数字化实验讨论3

物理数字化实验若干问题讨论叶建柱yjz@数字化技术在实验教学中的应用主要有以下几个层面:1)实验仿真/虚拟实验。2)实验数据采集与数据分析3)数字化实验指导资料4)实验考核5)实验教学管理、实验室管理实验室信息管理系统LIMS(LaboratoryInformationManagementSystem)数字实验室e-lab数字化实验

将计算机技术和传统的实验方法结合起来，利用传感器把各种物理、化学、生物等的待测量转换为电学量输入计算机，经过计算机处理得到结果，这就是数字化实验．

2．数字化实验系统的组成①传感器②数据采集器③数据处理软件．磁传感器

力传感器

一、数字化实验的发展1962年麻省理工学院John

King教授：将传感器引入物理教育1976年Robert

Tinke国家自然基金项目：

计算机和实验室教学

将传感器和计算机结合

70年代中期，己经有一些量能以数字信号进行计算机输入，但是更多地像温度、光、电压等物理量不能进行计算机输入。1、国外的发展1978年，发明了计算机内部安装模拟信号到数字信号的转换器，将该研究用于实验。萘的溶解和凝固实验首次证明传感器与相应的软件结合可以改进学生的学习。一、数字化实验的发展在此之前，学生只能通过温度计手动测量晶体冷却的温度，得到的是间断的不完整的图线，学生甚至不能明白所得图像和物质冷却过程中各阶段特征之间的联系。传感器体积小、反应灵敏，只需取少量的样品，可以在较短时间内完成晶体冷却过程。减少搜集数据的时间，增加学生之间的对实验结果讨论。1980年，这套实时测量的系统被命名为

“MBL(microcomputer

based

lab)”也有人称之“Probeware”（探测器）一、数字化实验的发展随后的几年中，Robert

Tinker和他的同事从物理实验推广到化学实验，使化学实验中的一些量(如PH值)通过传感器在计算机上显示成为可能。1983年，RobertTinker和JohnKing被授予“Probeware”（探测器）的发明者一、数字化实验的发展美国的教育改革给MBL提供了发展的土壤。1957年苏联第一颗人造卫星上天，使美国人感到了前所未有的危机，教育改革由此拉开帷幕。1983年抛出的“国家危机论”更使美国开始了新一轮大刀阔斧的教育改革。美国于1983年4月发布的教育报告书——《国家处在危险中：教育改革势在必行》，在全国引起了强烈的反响。报告书开头即指出美国社会的教育根基现在正在为日益强大的“平庸”浪潮所侵蚀，教育质量不断下降，已经到了对国家形成安全威胁的地步；报告书主要内容是加强中学五门“新基础课”的教学，中学必须开设数学、英语、自然科学、社会科学、计算机课程；提高教育标准和要求；改进教师的专业训练标准、地位和待遇；各级政府加强对教育改革的领导和实施。此报告的公布，在美国教育史上又一次揭开了教育改革的序幕，大大超过了1958年教育改革的声势和规模。在此阶段，MBL迎来了前所未有的发展机遇。数字化实验装置在学校得到广泛使用。一、数字化实验的发展到上世纪80年代中期，MBL完成了硬件方面的设计，以后的发展多集中在界面、软件的设计，以及相应课程和教育目标的开发。此外还在小型化(手持）、无线户外型的测量方面进行了研究。“Probeware”在欧洲是各个国家之间相互协作发展起来的。如:英国、瑞士、荷兰、德国、意大利。欧洲基本是各大学的物理系在搞这项研究。在荷兰阿姆斯特丹大学以Ton为首，对“Probeware”进行了20多年的研究，将该研究不仅扩展到学校教育，而且扩展到各个科学部门。欧洲教育更集中、以学科为基础的方式给技术发展、教师教育发展、课程变化提供了一系列服务。每位老师都受到相应的培训，每个教师都具备相应的电脑软件和硬件。一、数字化实验的发展1999年底，作为国家教育改革的试验区,上海出版的《上海市面向21世纪中小学新课程方案和各学科教育改革行动纲领》即强调了实验教学的“7大功能”,并明确指出“:积极探索多媒体计算机与物理实验的结合,实现对物理实验的实时控制及对实验数据的自动化采集和处理,以更好地发挥实验教学功能”。这一先进理念,成为了国家新课程标准倡导“信息技术与学科教学整合”的前奏。2001年,上海二期课改启动。一、数字化实验的发展2、国内的发展2002年4月上海市中小学数字化实验系统(DigitalInformationSystem)研发中心正式成立，注册朗威数字信息化实验室商标。该中心由特级教师冯容士先生担任中心主任，中心的加盟单位包括教委教研室、风华中学和山东省远大网络多媒体有限责任公司。2003年9月，根据试点学校的试用经验，升级的朗威

DlsLAB数据采集器正式推出。2005年夏天，研发中心不仅打破了多项国外技术垄断，而且DISLab系统初具规模，使用DlsLab，能够完成力学、运动学、电磁学、光学、热学和原子物理实验数百个。一、数字化实验的发展2、国内的发展一、数字化实验的发展2、国内的发展我国新一轮中学理科课程改革对信息技术尤其是基于传感器的数字化实验室与课程整合提出了明确要求。2003年《普通高中物理课程标准(实验)》提出:信息技术要进入物理实验室,即重视将信息技术应用到物理实验室,加快中学物理实验软件的开发和应用,诸如通过计算机实时测量、处理实验数据,分析实验结果等。2006年浙江省教育装备管理中心发布了《高中理科实验数据采集系统配备方案（试行）》目前在国内市场上的产品主要有：山东朗威一、数字化实验的发展2、国内的发展华师网络江苏的中科现代美国的PASCO英国的DH还有：宁波GQY奇科威数字教学设备有限公司北京友高教育科技公司上海东方教具代理韩国KD美国的维尼尔Vernier公司等十多家单位。

1．数字化实验的特点．

(1)强大的数据采集能力．通过传感器既可在短时内对瞬态过程的实验数据进行快速实时采集，也可长时间地跟踪收集极缓慢过程的各种数据，这在手工操作中是很不方便甚至是不可能的，这就为改造传统实验或开发以前无法进行的新实验提供了有力的工具．

(2)灵活的数据处理能力．通过计算机，可以对实验过程进行控制，对大量的数据进行各种复杂、快速的处理，如数据转换、曲线拟合、误差计算等。这就允许在实验中尝试改变各种条件，比较实验结果，为学生创造了一个科学探究和自主学习的环境，培养学生的观察和实验的能力以及实事求是、勇于探究的科学态度．(3)为互动式教学创造了条件。在实验室中将计算机联机，可以方便地进行数据共享，在教师的指导下对各组实验结果进行比较、探讨，为开放、互动性的课堂教学创造条件．二、关于数字化实验的认识和争论从一开始，对于传感器这一新型工具就引起了教育界的普遍争议，主要的观点有:利用传感器采集实验数据，学生只是简简单单地进行开始和停止实验的操作，在实验中扮演参观者的角色，不利于学生动手能力的培养。部分教师对数字化实验方式，抵触情绪很大，认为DIS的实验方式沉迷于高科技的数字采集游戏，背离了物理实验教学的初衷。许多实验用传统的实验仪器就能完成，数字化实验系统成本比较高，投入与产出不成正比，造成教育资金的极大浪费。对学生来说，数字信息化实验系统相当于一个黑匣子，学生完全不懂内在原理，如何才能使学生相信计算机显示的结果是实验数据……再加上我国中学教育普遍存在升学的压力，一线的教师无暇对这一新型工具进行认识和研究。所以，整体上对这一新型工具的利用情况不容乐观。二、关于数字化实验的认识和争论2．争议2008对上海市静安区DIS（digitalinformationsystem）实验使用情况调查中有60.9%的学生接触过DIS实验，其中有30.2%的学生对传统实验和DIS实验都喜欢。教师中已熟练掌握DIS技术的为28.4%，而能经常用这种实验方式教学的教师是6.0%。二、关于数字化实验的认识和争论3、观点形势：不管有多大的争论，发展已经势不可挡。态度：抵触不可取，只有迎面而上。优点：缺点虽有，优点明显。首先，实验手段先进让学生接触传感器和计算机实验，开阔眼界，接触现代社会重要的技术手段，了解不同的实验方案和手段。有利于学生理解现代实验技术的思想和方法。同时能解决某些用其它传统仪器难以完成的实验。比如速度：传统实验是利用公式计算平均速度。但大多数实验需要的是瞬时速度。比如动能定理，机械能守恒等实验均需要瞬时速度，这在高中实验室无法直接得到的。通过其他办法精确度不高。DIS利用两个光电门就可以解决这个问题。它的特点是可以记录物体瞬间通过门的速度，这个速度是瞬间的。间隔的时间精确度可在小数点后四位。灵敏度在0.1ms。再比如匀速直线运动传统高中实验中要做到匀速直线运动，虽然看似简单，实则不然。我们通常是将纸带绑在小车后。平衡摩擦，通过打点计时器打出的点来判断是否匀速。这种实验不但浪费，而且不能形象地说明问题。DIS利用运动探头与小车连接，可以及时在电脑上显示小车的s-t图像。即时监测小车是否是匀速。可以随时通过图像调节轨道角度，直到得出你满意的匀速s-t图像为止。取值均在小数点后两位，而且可自主选择理想数据段。运动传感器测量范围在1.5m内，精确度±0.4%。传统实验利用两个弹簧秤相互钩住向相反方向拉。通过弹簧秤的示数说明作用力与反作用力的关系。可是由于弹簧的精度太低了，微小力的变化根本测不出来。弹簧秤的读数在小数点后一位，还是估读。DIS利用两个力传感器作相同的实验。精度高，效果好。因为该仪器不但能够灵敏显示微小力的变化，测量范围到小数点后两位，即可测（0~20N）,精度为±0.4%。而且能即时描绘出作用力与反作用力的力变化图像，形象直观地看出作用力与反作用力的许多性质，如图就是利用DIS所作的牛顿第三定律的实验。再比如牛顿第三定律在传统物理实验中，有许多是无法完成的。象声学和光学中需要了解频率和光强的数值时，只能直接给出，这不利于学生分析一些现象和揭示本质。DIS的声波传感器和光强度传感器为我们提供了测量上述物理量的仪器。声波传感器测量范围为（20db~100db），精度为0.4%。右图就是利用声音传感器作的声波的振动实验。再比如声学、光学的一些实验：再比如地磁的演示

计算机和传感器等数字手段应用于数据采集环节上，可以更快更准确地得到实验数据，从而节省宝贵的课堂时间，使得我们把更多的精力集中在对物理过程的分析和研究上。在数据分析环节上，利用计算机的强大数据处理能力，可将学生从简单、机械、繁琐的数据处理过程中解脱出来，让他们的时间和精力用在更有创造力的方面。利用计算机的即时绘图软件，可以在采集数据的同时把我们所需要的物理图线绘制出来，极大的提高了物理实验的效率。现代物理实验室中已基本采取这样的数据处理手段，科技在发展，研究手段也应该与时俱进。

在借助传感器用计算机测速度的实验中，用“运动传感器”把物体导轨上运动的位移、时间转换成电信号，经过计算机运算，可以在荧光屏上显示物体运动的速度，甚至能在几秒内自动绘出运动v-t图象。这样，同学们可以减少重复性操作，用更多的时间和精力对物理过程进行分析。其次、教学时间的重新分配

随着数字化实验系统的功能全面增强，为物理实验教学在实验内容上更多情景的展示带来了机遇。拓展了物理实验的功能。比如，在传统中学物理实验中，光的干涉和衍射现象很难演示。利用光传感器，可以很容易演示光的干涉现象。再比如，传统的物理实验测量仪器无法测量电场强度和磁感应强度，现在有了电场强度和磁感应强度测量模块，可以很方便的测量两个物理量。再次、实验内容的拓展数字化实验系统对传统的物理实验教学观点产生了强大的冲击。从总体上讲，数字化实验系统是以计算机及传感器为核心器件的实验体系，而与传统的实验系统相区别。数字化实验系统结构将使实验教学的设计思想、学生的操作过程和实验中间环节发生很大变化。实验教学的重心不再是解释各个实验器材的功能和组装。我们不能也不必过分关心系统是如何实现测量、输入功能的（如力学传感器如何测量力，如何将数据输入计算机，其内部构造如何）。我们的注意力是根据实验要求选择适合的传感器，以及如何正确的设计实验等。如测量类型、测量范围、测量精度是否合乎要求，软件支持的情况等。在这种情况下，实验教学使一些层面相对简化，而使另一些层面更深入。如在数据处理上，有明确的处理形式的机械性工作，可以交给计算机来自动完成，使处理数据层面上工作简单化。而对于实验原理和功能的研究则需要更深入。这样的特点其实体现了物理教学的初衷。第四、教学观念的转变数字化实验包含着一个特别重要的实验思想，就是变量转换，它更符合现代科学研究的实验思想3。现代化的科学实验不是单靠直接测量观察研究的，一般都要变成另一种物理信号或者其它，然后进行转换测量和转换处理。但是传统实验过于强调直接观察，久而久之，这就会让孩子有一种错觉：认为真正的科学实验也是这样的，如果不能直接观察好像就不能做实验研究了，这是多年来的一个教学误区。

从发展教育的角度来看，引入数字化实验技术更看中的是这种实验思想价值，让学生感觉到科学研究不只是靠直接观测得来，而是需要进行变量转换，借用别的学科工具和手段建立模型，把我们看不到的、无法研究的东西变成可以研究的东西，这个思想非常重要。第五、符合现代科学研究的实验思想三、传统实验和数字化实验优化整合

数字化实验与传统实验应该同时并重，长期共存，互为补充，相辅相成，既无主次之分，更不能完全替换，它们不是推倒与重建，破和立的关系而是继承与发展的关系。

在物理教学过程中既要提倡运用数字化实验，又不能偏废传统实验原理、实验手段和实验方法的学习。把传统实验和数字化实验割裂和对立，在理论上是错误的，在实践中也是有害的。要扬长避短，视实验目的而定取舍传统实验还是数字化实验。即针对不同的章节、实验类型采取不同的实验方式，或同一个实验穿插使用不同实验方式。下面以教学大纲要求，选择比较典型的四个实验作为范例，探讨如何在保留传统实验方式的精华的前提下，发挥数字化实验方式的特点。

传统实验方法1．实验设计(1)启发学生按如下思路得出实验方法：对于一个物体(使m不变)，不受力时加速度为零→受力后加速度不为零→受力越大则加速度越大。用同样的力(使F不变)作用于不同物体→质量小的易被拉动→质量越小加速度越大。就是说，在研究三个变量的关系时，要使其中一个量不变，即控制变量的方法。(2)启发学生按如下思路得出实验原理：间接测量法→寻找一种用其它物理量直观反应加速度大小的办法→由运动学公式可知在相同时间内位移与加速度成正比。我们的实验就是由两个小车在相同时间内的位移来反映加速度大小跟力和质量的关系案例1牛顿第二定律实验的优化整合实验过程(1)加速度跟力的关系使用两个相同的小车，满足m1=m2在连小车前的绳端分别挂不同的钩码，使F1不等于F2将两小车拉至同一起点处，记下位置。放手后经一段时间使两小车同时停止，满足时间t相同。读出两小车的位移填入表1DIS实验方法1、介绍实验装置：铁架台，弹簧，木块，力探头，加速度探头，数据采集器，处理数据的器件。2、实验目的：通过测量弹簧的弹力使砝码产生的加速度的动态过程得出牛顿第二定律的规律。6)、用软件进行传感器的零点调节，这个操作和传统实验弹簧秤测量前做调零一样。7)、在软件中设置相关的显示方式，可以将力传感器和加速度传感器和时间之间的关系分别记录并显示相关的数据图像。8)、一切设置完毕就可以将让弹簧开始振动了，注意振动的方向要竖直。9)、当测量持续了足够时间（10秒）以后就可以人工停止采样了10)、比较力-时间图像和加速度-时间图像，可以发现两个图像非常相似，但是他们之间有着不同的单位。3、实验步骤：1)、将弹簧悬挂在铁架台上，并将力传感器用细绳绑在弹簧的底部，然后将砝码和力传感器做紧密连接。松手以后系统能做有规律的上下振动。2)、将加速度传感器固定在砝码上，振动方向和加速度传感器上的箭头所指定的方向一致。3)、将两个传感器分别插入数据采集器的相应接口中，注意采集的传感器类型。4)、启动电脑配套软件，软件设置通道用什么传感器。5)、在软件中进行采集数据设置，包括采样的频率和采样的时间长度。11)、设置新的图像窗口设置力为横坐标，加速度为纵坐标，这样将无关的时间数据排除了。12)、发现力-加速度图像呈现了明显的线性关系。对应的数据点基本在一、三象限中。13）、对力-加速度图像进行线性拟合操作。应该能看到拟合的效果非常理想，基本穿过了所有的数据点。14)、看拟合方程的表达式，应该非常理想。其中对应的斜率还和一个物理量有关系，不过是什么物理量还不知道。15)、用电脑直接计算斜率的倒数，并比较挂在弹簧下的砝码、力传感器和加速度传感器的质量总和。会发现非常接近。也就是说拟合的结果反映了a=(1/m)F的关系，也就是牛顿第二定律关系式的变形。16）、实验时，每组同学使用的大砝码质量不同，老师可以指定力的大小，让每组同学报各组对应的加速度，输入excel表格里，得出a和1/m的图像，并对图像进行线性拟合。1、通过传统的演示实验，显示培养观察力的优势，定性的得出三个物理量的关系，便于同学猜测三个物理量的关系，为下面分组实验的设计和图像的分析做铺垫。2、实验装置的组装培养学生设计实验的能力，这个在传统实验中训练的能力也得以弥补。3、DIS实验的优点弥补了传统实验无法体现的瞬时性和矢量性，节约了处理数据的时间，培养学生观察图像的能力。4、这样的牛顿第二定律的探究实验更容易操作，更准确。5、数据量之大是传统实验根本无法相比的。6、拟合的操作将科学的方法真正应用到了实验数据处理中，由于有了电脑软件的帮助，拟合的操作成为可能。7、实验耗时非常少，完全可以在课堂上组织学生活动实验，并在一个课时中完成。8、如果没有传统实验的演示，就没有“生活——理论——生活”的一个思维过程，不能让学生真正经历一个完整的科学研究过程。而整合使定律公式成为学生自己实验处理数据后得到的，这样的知识印象将更深刻。案例2气体实验的优化整合传统实验方法实验一、泥娃娃尿尿，通过教师喊“停”即停，喊“开始”即开始。泥娃娃头顶有几个小孔。实验二、瓶盖止漏用的扎孔矿泉水瓶，拧掉瓶盖，就开始漏水；拧上瓶盖，立即止漏。实验三、让一位健壮的男生和一位瘦小的女生吹两个矿泉水瓶（分别不扎孔和扎孔）中气球，发现男生吹不大气球，而女同学却吹大了。实验四、推、拉改造后的套膜注射器活塞时橡皮膜的凸、凹变化推注射器活塞时橡皮膜凸出——针筒内气体体积变小、压强变大；拉注射器活塞时橡皮膜凹进——针筒内气体体积变大、压强变小实验五、实验目的：探究一定质量的气体，在温度不变时，压强和体积的关系。实验仪器：带铁夹的注射器、铁架台、钩码、弹簧秤、测压计、游标卡尺。实验步骤：1.用测压计测量出当时室内的大气压强P0。2.用游标卡尺测量出注射器内径，算出面积S。3.利用弹簧秤测量带有铁夹的活塞的总重量mg。4.将活塞推入注射器，并将注射器固定在铁架台上，将活塞上移一段，用橡皮帽封住一定质量的气体。5.先在铁架两侧加相等数量的钩码，记录数量，得出钩码重量G。同时记录气体的体积。6.适当增加或减少钩码数量，重复实验步骤5，做5次。7.撤去钩码，改为弹簧向上拉，待活塞稳定后，读出弹簧拉力的示数和气体的体积。8.适当改变