劉作志　萬(wàn)勇

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有別于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，是應(yīng)用傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及其他數(shù)字信息技術(shù)，采集、記錄、儲(chǔ)存、分析、顯示、傳遞、評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)形式。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)于20世紀(jì)80年代起源于美國(guó)，當(dāng)時(shí)被稱為MBL（Micro-computer-Based Labs），后又稱為Probeware和Lab probe。國(guó)內(nèi)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的時(shí)間較晚，目前一般稱作DIS（Digital Information System）。伴隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)仍在蓬勃發(fā)展，基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)也成為備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)。教育部《關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見》指出，要促進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與現(xiàn)代新興科技有機(jī)融合，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與編程教育、創(chuàng)客教育、人工智能教育的融合。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)正是這種融合的主要方向之一?；仡檾?shù)字化實(shí)驗(yàn)的發(fā)展脈絡(luò)，展望數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的發(fā)展動(dòng)向，有助于為數(shù)字化背景下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供導(dǎo)向，推動(dòng)科學(xué)教育的信息化進(jìn)程。

一、數(shù)據(jù)來源與研究方法

本研究以ERIC和WOS數(shù)據(jù)庫(kù)為數(shù)據(jù)來源，以MBL、Microcomputer-based lab、Probeware、Sensor experiment、Lab probe、PASCO等為關(guān)鍵詞進(jìn)行主題檢索，得到1985—2020年共計(jì)700余條文獻(xiàn)題錄，再將兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的題錄導(dǎo)入Endnote軟件進(jìn)行人工數(shù)據(jù)清洗，在剔除無關(guān)、重復(fù)文獻(xiàn)后得到258條有效文獻(xiàn)題錄。

知識(shí)圖譜是近年來興起的文獻(xiàn)可視化分析技術(shù)。本研究選擇荷蘭萊頓大學(xué)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(xiàn)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式后導(dǎo)入VOSviewer，進(jìn)行了關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析。由于現(xiàn)有知識(shí)圖譜分析技術(shù)仍有諸多不足，尤其是對(duì)中小樣本往往難以做出有意義的關(guān)鍵詞聚類，因此，本研究結(jié)合VOSviewer共現(xiàn)強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)，人工聚類高頻關(guān)鍵詞，并進(jìn)行了二次共現(xiàn)分析。可視化分析只涉及文獻(xiàn)題錄信息，不涉及文獻(xiàn)內(nèi)容，故本研究依據(jù)關(guān)鍵詞二次共現(xiàn)的結(jié)果對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了內(nèi)容分析，以期通過定量研究與質(zhì)性研究的結(jié)合，盡量客觀全面地反映國(guó)外數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究的歷史與現(xiàn)狀。

二、文獻(xiàn)計(jì)量與可視化分析

（一）高頻關(guān)鍵詞

軟件統(tǒng)計(jì)顯示，有效文獻(xiàn)共涉及關(guān)鍵詞779個(gè)，出現(xiàn)頻次在10次以上的有72個(gè)。在疊加視圖下，本研究以出現(xiàn)頻次為權(quán)重，對(duì)這72個(gè)關(guān)鍵詞作共詞分析，得到如圖1所示的高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖。

圖1展現(xiàn)了國(guó)外數(shù)字化實(shí)驗(yàn)及其教學(xué)研究的緣起與嬗變：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）與微型計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，在20世紀(jì)90年代以前，該領(lǐng)域研究的核心詞匯是微機(jī)（Microcomputer）;1990—2000年研究課題集中在軟硬件開發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，核心詞匯是教育技術(shù)（Educational Technology）;2010年左右轉(zhuǎn)向科學(xué)教育與教學(xué)方法的探討，核心詞匯是科學(xué)教育（Science Instruction）;2015年以后伴隨平板、智能手機(jī)等手持終端技術(shù)的成熟，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究又展現(xiàn)出新的活力，其標(biāo)志性詞匯是“Handheld Devices”。

（二）學(xué)科學(xué)段分布

本研究從VOSviewer中導(dǎo)出高頻關(guān)鍵詞列表，在歸并同義詞的基礎(chǔ)上，將所有關(guān)鍵詞先按照共現(xiàn)強(qiáng)度排序，再按學(xué)科分布、學(xué)段分布、教學(xué)主題、技術(shù)主題和實(shí)驗(yàn)主題進(jìn)行人工聚類。表1是學(xué)科與學(xué)段分布聚類中排名前五的關(guān)鍵詞，從中我們可以看到，國(guó)外數(shù)字化實(shí)驗(yàn)及其教學(xué)研究主要集中在大學(xué)和中學(xué);在中學(xué)學(xué)段，初中的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究比高中活躍些;物理學(xué)科是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究的主要領(lǐng)域，其次是化學(xué)和工程教育。

三、演進(jìn)脈絡(luò)與發(fā)展趨勢(shì)

為客觀分析國(guó)外數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的演進(jìn)脈絡(luò)與發(fā)展趨勢(shì)，本研究在教學(xué)、技術(shù)、實(shí)驗(yàn)三項(xiàng)主題聚類中各選出10個(gè)高共現(xiàn)詞，將其出現(xiàn)頻次、共現(xiàn)強(qiáng)度和加權(quán)平均年限情況以列表形式呈現(xiàn)，從而梳理出不同時(shí)期的研究熱點(diǎn)及其發(fā)展軌跡。

（一）技術(shù)主題聚類

技術(shù)主題的10個(gè)高共現(xiàn)詞是微機(jī)、手持設(shè)備、計(jì)算機(jī)軟件、通信技術(shù)、實(shí)驗(yàn)室裝備、測(cè)量裝備、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集、計(jì)算機(jī)接口、技術(shù)整合。如圖2所示，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)較為清晰，計(jì)算機(jī)技術(shù)是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)的起點(diǎn)和基石，早期的技術(shù)研究圍繞微機(jī)、軟件和接口展開，近年來給數(shù)字化實(shí)驗(yàn)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(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展主要有以下趨勢(shì)。

1.計(jì)算機(jī)的微型化與智能化

個(gè)人計(jì)算機(jī)使數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)應(yīng)用成為可能，但對(duì)日常教學(xué)來說，其稍顯笨重，缺乏靈活性;圖形計(jì)算器（Graphing Calculator）作為數(shù)據(jù)處理終端更為靈活，但在功能上又略顯單薄。隨著技術(shù)的發(fā)展，掌上電腦（Handheld）成為整合兩個(gè)方案優(yōu)點(diǎn)的發(fā)展方向^[1]。2010年前后，又出現(xiàn)了利用智能手機(jī)及其內(nèi)置傳感器開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的新形式^[2]。

2.傳感器的多樣化與自主化

最早應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(xiàn)了聲波、光強(qiáng)、電壓、心率、pH、氣壓等傳感器;20世紀(jì)90年代開始，應(yīng)用于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)傳感器、力傳感器、光電門傳感器以及GMR磁傳感器相繼涌現(xiàn);到2000年，人們嘗試在傳感器上整合數(shù)據(jù)輸出屏幕，以脫離傳感器對(duì)數(shù)據(jù)處理終端的依賴^[4]，傳感器的種類進(jìn)一步豐富。近年來，傳感器教學(xué)應(yīng)用形成了兩個(gè)值得注意的發(fā)展方向：一是對(duì)手機(jī)內(nèi)置傳感器的應(yīng)用，二是教師利用單片機(jī)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(shù)字化實(shí)驗(yàn)的一大技術(shù)難題在于，計(jì)算機(jī)并不具備直接處理傳感器模擬信號(hào)的接口和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(gè)人計(jì)算機(jī)的游戲棒及其接口做改裝，二是根據(jù)某種或某幾種傳感器設(shè)計(jì)的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口。這些接口在傳感器端無法做到廣泛兼容。20世紀(jì)90年代末，多傳感器的即插即用和快捷的數(shù)據(jù)分析成為成熟的技術(shù)。隨著手持設(shè)備的發(fā)展，平板電腦接口被開發(fā)出來，智能手機(jī)成為整合傳感器、接口和終端的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，數(shù)據(jù)的采集和處理更為方便快捷。

4.通信方式的無線化與網(wǎng)絡(luò)化

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)誕生之后的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，傳感器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)終端之間的通信只能通過數(shù)據(jù)線的連接來實(shí)現(xiàn)。20世紀(jì)90年代末，隨著藍(lán)牙無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線通信的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備開始出現(xiàn)，如PASCO的“AirLink”、Vernier的“Easylink”等。這增強(qiáng)了傳感器應(yīng)用的靈活性，為師生的戶外探究活動(dòng)提供了方便。近年來，傳感器實(shí)現(xiàn)了與手持設(shè)備的直接無線連接^[5]，基于單片機(jī)系統(tǒng)的低成本無線數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也被開發(fā)了出來^[6]。另外，網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)共享成為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)發(fā)展的新趨勢(shì)。

（二）實(shí)驗(yàn)主題聚類

實(shí)驗(yàn)主題的10個(gè)高共現(xiàn)詞是運(yùn)動(dòng)、能量、力學(xué)、聲、光、磁、熱、分子結(jié)構(gòu)、光譜、氣象，反映了實(shí)驗(yàn)研究熱點(diǎn)的領(lǐng)域分布。本研究在密度視圖下選出實(shí)驗(yàn)主題的所有關(guān)鍵詞作二次共現(xiàn)分析，繪制出如圖3所示的熱點(diǎn)分布圖譜。圖中圓斑的大小表示關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次，顏色的深度表示關(guān)鍵詞的共現(xiàn)強(qiáng)度，圓斑的融合程度表示關(guān)鍵詞間的耦合度。

由圖3可見，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)主題所涉領(lǐng)域分布較為廣泛，力學(xué)實(shí)驗(yàn)是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的熱點(diǎn)主題，且與運(yùn)動(dòng)主題、能量主題、磁學(xué)主題有較高的耦合度。這些關(guān)鍵詞沒有明顯的時(shí)間分布特征，參閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)主題研究的演進(jìn)線索掩藏在技術(shù)平臺(tái)的轉(zhuǎn)換之中。

1.早期案例及框架形成

如前所述，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是與個(gè)人電腦相伴而生的。20世紀(jì)70年代中期，部分對(duì)教育感興趣的高校物理學(xué)者，開始探索將計(jì)算機(jī)與傳感器結(jié)合應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)^[7]。美國(guó)學(xué)者羅伯特·廷克是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究的奠基性人物。最初，他設(shè)計(jì)了用溫度傳感器和個(gè)人電腦繪制溫度變化圖像的實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行了教學(xué)驗(yàn)證，隨后他開發(fā)了涉及熱學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)的系列實(shí)驗(yàn)案例，在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的硬件、軟件、接口、架構(gòu)等方面都做出了開創(chuàng)性貢獻(xiàn)^[8]。

2.商用設(shè)備及應(yīng)用創(chuàng)新

商用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的技術(shù)封裝和資源打包，降低了研究者參與實(shí)驗(yàn)案例開發(fā)的技術(shù)門檻和資源成本，一些基于商用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用的創(chuàng)新案例涌現(xiàn)出來。例如，基于PASCO公司的兩代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，雅科夫先后在7篇文獻(xiàn)中發(fā)表了10個(gè)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)，包括動(dòng)態(tài)量熱法、LCR震蕩曲線繪制^[9]等。

3.智能手機(jī)及研究轉(zhuǎn)向

隨著智能手機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，自2013年起，利用智能手機(jī)的內(nèi)置傳感器和相關(guān)軟件開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的案例文獻(xiàn)開始出現(xiàn)并不斷增長(zhǎng)，數(shù)量超過了基于商用設(shè)備的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)。智能手機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于，它具有極高的普及度，并且實(shí)現(xiàn)了多傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的集成（如圖4）。

4.微控制器及開源價(jià)值

2018年以來，基于微控制器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)案例開始登場(chǎng)。誕生于創(chuàng)客領(lǐng)域的Arduino、樹莓派等微控制器系統(tǒng)被用來設(shè)計(jì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，并以其軟硬件的開源性及對(duì)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(shù)字化實(shí)驗(yàn)的成本^[10]。

（三）教學(xué)主題聚類

教學(xué)主題聚類的10個(gè)高共現(xiàn)詞是教學(xué)方法、科學(xué)概念、科學(xué)原理、實(shí)驗(yàn)圖像、科學(xué)活動(dòng)、科學(xué)探究、學(xué)習(xí)態(tài)度、問題解決、數(shù)據(jù)分析、科學(xué)方法。在疊加視圖下選出教學(xué)主題的全部關(guān)鍵詞作二次共現(xiàn)分析，得到關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜（如圖5）。可見，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)研究也有明顯的發(fā)展脈絡(luò)：早期的教學(xué)研究集中在圖形技能、問題解決、比較分析、教學(xué)效率等方面教學(xué)價(jià)值的探討上;之后轉(zhuǎn)向教學(xué)方法的研究，包括動(dòng)機(jī)養(yǎng)成、概念建立、探究活動(dòng)等;近年來科學(xué)觀念、科學(xué)原理、科學(xué)方法教育成為教學(xué)研究熱點(diǎn);數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與科學(xué)教師專業(yè)發(fā)展的關(guān)系也開始成為教學(xué)研究主題之一。概括來說，國(guó)外數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)研究主要集中在以下方面。

1.教學(xué)價(jià)值的發(fā)掘及實(shí)證研究

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的一大特色是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與圖形化，因而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在發(fā)展學(xué)生圖形技能上的價(jià)值，在早期受到很多關(guān)注。實(shí)證研究發(fā)現(xiàn)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在具體的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和抽象的函數(shù)圖像之間搭建了橋梁，有助于發(fā)展學(xué)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(shí)時(shí)匹配，體現(xiàn)出一定的性別差異^[11]。反過來講，這種實(shí)時(shí)圖像對(duì)學(xué)生科學(xué)概念的形成也有幫助，特別是在運(yùn)動(dòng)學(xué)概念與電學(xué)概念的學(xué)習(xí)上，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)被證明比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)更有效^[12]。另外，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)還被證明在模型建構(gòu)、問題解決、科學(xué)態(tài)度的形成等方面有其特殊的教育價(jià)值。

2.課程設(shè)計(jì)及其有效性測(cè)評(píng)

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作為一種教學(xué)手段，要整合到相匹配的科學(xué)課程中才能發(fā)揮其教育功用。美國(guó)加州大學(xué)與一所中學(xué)合作開發(fā)了基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)課程模型，并進(jìn)行了為期一年的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)該課程的課程特征、課程實(shí)施、收益與困難進(jìn)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(jí)的60多名教師和數(shù)千名學(xué)生在100多間教室使用了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備。測(cè)評(píng)顯示，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)理科學(xué)習(xí)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(dòng)設(shè)備來促進(jìn)真實(shí)境脈下的物理探究式學(xué)習(xí)，研究證實(shí)了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)構(gòu)建真實(shí)境脈和促進(jìn)探究式學(xué)習(xí)的積極意義^[15]。

3.新技術(shù)應(yīng)用的比較與整合

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的發(fā)展過程就是不斷整合新興信息技術(shù)的過程，不少研究者嘗試將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)與其他新興實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行教學(xué)應(yīng)用上的比較與整合。有研究對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)和視頻分析技術(shù)在高中物理運(yùn)動(dòng)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用作了比較，發(fā)現(xiàn)這兩種技術(shù)在教學(xué)上是成功和互補(bǔ)的^[16]。有研究對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室在高中物理探究學(xué)習(xí)、概念學(xué)習(xí)及學(xué)習(xí)態(tài)度養(yǎng)成等方面作了比較，研究發(fā)現(xiàn)兩者對(duì)概念學(xué)習(xí)同樣有效，但數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的實(shí)物操作比虛擬操作更具開放性和探究性，更能激發(fā)學(xué)生興趣^[17]。

4.科學(xué)學(xué)科教師的專業(yè)發(fā)展

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)應(yīng)用與傳播離不開學(xué)科教師的積極參與，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)科教師的專業(yè)發(fā)展同樣也起著特殊的作用。費(fèi)爾特考察了將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)納入科學(xué)教學(xué)的專業(yè)發(fā)展需求后發(fā)現(xiàn)，為教師提供技術(shù)工具和適當(dāng)?shù)膶I(yè)發(fā)展條件，更有利于教師的教學(xué)向探究式課堂轉(zhuǎn)變^[18]。韋特等人測(cè)試了影響科學(xué)教師選擇與應(yīng)用技術(shù)的因素的模型后發(fā)現(xiàn)，相比于虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，科學(xué)教師更樂于使用基于傳感器實(shí)測(cè)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，傾向于探究式教學(xué)的物理教師更多地采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)^[19]。比利吉測(cè)試了24名科學(xué)教師的技術(shù)知識(shí)結(jié)構(gòu)后發(fā)現(xiàn)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)是這些科學(xué)教師比較熟悉的技術(shù)之一^[20]。

四、總結(jié)與展望

國(guó)際數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究經(jīng)歷了四十多年的發(fā)展，梳理近半個(gè)世紀(jì)的歷史演進(jìn)，顯示出三條清晰主線：技術(shù)整合是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展的主線;自主創(chuàng)新是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)案例開發(fā)的主線;課程融合是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究的主線。三條主線匯流于信息時(shí)代的信息化教育，隨信息技術(shù)的發(fā)展而不斷深化擴(kuò)展，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍有極為廣闊的發(fā)展前景和研究空間。

（一）技術(shù)整合與普及趨勢(shì)

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)發(fā)展的過程就是不斷整合新技術(shù)的過程。第一次整合是個(gè)人計(jì)算機(jī)與傳感器技術(shù)的整合，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)由此誕生，此后傳感器技術(shù)的發(fā)展拓寬了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用范圍，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展強(qiáng)化了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析功能;第二次整合是對(duì)手持設(shè)備與無線通信技術(shù)的整合，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)由此脫離了笨重的計(jì)算機(jī)和雜亂的數(shù)據(jù)線，成為可以走進(jìn)教室也可以走出教室的科學(xué)探究利器;第三次整合初見端倪，新近文獻(xiàn)顯示，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與微控制器及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的聯(lián)系日趨密切，驅(qū)動(dòng)器的引入將使數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具備機(jī)電控制功能，不再是單一的信息采集系統(tǒng);數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享將改變數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的原有面貌。創(chuàng)新性、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展的三大方向，而決定數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在多大范圍內(nèi)惠及學(xué)生的主要是經(jīng)濟(jì)性，智能手機(jī)、微控制器模式下的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)極大地降低了實(shí)驗(yàn)成本，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有望因此迎來一波普及浪潮。

（二）自主創(chuàng)新與開源路徑

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的精神內(nèi)核是自主創(chuàng)新，在實(shí)驗(yàn)案例研究方面先后出現(xiàn)了三條創(chuàng)新路徑：一是基于商用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用創(chuàng)新，制造商是技術(shù)專家，而教育者是教學(xué)專家，將教學(xué)問題與技術(shù)裝備結(jié)合就是實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新案例。二是基于智能手機(jī)及其內(nèi)置傳感器的實(shí)驗(yàn)案例開發(fā)，傳感器、數(shù)據(jù)采集器、信息處理器、顯示器的合而為一，賦予了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)新的形式和可能。三是基于微控制器的實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)是從硬件到軟件的完整的自主構(gòu)建，因而具有極大的創(chuàng)新空間和自由度。早期的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)開發(fā)就是軟硬件的自主構(gòu)建，問題是有較高的技術(shù)門檻和較低的通用性。商用設(shè)備通過封裝技術(shù)、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(shí)驗(yàn)開發(fā)的自主性降低問題?；谖⒖刂破鞯臄?shù)字化實(shí)驗(yàn)也是完整的自主構(gòu)建，在降低成本的同時(shí)不會(huì)抬高技術(shù)門檻，可以預(yù)見，實(shí)驗(yàn)案例開發(fā)的開源路徑將成為主流。

（三）課程融合與教育轉(zhuǎn)向

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的核心價(jià)值是服務(wù)于科學(xué)教育?？v觀數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)研究歷程，討論的核心問題在于兩點(diǎn)：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是否對(duì)科學(xué)教育有利，怎樣利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)開展科學(xué)教育。這兩個(gè)問題在實(shí)驗(yàn)層面、課堂層面、課程層面都有探討的空間，在實(shí)驗(yàn)層面要考慮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合，與其他新興實(shí)驗(yàn)技術(shù)的融合;在課堂層面上要考慮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在探究式學(xué)習(xí)、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、問題化學(xué)習(xí)中可以扮演什么角色，應(yīng)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(zhǎng)度探討數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)如何融入課程，同時(shí)應(yīng)該注意的是信息化課程實(shí)施的核心因素——教師的專業(yè)發(fā)展。新一代科學(xué)教育課程標(biāo)準(zhǔn)突出“跨學(xué)科實(shí)踐”理念：強(qiáng)調(diào)科學(xué)實(shí)踐和工程實(shí)踐而不是實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)技能;強(qiáng)調(diào)核心觀念和大概念而不是事實(shí)性知識(shí)和知識(shí)點(diǎn);強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科的統(tǒng)整以解決實(shí)際問題。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作為工程實(shí)踐的工具、科學(xué)觀念建構(gòu)的依托、跨學(xué)科統(tǒng)整的平臺(tái)，其教學(xué)價(jià)值必將得到進(jìn)一步的發(fā)掘，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)研究將向縱深發(fā)展。

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責(zé)任編輯：牟艷娜