開始高速涌現(xiàn)。其硬件可劃分為實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、實驗配套器材、智能實驗儀器和科學(xué)探究系統(tǒng)四大體系。上述軟硬件基本涵蓋了從小學(xué)到中學(xué)各個學(xué)段的物理、化學(xué)、生物和科學(xué)等學(xué)科的實驗教學(xué)需求。

數(shù)字化實驗在教學(xué)中主要有以下應(yīng)用模式：顯示實驗數(shù)據(jù)在實驗過程中的變化、揭示引發(fā)實驗數(shù)據(jù)變化的原因、驗證作為教學(xué)內(nèi)容的相關(guān)規(guī)律（公式、定理等）、作為信號源實現(xiàn)對相關(guān)設(shè)備（執(zhí)行器）的控制等。前三項用途可視為常規(guī)教學(xué)應(yīng)用，后一項用途已經(jīng)具備自動控制的基礎(chǔ)屬性，在新興的STEM教育領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間。

從學(xué)科教學(xué)的角度來看，數(shù)字化實驗已經(jīng)服務(wù)于以下領(lǐng)域：小學(xué)科學(xué)的演示實驗、分組實驗和學(xué)生自主實驗、科學(xué)探究實驗；初中、高中階段的理、化、生、地演示實驗、分組實驗和學(xué)生自主實驗，探究式教學(xué)和STEM教育；師范類高?？茖W(xué)類課程的實驗教學(xué)，中小學(xué)教法教學(xué)；部分高校的理科實驗和工程學(xué)設(shè)計；同時，數(shù)字化實驗也顯示出了裝備家庭科學(xué)實驗室、開展家庭科學(xué)教育的潛力。

4 中國數(shù)字化實驗的發(fā)展展望

數(shù)字化實驗不是目的，而是教學(xué)改革的手段。在科學(xué)素養(yǎng)成為理科教學(xué)的重要目標(biāo)的今天，數(shù)字化實驗也必須與時俱進、有所作為。

4.1 技術(shù)進步

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，作為信息技術(shù)與理科實驗教學(xué)整合的產(chǎn)物，數(shù)字化實驗注定在未來將不斷地進行升級改造。近期，上海市教委已初步將建立“從行為到數(shù)據(jù)、再從數(shù)據(jù)到行為”數(shù)字化實驗大數(shù)據(jù)鏈環(huán)列入規(guī)劃，目的是為實驗教學(xué)的改革提供更為有力的支持。除此之外，行業(yè)內(nèi)多家企業(yè)已將移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬現(xiàn)實和微機械等熱點技術(shù)作為數(shù)字化實驗的追求目標(biāo)，智能實驗儀器和STEM組件正在成為發(fā)展重點。

但是，技術(shù)進步除了意味著研發(fā)投入的巨大成本以外，還需要以教學(xué)的實際應(yīng)用作為呼應(yīng)，方可形成技術(shù)進步的正反饋循環(huán)。這需要企業(yè)和教育部門通過更加深入地溝通和協(xié)作來完成。

4.2 應(yīng)用拓展

盡管數(shù)字化實驗的理念和方法已經(jīng)被中國實驗教學(xué)界基本接受，但其教學(xué)應(yīng)用還遠未實現(xiàn)常態(tài)化，大部分教師只是將數(shù)字化實驗用于公開課和教學(xué)比賽。為此，上海市已經(jīng)通過閘北八中等學(xué)校的率先試點，開始實施數(shù)字化實驗常態(tài)化應(yīng)用試點校和試點區(qū)計劃，其目標(biāo)就是把數(shù)字化實驗更為廣泛、深入地應(yīng)用在教學(xué)之中。

我們期待上海再次發(fā)揮課改試點區(qū)的作用，推動全國范圍內(nèi)實驗教學(xué)與信息技術(shù)全面融合的進程。但同時我們也應(yīng)清醒地認識到：只有廣大教師將實驗教學(xué)的開展和改進提升到與培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力和終身學(xué)習(xí)能力緊密相關(guān)的高度，才能在應(yīng)試和育人之間形成新的平衡，從而進一步發(fā)揮數(shù)字化實驗的教育教學(xué)功能。

4.3 知識產(chǎn)權(quán)保護

中國數(shù)字化實驗儀器設(shè)備的發(fā)展在十年前就基本擺脫了國外產(chǎn)品（主要是美國產(chǎn)品）的影響，但國內(nèi)企業(yè)的侵權(quán)仿冒現(xiàn)象還是相當(dāng)普遍。往往是某企業(yè)推出一種新產(chǎn)品，不出半年各企業(yè)就都完成了“克隆”。各家產(chǎn)品盡管名號類似，但產(chǎn)品質(zhì)量、教學(xué)功能和售后服務(wù)卻天差地遠，這不僅給學(xué)校和教師帶來了選擇的困惑甚至風(fēng)險，而且不利于中國數(shù)字化實驗設(shè)備行業(yè)的長遠發(fā)展。

為此，中國教育裝備行業(yè)協(xié)會等機構(gòu)專門出臺了相關(guān)的約束性規(guī)范，部分企業(yè)還通過司法方式展開了自主維權(quán)，這些做法在一定程度上對侵權(quán)現(xiàn)象形成了遏制。但最根本的解決方法還是需要讓每個企業(yè)都認識到：唯有扎扎實實走產(chǎn)品研發(fā)與教學(xué)研究相結(jié)合的道路，從根本上構(gòu)建企業(yè)的自主知識產(chǎn)權(quán)，才算走上了服務(wù)教育、謀求發(fā)展的正途。因此，中國數(shù)字化實驗教學(xué)領(lǐng)域的知識產(chǎn)權(quán)保護問題，依然任重道遠。

參考文獻：

[1][美]國家研究理事會科學(xué)、數(shù)學(xué)及技術(shù)教育中心等.羅星凱，等，譯.科學(xué)探究與國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)——教與學(xué)的指南[M].北京：科學(xué)普及出版社，2013：68.

[2]上海市中小學(xué)課程教材改革委員會辦公室.面向21世紀(jì)中小學(xué)新課程方案和各學(xué)科教育改革行動綱領(lǐng)[M].上海：上海教育出版社，1999：177.

[3]上海市教育委員會.上海市中學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)（試行稿）[S].上海：上海教育出版，2004：114.