數(shù)字化實(shí)驗(yàn)簡介

1、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)概述數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室（DIS ）是一般由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)及相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件等構(gòu)成的測量、采集、處理設(shè)備和與之配套的相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器裝備組成的實(shí)驗(yàn)室。數(shù) 字化實(shí)驗(yàn)室是信息技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程整合的重要載體?；趥鞲衅鞯挠?jì)算機(jī)實(shí)時數(shù) 據(jù)采集和基于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件的計(jì)算機(jī)建模和圖象分析等技術(shù)是開展中學(xué)物理探 究教學(xué)的兩大技術(shù)支撐，也是中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)面向現(xiàn)代化，提升實(shí)驗(yàn)檔次，加速實(shí)現(xiàn)中 學(xué)教學(xué)向國際接軌的一條途徑。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制，在國外比較著名的有：美國PASC（公司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；英國 Pico Technology 公司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；德國 Cobra 的數(shù)據(jù)采

2、集 系統(tǒng)；澳大利亞 Dava Harvest公司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等；美國 VERNIER公司的數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)。國內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也開始增多，如浙江勝昔科技有限公司的ScienceDis;山東遠(yuǎn)大的朗威 DISLab；江蘇艾迪生教育發(fā)展有限公司的EDISlab ;北京友高教育科技有限公司的YOCO南京金華科軟件有限公司的JHKDIS等，不一而足。筆者通過動手實(shí)踐數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，查閱文獻(xiàn)資料，總結(jié)出數(shù)字化實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)過程“可視化”；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)“重點(diǎn)化”；數(shù)據(jù)采集“智能化”；數(shù)據(jù)處理“智能化”；教 學(xué)過程“現(xiàn)代化”的特點(diǎn)。1實(shí)驗(yàn)過程“可視化”實(shí)驗(yàn)過程可視化包括實(shí)驗(yàn)過程空間可視性和實(shí)驗(yàn)過程時間可視性。這是

3、學(xué)生學(xué)習(xí) 物理過程分析，建立物理概念，理解物理規(guī)律的認(rèn)知基礎(chǔ)，是學(xué)會處理物理問題的關(guān) 鍵所在。物理實(shí)驗(yàn)中，空間上細(xì)微過程人眼難以觀察，一般借助于顯微鏡可以實(shí)現(xiàn)細(xì)致的 觀察。時間上細(xì)微過程難以捕捉，難以記錄，是物理實(shí)驗(yàn)的一個難點(diǎn)，瞬間變化的可 視化尤其是難點(diǎn)。例如彈簧振子 F-t 、 x-t 關(guān)系，電容充、放電電流 i-t 關(guān)系，碰撞過 程研究等等，這類實(shí)驗(yàn)以往一般只能定性講述，或者用多媒體軟件進(jìn)行模擬演示。怎樣突破這個難點(diǎn)呢？傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器由于人眼觀察與手工記錄的斷續(xù)性，確實(shí)難解決這個問題。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)通過與計(jì)算機(jī)連接的傳感器實(shí)時采集數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)， 實(shí)現(xiàn)了時間上細(xì)微過程的實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)自動記錄，

4、相當(dāng)于用傳感器和計(jì)算機(jī)代替人眼、 手、紙和筆記錄數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)記錄的時間連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)了瞬間變化“可視化”。 例如將傳感器技術(shù)引入超重、失重教學(xué)，就可以在很短的時間內(nèi)清晰地記錄下壓力隨 時間變化的圖像，具體再現(xiàn)超重、失重的過程，便于總結(jié)超重、失重現(xiàn)象的特點(diǎn)和條 件，符合歸納法教學(xué)的要求。2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)“重點(diǎn)化”數(shù)字化實(shí)驗(yàn)由傳感器和數(shù)據(jù)采集器代替人眼讀取數(shù)據(jù)，用計(jì)算機(jī)軟件取代紙筆方 式手工記錄數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)軟件代替人腦對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單統(tǒng)計(jì)、處理和分析，使學(xué)生擺 脫了繁瑣的計(jì)算過程，能夠直接把測量數(shù)據(jù)的變化過程通過“待測物理量一一時間” 圖象直接顯示出來，直觀地看出物理量之間的變化關(guān)系，使學(xué)生擺脫了手工作

5、圖的繁 瑣和作圖不準(zhǔn)確而造成的實(shí)驗(yàn)錯誤，從而讓學(xué)生能夠?qū)⒏嗟臅r間、心力用于實(shí)驗(yàn)設(shè) 計(jì)，用于探究和分析，用于驗(yàn)證和修改假設(shè)，從而有利于更好地理解概念，掌握規(guī)律。當(dāng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成為學(xué)生思考的中心與重點(diǎn)，可以提高學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的興趣。3數(shù)據(jù)采集“智能化”數(shù)據(jù)采集“智能化”的基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的應(yīng)用。3 1 表現(xiàn)之一是“自動化”系統(tǒng)設(shè)置了連續(xù)采樣、單點(diǎn)采樣、閾值觸發(fā)采樣等多種采集模式，軟件可以設(shè)置 采集器的各種參數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的自動化。功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集器可以自動把整個 實(shí)驗(yàn)過程中物理量的變化通過高采樣率完整的記錄下來，存儲在數(shù)據(jù)文件中。并且由 于數(shù)據(jù)采集器提供了反饋輸出，可以通過附加一些器材，通

6、過回控使得整個實(shí)驗(yàn)的操 作過程也實(shí)現(xiàn)自動化。系統(tǒng)連續(xù)采樣頻率可以按照實(shí)驗(yàn)要求設(shè)置。最高采集頻率可達(dá) 5000-10000Hz ，采 集的速度高的可到每秒一萬個數(shù)據(jù)，低的可到幾分鐘甚至幾小時一個數(shù)據(jù)，因而可以 適應(yīng)各種不同類型實(shí)驗(yàn)的需要。3 2 表現(xiàn)之二是“實(shí)時化”由于采用計(jì)算機(jī)自動控制，系統(tǒng)能夠在很短的時間內(nèi)采集和處理大量的數(shù)據(jù)，并 利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和作圖功能，將數(shù)據(jù)反映成圖象，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加直觀。 DIS 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集迅速，數(shù)據(jù)傳輸迅速，數(shù)據(jù)存儲迅速，數(shù)據(jù)處理迅速，數(shù)據(jù)顯示迅速， 從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)變化過程與實(shí)驗(yàn)過程同步，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時采集和實(shí)時處理。3 3 表現(xiàn)之三是“并行化”數(shù)據(jù)采集

7、器能同時接入四只相同的傳感器或四個不同的傳感器，能同時采集多個 相同或不同種類的物理量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步并行采集。在彈簧振子的振動實(shí)驗(yàn)中，常 規(guī)講授法教學(xué)中，學(xué)生對物理規(guī)律感覺比較抽象，理解起來十分困難，學(xué)生很難同時 觀察到回復(fù)力、加速度、速度和位移四個物理量在運(yùn)動過程中的大小和方向。應(yīng)用DIS的并行采集功能，實(shí)驗(yàn)中分別利用力傳感器和位移傳感器并行實(shí)時采集數(shù)據(jù)，直觀顯 示 F-t ， x-t 動態(tài)圖象，有利于學(xué)生建立起簡諧運(yùn)動完整的物理圖景，幫助學(xué)生獲得直 接經(jīng)驗(yàn)，直接感知物理規(guī)律，取得其它教學(xué)手段難以收到的效果。3 4 表現(xiàn)之四是“定量化”定量研究是科學(xué)的特征。一些傳統(tǒng)中學(xué)實(shí)驗(yàn)受到實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)

8、驗(yàn)技術(shù)的限制，難 以量化。 DIS 實(shí)驗(yàn)直接使許多中學(xué)物理定性實(shí)驗(yàn)升級成定量實(shí)驗(yàn)。利用傳感器測量的各種物理量都要經(jīng)過采集器進(jìn)行處理后才能變?yōu)橛?jì)算機(jī)能夠儲 存和處理的數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)的測量到采集再到處理，都是在系統(tǒng)內(nèi)部完成，避免了傳統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)儀器由于估讀時人為引進(jìn)的各種測量誤差，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更精確、可靠。例如，電壓測量可以精確到0. 01V,光電門計(jì)時可以精確到 0. 1ms。而且兩者的誤差都為 1%以內(nèi)，對于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)來，這個精確度已是相當(dāng)?shù)母吡?。又例如壓?qiáng)傳 感器采用工業(yè)級壓敏器件。傳感器量程為0300Kpa,測量分度達(dá)到0. 1Kpa,能夠精確反映實(shí)驗(yàn)過程中的壓強(qiáng)變化。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件數(shù)據(jù)可以

9、即時地把同一實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用數(shù)字、指針或示波器三種 顯示方式顯示出來，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的定量顯示。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的傳感器的精度高，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的誤差比較小，數(shù)據(jù)的定量顯示，這 些就使物理、化學(xué)、生物學(xué)規(guī)律的探究發(fā)現(xiàn)或者探究驗(yàn)證更具有嚴(yán)謹(jǐn)性和可信性。數(shù) 字化實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生的“定量化”研究提供了研究平臺，有利于學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)。4.數(shù)據(jù)處理“智能化”4. 1 “智能化”地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)重演每個實(shí)驗(yàn)的配置、傳感器的設(shè)置都以模板文件（. exs）存儲在硬盤上，每次實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)都以一定的數(shù)據(jù)文件（.exd）存儲在硬盤上。軟件提供了回放功能，只要調(diào)用相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)０搴蛿?shù)據(jù)文件，就能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)的重演，學(xué)生可以隨意定格展示、隨意縮

10、放 DIS 實(shí)驗(yàn)圖線，回憶實(shí)驗(yàn)情形，復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)過程。由于保存下來的數(shù)據(jù)和結(jié)果是以通 用格式保存的，這使得數(shù)據(jù)的共享十分方便。利用計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)功能，還可以把實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)和結(jié)果以最快的速度進(jìn)行網(wǎng)上發(fā)布，做到數(shù)據(jù)共享。4. 2 “智能化”地進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合軟件不但提供了對數(shù)據(jù)求平均值、求最大值、求最小值的功能，而且提供了數(shù)據(jù) 擬合功能，圖線面積求法一一積分運(yùn)算功能，和自定義運(yùn)算功能。其中數(shù)據(jù)的自動擬合是處理數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，也是中學(xué)生課堂知識的盲區(qū)。學(xué)生能夠 理解數(shù)據(jù)擬合是揭示數(shù)據(jù)之間關(guān)系、找出物理規(guī)律的必要方法，也有一次函數(shù)、二次 函數(shù)、冪函數(shù)等數(shù)學(xué)知識，但缺乏把離散的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的數(shù)理統(tǒng)計(jì)的高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。 系

11、統(tǒng)軟件直接給出了對給定的一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行“傻瓜式”、“菜單型”擬合操作，提 供給中學(xué)師生一種強(qiáng)有力的科學(xué)工具，使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)范圍大大拓寬，實(shí)驗(yàn)水平極大提 高。 DIS 為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和探索能力提供了很好的平臺。擬合菜單包括直線擬合、曲線擬合兩類。曲線擬合提供乘幕擬合、指數(shù)擬合、N級反比擬合、平方倒數(shù)擬合、二次項(xiàng)擬合、三次項(xiàng)擬合、正弦擬合等。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法的改進(jìn)。學(xué)生首先要進(jìn)行使用傳統(tǒng)的紙筆， 用公式法、圖象法處理數(shù)據(jù)的訓(xùn)練。熟練了這種數(shù)據(jù)處理方法后，可以用通用計(jì)算機(jī) 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法。中學(xué)階段，一般可以簡單地運(yùn)用Matlab或者 Excel 進(jìn)行曲線擬

12、合，也可以用專用的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，形成多種解釋數(shù)據(jù)之 間關(guān)系的方法。4 3 “智能化”地創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)報告軟件可以創(chuàng)建各種文檔，如實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)報告文檔、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報告文檔、數(shù)據(jù)處理結(jié) 果文檔、實(shí)驗(yàn)主報告文檔以及需要的文檔。WOR創(chuàng)建的文檔另存為 RTF文件就能導(dǎo)入到實(shí)驗(yàn)文檔中。電子文檔的優(yōu)點(diǎn)如方便多次修訂，方便網(wǎng)絡(luò)共享、同伴交流學(xué)習(xí)在這 里實(shí)現(xiàn)。5教學(xué)過程“現(xiàn)代化”5 1 教學(xué)手段現(xiàn)代化與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器相比，傳感器更具有品種多、技術(shù)新、功能強(qiáng)、發(fā)展快、性能 可靠等優(yōu)勢。過去實(shí)驗(yàn)測量器材有電流表、電壓表、彈簧秤、水銀溫度計(jì)等，現(xiàn)在則 可用電流傳感器、電壓傳感器、力傳感器、溫度傳感器等來測量物理量。數(shù)據(jù)采集器已在實(shí)際的現(xiàn)代生產(chǎn)、生活中得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集器在中學(xué) 物理實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，使學(xué)生能提早接觸和熟悉數(shù)據(jù)采集器，適應(yīng)時代要求。教師利用數(shù) 字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以最大限度地率領(lǐng)學(xué)生敢于向傳統(tǒng)挑戰(zhàn)。教師可以利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè) 備創(chuàng)設(shè)情景，讓學(xué)生充滿對周圍事物關(guān)心的激情，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)造性思維的發(fā)展。5 2 教學(xué)方式現(xiàn)代化DIS 實(shí)驗(yàn)提供一種現(xiàn)代的認(rèn)知工具。認(rèn)知工具是支持、指導(dǎo)、擴(kuò)展學(xué)習(xí)者思維過程 的心理或計(jì)算與實(shí)驗(yàn)裝置。前者存在于學(xué)習(xí)者內(nèi)部如學(xué)習(xí)者的認(rèn)知、元認(rèn)知策略；后 者則是外部的，包括基于計(jì)算機(jī)的裝置和環(huán)境；它們都是知識建構(gòu)的輔助工具。認(rèn)知 工具由學(xué)習(xí)者控制而不是由教師或技術(shù)控制的