手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在我國近20年的研究進(jìn)展及現(xiàn)狀

王曉芳　鹿鈺鋒　夏建華

摘要：運(yùn)用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法對近20年手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)主題下的386篇文獻(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，借助可視化知識圖譜軟件CiteSpace進(jìn)行研究者合作分析，關(guān)鍵詞聚類分析，同時配合中介中心性、突現(xiàn)詞等指標(biāo)屬性，刻畫該領(lǐng)域整體的研究水平;深度挖掘聚類標(biāo)簽背后四個熱點(diǎn)研究主題，為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在化學(xué)學(xué)科的深入發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn);研究進(jìn)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(xiàn)標(biāo)識碼：B

在國內(nèi)，手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)又稱“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)”“手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)”“掌上實(shí)驗(yàn)室”“DIS實(shí)驗(yàn)”，最早于2003年由華南師范大學(xué)錢揚(yáng)義教授提出并給予定義，近十年在實(shí)踐應(yīng)用和科學(xué)研究兩個方面取得快速發(fā)展。應(yīng)用實(shí)踐方面，在我國教育資源豐富的地區(qū)，手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)入課堂呈現(xiàn)常態(tài)化的趨勢;科學(xué)研究方面，前期主要集中在對教材中化學(xué)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新，后期逐步轉(zhuǎn)向借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)深入探索學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。當(dāng)前錢揚(yáng)義教授團(tuán)隊(duì)提出了TQVC認(rèn)知理論模型，嘗試從認(rèn)知心理學(xué)的視角解釋手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)在學(xué)生建構(gòu)化學(xué)知識中所發(fā)揮的作用。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》也明確提出要適當(dāng)增加數(shù)字化實(shí)驗(yàn)、定量實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐活動，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究活動中學(xué)習(xí)科學(xué)方法，認(rèn)識科學(xué)過程，體會、認(rèn)識技術(shù)手段的創(chuàng)新對化學(xué)科學(xué)的重要價值。

1數(shù)據(jù)來源與研究方法

在中國知網(wǎng)中以“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)”或“手持技術(shù)”為主題進(jìn)行高級檢索（文獻(xiàn)檢索日期為2020年6月15日），手動剔除會議通知、發(fā)刊詞等不相關(guān)的記錄，以Refworks導(dǎo)出數(shù)據(jù)并清洗去重，剩余386條記錄。

CiteSpace是計(jì)算機(jī)與情報學(xué)教授陳超美基于Java開發(fā)的信息可視化軟件，用以探尋學(xué)科領(lǐng)域的演化路徑和知識轉(zhuǎn)折點(diǎn)，分析某學(xué)科的潛在動力機(jī)制，在文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)中被廣泛運(yùn)用。啟動軟件，將Time Slicing設(shè)為2003～2020年;Years Per Slice設(shè)為1年;Node Type依次為“Author”“Keyword”;Selection Criteria設(shè)為Top50%;Pruning選擇Minimum Spanning Tree。

2結(jié)果分析

2.1整體趨勢分析

通過年度發(fā)文量（如圖1），對研究領(lǐng)域的整體發(fā)展水平進(jìn)行刻畫，其大體呈現(xiàn)先慢后快的發(fā)展趨勢。2003～2008年為萌芽期，發(fā)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(xué)者對于手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的了解更為全面，年發(fā)文量出現(xiàn)大幅增長，各類論文如雨后春筍般出現(xiàn)在期刊雜志上;2017至今為穩(wěn)步發(fā)展期，年發(fā)文量在40篇左右浮動，2017年核心素養(yǎng)的提出為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)持續(xù)深入的研究發(fā)展提供動力。

2.2研究者合作分析

借助CiteSpace可進(jìn)行宏觀層面研究國家、中觀層面研究機(jī)構(gòu)、微觀層面研究者合作分析。科學(xué)計(jì)量學(xué)之父Price提出：合作論文的平均合作者會增加。學(xué)術(shù)問建立成熟的合作關(guān)系對于創(chuàng)造成功相當(dāng)重要，通過合作圖譜能夠直觀反映學(xué)術(shù)影響力及社會關(guān)系。

將節(jié)點(diǎn)類型設(shè)為“Author”，得到研究者合作網(wǎng)絡(luò)圖譜（如圖2）。從圖譜參數(shù)N=80，E=93，即有80位研究者和93次彼此間的聯(lián)系，Density=0.0294，表明分布適中。從整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)問連線豐富，合作關(guān)系緊密，節(jié)點(diǎn)孤立存在的情形較少，且主要形成以錢揚(yáng)義、衷明華為中心的大型合作網(wǎng)絡(luò)，該領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)形成具有權(quán)威的研究集群。從關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)越大發(fā)文量越多，錢揚(yáng)義、衷明華、鄧峰、林建芬等人是這一領(lǐng)域內(nèi)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(yáng)義的合作子網(wǎng)絡(luò)。

2.3關(guān)鍵詞聚類分析

關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能快速找到該領(lǐng)域某一時期的熱點(diǎn)及演變趨勢，自動聚類標(biāo)簽視圖是在默認(rèn)視圖基礎(chǔ)上通過聚類算法生成知識聚類，然后通過算法提取標(biāo)簽詞，以此來表征知識基礎(chǔ)和研究前沿。

將節(jié)點(diǎn)類型設(shè)為“Keyword”，得到關(guān)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(tuán)結(jié)構(gòu)是顯著的}，Mean Silhouette=0.503 5（S值在0.5時，一般認(rèn)為該聚類是合理的，若S值在0.7以上，則認(rèn)為聚類是令人信服的），共形成七個聚類標(biāo)簽：#0研究性學(xué)習(xí)、#l溫度傳感器、#2離子反應(yīng)、#3實(shí)驗(yàn)探究、#4信息技術(shù)、#5濃度、#6化學(xué)反應(yīng)速率。

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

通過挖掘每個聚類背后的數(shù)據(jù)信息，得到LLR算法下每個聚類包含的主要關(guān)鍵詞（如表1），各個聚類的節(jié)點(diǎn)豐富，輪廓值均大于0.7，說明各聚類內(nèi)部節(jié)點(diǎn)聯(lián)系緊密，聚類效果良好，具有可信度。

知識圖譜根據(jù)一定的算法量化分析樣本文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)而得出，其科學(xué)性不言而喻，但對于研究主題的梳理還需要整合、分類。結(jié)合圖4和表1，確定以下四個熱點(diǎn)研究主題：

2.3.1數(shù)字化實(shí)驗(yàn)支持下的研究性學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)探究

聚類#0研究性學(xué)習(xí)、聚類#3實(shí)驗(yàn)探究，節(jié)點(diǎn)數(shù)量豐富，都是在教師的帶領(lǐng)下借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)開展小課題研究，同時開發(fā)出相關(guān)的校本課程資源，因此合并討論。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)便攜、數(shù)據(jù)儲存量大的特點(diǎn)讓化學(xué)學(xué)習(xí)的空間不再局限在學(xué)校，一經(jīng)推廣到中學(xué)，就得到廣大師生的認(rèn)可，因此在關(guān)鍵詞時間線圖譜（如圖4），聚類#0研究性學(xué)習(xí)的演進(jìn)歷程中，2004到2012年間節(jié)點(diǎn)多且連線較為密集，聚類#3實(shí)驗(yàn)探究在2012年節(jié)點(diǎn)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(shù)字化實(shí)驗(yàn)運(yùn)用于研究性學(xué)習(xí)是非常成功的。

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

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)為研究性學(xué)習(xí)提供技術(shù)支持，豐富研究性學(xué)習(xí)的實(shí)踐手段，但在已有的研究中，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在研究性學(xué)習(xí)中的應(yīng)用主要集中在“食品”“環(huán)境”這兩類問題，圖4中“研究性學(xué)習(xí)”的節(jié)點(diǎn)和連線數(shù)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(shù)字化實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)

聚類#1溫度傳感器、聚類#4信息技術(shù)，兩個模塊的子關(guān)鍵詞內(nèi)部一致性均較高，均運(yùn)用各類傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新，因此合并為一個主題。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)直觀、實(shí)時、微量、綠色，在改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)缺點(diǎn)等方面效果明顯，因此是發(fā)文的熱點(diǎn)主題。王旭斌借助濕度傳感器、CO₂感器對濃硫酸“黑面包實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行改進(jìn)。

從關(guān)鍵詞聚類標(biāo)簽的統(tǒng)計(jì)分析（表1）：傳感器的運(yùn)用主要集中于溫度傳感器、pH傳感器、電導(dǎo)率傳感器，呈現(xiàn)單一、重復(fù)的特點(diǎn)。此外關(guān)鍵詞時間線圖（如圖4）中“手持技術(shù)”與“信息技術(shù)”在2004年同時出現(xiàn)第一個節(jié)點(diǎn)信息，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在開始出現(xiàn)的時候就被賦予了信息技術(shù)與教育融合發(fā)展的理念。

2.3.3基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)與教學(xué)案例開發(fā)

聚類#2離子反應(yīng)、聚類#6化學(xué)反應(yīng)速率、聚類#5濃度、聚類#l溫度傳感器的子關(guān)鍵詞“化學(xué)平衡”，這一主題集中在借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)開發(fā)典型的教學(xué)案例，合并討論。優(yōu)質(zhì)的教學(xué)案例不僅有利于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的推廣，而且為教師備課提供借鑒。

姚娟娟開發(fā)出基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的“離子反應(yīng)”完整教學(xué)案例。張?jiān)阶灾坪喴椎墓饷魝鞲衅鳎糜谔骄繙囟?、濃度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響一節(jié)課的教學(xué)。經(jīng)大致統(tǒng)計(jì)與閱覽，“離子反應(yīng)”“中和反應(yīng)”“強(qiáng)弱電解質(zhì)”等課題的受關(guān)注度較高，而元素化合物、有機(jī)化學(xué)、熱化學(xué)等主題的知識關(guān)注較少。

2.3.4數(shù)字化實(shí)驗(yàn)背景下教學(xué)模式的創(chuàng)新與豐富

聚類#0研究性學(xué)習(xí)中的子關(guān)鍵詞“四重表征”和聚類#4信息技術(shù)的子關(guān)鍵詞“POE”都是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)背景下的教學(xué)模式產(chǎn)物，整合為一個研究主題。

宏觀上觀察和描述物質(zhì)及變化，微觀上解釋本質(zhì)及規(guī)律，符號上表達(dá)宏微聯(lián)系，這是化學(xué)學(xué)科獨(dú)特的思維方式。對學(xué)生而言，微觀表征的建立及轉(zhuǎn)化是認(rèn)知難點(diǎn)，而通過分析曲線的特殊點(diǎn)（起點(diǎn)、拐點(diǎn)、終點(diǎn)）及特殊線段變化趨勢，將強(qiáng)化學(xué)生頭腦中宏觀與微觀聯(lián)系，促進(jìn)化學(xué)概念、化學(xué)原理的理解，這就讓化學(xué)三重表征拓展到四重表征。

林建芬等人提出基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的四重表征教學(xué)模式。彭豪在四重表征模式的指導(dǎo)下展開實(shí)踐教學(xué)。鄧峰等人還提出“6S”探究教學(xué)模式。教學(xué)模式的引入與創(chuàng)新，豐富了已有的化學(xué)教學(xué)理論，而且在實(shí)踐層面上給予化學(xué)教師更多實(shí)踐指引。

2.4關(guān)鍵詞突現(xiàn)性分析

突現(xiàn)詞是在某些年份出現(xiàn)關(guān)鍵性轉(zhuǎn)折的詞匯，配合中介中心性的相關(guān)參數(shù)，能快速找到某一研究領(lǐng)域的拐點(diǎn)（轉(zhuǎn)折點(diǎn)）信息，從而得出研究前沿。關(guān)鍵詞突現(xiàn)性檢測如圖5。

突現(xiàn)時間跨度最長的關(guān)鍵詞是“化學(xué)實(shí)驗(yàn)”，從2007年一直持續(xù)到2014年，這是因?yàn)榛瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的“知識基礎(chǔ)”，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是化學(xué)實(shí)驗(yàn)的下位概念。突現(xiàn)起始時間最早的是“研究性學(xué)習(xí)”（2009年）、“化學(xué)教學(xué)”（2009年）。研究性學(xué)習(xí)是綜合實(shí)踐活動課程的四大內(nèi)容之一，自2001年新課改以來備受關(guān)注，而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)滿足其自主性、生活性、實(shí)踐性、綜合性等原則要求，經(jīng)過幾年的發(fā)展推廣到一線中學(xué)，教師紛紛展開數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的研究性學(xué)習(xí)，因此出現(xiàn)爆發(fā)點(diǎn)。

此外，突現(xiàn)強(qiáng)度最高的是“核心素養(yǎng)”，雖起始于2019年，但在短短1年內(nèi)強(qiáng)度高達(dá)5.6664，截止到目前仍然備受關(guān)注，是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域內(nèi)關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這是因?yàn)閿?shù)字化實(shí)驗(yàn)在發(fā)展“宏觀與微觀”“變化與平衡”等素養(yǎng)方面具有優(yōu)勢，借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)落實(shí)化學(xué)核心素養(yǎng)將是未來一段時間內(nèi)最具熱度的研究主題。

3研究展望

通過本研究，得出數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于化學(xué)教育領(lǐng)域后得到了快速的發(fā)展，先后涌現(xiàn)出研究性學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新、案例開發(fā)、四重表征教學(xué)模式等熱點(diǎn)研究主題。反思與展望如下：

3.1以學(xué)生開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)探究理念與實(shí)踐研究

中學(xué)階段的科學(xué)探究本著掌握知識、學(xué)會方法的原則，更多地讓學(xué)生學(xué)習(xí)知識，并在科學(xué)探究過程中給予方法與思維上的訓(xùn)練。科學(xué)探究包括“提出問題猜想與假設(shè)制定計(jì)劃收集證據(jù)”等環(huán)節(jié)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)支持下的學(xué)生探究活動，能夠?qū)崿F(xiàn)不同深度、不同維度科學(xué)思維與能力的培養(yǎng)，尤其在推理意識和證據(jù)意識方面。

因此，在主題選取時，不應(yīng)居泥于教材，除已有研究性學(xué)習(xí)中所涉及的“環(huán)境”和“食品”問題以外，還可以包括與人體生命、地質(zhì)氣候有關(guān)的都是具有價值的探究學(xué)習(xí)課題，例如人體中某種微量元素的測定、香煙中的化學(xué)、溫室效應(yīng)、水體富營養(yǎng)化、氣候變暖等。這些課題與學(xué)生的生活貼切，在拓展學(xué)生視野的同時，更容易滲透科學(xué)探究的理念。在方案設(shè)計(jì)時，充分尊重學(xué)生的理解，讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)探究方案，動手操作，實(shí)現(xiàn)知識的獲取與建構(gòu)。而實(shí)施過程中，教師應(yīng)有意識地引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)芡瑫r測定多種數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，在同一實(shí)驗(yàn)過程中運(yùn)用多種傳感器，多角度觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，豐富和完善知識體系，培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)意識的高階思維。

3.2數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在基礎(chǔ)教育中的實(shí)證研究

當(dāng)前，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在中學(xué)的普及程度并不高、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)高昂、教師實(shí)驗(yàn)價值認(rèn)識欠缺，這都是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在基礎(chǔ)教育繼續(xù)深入發(fā)展的制約因素。而在已有研究中，實(shí)驗(yàn)案例的開發(fā)仍是主流方向，相關(guān)的實(shí)證研究占據(jù)很小比例。在國外，研究者首先關(guān)注的就是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在化學(xué)教學(xué)中的效果與潛力、教師和學(xué)生對新技術(shù)的態(tài)度，豐富的實(shí)證研究在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)推廣過程中起到巨大助推作用。因此，今后還是要重視實(shí)證研究，從量化研究的角度客觀地論證數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的價值。例如，運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)芴嵘龑W(xué)生數(shù)形結(jié)合的思想，學(xué)生讀圖、識圖能力提升程度到底如何，這需要真實(shí)的數(shù)據(jù)予以論證;數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)芨淖儗W(xué)生的認(rèn)知方式，這就需要切實(shí)和學(xué)生進(jìn)行訪談。此外，對于還沒有數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的學(xué)校，建設(shè)成本是多少，如何保證實(shí)驗(yàn)室的使用率，學(xué)生的理科成績是否確實(shí)有提升，這就需要站在學(xué)校決策者的角度展開論證。

3.3數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在選修課程中的案例開發(fā)

基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)和案例開發(fā)，大都集中在必修階段的課程，在“常見無機(jī)物及應(yīng)用”“化學(xué)反應(yīng)與能量”“化學(xué)反應(yīng)速率”“水溶液中的離子平衡”等專題的案例研究已經(jīng)較為成熟，但選修教材《化學(xué)與生活》《化學(xué)與技術(shù)》《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》的案例開發(fā)幾乎無人問津，這大多因?yàn)槭谡n對象是文科班學(xué)生或者高考并不涉及相關(guān)模塊的考點(diǎn)。這是該領(lǐng)域發(fā)展的薄弱點(diǎn)，選修課程中能夠進(jìn)行挖掘的點(diǎn)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(zhì)與作用的探究，案例的拓展開發(fā)能夠解決傳感器使用單一、重復(fù)的問題，發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)更大的教育價值。同時，一系列優(yōu)質(zhì)的教學(xué)案例就能組合成一套具有特色的校本課程，這對于學(xué)校的科技特色教育的宣傳具有積極意義。

3.4數(shù)字化實(shí)驗(yàn)融入STEM教育的模式與案例開發(fā)

STEM教育理念提倡面對真實(shí)情境問題，整合各個學(xué)科的知識與方法（物理、化學(xué)、工程、生物、數(shù)學(xué)等）來解決實(shí)際問題，更強(qiáng)調(diào)學(xué)科知識問的聯(lián)結(jié)和融合發(fā)展，這與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)批判性、開放性等高階思維方面的特點(diǎn)相吻合。目前國內(nèi)STEM教育的研究處在初級階段，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)融入STEM教育的教學(xué)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(shù)字化實(shí)驗(yàn)支持下的STEM教學(xué)模式將凸顯“技術(shù)”與“工程”在現(xiàn)代教學(xué)中的重要作用，同時將為信息技術(shù)有效運(yùn)用于課堂提供清晰的理論支持。在案例的開發(fā)方面，各學(xué)科教師需協(xié)同配合，利用好新技術(shù)在各學(xué)科的應(yīng)用特征，例如圖形計(jì)算器在數(shù)學(xué)學(xué)科的應(yīng)用、數(shù)字測距儀在物理學(xué)科的應(yīng)用、虛擬標(biāo)本在生物學(xué)科的應(yīng)用，以項(xiàng)目的形式整合各學(xué)科的知識銜接點(diǎn)，巧妙地設(shè)計(jì)在一節(jié)課中，通過可操作、易推廣的案例推進(jìn)STEM教育在我國的發(fā)展。