数字化实验仪器在实验教学中的应用初探.docx

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数字化实验仪器在实验教学中的应用初探

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数字化实验仪器在实验教学中的应用初探-科学论文

数字化实验仪器在实验教学中的应用初探

孙草

数字化实验仪器是建立在数字化测量技术上的实验仪器。

数字化测量技术是在21世纪自动化、信息化高速发展过程中，根据高精度、快速、自动化、复杂对象、动态等测量要求而产生和发展起来的一项高新科学技术。

其基本内容是首先将连续变化的被测模拟量转换成离散的数字量，再经过数据采集、计数、编码、数据传输与存储，最后完成数据处理、图像处理、显示及打印工作。

数字化测量原理、方法及仪器结构等完全不同于传统的指针式仪表，它具有测量速度快、精确度高、操作方便等优点。

尤其重要的是，数字化测量将被测量转换成数字量后，可直接送到计算机中进行数据处理或实时控制。

目前，数字化测量技术已被广泛应用于工业、交通、通信、军事、金融等各个领域，成为高精度、高速率、高抗扰、实时测量及自动控制的最佳选择和可靠保证，大大提高了整个测量技术的水平。

而随着技术的越来越成熟，数字化测量技术已走进人们的生活，给人们带来了方便快捷，例如电子秤早就取代了传统的杆秤，GPS导航让人们抛弃了传统地图，小轿车上的数字显示器让人们对室外温度一目了然，人们（包括小学生）对“数字化”这三字一点也不陌生，常常在使用。

再看看我们小学科学实验器材的现状，传统的实验仪器还是充满了仪器橱，每次增配仪器还是传统的实验仪器，数字化仪器踪迹难觅。

不可否认，传统仪器有其优势，但在教学中，我们也发现，很多实验单靠传统实验仪器无法完成，而以数字化测量技术为依托的数字实验仪器却能大显身手。

下面就本人在小学科学实验教学中使用数字化实验仪器的实践与体验，谈谈数字化实验仪器在小学科学实验教学中的应用优势与存在的问题。

一、数学化实验仪器在小学科学实验教学中的应用优势

1．借助数字化实验仪器让实验由抽象描述变为直观体现

在小学科学教学中，有很多实验现象，我们原来只能凭眼睛、耳朵等感官来判断，这种方法有可行的地方，例如，加热白糖实验观察白糖的变化，知道加热后，白糖会发生变化直至变成另一种不同于白糖的物质，生成了新物质，发生了化学变化，这一变化过程很清晰，通过眼睛可以直接观察得出结论。

但有些实验，我们的感官却无法清晰地分辨，此时，我们就可以借助数字化实验仪器来作出定量鉴定，把实验现象由抽象模糊描述变为直观具体体现，从而得出正确的结论。

例如，“声音高低的研究”中有个实验：

敲击不同水量的水杯辨别声音的高低。

由于使用的器材不同、敲击的部位不同、水与玻璃及空气混合比例不同，实验情况会产生很大的差异，再加上普通人对音调的分辨达不到音乐专业人士的水平，更不要说小学生了。

每到研究此问题时，模糊的描述使争论不断，因为没有更有说服力的证据，谁也说服不了谁。

这时候，一个简易的、只需要利用一般电脑设备就能完成测量声音频率的数字实验仪器“虚拟示波器”就派上大用场了。

一台电脑、一个电脑用麦克风（如果是笔记本电脑则自带拾音装置，此麦克风也可省去），一个安装在电脑里的“虚拟示波器”软件，就能完成实验。

随着水杯的敲击，软件页面上会出现收集的声音信息通过数字化测量技术而转化为的数字音频，直观明白，在有力的证据下，争议停止了。

运用此数字实验仪器，不仅能实时观察实验数据，并且还可以进行屏幕保存及屏幕录制，进行证据的保存（见图1）。

再如，对“不同颜色纸反光能力”的探究中，运用数字化实验仪器“光强分布传感器”及采集器，就能将不同颜色纸反光的肉眼感受变为直观的数据，使证据更具说服力（见图2）。

2．借助数字化实验仪器减小实验误差，完成不易实现的实验

实验是允许存在误差的，但如果误差过大，则会影响正确结论的得出。

借助数字化实验仪器可以尽量减少误差，使实验数据更准确，甚至还能帮助学生完成那些不易完成的实验。

例如，在“单摆等时性”实验中，对于小学生而言，要认识这一规律，首先想到的是测量摆每摆动一个周期需要多长时间，但由于每摆动一次所用时间极短，也就在1秒左右，如果用秒表计时，手工操作的误差极大地影响数据的准确性。

因此，教材上改为观察“相同时间同一个摆的摆动次数”，以期通过实验发现“相同时间同一个摆摆动次数是相同的”，从而得出“单摆等时性”规律。

教材上的实验设计为：

观察摆在1分钟内每10秒摆动的次数是否相同。

但学生在实际实验中发现，这每隔10秒里摆的摆动却不太一样，前后次数有的相同，有的相差一次，于是，很多学生得不出“单摆等时性”结论。

什么原因造成的呢？

主要是摆在10秒时间，并不一定摆动的就是一个完整的次数，例如过了8次，但9次没到，如果只算8次，那下一个10秒，可能就计到9次，如果算了9次，下一个10秒可能会计到8次，而对于刚接触摆的小学生来说，要让他们用肉眼觉察到是由于这一原因而使计数出现差异比较困难，这样的实验数据却使他们往往会得出每10秒数同一个摆摆动次数不相同的错误结论。

而使用数字化实验仪器，就能较好地解决这一问题，它并不需要转换思维，只要利用光电门传感器，记录摆的摆动情况，通过采集器采集数据，电脑屏幕可以直接显示摆每一次摆动所需的时间，学生通过分析这些数据，可以直接发现“单摆等时性”规

3．利用数字化实验仪器捕捉实验过程中的瞬间现象

在小学科学实验中，我们经常遇到一些瞬间发生转眼即逝的现象，而这些现象的发生往往蕴含着科学奥秘，其中有些正是我们要引导学生去了解掌握的，但由于现象转瞬即逝，往往给学生的探究带来了一定的困难。

以往遇到这样的情况，经常采用的办法是通过摄影机录制实验过程，然后通过回放、定格，捕捉这一现象后加以分析。

数字实验仪器能给这类实验带来更好的帮助，它通过数字化测量技术，把实验全过程的数据全部记录下来，实验结束后，学生可以分析所有的记录数据，找出瞬间发生的实验现象的数据，研究分析这一数据说明的问题。

例如，在组织学生研究摩擦力的实验中，学生会发现物体由静止到运动，普通弹簧测力计读数会由小变大发生变化，物体匀速运动时，测力计的读数会比较稳定，比较容易读出这时的拉力数值（即匀速运动时的摩擦力值），但也有一些组的学生在实验时观察仔细，发现物体由静止到运动这一刹那间，弹簧测力计读数会有一个很大的跳动，变得很大，但时间太短，来不及看清读数，物体就进入到运动状态，这一现象就消失了。

当学生在交流这一实验细节时，虽然通过再次演示，能让更多学生关注到这一现象，但很多学生还是无法看清测力计读数，也就无法与前后状态的数据进行对比，进而分析探究。

这时，数字化实验仪器就派上大用场了。

一个力度传感器、一套数字采集器、一块带自动卷线装置的平面板（小电动机匀速拉动重物）、重物、细绳、一台计算器（见图3），当小电动机开动后，连接着的力度传感器就能及时将每时每刻的拉力传送给采集器，拉力（摩擦力）变化数据（数值、曲线）就能同步记录在电脑屏幕上（见图4）。

实验结束后，再回看这个实验过程中数据，学生很快就能发现，物体从静止到运动有一刹那间，数值最高，曲线也达到波峰，这时再来分析认识“最大静摩擦力”就容易多了。

三、数字化实验仪器在小学科学实验应用中的一些问题

数字化实验室运用实时测量、数据采集、数据分析和智能控制等先进技术，实现了小学科学实验教学与信息技术的全面整合，有极大的优势，但也有很多因素制约了它的推广应用。

1．价格比较昂贵

相对于传统实验测量仪器，数字化实验仪器价格比较昂贵。

例如，图3中完成摩擦力实验所用的设备，主要设备：

采集器一套约2千元、力度传感器一套约2千元，加上其他辅件总价在5千元左右（不包括电脑），如果按4人小组实验来计算，一个班12套，总价在6万元，这还只能完成力学实验的一部分，要做其他实验，还需要投入更多的经费，添置更多的设备，这对很多学校来说压力相当大。

2．各家设备不通用

随着科技的发展和教育的需要，设计和生产数字化实验仪器的公司在增多，各种产品有各自的优点，可能是为了保护和推广本公司的产品，现在这些产品之间并不通用。

例如，这家公司的采集器是不能接用另一家公司的传感器，这样就使得学校在选用这些设备时，只能选用一家公司的产品，无法挑选其他公司的好产品一起使用，要使用其他公司产品，必须重新添置相应公司的采集器，这样就又增加了经费投入。

3．操作不够便捷

接触了几家公司的数字化实验产品，发现在操作上还不是很简便，操作界面过于复杂，教师要好好学习一阵才能上手，学生操作时就更困难。

有的产品是附带了手持式显示设备的，但屏幕小，上面的数据信息纷繁复杂，没有专业人士指导，教师要弄清这些符号所表达的意思也不容易，更不要说学生了。

有次研讨课，曾有老师在课前用了两个多小时教学生操作设备，但后来在正式执教的课堂上，学生还是不怎么会用这些设备。

4．教师缺少了解

适用于小学科学教学的数字化实验仪器一般有哪些？

怎么用？

对哪些实验有较好的帮助？

’许多老师还不了解。

目前只有少数老师有机会参加数字化实验仪器应用观摩活动，而参加过观摩活动的老师，往往受到自己学校条件所限，没有此类设备，无法真正感受其带来的好处。

更多的老师则根本没有机会接触此类设备，所以根本不了解此类仪器。

还有一部分学校，虽然添置了．此类仪器，但由于相应的交流研讨力度不大，仪器的操作又不是很便捷，也使很大一部分学校配备此类仪器后，闲置现象比较严重，没有发挥其优势作用。

以上这些因素制约着数学化实验仪器在小学科学实验教学中运用推广，但办法总比困难多。

笔者相信，随着科技的发展，数字化实验仪器的制造成本肯定会下来，使用操作和实际应用上的问题，也都会慢慢得以解决。

虽然，数字化实验仪器真正全面进入一线课堂还需要一定的时间，还需要包括研发单位、厂家、教育部门等多方面的共同努力，但它有足够多的吸引人的地方，确实能够帮助师生解决很多实验上的难题，前景是美好的。

江苏省苏州市善耕实验小学校

（215000）

（责任编辑刘绍江）