数字化实验室特点 ——以物理实验为例

• 来源： 原创 更新时间： 2017-11-08 点击： 3210次

•    数字化实验室一般由传感器、数据采集器、计算机及相关数据处理软件等构成的测量、采集、处理设备和与之配套的相应的实验仪器装备组成的实验室。数字化实验室是信息技术与传统实验课程整合的重要载体。基于传感器的计算机实时数据采集和基于计算机数据处理软件的计算机建模和图象分析等技术是开展物理探究教学的两大技术支撑，也是物理实验面向现代化，提升实验档次，加速实现物理教学向国际接轨的一条途径。  
   
    1．实验过程“可视化”  
    实验过程可视化包括实验过程空间可视性和实验过程时间可视性。这是学生学习物理过程分析，建立物理概念，理解物理规律的认知基础，是学会处理物理问题的关键所在。  
    物理实验中，空间上细微过程人眼难以观察，一般借助于显微镜可以实现细致的观察。时间上细微过程难以捕捉，难以记录，是物理实验的一个难点，瞬间变化的可视化尤其是难点。例如弹簧振子F-t、x-t关系，电容充、放电电流i-t关系，碰撞过程研究等等，这类实验以往一般只能定性讲述，或者用多媒体软件进行模拟演示。  
    怎样突破这个难点呢？传统的实验仪器由于人眼观察与手工记录的断续性，确实难解决这个问题。数字化实验通过与计算机连接的传感器实时采集数据，记录数据，实现了时间上细微过程的实验过程数据自动记录，相当于用传感器和计算机代替人眼、手、纸和笔记录数据，实现了数据记录的时间连续性，实现了瞬间变化“可视化”。例如将传感器技术引入超重、失重教学，就可以在很短的时间内清晰地记录下压力随时间变化的图像，具体再现超重、失重的过程，便于总结超重、失重现象的特点和条件，符合归纳法教学的要求。   
    2．实验设计“重点化”  
    数字化实验由传感器和数据采集器代替人眼读取数据，用计算机软件取代纸笔方式手工记录数据，计算机软件代替人脑对数据进行简单统计、处理和分析，使学生摆脱了繁琐的计算过程，能够直接把测量数据的变化过程通过“待测物理量──时间”图象直接显示出来，直观地看出物理量之间的变化关系，使学生摆脱了手工作图的繁琐和作图不准确而造成的实验错误，从而让学生能够将更多的时间、心力用于实验设计，用于探究和分析，用于验证和修改假设，从而有利于更好地理解概念，掌握规律。   
     3．数据采集“智能化”  
    数据采集“智能化”的基础是计算机信息技术的应用。   
    3．1 表现之一是“自动化”  
    系统设置了连续采样、单点采样、阈值触发采样等多种采集模式，软件可以设置采集器的各种参数，实现数据采集的自动化。功能强大的数据采集器可以自动把整个实验过程中物理量的变化通过高采样率完整的记录下来，存储在数据文件中。并且由于数据采集器提供了反馈输出，可以通过附加一些器材，通过回控使得整个实验的操作过程也实现自动化。 
    系统连续采样频率可以按照实验要求设置。最高采集频率可达5000-10000Hz，采集的速度高的可到每秒一万个数据，低的可到几分钟甚至几小时一个数据，因而可以适应各种不同类型实验的需要。   
    3．2 表现之二是“实时化”  
    由于采用计算机自动控制，系统能够在很短的时间内采集和处理大量的数据，并利用计算机强大的数据处理和作图功能，将数据反映成图象，使实验结果更加直观。数字化实验数据采集迅速，数据传输迅速，数据存储迅速，数据处理迅速，数据显示迅速，从而实现了数据变化过程与实验过程同步，实现数据的实时采集和实时处理。   
    3．3 表现之三是“并行化”  
    数据采集器能同时接入四只相同的传感器或四个不同的传感器，能同时采集多个相同或不同种类的物理量，实现数据的同步并行采集。在弹簧振子的振动实验中，常规讲授法教学中，学生对物理规律感觉比较抽象，理解起来十分困难，学生很难同时观察到回复力、加速度、速度和位移四个物理量在运动过程中的大小和方向。应用数字化系统的并行采集功能，实验中分别利用力传感器和位移传感器并行实时采集数据，直观显示F-t，x-t动态图象，有利于学生建立起简谐运动完整的物理图景，帮助学生获得直接经验，直接感知物理规律，取得其它教学手段难以收到的效果。   
    3．4 表现之四是“定量化”  
    定量研究是科学的特征。一些传统实验受到实验条件、实验技术的限制，难以量化。数字化实验直接使许多物理定性实验升级成定量实验。  
    利用传感器测量的各种物理量都要经过采集器进行处理后才能变为计算机能够储存和处理的数据。从数据的测量到采集再到处理，都是在系统内部完成，避免了传统实验仪器由于估读时人为引进的各种测量误差，使实验结果更精确、可靠。  
    例如，电压测量可以精确到0．01V，光电门计时可以精确到0．1ms。而且两者的误差都为1%以内，对于普通物理实验来，这个精确度已是相当的高了。又例如压强传感器采用工业级压敏器件。传感器量程为0～300Kpa，测量分度达到0．1Kpa，能够精确反映实验过程中的压强变化。  
    计算机数据处理软件数据可以即时地把同一实验数据用数字、指针或示波器三种显示方式显示出来，实现了实验数据的定量显示。  
    数字化实验的传感器的精度高，数字化实验的误差比较小，数据的定量显示，这些就使物理、化学、生物学规律的探究发现或者探究验证更具有严谨性和可信性。数字化实验室为学生的“定量化”研究提供了研究平台，有利于学生理解科学的本质。   
  4．数据处理“智能化” 
    4．1 “智能化”地进行实验重演  
    每个实验的配置、传感器的设置都以模板文件（．exs）存储在硬盘上，每次实验数据都以一定的数据文件（．exd）存储在硬盘上。软件提供了回放功能，只要调用相应的实验模板和数据文件，就能够实现实验的重演，学生可以随意定格展示、随意缩放数字化实验图线，回忆实验情形，复习实验过程。由于保存下来的数据和结果是以通用格式保存的，这使得数据的共享十分方便。利用计算机的网络功能，还可以把实验数据和结果以最快的速度进行网上发布，做到数据共享。
    4．2 “智能化”地进行数据拟合  
    软件不但提供了对数据求平均值、求最大值、求最小值的功能，而且提供了数据拟合功能，图线面积求法──积分运算功能，和自定义运算功能。    其中数据的自动拟合是处理数据的关键，也是学生课堂知识的盲区。学生能够理解数据拟合是揭示数据之间关系、找出物理规律的必要方法，也有一次函数、二次函数、幂函数等数学知识，但缺乏把离散的数据进行拟合的数理统计的高等数学基础。系统软件直接给出了对给定的一系列数据进行“傻瓜式”、“菜单型”拟合操作，提供给师生一种强有力的科学工具，使学生的实验范围大大拓宽，实验水平极大提高。数字化实验为培养学生的创新能力和探索能力提供了很好的平台。  
    拟合菜单包括直线拟合、曲线拟合两类。曲线拟合提供乘幂拟合、指数拟合、N级反比拟合、平方倒数拟合、二次项拟合、三次项拟合、正弦拟合等。   计算机数据处理是传统数据处理方法的改进。学生首先要进行使用传统的纸笔，用公式法、图象法处理数据的训练。熟练了这种数据处理方法后，可以用通用计算机软件进行数据处理，改进实验数据处理方法。一般可以简单地运用Matlab或者Excel进行曲线拟合，也可以用专用的软件进行数据处理，形成多种解释数据之间关系的方法。   
    4．3 “智能化”地创建实验报告 
    软件可以创建各种文档，如实验指导报告文档、实验预习报告文档、数据处理结果文档、实验主报告文档以及需要的文档。WORD创建的文档另存为RTF文件就能导入到实验文档中。电子文档的优点如方便多次修订，方便网络共享、同伴交流学习在这里实现。   
    5．教学过程“现代化”
    5．1 教学手段现代化  
    与传统的实验仪器相比，传感器更具有品种多、技术新、功能强、发展快、性能可靠等优势。过去实验测量器材有电流表、电压表、弹簧秤、水银温度计等，现在则可用电流传感器、电压传感器、力传感器、温度传感器等来测量物理量。  
   数据采集器已在实际的现代生产、生活中得到了广泛的应用。数据采集器在物理实验的应用，使学生能提早接触和熟悉数据采集器，适应时代要求。教师利用数字化实验设备可以最大限度地率领学生敢于向传统挑战。教师可以利用数字化实验设备创设情景，让学生充满对周围事物关心的激情，促进学生创造性思维的发展。  
    5．2 教学方式现代化  
    数字化实验提供一种现代的认知工具。认知工具是支持、指导、扩展学习者思维过程的心理或计算与实验装置。前者存在于学习者内部如学习者的认知、元认知策略；后者则是外部的，包括基于计算机的装置和环境；它们都是知识建构的辅助工具。认知工具由学习者控制而不是由教师或技术控制的；认知工具用来促成学习者对所学领域进行努力思考、并达成一些在没有工具情况下难以形成的想法。  
    学生能否适应当今知识和信息爆炸的社会，是否具备完整的信息处理能力将尤为关键。而以传感器为主的数字化实验室仍以学生的真实实验为基础，很好地抓住了信息处理的三个重要环节（采集、处理和表达），从而有效实现了信息技术与理科学科的整合。  
    数字化实验室对转变学生的学习方式、提高实践能力、培养创新精神等方面是值得肯定的。

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