馮容士 李鼎

摘 要：上世紀(jì)80年代，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)于美國(guó)。2002年，上海市二期課改啟動(dòng)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)開(kāi)始借國(guó)家新一輪課程教材改革走向全國(guó)。鑒于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在全國(guó)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(shí)，采用比較研究法、歷史研究法和文獻(xiàn)研究法對(duì)十五年來(lái)中國(guó)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的發(fā)展進(jìn)程進(jìn)行了一番梳理，對(duì)中美數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的發(fā)展規(guī)律、中國(guó)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了初步的歸納和總結(jié)。本文認(rèn)為：中國(guó)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)發(fā)展迅速，且對(duì)整個(gè)理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。但未來(lái)仍需解決技術(shù)進(jìn)步、拓展應(yīng)用和知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)三大難題，才能夠使數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在產(chǎn)品類(lèi)型、教學(xué)實(shí)踐和研究發(fā)展方面形成真正的中國(guó)特色，對(duì)教育改革提供更有力的支撐。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；教育改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）3-0010-3

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，特指使用傳感器和計(jì)算機(jī)為代表的數(shù)字化技術(shù)替代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和處理分析，從而形成的新型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健Ｄ壳霸趪?guó)內(nèi)統(tǒng)稱(chēng)為DIS，即Digital Information System。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在國(guó)外出現(xiàn)較早，但在中國(guó)，卻是伴隨著始于2002年的上海二期課改和2003年的國(guó)家新一輪課程教材改革而出現(xiàn)的新生事物。自誕生以來(lái)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)形態(tài)，已成為理科教育，特別是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“熱點(diǎn)”。因此，其發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢(shì)格外值得重視和研究。

1 興起并發(fā)展于美國(guó)

1986年，美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）的Lab View產(chǎn)品誕生，計(jì)算機(jī)開(kāi)始成為儀器分析的核心平臺(tái)。通過(guò)傳感器采集數(shù)據(jù)、通過(guò)計(jì)算機(jī)分析和處理數(shù)據(jù)的“虛擬儀器”開(kāi)始成為成長(zhǎng)最快的儀器類(lèi)別。盡管NI并沒(méi)有進(jìn)入基礎(chǔ)教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)市場(chǎng)，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(guó)教學(xué)儀器公司。他們先后依托當(dāng)時(shí)剛開(kāi)始在美國(guó)教育界流行起來(lái)的個(gè)人電腦，開(kāi)發(fā)出了能夠采集、傳輸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的傳感器和接口裝置，以及能夠顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化過(guò)程并能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的軟件，然后逐漸形成了各自的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。

隨著上述實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的特征和需求，開(kāi)發(fā)了多種新型配套實(shí)驗(yàn)器材，不僅解決了傳感器與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的接口問(wèn)題，還優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)裝備，提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

計(jì)算機(jī)始終是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的核心。美國(guó)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備先后經(jīng)歷了與PC臺(tái)式機(jī)、筆記本電腦、圖形計(jì)算器直至iPad等移動(dòng)終端的配套過(guò)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(pán)、僅需要低端CPU的“完全在線(xiàn)式”筆記本電腦）連接的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置。這類(lèi)實(shí)驗(yàn)裝置的出現(xiàn)，標(biāo)志著實(shí)驗(yàn)教學(xué)的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)也正在“云端化”。

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

美國(guó)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用實(shí)踐，對(duì)世界范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)字化發(fā)展起到了帶動(dòng)作用。目前除美國(guó)之外，獨(dú)立研究和應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的國(guó)家，在其起步階段都或多或少地受到了美國(guó)的影響。

2 中國(guó)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的起步

美國(guó)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品在中國(guó)亮相的時(shí)間大約是在上世紀(jì)九十年代。當(dāng)時(shí)介入中國(guó)實(shí)驗(yàn)教學(xué)最深的，并不是PASCO和Vernier，而是美國(guó)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(jì)算器，同時(shí)也有部分與之配套的傳感器，而當(dāng)時(shí)TI針對(duì)中國(guó)教育市場(chǎng)的計(jì)劃就是從數(shù)學(xué)向科學(xué)延伸。

盡管現(xiàn)在看來(lái)當(dāng)時(shí)進(jìn)入中國(guó)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品都很初級(jí)，僅能完成有限的幾個(gè)物理量和化學(xué)量的測(cè)量，支持幾個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的小實(shí)驗(yàn)，比如“實(shí)時(shí)顯示條形磁鐵進(jìn)出通電螺線(xiàn)管時(shí)電流、電壓的變化曲線(xiàn)”“測(cè)量籃球落地反彈后的動(dòng)作衰減”等，但卻給中國(guó)實(shí)驗(yàn)教學(xué)界帶來(lái)了強(qiáng)烈的震撼。很多有識(shí)之士已經(jīng)敏銳地覺(jué)察到了信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合的巨大潛力，并主動(dòng)地開(kāi)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(jiǎn)易的以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)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(jī)輔助物理實(shí)驗(yàn)接口箱”的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，并在國(guó)內(nèi)進(jìn)行了小范圍應(yīng)用。90年代末，以山東遠(yuǎn)大為代表的國(guó)內(nèi)幾家小型技術(shù)公司也開(kāi)始轉(zhuǎn)型從事數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的開(kāi)發(fā)。但是，彼時(shí)國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)和個(gè)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(méi)有形成廣泛的教學(xué)應(yīng)用。

隨著國(guó)家新一輪課程教材改革的試點(diǎn)區(qū)——上海進(jìn)入二期課改的籌備階段，上海教委認(rèn)識(shí)到：通過(guò)信息技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)流的掌控，并對(duì)學(xué)生的認(rèn)知提供有力支持，是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)最為根本的教學(xué)價(jià)值。上海教委隨即對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作出了明確規(guī)劃：“積極探索多媒體計(jì)算機(jī)與物理實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)控制及對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集和處理，以更好地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)中心，成為了中國(guó)首家、也是目前唯一一家專(zhuān)業(yè)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研發(fā)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中引進(jìn)現(xiàn)代技術(shù)，配置DIS實(shí)驗(yàn)室及計(jì)算機(jī)輔助物理實(shí)驗(yàn)軟件，改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式”[3]，并將其作為課標(biāo)實(shí)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(gè)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)（含數(shù)字化實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)研究項(xiàng)目），并在隨后的改版教材中進(jìn)一步將涵蓋力、熱、聲、電、光、原的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在全部實(shí)驗(yàn)中的占比提升到了42%。事實(shí)證明，課程標(biāo)準(zhǔn)和基于課程標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)的上海課改教材的推行，確保了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在教學(xué)一線(xiàn)的實(shí)際應(yīng)用。

3 中國(guó)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的成長(zhǎng)

在中國(guó)的教育版圖上，上海教委的嘗試，只能算是給數(shù)字化實(shí)驗(yàn)開(kāi)了個(gè)好頭。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在全國(guó)的推廣，首先得益于中國(guó)理科教學(xué)界，特別是物理教學(xué)界對(duì)于其教學(xué)價(jià)值的肯定，其次得益于人民教育出版社等出版的國(guó)家級(jí)新課標(biāo)教材對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的接納。

相比于能夠統(tǒng)籌“全市一盤(pán)棋”的上海教委，人教社等新課標(biāo)物理教材面對(duì)的是全國(guó)幾十個(gè)省份。由于各地的經(jīng)濟(jì)、教育發(fā)展不均衡，因此他們?cè)诮滩闹幸霐?shù)字化實(shí)驗(yàn)的過(guò)程顯得格外謹(jǐn)慎。上述教材普遍采取了“先用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)做傳統(tǒng)方法做不了的實(shí)驗(yàn)、再做傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)做不好的實(shí)驗(yàn)”的漸進(jìn)策略，事后被證明是相當(dāng)務(wù)實(shí)、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(duì)光照度分布傳感器及磁感應(yīng)強(qiáng)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(gè)實(shí)驗(yàn)的數(shù)字化解決方案。這一做法打動(dòng)了長(zhǎng)期被上述實(shí)驗(yàn)問(wèn)題困擾的一線(xiàn)教師，對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)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(dòng)了生物和化學(xué)等學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)字化進(jìn)程，中國(guó)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在各個(gè)學(xué)科內(nèi)的發(fā)展順序也由此體現(xiàn)出了與美國(guó)類(lèi)似的規(guī)律。隨著新課標(biāo)教材的推廣，同時(shí)越來(lái)越多的教師憑借數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在全國(guó)教學(xué)大賽上獲獎(jiǎng)，中國(guó)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的時(shí)代正式開(kāi)啟。

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，中國(guó)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)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(jìn)行劃分，可分為C/S、B/S和APP三大類(lèi)。常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件多為C/S架構(gòu)。近些年隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的發(fā)展，支持安卓和IOS甚至谷歌Chrome系統(tǒng)的APP軟件開(kāi)始高速涌現(xiàn)。其硬件可劃分為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)配套器材、智能實(shí)驗(yàn)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(gè)學(xué)段的物理、化學(xué)、生物和科學(xué)等學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中主要有以下應(yīng)用模式：顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的變化、揭示引發(fā)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化的原因、驗(yàn)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(hào)源實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)設(shè)備（執(zhí)行器）的控制等。前三項(xiàng)用途可視為常規(guī)教學(xué)應(yīng)用，后一項(xiàng)用途已經(jīng)具備自動(dòng)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(lái)看，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)已經(jīng)服務(wù)于以下領(lǐng)域：小學(xué)科學(xué)的演示實(shí)驗(yàn)、分組實(shí)驗(yàn)和學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)、科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)；初中、高中階段的理、化、生、地演示實(shí)驗(yàn)、分組實(shí)驗(yàn)和學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)，探究式教學(xué)和STEM教育；師范類(lèi)高?？茖W(xué)類(lèi)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，中小學(xué)教法教學(xué)；部分高校的理科實(shí)驗(yàn)和工程學(xué)設(shè)計(jì)；同時(shí)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)也顯示出了裝備家庭科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、開(kāi)展家庭科學(xué)教育的潛力。

4 中國(guó)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的發(fā)展展望

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)也必須與時(shí)俱進(jìn)、有所作為。

4.1 技術(shù)進(jìn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)整合的產(chǎn)物，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)注定在未來(lái)將不斷地進(jìn)行升級(jí)改造。近期，上海市教委已初步將建立“從行為到數(shù)據(jù)、再?gòu)臄?shù)據(jù)到行為”數(shù)字化實(shí)驗(yàn)大數(shù)據(jù)鏈環(huán)列入規(guī)劃，目的是為實(shí)驗(yàn)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(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)和微機(jī)械等熱點(diǎn)技術(shù)作為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的追求目標(biāo)，智能實(shí)驗(yàn)儀器和STEM組件正在成為發(fā)展重點(diǎn)。

但是，技術(shù)進(jìn)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(shí)際應(yīng)用作為呼應(yīng)，方可形成技術(shù)進(jìn)步的正反饋循環(huán)。這需要企業(yè)和教育部門(mén)通過(guò)更加深入地溝通和協(xié)作來(lái)完成。

4.2 應(yīng)用拓展

盡管數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的理念和方法已經(jīng)被中國(guó)實(shí)驗(yàn)教學(xué)界基本接受，但其教學(xué)應(yīng)用還遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)常態(tài)化，大部分教師只是將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)用于公開(kāi)課和教學(xué)比賽。為此，上海市已經(jīng)通過(guò)閘北八中等學(xué)校的率先試點(diǎn)，開(kāi)始實(shí)施數(shù)字化實(shí)驗(yàn)常態(tài)化應(yīng)用試點(diǎn)校和試點(diǎn)區(qū)計(jì)劃，其目標(biāo)就是把數(shù)字化實(shí)驗(yàn)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(diǎn)區(qū)的作用，推動(dòng)全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與信息技術(shù)全面融合的進(jìn)程。但同時(shí)我們也應(yīng)清醒地認(rèn)識(shí)到：只有廣大教師將實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展和改進(jìn)提升到與培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)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(jìn)一步發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教育教學(xué)功能。

4.3 知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)

中國(guó)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的發(fā)展在十年前就基本擺脫了國(guó)外產(chǎn)品（主要是美國(guó)產(chǎn)品）的影響，但國(guó)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(hào)類(lèi)似，但產(chǎn)品質(zhì)量、教學(xué)功能和售后服務(wù)卻天差地遠(yuǎn)，這不僅給學(xué)校和教師帶來(lái)了選擇的困惑甚至風(fēng)險(xiǎn)，而且不利于中國(guó)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備行業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

為此，中國(guó)教育裝備行業(yè)協(xié)會(huì)等機(jī)構(gòu)專(zhuān)門(mén)出臺(tái)了相關(guān)的約束性規(guī)范，部分企業(yè)還通過(guò)司法方式展開(kāi)了自主維權(quán)，這些做法在一定程度上對(duì)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(gè)企業(yè)都認(rèn)識(shí)到：唯有扎扎實(shí)實(shí)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(shí)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(guó)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)問(wèn)題，依然任重道遠(yuǎn)。

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