國內數字化實驗的研究現狀及發展趨勢

馬善恒 王后雄

摘要： 以中國知網（CNKI）數據庫核心期刊收錄的259篇有關數字化實驗的論文為數據源，運用相關軟件對其主題聚類及研究的發展趨勢進行可視化分析。為促使數字化實驗在我國基礎教育中的進一步發展，提出拓寬研究思路，著眼“人是如何學習的”;拓展研究領域，開展深度教學。

關鍵詞： 數字化實驗; 人本主義; 構建學習力; 主題聚類; 可視化分析

文章編號： 1005-6629（2021）03-0019-05

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 引言

“以教育現代化支撐國家現代化”“以教育信息化推動教育現代化”是我國教育事業發展的重要定位和重要策略。數字化實驗（DIS）是使用由數據采集器、傳感器、計算機及相關數據處理軟件等構成的集數據采集、處理于一體的新型實驗模式。數字化實驗因其能夠將有關的理科抽象知識，以曲線表征的方式直觀表現出來，從而逐漸被引入到課堂教學中，這是傳統實驗所不具備的特征。數字化實驗是信息技術在中學實驗教學中的有效使用，也是中學科學實驗面向現代化，提升實驗層次，加速實現中學教學向國際接軌的一條途徑[1～3]。

2? 數據來源及研究方法

基于文獻計量進行可視化分析技術是近年來國際上一項新興的研究方法和工具，本文利用陳超美教授開發的可視化分析軟件CiteSpace，通過對文獻數據信息的可視化處理，探測某一學科或領域的熱點主題及其演進，展現我國數字化實驗研究的基本結構和發展脈絡[4，5]。

以中國知網（CNKI）數據庫為數據源，文獻分類目錄選為“社會科學Ⅱ輯”，檢索關鍵詞為“數字化實驗”或“數字實驗”或“手持技術”或“DIS”或“掌上實驗室”，來源類別為“核心期刊”，搜索時間為2019年10月21日，剔除廣告、通知等不相關文獻，將遴選出的259篇有關數字化實驗的論文界定為數據源。運用BICOMB軟件進行相關數據提取，對數字化實驗的文獻數量等進行計量分析，并使用CiteSpace軟件繪出數字化實驗研究的關鍵詞共現知識圖譜[6]，以動態、量化的方式對近年來我國數字化實驗研究進行可視性分析，探尋數字化實驗研究的熱點主題及其演化態勢，這對于透視我國數字化實驗的發展、演進與趨勢具有重要意義。

3? 研究論文的統計分析

中國知網（CNKI）數據庫核心期刊收錄了259篇有關數字化實驗的論文，對應的年度統計如圖1。

由圖1可以看出，數字化實驗研究發展可粗略地分為三個階段： 2004～2007年的醞釀期，2008～2012年的徘徊期，2013～2019年的快速發展期。年代發文快速增長的節點呈現出受政策的影響較為明顯，2012年3月教育部發布了《教育信息化十年發展規劃（2011～2020年）》，這無疑是2013年數字化實驗論文發表數量突增的主要原因。2015年教育部辦公廳發表了《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意? ??見（征求意見稿）》，這對于數字化實驗方面的研究也產生了持續的影響，使得2016、 2017年發文數持續增加。

4? 國內數字化實驗研究的主題聚類和演進分析

4.1? 主題聚類分析

為更清晰地洞悉國內數字化實驗研究的熱點領域，使用CiteSpace軟件進行聚類分析[7]，形成4個聚類主題，分別是手持技術、實驗探究、宏觀表征、教學設計，現就含關鍵詞較多的前三個聚類主題進行逐一分析。關鍵詞主題聚類圖譜見圖2，關鍵詞聚類分析結果見表1。

4.1.1? 數字化實驗的價值功能研究

主題領域1主要對數字化實驗的價值功能展開研究，著重在物理、化學、生物等學科的實驗教學上發揮著獨特功能，進而促進學生科學思維、核心素養、學習進階等能力或素養的有效提升。科學思維不僅是學生在認識和解決科學問題時采用的方式、方法，也是在實際問題的認識和解決過程中對思維方法的內化以及學生思考問題時的思維心向和品質;同時科學學科的教學目標正逐步從“培養學生的實驗能力”向“培養科學思維”進行遷移并不斷挑戰傳統的實驗教學模式[8，9]。相對于傳統實驗，數字化實驗弱化了實驗操作，可以引導學生集中精力思考探究的思路、方法與策略，為實驗方案的設計提供了更多的思維空間，拓展了研究內容，利于學生創新思維、學習進階等能力的有效提升，充分體現了數字化實驗的價值功能[10]。

4.1.2? 數字化實驗的應用領域研究

主題領域2關注數字化實驗在教學中的應用領域，在開展研究性學習、實驗探究上數字化實驗發揮著無可比擬的作用。數字化實驗融入研究性學習，不僅有助于學習者更多地參與思考、分析、討論與反思等更高級認知水平的學習（尤其是合作學習）活動中，同時，它能作為一種較有力的認知工具激發學習者的認知沖突，并幫助學習者不斷克服頭腦中某些錯誤概念或相異構想，以不斷完善對學科概念的科學建構[11]。同時，數字化實驗促進了實驗改進的深度，在實驗探究中，促進學生思維能力、探究能力的提高[12]。

4.1.3? 數字化實驗變革認知方式的研究

主題領域3關注數字化實驗在提升學習者認知方式上所做的改變。隨著現代科技的不斷發展，為更好地適應新課標，錢揚義等基于數字化實驗實時收集數據及自動生成曲線的技術背景，于2009年首次提出化學“曲線表征”的定量分析方法，構建了“四重表征”教學模式（TetraRepresentation Teaching Model），包括宏觀表征、微觀表征、符號表征、曲線表征。“四重表征”模式引導學生從本質上理解概念、反應本質和實驗原理，促進學生認知方式的提升[13]。針對數字化實驗在高中物理教學中的應用，潘洪濤等提出了3個實驗教學模式： 促進認知模式、促進學習模式、基于數字化實驗的探究教學模式，并提出了基于數字化實驗的高中物理實驗教學評價模型[14]。

4.2? 數字化實驗研究演進分析

使用CiteSpace軟件分析數字化實驗研究的熱點主題的時間線圖，可呈現十六年來數字化實驗研究相關領域前沿知識圖譜，從中可找出研究趨勢[15]。在CiteSpace軟件中設置相應的參數和閾值，得到46個節點、93條連線構成的國內數字化實驗研究前沿知識圖譜，如圖3所示。

數字化實驗內容研究經歷了不同的發展階段，演變過程中研究更加深入和多元化。根據研究發展的趨勢，可以大致分為三個階段。

第一階段為起步階段（2007年以前），此階段的核心關鍵詞是手持技術和傳感器。湯躍明、錢揚義等將國外流行的數字化實驗引入我國，他們尋找或創建可供支撐的理論模型，介紹數字化實驗的組成及其特點，分析了數字化實驗對科學教育的影響及幫助[16～18]。該階段以理論介紹為主，如鄧峰創建了適用于實驗探究的“6S”模式和適用于課題研究的“10C”模式[19]。因研究時間尚短，該階段的理論研究還不夠深入，但為后續數字化實驗的開發研究提供了較好的鋪墊。

第二階段為穩步發展階段（2008～2012年），此階段的核心關鍵詞是研究性學習、科學探究、四重表征等。該階段以案例研究為主，數字化實驗被引入到研究性學習中。案例研究落實在常規教學模式的創新和傳統實驗的改進上，依托于數字化實驗的研究性學習和科學探究活動在該階段逐漸開展起來。

第三階段為快速發展階段（2013年至今），此階段的核心關鍵詞是探究實驗、科學思維、學習進階等。該階段仍以數字化實驗案例研究為主，但研究的深度和廣度進一步得到提升，數字化實驗與翻轉課堂、微課等多種教學模式的整合越來越多地出現在教學中，核心素養、學習進階、科學思維、多元化理論等也逐漸成為數字化實驗研究的熱點領域[20]。

綜上所述，不同的階段有不同的發展重心，總體發展階段以順應和促進人的認知發展為目的，圖4中可以清晰地呈現各研究階段與國內研究者對數字化實驗認知需求之間的關系。2007年之前系數字化實驗從國外引入我國的初始階段，對數字化實驗并不了解，該階段以理論介紹為主，嘗試將數字化實驗與中學物理、化學、生物的學科教學相融合，整體研究深入程度并不高。經歷數字化實驗與我國中學教學初步融合之后，2008～2012年數字化實驗在我國的發展進入了穩步發展階段，這個階段以數字化實驗與中學相關實驗學科結合的案例開發為主，越來越多的中學教師將數字化實驗融入到相關教學中來。經過一段時間案例研究后，對數字化實驗的研究越來越深入。2013年以后雖仍以案例開發為主，但研究深度和廣度與之前不可同日而語，數字化實驗被賦予了越來越多的期望，核心素養、高階思維等思維或能力的提升被越來越多地融入到數字化實驗的研究中來，為二十一世紀“人的全面發展”提供支撐。

5? 結論與啟示

通過對我國數字化實驗的整體研究現狀分析，對我國基礎教育的發展，尤其未來研究方向提出以下思考。

目前數字化實驗研究的主流依然是以相關技術如何應用于教育領域，尚未做到“以人為本”，較少從人的學習方式進行研究[21，22]。具體來說，國內數字化實驗的研究還是以案例研究為主，缺乏依托于教育學、心理學知識的實證研究，缺少在科學教育中應用數字化實驗后對學生的認知情況（如概念、定律的理解）和學習能力（如圖像分析、數據處理等）所產生影響的研究。教學的主體是學生，而恰恰缺乏學生運用數字化實驗學習時的心理機制的研究[23～25]，未來應更加注重數字化實驗這方面的研究，同時將心理學、教育學、統計學相關理論融入其中，會使得研究成果更加具有說服力。

數字化實驗在自然科學、技術等學科領域對促進學生概念的理解，對學生科學探究能力等方面的培養起著重要作用，把先進的數字化技術整合到基礎教育的STEM教學中可作為未來研究的方向。同時，要達到提高教學質量的目標，必須尋求數字化實驗與基礎教育課程的有效整合，探索應用數字化實驗的教學策略，實現從“學習實用技術”到“適用技術學習”的轉變也是數字化實驗進一步應用發展的方向[26]。同時，數字化實驗與核心素養、學習進階、科學思維、多元化理論等概念或理論的融合研究，開展深度教學，仍將是數字化實驗未來研究的重心。

參考文獻：

[1][16]錢揚義， 王祖浩， 陳建斌， 莫南道. 信息技術與化學課程整合研究[J]. 課程·教材·教法， 2004， （7）： 63～67.

[2][17]湯躍明， 謝紫娟， 張文杰. 傳感器技術在中學物理實驗教學中的應用[J]. 中國電化教育， 2006， （11）： 53～55.

[3][18]馬善恒， 夏建華， 姚如富. 運用數字實驗探究氯水中化學平衡的存在[J]. 化學教學， 2017， （7）： 71～73.

[4][6]王睿. 基于知識圖譜的人工智能可視化研究[J]. 信息技術與信息化， 2019， （8）： 184～187.

[5][7][15]李同合. 我國知識轉移領域研究進展分析[J]. 新世紀圖書館， 2018， （5）： 86～92.

[8]羅潔. 學科核心素養本位的物理實驗探究[J]. 教學與管理， 2020， （15）： 109～111.

[9]張杰. 大數據視野下借助數字化物理實驗深度開發初中生科學思維的探討[J]. 物理教學， 2018， 40（8）： 49～50+13.

[10]劉茂軍， 張勇. 中學物理實驗與傳感器整合研究述評[J]. 物理教師， 2015， 36（11）： 68～72.

[11]韓敘虹. 數字化傳感器實驗系統在高中物理進階教學中的應用——以“法拉第電磁感應定律”的教學為例[J]. 物理教學， 2018， 40（3）： 32～34+41.

[12]馬善恒， 夏建華， 盛恩宏. 利用數學建模促進對化學知識的深度學習——以水溶液中離子濃度關系考查為例[J]. 化學教學， 2019， （3）： 79～81， 85.

[13]王立新， 錢揚義， 蘇華虹， 陳博殷， 梁宏宇. 手持技術數字化實驗與化學教學的深度融合： 從“研究案例”到“認知模型”——TQVC概念認知模型的建構[J]. 遠程教育雜志， 2018， 36（4）： 104～112.

[14]潘洪濤. 數字化信息系統實驗室（DISLab）應用研究[D]. 上海： 上海師范大學碩士學位論文， 2007.

[19]鄧峰， 錢揚義， 劉麗明， 羅少娟. 基于手持技術的“6S”化學實驗探究教學模式[J]. 中國電化教育， 2007， （11）： 75～79.

[20]倪亞清. 數字化物理實驗平臺的使用對轉變教與學方式的影響[J]. 物理教學， 2018， 40（12）： 29～30.

[21]王惠來. 奧蘇伯爾的有意義學習理論對教學的指導意義[J]. 天津師范大學學報（社會科學版）， 2011， （2）： 67～70.

[22]呂憲軍， 王延玲. 促進學生有效學習的課堂教學策略[J]. 中國教育學刊， 2006， （1）： 58～61.

[23]卜方. 巧用多元化理論優化高中物理實驗教學的實踐研究[J]. 物理教師， 2015， 36（10）： 51～53.

[24]蔡三娟. 呼吸傳感器在“肺活量的測定”實驗中的應用[J]. 生物學教學， 2017， 42（6）： 43～44.

[25]徐銳. DIS數字實驗系統在物理教學中的作用[J]. 現代教育技術， 2008， （6）： 46～49.

[26]葉劍強， 畢華林. 國際數字化實驗研究的熱點、前沿與啟示[J]. 現代教育技術， 2018， 28（2）： 19～25.