數字化實驗的歷史及啟示

李惠馬宏佳

（南京師范大學教師教育學院　江蘇南京　210097）

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數字化實驗的歷史及啟示

李惠馬宏佳*

（南京師范大學教師教育學院江蘇南京210097）

摘要：文章基于翔實文獻，以數字化實驗中有重要影響的兩名先驅者，Robert Tinker和David Vernier的故事為主要內容，以數字化實驗的緣起、初步發展階段和應用推廣階段為線索展開，簡述了數字化實驗發展的歷史進程。并據此獲得啟示：數字化實驗是信息技術發展的必然產物；是教育研究和技術研究結合的產物；數字化實驗在教育中的應用有巨大潛力也有必須克服的困難。

關鍵詞：數字化；實驗；歷史

數字化實驗是利用傳感器、數據采集器和計算機及相應軟件進行的實驗。數字化實驗肇始于西方發達國家，目前在我國已經獲得了越來越多的關注，那么，數字化實驗如何緣起?又是怎樣一步步發展的?這些問題自然首先引起人們的關心。本文作者通過研讀相關文獻［1］，試圖對以上問題加以梳理和呈現，并從中獲得啟示。

一、數字化實驗的緣起

1.羅伯特·廷克（Robert Tinker）與約翰·金（John King）相遇

Robert Tinker是數字化實驗的首創者和命名人。1965年，Robert Tinker進入美國麻省理工學院跟隨John King教授攻讀物理和教學相結合的博士學位。John King是20世紀美國物理教育界的領導者之一，也是優秀的實驗物理學家和專注的教育家，他最早將傳感器引入物理教育。他的夢想是設計一個裝著傳感器的鞋盒大小的盒子，學生能用盒子里的傳感器來測量幾乎所有的東西［2］。在很多方面，數字化實驗是King教育思想的直接延續。

Robert Tinker與其導師的教育思想有深刻的內在一致。在讀博之前，Robert Tinker曾經在美國的史迪爾門學院任教兩年，這段教學經歷喚醒了他對教育的終身興趣，同時讓他得到了如何提高科學教育水平的啟示。Robert Tinker教學時發現，當時的教學材料并不能滿足學生需要，因此，他就用自己的觀察和親自動手實驗來幫助教學。他認為，學得最明白的課是那種用好的儀器設備讓學生親手實踐的課。這種學習能夠對復雜現象迅速地形成直觀理解。一旦好的直覺到位了，物理學那些抽象的，以公式來表示的處理方法就容易理解了［3］。正是由于這樣的教學經歷，Robert Tinker追隨著他的導師John King的教育思想，逐步把數字化實驗變成現實。

Robert Tinker數字化實驗的靈感來自“發酵葡萄汁泡泡計數實驗”。這是在1970年以前，微型計算機還沒出現，Bi11 Wa1ton指導的“計算機和實驗室計算（CLAC）”項目，開發了一個實驗活動：使用一個計算器、一臺x-y繪圖儀和一臺光檢測器來檢測計數發酵葡萄汁中產生的泡泡數，只要酵母在繁殖，泡泡的總量隨時間推移所形成的圖像是呈指數趨勢上升的，繪圖儀便可即時顯示出泡泡數目隨時間上升的變化圖像，從而提高學習者對關鍵運算思想的直覺。這個實驗讓Robert Tinker意識到，數值方法和交互式的圖像可以支持直覺運算，可以幫助學生對復雜現象形成直觀理解，同時，計算器、繪圖儀和光檢測器的配合使用也使Robert Tinker印象深刻［4］。

2.計算機使用及模擬信號與數字信號的轉換

1976年，在美國國家科學基金會（NSF）的支持下，Robert Tinker和Hi1ton Abbott開始了一個名為“計算機和實驗室數學（CALM）”的項目。該項目的理想是建構一個計算機控制的環境來教學生邏輯和編程。例如，構建一個模型鐵路，其轉轍器和機車發動機變速器都由計算機程序控制。該項目為數字化實驗的開發奠定了計算機控制的基礎。

研究中，Robert Tinker發現，當時的實驗室測量主要以模擬信號為主，如溫度、光照水平和電壓等均為模擬信號，這種模擬信號如何以數字信號的形式輸入到計算機中，成為一個大問題。模擬信號并不適合計算機的數字世界。Robert Tinker的朋友Greg Edward是一個物理學家，也是在NSF的項目專員，他對未來科技有著清晰的視野。他使Robert Tinker相信模擬——數字轉換器將使計算機成為完美的實驗室儀器。于是，Robert Tinker和他的團隊開展了艱苦的創造性的努力，通過編程和改造計算機硬件，終于解決了數字信號與模擬信號的轉換和輸入輸出問題。Robert Tinker在KIM-1計算機上加入了模擬——數字轉換器，一個名叫MOSK科技的小公司把它做成了單片KIM-1計算機，以245美元一臺的價格出售，并被摩托羅拉等公司購買。計算機的使用和模擬信號與數字信號的轉換為數字化實驗提供了技術保障的基礎。

3.“冷卻曲線實驗”—第一個教學應用的數字化實驗

“發酵葡萄汁泡泡計數實驗”盡管很有啟發性，但對教育沒有太多直接影響，因為制作含酒精的葡萄汁與學校教學內容幾乎沒有聯系。模數轉換器的加入，使數字化實驗的測量范圍擴大到溫度、光、電壓等物理量。在這個基礎上，1978年，Robert Tinker開發出了第一個具有教學應用的數字化實驗：“冷卻曲線實驗”［5］。

冷卻曲線實驗采用Robert Tinker改造的能夠使用模擬輸入的KIM-1計算機，用熱電偶來測量試管中的衛生球（萘）在冷卻過程中不同時點的溫度，產生的模擬信號輸入至計算機，并以模擬信號的方式輸出到示波器上，從而實時顯示出溫度變化。

以前做這個實驗，學生通常需要長時間實驗并記錄不同時刻的溫度，然后將數據繪制成曲線。他們通常不能理解圖形的特征和正在冷卻的物質性質之間的關系。經常不能理解在固液轉換期間觀察到的溫度曲線平臺的物理意義，丟失了關鍵性的觀察。使用Robert Tinker的數字化實驗時，因為探針很小，反應靈敏，因此所需樣品量很少，實驗能在幾分鐘內完成，學生有充足的時間在沒有相變的情況下完成冷卻曲線，再與有相變情況下的冷卻曲線相比。隨著實驗的進行，學生能夠看見溫度的變化圖像。他們看見在平臺期的開始階段，固體以可愛的雪花狀的粒子狀態開始出現，平臺后期完全凝固。當實驗正在進行時，他們能夠推測溫度恒定的原因。如果幸運的話，也能觀察到過冷現象。教師甚至提供了第二個傳感器來測量周圍水的溫度，學生因此能夠確認即使衛生球的溫度保持恒定，但水變得更冷了，說明衛生球正在從水中吸收熱量。

冷卻曲線實驗是第一個成功的具有教學應用的數字化實驗，該實驗展示出傳感器和計算機軟硬件結合具有的強大教育潛力。該實驗在美國物理教師協會（AAPT）年會等會議上多次演示，引起了與會者的極大興趣，為數字化實驗研究注入了極大的活力。

4. Robert Tinker為數字化實驗命名

到1980年，以教育為目的的實時數據采集的實驗系統需要一個名字。Robert Tinker認為這個名字不僅要反映該技術，而且還需要表達出這是一個開放式的教育方法，從而把它與自動化實驗室或用傳感器進行操練和實踐區別開來，他決定將其命名為以微型計算機為基礎的實驗（Microcomputer-Based Laboratories），簡稱MBL。Microcomputer這個詞中強調的微型計算機是刻著時代烙印的，在當時用以區別于體積龐大的計算機。今天的個人電腦，功能強大，體積微小已成常態，早已不再需要前綴“micro”。因此，MBL的名字已經過時，在西方，人們越來越多地使用“probeware”這個Marcia Linn發明的名詞來指代數字化實驗。

隨著計算機技術的不斷進步，Robert Tinker和他的同事，不斷改進數字化實驗，開發了多種傳感器及配套的硬件和軟件。Robert Tinker是當之無愧的數字化實驗的先驅。

二、數字化實驗的初步發展

1.集成的數字化實驗包

為了發展數字化實驗，Robert Tinker的團隊設計了一個“藍盒子”（相當于現在的數據采集器），連接到蘋果計算機的游戲端口，并制作了四個內置的模擬輸入，2個數字輸入和2個數字輸出，供實驗使用。溫度、光、電壓的傳感器可以通過連接器連接到藍盒子。他們寫了一系列簡短的BASIC程序，這些程序可以利用這個接口，甚至提供建議的學生活動。Robert Tinker的團隊還出版了包含實驗室指導的《生理學實驗》套件，包括測量心率、呼吸速率、皮膚電導率等生理指標的實驗。該套件包括了一個老師所需的一切：一個藍盒子，電線，十個短程序（蘋果電腦專用），傳感器和一本手冊。這個套件很成功，受到教師和學校的歡迎。憑直覺，Robert Tinker認為化學教師會對pH測量很感興趣，于是，開發了另一個化學實驗包。因為經費短缺，Robert Tinker和來自愛荷華州克拉克學院的化學教師Sister Diana Ma1one，利用假期完成了這個化學實驗包的開發工作。

化學實驗包的典型設備是一個玻璃的pH電極，通過放大器盒連接到藍盒子上，看起來有點不倫不類，但很便宜。最令人印象深刻的實驗是中和滴定。當酸或堿逐滴加入到溶液中時，其pH值與時間的曲線圖完美地呈現出來，對多元酸或堿的滴定，還可以出現兩個或三個滴定突躍。同時，這個化學實驗包還可以進行反應動力學、化學發光、吸熱放熱和潛熱等實驗。

實驗軟件集成包，沖破了以前為每個實驗都要編寫單獨程序的限制，使得軟件的靈活性和學生可以進行實驗探索的范圍大大增加。化學實驗包也取得了商業上的成功，并獲得了當年的年度最佳軟件獎。

2.數字化實驗的課堂研究

1982年，Tim Barc1ay和Robert Tinker進行了第一個數字化實驗的課堂研究。他們選擇了美國阿林頓一個中等收入地區的四年級學生，進行測量溫度的實驗。開始，研究者們并不知道學生不會識圖和認識小數，也沒有這樣的教學要求。但是，實驗顯示的溫度卻精確到了0.1℃。

研究的初始目的是讓學生找出傳感器的哪個部分是對溫度敏感的。實時互動的力量引導學生理解抽象概念，這是研究者看到的第一個跡象。事實上，孩子們使用他們對溫度的感覺和他們的手指的敏感度來到電腦顯示器上追蹤他們的經驗。他們可以感覺到溫度的變化，同時，看到數字的變化。根據與設備的互動，學生們不僅知道了是傳感器的尖端對溫度敏感，還根據手指對溫度的感知、追蹤顯示器上實時的溫度變化，學會了小數。比如，顯示器將35.0℃顯示為35℃，34.9℃和35℃的大小若只憑學生過去的經驗，就會把34.9℃看成是349℃，比35℃大。但是通過升溫的過程和圖像顯示的溫度變化，學生會明白二者大小的正確順序。這種與設備實時互動，能幫助學生理解抽象概念，是研究者們得到的第一個結論。

Robert Tinker1982年所做的這個數字化實驗課堂教學研究，是我們所看到的最早的數字化實驗課堂教學研究［6］，盡管該研究并未在正式期刊上發表，但這些研究使Robert Tinker團隊確信，通過使用數字化實驗進行實時互動，可以更好地進行像圖和小數這樣的科學概念的教學。

3.數字化實驗雛形初具蓄勢待發

從上世紀70年代末到80年代初，數字化實驗的雛形已經形成，關鍵的技術問題也得到解決，其發展也已有了清晰的思路。但研究經費的缺乏仍困擾著數字化實驗的研究者。

Robert Tinker的團隊在美國國家科學基金會（NSF）的資助下，舉辦了許多工作坊和研討會來培訓教師，很受歡迎，因為在研討會中教師學到的東西，可以在他們的教學中使用。盡管里根總統上任后，削減了聯邦政府對教育的投入，Robert Tinker的團隊仍然堅持在美國各地開展數字化實驗的工作坊。他們提供電腦和材料供工作坊使用，并且給教師以編程語言方面的指導。Robert Tinker認為，廣泛應用數字化實驗，讓每一位教師都能意識到它在科學課堂中的價值是最重要的。同時，Robert Tinker的團隊也試圖通過商業運作來為數字化實驗的推廣“造血”。

值得一提的是，在Robert Tinker于俄勒岡研究中心組織的工作坊上，數字化實驗的教育潛力給一位名叫David Vernier的物理教師留下了深刻的印象，他后來創立了Vernier軟件科技（Vernier Software& Techno1ogy）公司，并成為數字化實驗的主要供應商。Vernier公司、PASCO公司等數字化實驗儀器公司用所得利潤不斷“反哺”數字化實驗研究，對數字化實驗在世界范圍內的應用和推廣做出了巨大貢獻。

與美國數字化實驗主要由企業推動發展相比，在歐洲，數字化實驗則更多表現為高校主導的發展模式。

三、數字化實驗的發展與推廣階段

1.歐洲數字化實驗的發展

在歐洲的一些國家，包括英國、蘇格蘭、荷蘭、德國、意大利，數字化實驗也獨立發展起來。總的來說，歐洲的大學在教育創新中要比美國的大學擔負的責任更大。因此，在歐洲數字化實驗研究一直是高校主導型的，通常由物理系主導。

最令人印象深刻的努力之一，是由荷蘭阿姆斯特丹大學的物理學家Ton E11ermiejer主導的。20世紀80年代以來，他一直致力于發展和推廣數字化實驗，首先是在大學的物理教學中應用。

在歐洲，更集中的、以學科為基礎的教育體系在數字化研究方面通常是制定一個長期的計劃，以實現技術發展、教師專業發展及課程變化之間的協調。例如，在荷蘭，經過長時間的醞釀，數字化實驗在兩個地方被列入國家課程。Ton E11ermiejer的團隊開發了使用這些工具的必要的硬件、軟件和課程材料樣本。根據這些，邀請出版者來編寫他們的教學材料。同時，教這些新內容的每一個老師都會受到培訓，所有的教室都有必要的硬件和軟件，所有的學生材料都獲得了課程的支持。

20世紀80年代，大西洋兩岸召開了由北大西洋公約組織（NATO）資助的一系列研討會。為了刺激跨大西洋研究，北約贊助所有領域的科學家召開研討會。它決定將技術強化科學教育作為其支持的研究領域之一。其結果是1988年在意大利帕維亞大學召開了由Ron Thornton等組織的數字化實驗會議。1991年在阿姆斯特丹大學舉行了第二次研討會，由Ton E11ermiejer和Robert Tinker組織。會議促使他們合作并完成了數字化實驗專著《數字化實驗：教育研究與標準》［7］。

Ton E11ermiejer繼續完善和發展數字化實驗。穩定的政府資金，加上聰明的有學科基礎的本科生和研究生，成功制成了實用的數字化實驗包。Ton E11ermieje的團隊開發的Coach Jr.軟件，可支持每一個主要的實驗室接口和所有傳感器。除此之外，軟件還包括廣泛的分析工具和建模環境，讓學生嘗試建立一個模型來匹配數據，甚至能支持從視頻圖像采集數據。歐洲的數字化實驗的應用和推廣方法有很強的邏輯性，其是與美國自發性研究模式大不相同的。

2.企業推動數字化實驗的發展

在美國，企業對數字化實驗的發展起了重要推動作用。下面以Vernier公司為例說明。

1981年，Vernier公司在俄勒岡州波特蘭的David Vernier家中成立。那時David Vernier仍是一名高中教師，他的教學經歷和對科學教學的興趣引導著他一步步創立Vernier公司。David Vernier在俄勒岡州立大學獲得碩士學位后，擔任了8年中學物理教師。期間，可編程的電腦剛出現，他迅速發現了計算機在做模擬、提取操作數據方面的潛力，同時也發現可以通過日常的演示和高度創造性的互動的實驗來讓學生保持課堂上的注意力。1981年，David Vernier買了他的第一臺蘋果電腦，寫了一些程序用于教學，并于1981年9月發廣告出售這些程序。

1982年夏，美國物理教師協會在俄勒岡舉辦會議，Vernier公司參加了會議并設展位，這對David Vernier來說是一個大機遇，他首次同全國各地的物理教師面對面交流，建立了持續至今的聯系。

1994年，Vernier公司開始同實力雄厚的美國德州儀器公司（Texas Instruments，簡稱TI）合作，開發了支持用圖形計算器進行數據采集。圖形計算器和傳感器的結合是一個重大的碰撞。使得教師可以利用他們已有的圖形計算器，來節約投資數字化實驗新硬件的費用，同時增加動態的、實時的數據采集能力［8］。

1996年，Vernier開發了Logger Pro，一款通用數據采集和分析的計算機程序，經過了許多版本的更改之后，成為目前的Logger Pro 3［9］。現在，Vernier公司的產品可用于小學、中學、高中以及大學水平的課程，適用于幾乎所有的硬件設備、計算機平臺和操作系統，產品銷售到120多個國家。

Vernier公司的員工大部分都是教師出身，秉承從Robert Tinker那里繼承的好傳統，David Vernier持續投入人力物力舉辦各種工作坊等教師培訓活動。使得數字化實驗走向良性循環。而Robert Tinker則將注意力轉向在線學習平臺建設，成立了著名的康科特教育研究組織（Concord Consortium），繼續活躍在科學教育研究領域［10］。

四、啟發和思考

通過我們對這段歷史的梳理可以看到，數字化實驗是隨著計算機技術的進步誕生和發展的；是教育研究和技術研究結合的產物；數字化實驗在教育中的應用有巨大潛力也有必須克服的困難。

1.數字化實驗是信息技術進步的歷史產物

當人類進入信息社會，計算機技術的進步自然會在教育領域產生影響，這是歷史的必然。數字化實驗最先產生于計算機技術最為發達的美國，Robert Tinker成為該領域的先驅，其中，既與他的學術背景和個人經歷有關，也是社會發展的必然。即使Robert Tinker沒有做這件事，也會有別的人來做。相反，如果我們還不意識到數字化實驗的意義和價值，則有些落后于時代了。

2.數字化實驗是教育研究和技術研究結合的產物

回顧歷史我們發現，數字化實驗的先驅者們，許多都是致力于改進教學的教師，他們期望有更好的方法來教授物理、化學等，他們發現數字化實驗不僅讓學生實時同步觀察現象和數據，并且也很方便操作，很快就收到反饋，讓學生有機會采集數據并分析，理解發生的變化，同數學相結合，并能自主探究和建模［11］。因此，他們在硬件和軟件上不斷更新，其著眼點一開始就不僅僅是技術的，而也是教育的。正如Robert Tinker所說：數字化實驗的歷史就是從研究到應用的歷史。

3.數字化實驗在教育中的應用有巨大潛力，也有必須克服的困難

科學的基本要素包括調查、探索、提問題、分析和思考。數字化實驗將多種多樣具有數據采集功能的探頭同電腦相連，給學生一個獨特的機會去觀察和探索，而這正是在很多基礎科學計劃中缺少的［12-13］。隨著數字化實驗相關研究的深入，其教學功能也被不斷挖掘。如今，信息化社會給每個人帶來極為深刻的影響，設備的使用不僅僅在于教學相應的課程，而且可以豐富學生對世界感知的方式。數字化實驗所帶來的關于信息的轉化與共享、獲取、儲存及應用信息方式的改變等體驗，會對學生產生深遠的影響，對現代社會合格公民的培養有所貢獻。

同時，數字化實驗的推廣應用存在成本相對較高、教師需要培訓、效果需要更多證據、與課程需要更好融合等明顯的困難。沒有相應的課程支持與服務、沒有教學計劃的配合和教學策略的實施，數字化實驗給學生帶來的驚喜將不復存在。數字化實驗中，學生在教師、同學、設備、軟件、知識和現象等多元的環境中學習，其學習和解決問題的方式必將同傳統的課堂不同，無論對于教師、學生還是更加廣義的教育范疇來說，都是一種挑戰，而這種挑戰所帶來的變革，值得教育工作者共同努力，以產生我們期許的更“好”的教育。

參考文獻

［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

文章編號：1008-0546（2016）02-0002-05

中圖分類號：G632.41

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