數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室特點(diǎn) ——以物理實(shí)驗(yàn)為例

• 來源： 原創(chuàng) 更新時(shí)間： 2017-11-08 點(diǎn)擊： 3815次

•    數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室一般由傳感器、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(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)是開展物理探究教學(xué)的兩大技術(shù)支撐，也是物理實(shí)驗(yàn)面向現(xiàn)代化，提升實(shí)驗(yàn)檔次，加速實(shí)現(xiàn)物理教學(xué)向國際接軌的一條途徑。  
   
    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(shí)間可視性。這是學(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(shí)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(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(shí)采集數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間上細(xì)微過程的實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)自動記錄，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──時(shí)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。   
     3．?dāng)?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(gè)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，通過回控使得整個(gè)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(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。   
    3．2 表現(xiàn)之二是“實(shí)時(shí)化”  
    由于采用計(jì)算機(jī)自動控制，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。數(shù)字化實(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(shí)采集和實(shí)時(shí)處理。   
    3．3 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(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)動過程中的大小和方向。應(yīng)用數(shù)字化系統(tǒng)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)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。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)直接使許多物理定性實(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(shí)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(shí)可以精確到0．1ms。而且兩者的誤差都為1%以內(nèi)，對于普通物理實(shí)驗(yàn)來，這個(gè)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0～300Kpa，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，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．?dāng)?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、隨意縮放數(shù)字化實(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──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。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)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。曲線擬合提供乘冪擬合、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。一般可以簡單地運(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。   
    4．3 “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。WORD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  
    數(shù)字化實(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；認(rèn)知工具用來促成學(xué)習(xí)者對所學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行努力思考、并達(dá)成一些在沒有工具情況下難以形成的想法。  
    學(xué)生能否適應(yīng)當(dāng)今知識和信息爆炸的社會，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。

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