手持技術數字化實驗在我國近20年的研究進展及現狀

王曉芳　鹿鈺鋒　夏建華

摘要：運用文獻計量學方法對近20年手持技術數字化實驗主題下的386篇文獻進行數據挖掘，借助可視化知識圖譜軟件CiteSpace進行研究者合作分析，關鍵詞聚類分析，同時配合中介中心性、突現詞等指標屬性，刻畫該領域整體的研究水平;深度挖掘聚類標簽背后四個熱點研究主題，為數字化實驗在化學學科的深入發展提供參考。

關鍵詞：手持技術數字化實驗;研究進展;CiteSpace可視化分析;知識圖譜

文章編號：1005-6629（2021）04-0032-06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

在國內，手持技術數字化實驗又稱“數字化實驗”“手持技術實驗”“掌上實驗室”“DIS實驗”，最早于2003年由華南師范大學錢揚義教授提出并給予定義，近十年在實踐應用和科學研究兩個方面取得快速發展。應用實踐方面，在我國教育資源豐富的地區，手持技術實驗進入課堂呈現常態化的趨勢;科學研究方面，前期主要集中在對教材中化學實驗的改進與創新，后期逐步轉向借助數字化實驗深入探索學生的認知規律。當前錢揚義教授團隊提出了TQVC認知理論模型，嘗試從認知心理學的視角解釋手持技術實驗在學生建構化學知識中所發揮的作用。

《普通高中化學課程標準（2017年版）》也明確提出要適當增加數字化實驗、定量實驗和創新實踐活動，讓學生在實驗探究活動中學習科學方法，認識科學過程，體會、認識技術手段的創新對化學科學的重要價值。

1數據來源與研究方法

在中國知網中以“數字化實驗”或“手持技術”為主題進行高級檢索（文獻檢索日期為2020年6月15日），手動剔除會議通知、發刊詞等不相關的記錄，以Refworks導出數據并清洗去重，剩余386條記錄。

CiteSpace是計算機與情報學教授陳超美基于Java開發的信息可視化軟件，用以探尋學科領域的演化路徑和知識轉折點，分析某學科的潛在動力機制，在文獻計量學中被廣泛運用。啟動軟件，將Time Slicing設為2003～2020年;Years Per Slice設為1年;Node Type依次為“Author”“Keyword”;Selection Criteria設為Top50%;Pruning選擇Minimum Spanning Tree。

2結果分析

2.1整體趨勢分析

通過年度發文量（如圖1），對研究領域的整體發展水平進行刻畫，其大體呈現先慢后快的發展趨勢。2003～2008年為萌芽期，發文量均在10篇以下，且增長速度較為緩慢;2009～2016年為快速增長期，學者對于手持技術數字化實驗的了解更為全面，年發文量出現大幅增長，各類論文如雨后春筍般出現在期刊雜志上;2017至今為穩步發展期，年發文量在40篇左右浮動，2017年核心素養的提出為數字化實驗持續深入的研究發展提供動力。

2.2研究者合作分析

借助CiteSpace可進行宏觀層面研究國家、中觀層面研究機構、微觀層面研究者合作分析。科學計量學之父Price提出：合作論文的平均合作者會增加。學術問建立成熟的合作關系對于創造成功相當重要，通過合作圖譜能夠直觀反映學術影響力及社會關系。

將節點類型設為“Author”，得到研究者合作網絡圖譜（如圖2）。從圖譜參數N=80，E=93，即有80位研究者和93次彼此間的聯系，Density=0.0294，表明分布適中。從整體網絡結構，節點問連線豐富，合作關系緊密，節點孤立存在的情形較少，且主要形成以錢揚義、衷明華為中心的大型合作網絡，該領域內已經形成具有權威的研究集群。從關鍵節點，節點越大發文量越多，錢揚義、衷明華、鄧峰、林建芬等人是這一領域內具有影響力的研究者，其中鄧峰和林建芬所在的研究集群屬于錢揚義的合作子網絡。

2.3關鍵詞聚類分析

關鍵詞共現網絡能快速找到該領域某一時期的熱點及演變趨勢，自動聚類標簽視圖是在默認視圖基礎上通過聚類算法生成知識聚類，然后通過算法提取標簽詞，以此來表征知識基礎和研究前沿。

將節點類型設為“Keyword”，得到關鍵詞聚類圖譜（如圖3）。圖中N=90，E=118，Density=0.0259，Q=0.5786{Q一般在[0—1）之間，Q>0.3就意味著劃分出來的社團結構是顯著的}，Mean Silhouette=0.503 5（S值在0.5時，一般認為該聚類是合理的，若S值在0.7以上，則認為聚類是令人信服的），共形成七個聚類標簽：#0研究性學習、#l溫度傳感器、#2離子反應、#3實驗探究、#4信息技術、#5濃度、#6化學反應速率。

在圖3基礎上，選擇Timeline View生成關鍵詞時間線圖譜（如圖4），它能科學直觀地展示出不同聚類之間的相互聯系、相互影響，及某個聚類的文獻歷史跨度。

通過挖掘每個聚類背后的數據信息，得到LLR算法下每個聚類包含的主要關鍵詞（如表1），各個聚類的節點豐富，輪廓值均大于0.7，說明各聚類內部節點聯系緊密，聚類效果良好，具有可信度。

知識圖譜根據一定的算法量化分析樣本文獻的數據而得出，其科學性不言而喻，但對于研究主題的梳理還需要整合、分類。結合圖4和表1，確定以下四個熱點研究主題：

2.3.1數字化實驗支持下的研究性學習和實驗探究

聚類#0研究性學習、聚類#3實驗探究，節點數量豐富，都是在教師的帶領下借助數字化實驗開展小課題研究，同時開發出相關的校本課程資源，因此合并討論。數字化實驗便攜、數據儲存量大的特點讓化學學習的空間不再局限在學校，一經推廣到中學，就得到廣大師生的認可，因此在關鍵詞時間線圖譜（如圖4），聚類#0研究性學習的演進歷程中，2004到2012年間節點多且連線較為密集，聚類#3實驗探究在2012年節點大且有紫色外圈，說明研究成果豐碩，中介中心性極高，這反映出數字化實驗運用于研究性學習是非常成功的。

倪霞則帶領學生運用電勢電位傳感器對果蔬中維生素c的含量進行測定。王萌萌利用各類傳感器，開展天津郊區土壤的含水量、鈣離子、鉀離子、銨根離子等含量檢測。

數字化實驗為研究性學習提供技術支持，豐富研究性學習的實踐手段，但在已有的研究中，數字化實驗在研究性學習中的應用主要集中在“食品”“環境”這兩類問題，圖4中“研究性學習”的節點和連線數量在2012年之后有所減少，顯示出該方向的研究熱度有所下降。

2.3.2數字化實驗創新傳統化學實驗

聚類#1溫度傳感器、聚類#4信息技術，兩個模塊的子關鍵詞內部一致性均較高，均運用各類傳感器進行實驗改進與創新，因此合并為一個主題。數字化實驗直觀、實時、微量、綠色，在改進傳統實驗缺點等方面效果明顯，因此是發文的熱點主題。王旭斌借助濕度傳感器、CO₂感器對濃硫酸“黑面包實驗”進行改進。

從關鍵詞聚類標簽的統計分析（表1）：傳感器的運用主要集中于溫度傳感器、pH傳感器、電導率傳感器，呈現單一、重復的特點。此外關鍵詞時間線圖（如圖4）中“手持技術”與“信息技術”在2004年同時出現第一個節點信息，數字化實驗在開始出現的時候就被賦予了信息技術與教育融合發展的理念。

2.3.3基于數字化實驗的教學設計與教學案例開發

聚類#2離子反應、聚類#6化學反應速率、聚類#5濃度、聚類#l溫度傳感器的子關鍵詞“化學平衡”，這一主題集中在借助數字化實驗開發典型的教學案例，合并討論。優質的教學案例不僅有利于數字化實驗的推廣，而且為教師備課提供借鑒。

姚娟娟開發出基于數字化實驗的“離子反應”完整教學案例。張越自制簡易的光敏傳感器，用于探究溫度、濃度對化學反應速率的影響一節課的教學。經大致統計與閱覽，“離子反應”“中和反應”“強弱電解質”等課題的受關注度較高，而元素化合物、有機化學、熱化學等主題的知識關注較少。

2.3.4數字化實驗背景下教學模式的創新與豐富

聚類#0研究性學習中的子關鍵詞“四重表征”和聚類#4信息技術的子關鍵詞“POE”都是數字化實驗背景下的教學模式產物，整合為一個研究主題。

宏觀上觀察和描述物質及變化，微觀上解釋本質及規律，符號上表達宏微聯系，這是化學學科獨特的思維方式。對學生而言，微觀表征的建立及轉化是認知難點，而通過分析曲線的特殊點（起點、拐點、終點）及特殊線段變化趨勢，將強化學生頭腦中宏觀與微觀聯系，促進化學概念、化學原理的理解，這就讓化學三重表征拓展到四重表征。

林建芬等人提出基于數字化實驗的四重表征教學模式。彭豪在四重表征模式的指導下展開實踐教學。鄧峰等人還提出“6S”探究教學模式。教學模式的引入與創新，豐富了已有的化學教學理論，而且在實踐層面上給予化學教師更多實踐指引。

2.4關鍵詞突現性分析

突現詞是在某些年份出現關鍵性轉折的詞匯，配合中介中心性的相關參數，能快速找到某一研究領域的拐點（轉折點）信息，從而得出研究前沿。關鍵詞突現性檢測如圖5。

突現時間跨度最長的關鍵詞是“化學實驗”，從2007年一直持續到2014年，這是因為化學實驗是數字化實驗的“知識基礎”，數字化實驗是化學實驗的下位概念。突現起始時間最早的是“研究性學習”（2009年）、“化學教學”（2009年）。研究性學習是綜合實踐活動課程的四大內容之一，自2001年新課改以來備受關注，而數字化實驗滿足其自主性、生活性、實踐性、綜合性等原則要求，經過幾年的發展推廣到一線中學，教師紛紛展開數字化實驗的研究性學習，因此出現爆發點。

此外，突現強度最高的是“核心素養”，雖起始于2019年，但在短短1年內強度高達5.6664，截止到目前仍然備受關注，是數字化實驗研究領域內關鍵的轉折點，這是因為數字化實驗在發展“宏觀與微觀”“變化與平衡”等素養方面具有優勢，借助數字化實驗落實化學核心素養將是未來一段時間內最具熱度的研究主題。

3研究展望

通過本研究，得出數字化實驗應用于化學教育領域后得到了快速的發展，先后涌現出研究性學習、實驗創新、案例開發、四重表征教學模式等熱點研究主題。反思與展望如下：

3.1以學生開展數字化實驗為基礎的科學探究理念與實踐研究

中學階段的科學探究本著掌握知識、學會方法的原則，更多地讓學生學習知識，并在科學探究過程中給予方法與思維上的訓練。科學探究包括“提出問題猜想與假設制定計劃收集證據”等環節，數字化實驗支持下的學生探究活動，能夠實現不同深度、不同維度科學思維與能力的培養，尤其在推理意識和證據意識方面。

因此，在主題選取時，不應居泥于教材，除已有研究性學習中所涉及的“環境”和“食品”問題以外，還可以包括與人體生命、地質氣候有關的都是具有價值的探究學習課題，例如人體中某種微量元素的測定、香煙中的化學、溫室效應、水體富營養化、氣候變暖等。這些課題與學生的生活貼切，在拓展學生視野的同時，更容易滲透科學探究的理念。在方案設計時，充分尊重學生的理解，讓學生自主設計探究方案，動手操作，實現知識的獲取與建構。而實施過程中，教師應有意識地引導學生發揮數字化實驗能同時測定多種數據的優勢，在同一實驗過程中運用多種傳感器，多角度觀察實驗現象，豐富和完善知識體系，培養學生證據意識的高階思維。

3.2數字化實驗在基礎教育中的實證研究

當前，數字化實驗在中學的普及程度并不高、實驗室建設經費高昂、教師實驗價值認識欠缺，這都是數字化實驗在基礎教育繼續深入發展的制約因素。而在已有研究中，實驗案例的開發仍是主流方向，相關的實證研究占據很小比例。在國外，研究者首先關注的就是數字化實驗在化學教學中的效果與潛力、教師和學生對新技術的態度，豐富的實證研究在數字化實驗推廣過程中起到巨大助推作用。因此，今后還是要重視實證研究，從量化研究的角度客觀地論證數字化實驗的價值。例如，運用數字化實驗能提升學生數形結合的思想，學生讀圖、識圖能力提升程度到底如何，這需要真實的數據予以論證;數字化實驗能改變學生的認知方式，這就需要切實和學生進行訪談。此外，對于還沒有數字化實驗室的學校，建設成本是多少，如何保證實驗室的使用率，學生的理科成績是否確實有提升，這就需要站在學校決策者的角度展開論證。

3.3數字化實驗在選修課程中的案例開發

基于數字化實驗的教學設計和案例開發，大都集中在必修階段的課程，在“常見無機物及應用”“化學反應與能量”“化學反應速率”“水溶液中的離子平衡”等專題的案例研究已經較為成熟，但選修教材《化學與生活》《化學與技術》《實驗化學》的案例開發幾乎無人問津，這大多因為授課對象是文科班學生或者高考并不涉及相關模塊的考點。這是該領域發展的薄弱點，選修課程中能夠進行挖掘的點有很多，例如，藥品成分的檢測、植物中某些離子的檢測、含氯消毒液的性質與作用的探究，案例的拓展開發能夠解決傳感器使用單一、重復的問題，發揮數字化實驗更大的教育價值。同時，一系列優質的教學案例就能組合成一套具有特色的校本課程，這對于學校的科技特色教育的宣傳具有積極意義。

3.4數字化實驗融入STEM教育的模式與案例開發

STEM教育理念提倡面對真實情境問題，整合各個學科的知識與方法（物理、化學、工程、生物、數學等）來解決實際問題，更強調學科知識問的聯結和融合發展，這與數字化實驗在培養批判性、開放性等高階思維方面的特點相吻合。目前國內STEM教育的研究處在初級階段，數字化實驗融入STEM教育的教學模式與案例研究更是幾乎處于空白，這一方向在今后顯示出較大的研究空間。數字化實驗支持下的STEM教學模式將凸顯“技術”與“工程”在現代教學中的重要作用，同時將為信息技術有效運用于課堂提供清晰的理論支持。在案例的開發方面，各學科教師需協同配合，利用好新技術在各學科的應用特征，例如圖形計算器在數學學科的應用、數字測距儀在物理學科的應用、虛擬標本在生物學科的應用，以項目的形式整合各學科的知識銜接點，巧妙地設計在一節課中，通過可操作、易推廣的案例推進STEM教育在我國的發展。