數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的歷史及啟示

李惠馬宏佳

（南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院　江蘇南京　210097）

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數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的歷史及啟示

李惠馬宏佳*

（南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院江蘇南京210097）

摘要：文章基于翔實(shí)文獻(xiàn)，以數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中有重要影響的兩名先驅(qū)者，Robert Tinker和David Vernier的故事為主要內(nèi)容，以數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的緣起、初步發(fā)展階段和應(yīng)用推廣階段為線索展開，簡述了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)發(fā)展的歷史進(jìn)程。并據(jù)此獲得啟示：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是信息技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物；是教育研究和技術(shù)研究結(jié)合的產(chǎn)物；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在教育中的應(yīng)用有巨大潛力也有必須克服的困難。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化；實(shí)驗(yàn)；歷史

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是利用傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)及相應(yīng)軟件進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)肇始于西方發(fā)達(dá)國家，目前在我國已經(jīng)獲得了越來越多的關(guān)注，那么，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)如何緣起?又是怎樣一步步發(fā)展的?這些問題自然首先引起人們的關(guān)心。本文作者通過研讀相關(guān)文獻(xiàn)［1］，試圖對以上問題加以梳理和呈現(xiàn)，并從中獲得啟示。

一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的緣起

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

Robert Tinker是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的首創(chuàng)者和命名人。1965年，Robert Tinker進(jìn)入美國麻省理工學(xué)院跟隨John King教授攻讀物理和教學(xué)相結(jié)合的博士學(xué)位。John King是20世紀(jì)美國物理教育界的領(lǐng)導(dǎo)者之一，也是優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)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(shè)計(jì)一個(gè)裝著傳感器的鞋盒大小的盒子，學(xué)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(shù)字化實(shí)驗(yàn)是King教育思想的直接延續(xù)。

Robert Tinker與其導(dǎo)師的教育思想有深刻的內(nèi)在一致。在讀博之前，Robert Tinker曾經(jīng)在美國的史迪爾門學(xué)院任教兩年，這段教學(xué)經(jīng)歷喚醒了他對教育的終身興趣，同時(shí)讓他得到了如何提高科學(xué)教育水平的啟示。Robert Tinker教學(xué)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)的教學(xué)材料并不能滿足學(xué)生需要，因此，他就用自己的觀察和親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)來幫助教學(xué)。他認(rèn)為，學(xué)得最明白的課是那種用好的儀器設(shè)備讓學(xué)生親手實(shí)踐的課。這種學(xué)習(xí)能夠?qū)?fù)雜現(xiàn)象迅速地形成直觀理解。一旦好的直覺到位了，物理學(xué)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(xué)經(jīng)歷，Robert Tinker追隨著他的導(dǎo)師John King的教育思想，逐步把數(shù)字化實(shí)驗(yàn)變成現(xiàn)實(shí)。

Robert Tinker數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的靈感來自“發(fā)酵葡萄汁泡泡計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)”。這是在1970年以前，微型計(jì)算機(jī)還沒出現(xiàn)，Bi11 Wa1ton指導(dǎo)的“計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)室計(jì)算（CLAC）”項(xiàng)目，開發(fā)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)：使用一個(gè)計(jì)算器、一臺x-y繪圖儀和一臺光檢測器來檢測計(jì)數(shù)發(fā)酵葡萄汁中產(chǎn)生的泡泡數(shù)，只要酵母在繁殖，泡泡的總量隨時(shí)間推移所形成的圖像是呈指數(shù)趨勢上升的，繪圖儀便可即時(shí)顯示出泡泡數(shù)目隨時(shí)間上升的變化圖像，從而提高學(xué)習(xí)者對關(guān)鍵運(yùn)算思想的直覺。這個(gè)實(shí)驗(yàn)讓Robert Tinker意識到，數(shù)值方法和交互式的圖像可以支持直覺運(yùn)算，可以幫助學(xué)生對復(fù)雜現(xiàn)象形成直觀理解，同時(shí)，計(jì)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(jì)算機(jī)使用及模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換

1976年，在美國國家科學(xué)基金會（NSF）的支持下，Robert Tinker和Hi1ton Abbott開始了一個(gè)名為“計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)室數(shù)學(xué)（CALM）”的項(xiàng)目。該項(xiàng)目的理想是建構(gòu)一個(gè)計(jì)算機(jī)控制的環(huán)境來教學(xué)生邏輯和編程。例如，構(gòu)建一個(gè)模型鐵路，其轉(zhuǎn)轍器和機(jī)車發(fā)動(dòng)機(jī)變速器都由計(jì)算機(jī)程序控制。該項(xiàng)目為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的開發(fā)奠定了計(jì)算機(jī)控制的基礎(chǔ)。

研究中，Robert Tinker發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)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(shù)字信號的形式輸入到計(jì)算機(jī)中，成為一個(gè)大問題。模擬信號并不適合計(jì)算機(jī)的數(shù)字世界。Robert Tinker的朋友Greg Edward是一個(gè)物理學(xué)家，也是在NSF的項(xiàng)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(shù)字轉(zhuǎn)換器將使計(jì)算機(jī)成為完美的實(shí)驗(yàn)室儀器。于是，Robert Tinker和他的團(tuán)隊(duì)開展了艱苦的創(chuàng)造性的努力，通過編程和改造計(jì)算機(jī)硬件，終于解決了數(shù)字信號與模擬信號的轉(zhuǎn)換和輸入輸出問題。Robert Tinker在KIM-1計(jì)算機(jī)上加入了模擬——數(shù)字轉(zhuǎn)換器，一個(gè)名叫MOSK科技的小公司把它做成了單片KIM-1計(jì)算機(jī)，以245美元一臺的價(jià)格出售，并被摩托羅拉等公司購買。計(jì)算機(jī)的使用和模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)提供了技術(shù)保障的基礎(chǔ)。

3.“冷卻曲線實(shí)驗(yàn)”—第一個(gè)教學(xué)應(yīng)用的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

“發(fā)酵葡萄汁泡泡計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)”盡管很有啟發(fā)性，但對教育沒有太多直接影響，因?yàn)橹谱骱凭钠咸阎c學(xué)校教學(xué)內(nèi)容幾乎沒有聯(lián)系。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的加入，使數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的測量范圍擴(kuò)大到溫度、光、電壓等物理量。在這個(gè)基礎(chǔ)上，1978年，Robert Tinker開發(fā)出了第一個(gè)具有教學(xué)應(yīng)用的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)：“冷卻曲線實(shí)驗(yàn)”［5］。

冷卻曲線實(shí)驗(yàn)采用Robert Tinker改造的能夠使用模擬輸入的KIM-1計(jì)算機(jī)，用熱電偶來測量試管中的衛(wèi)生球（萘）在冷卻過程中不同時(shí)點(diǎn)的溫度，產(chǎn)生的模擬信號輸入至計(jì)算機(jī)，并以模擬信號的方式輸出到示波器上，從而實(shí)時(shí)顯示出溫度變化。

以前做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通常需要長時(shí)間實(shí)驗(yàn)并記錄不同時(shí)刻的溫度，然后將數(shù)據(jù)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(zhì)性質(zhì)之間的關(guān)系。經(jīng)常不能理解在固液轉(zhuǎn)換期間觀察到的溫度曲線平臺的物理意義，丟失了關(guān)鍵性的觀察。使用Robert Tinker的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)時(shí)，因?yàn)樘结樅苄?，反?yīng)靈敏，因此所需樣品量很少，實(shí)驗(yàn)?zāi)茉趲追昼妰?nèi)完成，學(xué)生有充足的時(shí)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(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，學(xué)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(tài)開始出現(xiàn)，平臺后期完全凝固。當(dāng)實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行時(shí)，他們能夠推測溫度恒定的原因。如果幸運(yùn)的話，也能觀察到過冷現(xiàn)象。教師甚至提供了第二個(gè)傳感器來測量周圍水的溫度，學(xué)生因此能夠確認(rèn)即使衛(wèi)生球的溫度保持恒定，但水變得更冷了，說明衛(wèi)生球正在從水中吸收熱量。

冷卻曲線實(shí)驗(yàn)是第一個(gè)成功的具有教學(xué)應(yīng)用的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)展示出傳感器和計(jì)算機(jī)軟硬件結(jié)合具有的強(qiáng)大教育潛力。該實(shí)驗(yàn)在美國物理教師協(xié)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(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究注入了極大的活力。

4. Robert Tinker為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)命名

到1980年，以教育為目的的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需要一個(gè)名字。Robert Tinker認(rèn)為這個(gè)名字不僅要反映該技術(shù)，而且還需要表達(dá)出這是一個(gè)開放式的教育方法，從而把它與自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室或用傳感器進(jìn)行操練和實(shí)踐區(qū)別開來，他決定將其命名為以微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)（Microcomputer-Based Laboratories），簡稱MBL。Microcomputer這個(gè)詞中強(qiáng)調(diào)的微型計(jì)算機(jī)是刻著時(shí)代烙印的，在當(dāng)時(shí)用以區(qū)別于體積龐大的計(jì)算機(jī)。今天的個(gè)人電腦，功能強(qiáng)大，體積微小已成常態(tài)，早已不再需要前綴“micro”。因此，MBL的名字已經(jīng)過時(shí)，在西方，人們越來越多地使用“probeware”這個(gè)Marcia Linn發(fā)明的名詞來指代數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，Robert Tinker和他的同事，不斷改進(jìn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，開發(fā)了多種傳感器及配套的硬件和軟件。Robert Tinker是當(dāng)之無愧的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的先驅(qū)。

二、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的初步發(fā)展

1.集成的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)包

為了發(fā)展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，Robert Tinker的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)“藍(lán)盒子”（相當(dāng)于現(xiàn)在的數(shù)據(jù)采集器），連接到蘋果計(jì)算機(jī)的游戲端口，并制作了四個(gè)內(nèi)置的模擬輸入，2個(gè)數(shù)字輸入和2個(gè)數(shù)字輸出，供實(shí)驗(yàn)使用。溫度、光、電壓的傳感器可以通過連接器連接到藍(lán)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(gè)接口，甚至提供建議的學(xué)生活動(dòng)。Robert Tinker的團(tuán)隊(duì)還出版了包含實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)的《生理學(xué)實(shí)驗(yàn)》套件，包括測量心率、呼吸速率、皮膚電導(dǎo)率等生理指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)。該套件包括了一個(gè)老師所需的一切：一個(gè)藍(lán)盒子，電線，十個(gè)短程序（蘋果電腦專用），傳感器和一本手冊。這個(gè)套件很成功，受到教師和學(xué)校的歡迎。憑直覺，Robert Tinker認(rèn)為化學(xué)教師會對pH測量很感興趣，于是，開發(fā)了另一個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)包。因?yàn)榻?jīng)費(fèi)短缺，Robert Tinker和來自愛荷華州克拉克學(xué)院的化學(xué)教師Sister Diana Ma1one，利用假期完成了這個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)包的開發(fā)工作。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)包的典型設(shè)備是一個(gè)玻璃的pH電極，通過放大器盒連接到藍(lán)盒子上，看起來有點(diǎn)不倫不類，但很便宜。最令人印象深刻的實(shí)驗(yàn)是中和滴定。當(dāng)酸或堿逐滴加入到溶液中時(shí)，其pH值與時(shí)間的曲線圖完美地呈現(xiàn)出來，對多元酸或堿的滴定，還可以出現(xiàn)兩個(gè)或三個(gè)滴定突躍。同時(shí)，這個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)包還可以進(jìn)行反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、化學(xué)發(fā)光、吸熱放熱和潛熱等實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)軟件集成包，沖破了以前為每個(gè)實(shí)驗(yàn)都要編寫單獨(dú)程序的限制，使得軟件的靈活性和學(xué)生可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索的范圍大大增加?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)包也取得了商業(yè)上的成功，并獲得了當(dāng)年的年度最佳軟件獎(jiǎng)。

2.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的課堂研究

1982年，Tim Barc1ay和Robert Tinker進(jìn)行了第一個(gè)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的課堂研究。他們選擇了美國阿林頓一個(gè)中等收入地區(qū)的四年級學(xué)生，進(jìn)行測量溫度的實(shí)驗(yàn)。開始，研究者們并不知道學(xué)生不會識圖和認(rèn)識小數(shù)，也沒有這樣的教學(xué)要求。但是，實(shí)驗(yàn)顯示的溫度卻精確到了0.1℃。

研究的初始目的是讓學(xué)生找出傳感器的哪個(gè)部分是對溫度敏感的。實(shí)時(shí)互動(dòng)的力量引導(dǎo)學(xué)生理解抽象概念，這是研究者看到的第一個(gè)跡象。事實(shí)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(jīng)驗(yàn)。他們可以感覺到溫度的變化，同時(shí)，看到數(shù)字的變化。根據(jù)與設(shè)備的互動(dòng)，學(xué)生們不僅知道了是傳感器的尖端對溫度敏感，還根據(jù)手指對溫度的感知、追蹤顯示器上實(shí)時(shí)的溫度變化，學(xué)會了小數(shù)。比如，顯示器將35.0℃顯示為35℃，34.9℃和35℃的大小若只憑學(xué)生過去的經(jīng)驗(yàn)，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(xué)生會明白二者大小的正確順序。這種與設(shè)備實(shí)時(shí)互動(dòng)，能幫助學(xué)生理解抽象概念，是研究者們得到的第一個(gè)結(jié)論。

Robert Tinker1982年所做的這個(gè)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)研究，是我們所看到的最早的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)研究［6］，盡管該研究并未在正式期刊上發(fā)表，但這些研究使Robert Tinker團(tuán)隊(duì)確信，通過使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)，可以更好地進(jìn)行像圖和小數(shù)這樣的科學(xué)概念的教學(xué)。

3.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)雛形初具蓄勢待發(fā)

從上世紀(jì)70年代末到80年代初，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的雛形已經(jīng)形成，關(guān)鍵的技術(shù)問題也得到解決，其發(fā)展也已有了清晰的思路。但研究經(jīng)費(fèi)的缺乏仍困擾著數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的研究者。

Robert Tinker的團(tuán)隊(duì)在美國國家科學(xué)基金會（NSF）的資助下，舉辦了許多工作坊和研討會來培訓(xùn)教師，很受歡迎，因?yàn)樵谘杏憰薪處煂W(xué)到的東西，可以在他們的教學(xué)中使用。盡管里根總統(tǒng)上任后，削減了聯(lián)邦政府對教育的投入，Robert Tinker的團(tuán)隊(duì)仍然堅(jiān)持在美國各地開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)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(dǎo)。Robert Tinker認(rèn)為，廣泛應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，讓每一位教師都能意識到它在科學(xué)課堂中的價(jià)值是最重要的。同時(shí)，Robert Tinker的團(tuán)隊(duì)也試圖通過商業(yè)運(yùn)作來為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)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(shù)字化實(shí)驗(yàn)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(chuàng)立了Vernier軟件科技（Vernier Software& Techno1ogy）公司，并成為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的主要供應(yīng)商。Vernier公司、PASCO公司等數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器公司用所得利潤不斷“反哺”數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究，對數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用和推廣做出了巨大貢獻(xiàn)。

與美國數(shù)字化實(shí)驗(yàn)主要由企業(yè)推動(dòng)發(fā)展相比，在歐洲，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)則更多表現(xiàn)為高校主導(dǎo)的發(fā)展模式。

三、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的發(fā)展與推廣階段

1.歐洲數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的發(fā)展

在歐洲的一些國家，包括英國、蘇格蘭、荷蘭、德國、意大利，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)也獨(dú)立發(fā)展起來?？偟膩碚f，歐洲的大學(xué)在教育創(chuàng)新中要比美國的大學(xué)擔(dān)負(fù)的責(zé)任更大。因此，在歐洲數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究一直是高校主導(dǎo)型的，通常由物理系主導(dǎo)。

最令人印象深刻的努力之一，是由荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)的物理學(xué)家Ton E11ermiejer主導(dǎo)的。20世紀(jì)80年代以來，他一直致力于發(fā)展和推廣數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，首先是在大學(xué)的物理教學(xué)中應(yīng)用。

在歐洲，更集中的、以學(xué)科為基礎(chǔ)的教育體系在數(shù)字化研究方面通常是制定一個(gè)長期的計(jì)劃，以實(shí)現(xiàn)技術(shù)發(fā)展、教師專業(yè)發(fā)展及課程變化之間的協(xié)調(diào)。例如，在荷蘭，經(jīng)過長時(shí)間的醞釀，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在兩個(gè)地方被列入國家課程。Ton E11ermiejer的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了使用這些工具的必要的硬件、軟件和課程材料樣本。根據(jù)這些，邀請出版者來編寫他們的教學(xué)材料。同時(shí)，教這些新內(nèi)容的每一個(gè)老師都會受到培訓(xùn)，所有的教室都有必要的硬件和軟件，所有的學(xué)生材料都獲得了課程的支持。

20世紀(jì)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(lǐng)域的科學(xué)家召開研討會。它決定將技術(shù)強(qiáng)化科學(xué)教育作為其支持的研究領(lǐng)域之一。其結(jié)果是1988年在意大利帕維亞大學(xué)召開了由Ron Thornton等組織的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)會議。1991年在阿姆斯特丹大學(xué)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(shù)字化實(shí)驗(yàn)專著《數(shù)字化實(shí)驗(yàn)：教育研究與標(biāo)準(zhǔn)》［7］。

Ton E11ermiejer繼續(xù)完善和發(fā)展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。穩(wěn)定的政府資金，加上聰明的有學(xué)科基礎(chǔ)的本科生和研究生，成功制成了實(shí)用的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)包。Ton E11ermieje的團(tuán)隊(duì)開發(fā)的Coach Jr.軟件，可支持每一個(gè)主要的實(shí)驗(yàn)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(huán)境，讓學(xué)生嘗試建立一個(gè)模型來匹配數(shù)據(jù)，甚至能支持從視頻圖像采集數(shù)據(jù)。歐洲的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用和推廣方法有很強(qiáng)的邏輯性，其是與美國自發(fā)性研究模式大不相同的。

2.企業(yè)推動(dòng)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的發(fā)展

在美國，企業(yè)對數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的發(fā)展起了重要推動(dòng)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(shí)David Vernier仍是一名高中教師，他的教學(xué)經(jīng)歷和對科學(xué)教學(xué)的興趣引導(dǎo)著他一步步創(chuàng)立Vernier公司。David Vernier在俄勒岡州立大學(xué)獲得碩士學(xué)位后，擔(dān)任了8年中學(xué)物理教師。期間，可編程的電腦剛出現(xiàn)，他迅速發(fā)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)在做模擬、提取操作數(shù)據(jù)方面的潛力，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)可以通過日常的演示和高度創(chuàng)造性的互動(dòng)的實(shí)驗(yàn)來讓學(xué)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(xué)，并于1981年9月發(fā)廣告出售這些程序。

1982年夏，美國物理教師協(xié)會在俄勒岡舉辦會議，Vernier公司參加了會議并設(shè)展位，這對David Vernier來說是一個(gè)大機(jī)遇，他首次同全國各地的物理教師面對面交流，建立了持續(xù)至今的聯(lián)系。

1994年，Vernier公司開始同實(shí)力雄厚的美國德州儀器公司（Texas Instruments，簡稱TI）合作，開發(fā)了支持用圖形計(jì)算器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。圖形計(jì)算器和傳感器的結(jié)合是一個(gè)重大的碰撞。使得教師可以利用他們已有的圖形計(jì)算器，來節(jié)約投資數(shù)字化實(shí)驗(yàn)新硬件的費(fèi)用，同時(shí)增加動(dòng)態(tài)的、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集能力［8］。

1996年，Vernier開發(fā)了Logger Pro，一款通用數(shù)據(jù)采集和分析的計(jì)算機(jī)程序，經(jīng)過了許多版本的更改之后，成為目前的Logger Pro 3［9］。現(xiàn)在，Vernier公司的產(chǎn)品可用于小學(xué)、中學(xué)、高中以及大學(xué)水平的課程，適用于幾乎所有的硬件設(shè)備、計(jì)算機(jī)平臺和操作系統(tǒng)，產(chǎn)品銷售到120多個(gè)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(tǒng)，David Vernier持續(xù)投入人力物力舉辦各種工作坊等教師培訓(xùn)活動(dòng)。使得數(shù)字化實(shí)驗(yàn)走向良性循環(huán)。而Robert Tinker則將注意力轉(zhuǎn)向在線學(xué)習(xí)平臺建設(shè)，成立了著名的康科特教育研究組織（Concord Consortium），繼續(xù)活躍在科學(xué)教育研究領(lǐng)域［10］。

四、啟發(fā)和思考

通過我們對這段歷史的梳理可以看到，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步誕生和發(fā)展的；是教育研究和技術(shù)研究結(jié)合的產(chǎn)物；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在教育中的應(yīng)用有巨大潛力也有必須克服的困難。

1.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是信息技術(shù)進(jìn)步的歷史產(chǎn)物

當(dāng)人類進(jìn)入信息社會，計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步自然會在教育領(lǐng)域產(chǎn)生影響，這是歷史的必然。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)最先產(chǎn)生于計(jì)算機(jī)技術(shù)最為發(fā)達(dá)的美國，Robert Tinker成為該領(lǐng)域的先驅(qū)，其中，既與他的學(xué)術(shù)背景和個(gè)人經(jīng)歷有關(guān)，也是社會發(fā)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(shù)字化實(shí)驗(yàn)的意義和價(jià)值，則有些落后于時(shí)代了。

2.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是教育研究和技術(shù)研究結(jié)合的產(chǎn)物

回顧歷史我們發(fā)現(xiàn)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的先驅(qū)者們，許多都是致力于改進(jìn)教學(xué)的教師，他們期望有更好的方法來教授物理、化學(xué)等，他們發(fā)現(xiàn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)不僅讓學(xué)生實(shí)時(shí)同步觀察現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，并且也很方便操作，很快就收到反饋，讓學(xué)生有機(jī)會采集數(shù)據(jù)并分析，理解發(fā)生的變化，同數(shù)學(xué)相結(jié)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(diǎn)一開始就不僅僅是技術(shù)的，而也是教育的。正如Robert Tinker所說：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的歷史就是從研究到應(yīng)用的歷史。

3.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在教育中的應(yīng)用有巨大潛力，也有必須克服的困難

科學(xué)的基本要素包括調(diào)查、探索、提問題、分析和思考。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)將多種多樣具有數(shù)據(jù)采集功能的探頭同電腦相連，給學(xué)生一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會去觀察和探索，而這正是在很多基礎(chǔ)科學(xué)計(jì)劃中缺少的［12-13］。隨著數(shù)字化實(shí)驗(yàn)相關(guān)研究的深入，其教學(xué)功能也被不斷挖掘。如今，信息化社會給每個(gè)人帶來極為深刻的影響，設(shè)備的使用不僅僅在于教學(xué)相應(yīng)的課程，而且可以豐富學(xué)生對世界感知的方式。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)所帶來的關(guān)于信息的轉(zhuǎn)化與共享、獲取、儲存及應(yīng)用信息方式的改變等體驗(yàn)，會對學(xué)生產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，對現(xiàn)代社會合格公民的培養(yǎng)有所貢獻(xiàn)。

同時(shí)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的推廣應(yīng)用存在成本相對較高、教師需要培訓(xùn)、效果需要更多證據(jù)、與課程需要更好融合等明顯的困難。沒有相應(yīng)的課程支持與服務(wù)、沒有教學(xué)計(jì)劃的配合和教學(xué)策略的實(shí)施，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)給學(xué)生帶來的驚喜將不復(fù)存在。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生在教師、同學(xué)、設(shè)備、軟件、知識和現(xiàn)象等多元的環(huán)境中學(xué)習(xí)，其學(xué)習(xí)和解決問題的方式必將同傳統(tǒng)的課堂不同，無論對于教師、學(xué)生還是更加廣義的教育范疇來說，都是一種挑戰(zhàn)，而這種挑戰(zhàn)所帶來的變革，值得教育工作者共同努力，以產(chǎn)生我們期許的更“好”的教育。

參考文獻(xiàn)

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doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.02.001

文章編號：1008-0546（2016）02-0002-05

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