交大附中数字化实验室的建设及数字化实验的展开情况

交大附中数字化实验室的建设及数字化实验的开展情况

数字化实验室（DIS）是一般由传感器、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中学物理探究教学的两大技术支撑，也是中学物理实验面向现代化，提升实验档次，加速实现中学教学向国际接轨的一条途径。

一、交大附中数字化实验室的建设

经过四年的时间，交大附中数字化实验室于2014年6月彻底建设完成，其中包括实验

室的装修，实验桌的设计，实验仪器的采购。现一共有传感器实验24套。可开展初中物理和高中物理实验中的传统实验和一些研发实验。

在四年中我们利用已有的设备开展了选修课、研究课效果都很好。同时我们还把数字化实验和我们的常规教学相结合

二、数字化实验的开展

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。

例如：在《牛顿第三定律》物体对物体的作用的教学过程中，为了更好理解相互作用的作用力和反作用力的概念，要利用实验传感器来演示这个实验不仅能把静态下两个相互作用力的关系表现的很清楚，而且还能把运动着的两个物理的相互作用力之间的关系表现的淋漓尽致。非常充分，学生一目了然，对两个物体之间的相互作用力既作用力和反作用力的关系认识的很深刻。

2．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。

（1）表现之一是“自动化”

系统设置了连续采样、单点采样、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.如上图是用伏安法测定值电阻的阻值，内接和外接两种方法进行测量。

再如：描绘小灯泡的伏安特性曲线时：

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。

（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。DIS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。

如高中物理中断电自感和通电自感实验：通过线圈的电流随时间的变化很快稍纵即逝，利用传感器进行测量采集数据能很好的做到实时。

（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DIS 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。

（4）表现之四是“定量化”

定量研究是科学的特征。一些传统中学实验受到实验条件、实验技术的限制，难以量化。DIS实验直接使许多中学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，利用电压和电流传感器，测量电源的电动势和内阻，实验过程中数据、图像和结论都能很快的得出。而且是定量的得出。

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”

（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DIS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。

（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，也是中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，提供给中学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。DIS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。中学阶段，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。

（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”

（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。数据采集器在中学物理实验的应用，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。

（2）教学方式现代化

DIS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。