數(shù)字化實(shí)驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)

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(cè)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。 基于傳感器的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)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(kāi)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(guó)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(guó)外比較著名的有：美國(guó)PASCO公司的數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)；英國(guó) Pico Technology 公司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；德國(guó) Cobra

2、的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；澳大利亞 Dava Harvest公司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等；美國(guó) VERNIER司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)也開(kāi)始增多，如浙江勝昔科技有限公司的 ScienceDis ；山東遠(yuǎn)大與上海市中小學(xué)數(shù) 字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)中心合作開(kāi)發(fā)的朗威 DISLab；教育部教學(xué)儀器研究所研發(fā)的 HPCI-1型物理 實(shí)驗(yàn)微機(jī)輔助系統(tǒng)；北京友高教育科技有限公司的YOC；O 南京金華科軟件有限公司的 JHKDIS等，不一而足。筆者通過(guò)動(dòng)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(guò)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(guò)程“現(xiàn)代化” 的

3、特點(diǎn)。1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程“可視化”實(shí)驗(yàn)過(guò)程可視化包括實(shí)驗(yàn)過(guò)程空間可視性和實(shí)驗(yàn)過(guò)程時(shí)間可視性。 這是學(xué)生學(xué)習(xí)物理過(guò) 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(huì)處理物理問(wèn)題的關(guān)鍵所在。物理實(shí)驗(yàn)中，空間上細(xì)微過(guò)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(shí)間上細(xì)微過(guò)程難以捕捉， 難以記錄，是物理實(shí)驗(yàn)的一個(gè)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(guò)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(gè)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(gè)問(wèn)題。 數(shù)

4、字化實(shí)驗(yàn)通過(guò)與計(jì)算機(jī)連接的傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)， 記錄數(shù)據(jù)， 實(shí)現(xiàn)了時(shí)間上細(xì)微 過(guò)程的實(shí)驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄，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(shí)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(shí)間內(nèi)清晰地記錄下壓力隨時(shí)間變化的圖像， 具體再現(xiàn)超重、 失重的過(guò) 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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)、 處理和分析， 使學(xué)生擺脫了繁瑣的計(jì)算 過(guò)程，能夠直接

5、把測(cè)量數(shù)據(jù)的變化過(guò)程通過(guò)“待測(cè)物理量一一時(shí)間”圖象直接顯示出來(lái)，直觀 地看出物理量之間的變化關(guān)系，使學(xué)生擺脫了手工作圖的繁瑣和作圖不準(zhǔn)確而造成的實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤，從而讓學(xué)生能夠?qū)⒏嗟臅r(shí)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31 表現(xiàn)之一是“自動(dòng)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(dòng)化。 功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集器可以自動(dòng)把整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中

6、物理 量的變化通過(guò)高采樣率完整的記錄下來(lái)， 存儲(chǔ)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(guò)附加一些器材，通過(guò)回控使得整個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程也實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)， 低的可到幾分鐘甚至幾小時(shí)一個(gè)數(shù)據(jù)， 因而可以適應(yīng)各種不同 類型實(shí)驗(yàn)的需要。32 表現(xiàn)之二是“實(shí)時(shí)化”由于采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制, 系統(tǒng)能夠在很短的時(shí)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(chǔ)迅速,數(shù)據(jù)處

7、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(guò) 程與實(shí)驗(yàn)過(guò)程同步,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和實(shí)時(shí)處理。33 表現(xiàn)之三是“并行化”數(shù)據(jù)采集器能同時(shí)接入四只相同的傳感器或四個(gè)不同的傳感器, 能同時(shí)采集多個(gè)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(dòng)實(shí)驗(yàn)中, 常規(guī)講授法教學(xué)中, 學(xué)生對(duì)物理規(guī)律感覺(jué)比較抽象,理解起來(lái)十分困難,學(xué)生很難同時(shí)觀察到回復(fù)力、加速度、速 度和位移四個(gè)物理量在運(yùn)動(dòng)過(guò)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(shí)采集數(shù)據(jù),直觀顯示 F-t , x-t 動(dòng)態(tài)圖象,有利于學(xué)生建立 起簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)完整的物理圖景, 幫助學(xué)生獲得直

8、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。34 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)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(jí)成定量實(shí)驗(yàn)。利用傳感器測(cè)量的各種物理量都要經(jīng)過(guò)采集器進(jìn)行處理后才能變?yōu)橛?jì)算機(jī)能夠儲(chǔ)存和 處理的數(shù)據(jù)。 從數(shù)據(jù)的測(cè)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(shí)人為引進(jìn)的各種測(cè)量誤差，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更精確、可靠。例如，電壓測(cè)量可以精確到0. 01V,光電門計(jì)時(shí)可以精確到0. 1ms而且兩者的誤差 都為 1%以內(nèi)，對(duì)于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)來(lái)，這個(gè)精確度已是相當(dāng)?shù)母吡恕Ｓ?/p>

9、例如壓強(qiáng)傳感器采用工 業(yè)級(jí)壓敏器件。傳感器量程為 0300Kpa測(cè)量分度達(dá)到0. 1Kpa,能夠精確反映實(shí)驗(yàn)過(guò)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)可以即時(shí)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(lái)，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(tái)，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(gè)實(shí)驗(yàn)的配置、傳感器的設(shè)置都以模板文件（. exs）存儲(chǔ)在硬盤上

10、，每次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 都以一定的數(shù)據(jù)文件（.exd）存儲(chǔ)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)?板和數(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(guò)程。 由于保存下來(lái)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(duì)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(dòng)擬合是處理數(shù)據(jù)的關(guān)鍵， 也是中學(xué)生課堂知識(shí)

11、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(shí)， 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)。 系統(tǒng)軟件直接給出了對(duì) 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(tái)。擬合菜單包括直線擬合、曲線擬合兩類。曲線擬合提供乘冪擬合、指數(shù)擬合、 N 級(jí)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，

12、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(jiǎn)單地運(yùn)用Matlab或者Excel進(jìn)行曲線擬合，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。43 “智能化”地創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)報(bào)告軟件可以創(chuàng)建各種文檔， 如實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)報(bào)告文檔、 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告文檔、 數(shù)據(jù)處理結(jié)果文檔、 實(shí)驗(yàn)主報(bào)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(guò)程“現(xiàn)代化”51 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

13、品種多、技術(shù)新、功能強(qiáng)、發(fā)展快、性能可靠等 優(yōu)勢(shì)。過(guò)去實(shí)驗(yàn)測(cè)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(lái)測(cè)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(shí)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(duì)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。52 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(guò)程的心 理或計(jì)算

14、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(shí)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； 認(rèn)知工具用來(lái)促成學(xué)習(xí)者對(duì)所學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行努力思考、 并達(dá)成一些在沒(méi)有 工具情況下難以形成的想法。學(xué)生能否適應(yīng)當(dāng)今知識(shí)和信息爆炸的社會(huì)，是否具備完整的信息處理能力將尤為關(guān)鍵。 而以傳感器為主的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室仍以學(xué)生的真實(shí)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)， 很好地抓住了信息處理的三個(gè)重 要環(huán)節(jié)（采集、處理和表達(dá)），從而有效實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與理科學(xué)科的整合。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室對(duì)轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式、提高實(shí)踐能力、培養(yǎng)創(chuàng)新精神等方面是值得肯定的。數(shù)字

15、實(shí)驗(yàn)與常規(guī)實(shí)驗(yàn)相比各有什么優(yōu)缺點(diǎn) 數(shù)字實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)：1、數(shù)字實(shí)驗(yàn)具有實(shí)時(shí)性，高精度，省時(shí)，直觀，精準(zhǔn)，快速，簡(jiǎn)便、模擬性強(qiáng)，易于操作， 便于數(shù)據(jù)的處理，呈現(xiàn)出物理圖象，對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的展示和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、加工、處理及學(xué) 生興趣的激發(fā)有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。2 數(shù)字實(shí)驗(yàn)運(yùn)用實(shí)時(shí)測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和智能控制等先進(jìn)技術(shù)，使得枯燥的知識(shí)以 圖文并茂的形式呈現(xiàn)出來(lái)， 便于學(xué)生培養(yǎng)學(xué)習(xí)物理的興趣， 便于數(shù)據(jù)的處理呈現(xiàn)出物理圖 象， 數(shù)字模擬實(shí)驗(yàn)可以變抽象為直觀，有電影回放的感受，動(dòng)靜自如。3、由于實(shí)驗(yàn)誤差較小，使規(guī)律和概念的發(fā)現(xiàn)或驗(yàn)證更具嚴(yán)謹(jǐn)性和可信度。4 、實(shí)驗(yàn)測(cè)量精準(zhǔn)、快速、簡(jiǎn)便，是學(xué)生能夠很容易的物理

16、量間的各種關(guān)系，對(duì)定量研究規(guī)律 很適合。5、動(dòng)態(tài)采集實(shí)驗(yàn)信息，分析物理動(dòng)態(tài)變化有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。6、電腦對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析，減少繁瑣的計(jì)算，有更多的時(shí)間來(lái)研究掌握物理規(guī)律上。7、提高了學(xué)生學(xué)生物理的興趣和積極性， 轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)方法， 讓學(xué)生有更廣闊的自主 學(xué)習(xí) 空間。數(shù)字實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)：1、不利于訓(xùn)練學(xué)生的操作能力，給人以虛擬的感覺(jué)。難以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手、動(dòng)腦能力，而 且數(shù)字實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)資金投入大，對(duì)老師和學(xué)生在現(xiàn)代教學(xué)設(shè)備的應(yīng)用要求較高。2、數(shù)字實(shí)驗(yàn)科技含量高，設(shè)備價(jià)格昂貴，中學(xué)實(shí)驗(yàn)室需要一定經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的大力支持。3、數(shù)字實(shí)驗(yàn)很現(xiàn)代，對(duì)當(dāng)年科學(xué)家對(duì)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程在再現(xiàn)方面有些弱化，學(xué)生無(wú)法感受 科學(xué)家在探索過(guò)程中的艱辛與執(zhí)著，不能較好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)的三維目標(biāo)。4、數(shù)字實(shí)驗(yàn)操作靈活快捷，削弱了學(xué)生 觀察動(dòng)手和計(jì)算能力。甚至有的學(xué)生只是出于對(duì)腦 的好奇，忽略了對(duì)物理過(guò)程的觀察以及對(duì)本質(zhì)的探究。常規(guī)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)：1、注重學(xué)生的參與體驗(yàn)，直觀的現(xiàn)象比抽象的現(xiàn)象讓學(xué)生在獲取