數字化實(shí)驗室特點(diǎn) ——以物理實(shí)驗為例

• 來(lái)源： 原創(chuàng ) 更新時(shí)間： 2017-11-08 點(diǎn)擊： 3115次

•    數字化實(shí)驗室一般由傳感器、數據采集器、計算機及相關(guān)數據處理軟件等構成的測量、采集、處理設備和與之配套的相應的實(shí)驗儀器裝備組成的實(shí)驗室。數字化實(shí)驗室是信息技術(shù)與傳統實(shí)驗課程整合的重要載體?；趥鞲衅鞯挠嬎銠C實(shí)時(shí)數據采集和基于計算機數據處理軟件的計算機建模和圖象分析等技術(shù)是開(kāi)展物理探究教學(xué)的兩大技術(shù)支撐，也是物理實(shí)驗面向現代化，提升實(shí)驗檔次，加速實(shí)現物理教學(xué)向國際接軌的一條途徑。  
   
    1．實(shí)驗過(guò)程“可視化”  
    實(shí)驗過(guò)程可視化包括實(shí)驗過(guò)程空間可視性和實(shí)驗過(guò)程時(shí)間可視性。這是學(xué)生學(xué)習物理過(guò)程分析，建立物理概念，理解物理規律的認知基礎，是學(xué)會(huì )處理物理問(wèn)題的關(guān)鍵所在。  
    物理實(shí)驗中，空間上細微過(guò)程人眼難以觀(guān)察，一般借助于顯微鏡可以實(shí)現細致的觀(guān)察。時(shí)間上細微過(guò)程難以捕捉，難以記錄，是物理實(shí)驗的一個(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(lèi)實(shí)驗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？傳統的實(shí)驗儀器由于人眼觀(guān)察與手工記錄的斷續性，確實(shí)難解決這個(gè)問(wèn)題。數字化實(shí)驗通過(guò)與計算機連接的傳感器實(shí)時(shí)采集數據，記錄數據，實(shí)現了時(shí)間上細微過(guò)程的實(shí)驗過(guò)程數據自動(dòng)記錄，相當于用傳感器和計算機代替人眼、手、紙和筆記錄數據，實(shí)現了數據記錄的時(shí)間連續性，實(shí)現了瞬間變化“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)間內清晰地記錄下壓力隨時(shí)間變化的圖像，具體再現超重、失重的過(guò)程，便于總結超重、失重現象的特點(diǎn)和條件，符合歸納法教學(xué)的要求。   
    2．實(shí)驗設計“重點(diǎn)化”  
    數字化實(shí)驗由傳感器和數據采集器代替人眼讀取數據，用計算機軟件取代紙筆方式手工記錄數據，計算機軟件代替人腦對數據進(jìn)行簡(jiǎn)單統計、處理和分析，使學(xué)生擺脫了繁瑣的計算過(guò)程，能夠直接把測量數據的變化過(guò)程通過(guò)“待測物理量──時(shí)間”圖象直接顯示出來(lái)，直觀(guān)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確而造成的實(shí)驗錯誤，從而讓學(xué)生能夠將更多的時(shí)間、心力用于實(shí)驗設計，用于探究和分析，用于驗證和修改假設，從而有利于更好地理解概念，掌握規律。   
     3．數據采集“智能化”  
    數據采集“智能化”的基礎是計算機信息技術(shù)的應用。   
    3．1 表現之一是“自動(dòng)化”  
    系統設置了連續采樣、單點(diǎn)采樣、閾值觸發(fā)采樣等多種采集模式，軟件可以設置采集器的各種參數，實(shí)現數據采集的自動(dòng)化。功能強大的數據采集器可以自動(dòng)把整個(gè)實(shí)驗過(guò)程中物理量的變化通過(guò)高采樣率完整的記錄下來(lái)，存儲在數據文件中。并且由于數據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)驗的操作過(guò)程也實(shí)現自動(dòng)化。 
    系統連續采樣頻率可以按照實(shí)驗要求設置。最高采集頻率可達5000-10000Hz，采集的速度高的可到每秒一萬(wàn)個(gè)數據，低的可到幾分鐘甚至幾小時(shí)一個(gè)數據，因而可以適應各種不同類(lèi)型實(shí)驗的需要。   
    3．2 表現之二是“實(shí)時(shí)化”  
    由于采用計算機自動(dòng)控制，系統能夠在很短的時(shí)間內采集和處理大量的數據，并利用計算機強大的數據處理和作圖功能，將數據反映成圖象，使實(shí)驗結果更加直觀(guān)。數字化實(shí)驗數據采集迅速，數據傳輸迅速，數據存儲迅速，數據處理迅速，數據顯示迅速，從而實(shí)現了數據變化過(guò)程與實(shí)驗過(guò)程同步，實(shí)現數據的實(shí)時(shí)采集和實(shí)時(shí)處理。   
    3．3 表現之三是“并行化”  
    數據采集器能同時(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(lèi)的物理量，實(shí)現數據的同步并行采集。在彈簧振子的振動(dòng)實(shí)驗中，常規講授法教學(xué)中，學(xué)生對物理規律感覺(jué)比較抽象，理解起來(lái)十分困難，學(xué)生很難同時(shí)觀(guān)察到回復力、加速度、速度和位移四個(gè)物理量在運動(dòng)過(guò)程中的大小和方向。應用數字化系統的并行采集功能，實(shí)驗中分別利用力傳感器和位移傳感器并行實(shí)時(shí)采集數據，直觀(guān)顯示F-t，x-t動(dòng)態(tài)圖象，有利于學(xué)生建立起簡(jiǎn)諧運動(dòng)完整的物理圖景，幫助學(xué)生獲得直接經(jīng)驗，直接感知物理規律，取得其它教學(xué)手段難以收到的效果。   
    3．4 表現之四是“定量化”  
    定量研究是科學(xué)的特征。一些傳統實(shí)驗受到實(shí)驗條件、實(shí)驗技術(shù)的限制，難以量化。數字化實(shí)驗直接使許多物理定性實(shí)驗升級成定量實(shí)驗。  
    利用傳感器測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)橛嬎銠C能夠儲存和處理的數據。從數據的測量到采集再到處理，都是在系統內部完成，避免了傳統實(shí)驗儀器由于估讀時(shí)人為引進(jìn)的各種測量誤差，使實(shí)驗結果更精確、可靠。  
    例如，電壓測量可以精確到0．01V，光電門(mén)計時(shí)可以精確到0．1ms。而且兩者的誤差都為1%以?xún)?，對于普通物理?shí)驗來(lái)，這個(gè)精確度已是相當的高了。又例如壓強傳感器采用工業(yè)級壓敏器件。傳感器量程為0～300Kpa，測量分度達到0．1Kpa，能夠精確反映實(shí)驗過(guò)程中的壓強變化。  
    計算機數據處理軟件數據可以即時(shí)地把同一實(shí)驗數據用數字、指針或示波器三種顯示方式顯示出來(lái)，實(shí)現了實(shí)驗數據的定量顯示。  
    數字化實(shí)驗的傳感器的精度高，數字化實(shí)驗的誤差比較小，數據的定量顯示，這些就使物理、化學(xué)、生物學(xué)規律的探究發(fā)現或者探究驗證更具有嚴謹性和可信性。數字化實(shí)驗室為學(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．數據處理“智能化” 
    4．1 “智能化”地進(jìn)行實(shí)驗重演  
    每個(gè)實(shí)驗的配置、傳感器的設置都以模板文件（．exs）存儲在硬盤(pán)上，每次實(shí)驗數據都以一定的數據文件（．exd）存儲在硬盤(pán)上。軟件提供了回放功能，只要調用相應的實(shí)驗模板和數據文件，就能夠實(shí)現實(shí)驗的重演，學(xué)生可以隨意定格展示、隨意縮放數字化實(shí)驗圖線(xiàn)，回憶實(shí)驗情形，復習實(shí)驗過(guò)程。由于保存下來(lái)的數據和結果是以通用格式保存的，這使得數據的共享十分方便。利用計算機的網(wǎng)絡(luò )功能，還可以把實(shí)驗數據和結果以最快的速度進(jìn)行網(wǎng)上發(fā)布，做到數據共享。
    4．2 “智能化”地進(jìn)行數據擬合  
    軟件不但提供了對數據求平均值、求最大值、求最小值的功能，而且提供了數據擬合功能，圖線(xiàn)面積求法──積分運算功能，和自定義運算功能。    其中數據的自動(dòng)擬合是處理數據的關(guān)鍵，也是學(xué)生課堂知識的盲區。學(xué)生能夠理解數據擬合是揭示數據之間關(guān)系、找出物理規律的必要方法，也有一次函數、二次函數、冪函數等數學(xué)知識，但缺乏把離散的數據進(jìn)行擬合的數理統計的高等數學(xué)基礎。系統軟件直接給出了對給定的一系列數據進(jìn)行“傻瓜式”、“菜單型”擬合操作，提供給師生一種強有力的科學(xué)工具，使學(xué)生的實(shí)驗范圍大大拓寬，實(shí)驗水平極大提高。數字化實(shí)驗為培養學(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(xiàn)擬合、曲線(xiàn)擬合兩類(lèi)。曲線(xiàn)擬合提供乘冪擬合、指數擬合、N級反比擬合、平方倒數擬合、二次項擬合、三次項擬合、正弦擬合等。   計算機數據處理是傳統數據處理方法的改進(jìn)。學(xué)生首先要進(jìn)行使用傳統的紙筆，用公式法、圖象法處理數據的訓練。熟練了這種數據處理方法后，可以用通用計算機軟件進(jìn)行數據處理，改進(jìn)實(shí)驗數據處理方法。一般可以簡(jiǎn)單地運用Matlab或者Excel進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，也可以用專(zhuān)用的軟件進(jìn)行數據處理，形成多種解釋數據之間關(guān)系的方法。   
    4．3 “智能化”地創(chuàng )建實(shí)驗報告 
    軟件可以創(chuàng )建各種文檔，如實(shí)驗指導報告文檔、實(shí)驗預習報告文檔、數據處理結果文檔、實(shí)驗主報告文檔以及需要的文檔。WORD創(chuàng )建的文檔另存為RTF文件就能導入到實(shí)驗文檔中。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)習在這里實(shí)現。   
    5．教學(xué)過(guò)程“現代化”
    5．1 教學(xué)手段現代化  
    與傳統的實(shí)驗儀器相比，傳感器更具有品種多、技術(shù)新、功能強、發(fā)展快、性能可靠等優(yōu)勢。過(guò)去實(shí)驗測量器材有電流表、電壓表、彈簧秤、水銀溫度計等，現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)測量物理量。  
   數據采集器已在實(shí)際的現代生產(chǎn)、生活中得到了廣泛的應用。數據采集器在物理實(shí)驗的應用，使學(xué)生能提早接觸和熟悉數據采集器，適應時(shí)代要求。教師利用數字化實(shí)驗設備可以最大限度地率領(lǐng)學(xué)生敢于向傳統挑戰。教師可以利用數字化實(shí)驗設備創(chuàng )設情景，讓學(xué)生充滿(mǎn)對周?chē)挛镪P(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)方式現代化  
    數字化實(shí)驗提供一種現代的認知工具。認知工具是支持、指導、擴展學(xué)習者思維過(guò)程的心理或計算與實(shí)驗裝置。前者存在于學(xué)習者內部如學(xué)習者的認知、元認知策略；后者則是外部的，包括基于計算機的裝置和環(huán)境；它們都是知識建構的輔助工具。認知工具由學(xué)習者控制而不是由教師或技術(shù)控制的；認知工具用來(lái)促成學(xué)習者對所學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行努力思考、并達成一些在沒(méi)有工具情況下難以形成的想法。  
    學(xué)生能否適應當今知識和信息爆炸的社會(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字化實(shí)驗室仍以學(xué)生的真實(shí)實(shí)驗為基礎，很好地抓住了信息處理的三個(gè)重要環(huán)節（采集、處理和表達），從而有效實(shí)現了信息技術(shù)與理科學(xué)科的整合。  
    數字化實(shí)驗室對轉變學(xué)生的學(xué)習方式、提高實(shí)踐能力、培養創(chuàng )新精神等方面是值得肯定的。

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