完整版DNS数字化物理实验毕业设计Word格式.docx
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实验教学
TheStudyofHighSchoolPhysicsExperimentTeachingUsingDigitalExperimentPlatform
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Abstract:
Intheeraofknowledgeeconomybackground,thedigitalexperimentalsystemconformstothetrendofnewbasiceducationcurriculumreform,expandingthedepthandbreadthofphysicsexperiments,creatinganewworldofphysicsexperimentteaching.Basedontheliteraturesurvey,thispapermainlydescribesthedevelopmentstatusaswellasstructureandcharacteristicsofdigitalexperimengtalsystem;
thepaperconductesacomparativestudyofthedigitalexperimentandthetraditionalexperimentfromthethree-dimensionalperspective,andthenondiscussesthewaysandmeanstoimprovingandexpandingtraditionalexperimentsbyusingdigitalexperimentalsystem;
proposingtacticsforapplicationofdigitalexperimentstooptimizeandimproveandIntegration;
Experimentteaching
1引言
1.1研究背景
自上世纪90年代进入知识经济时代以来，信息技术深刻改变着人类社会的生产生活方式。
难怪英特尔公司前总裁——葛鲁夫如此强烈地感叹：
“在当今世界，一切能做到的，终将做到。
技术的力量不可阻挡，无论人们在前进的路上设置何种障碍，它将仍然会继续发展。
一切信息均以数字方式传递，一切信息均能以数字存储。
我们现在正朝着正确的方向前进。
数字化信息必将永存！
”
伴随着信息技术日新月异地发展，社会对人才的培养要求越来越高，传统化教育正在向信息化教学方向转变。
世界大多数国家已经意识到教育正逐步成为未来社会发展的原动力，相继掀起了新一轮教育改革浪潮。
2001年，我国启动了新一轮（第八次）基础教育课程改革。
其改革步伐之大、速度之快、难度之大是前七次改革所不可比拟的。
新一轮基础教育课程改革更加追求每位学生的全面发展，更加追求学生主动地获得生动活泼的发展，更加追求学生生命活力的展现，更加注重沟通生活世界与科学世界。
教育部印发的《基础教育课程改革纲要（试行）》（教基[2001]17号）指出：
“大力推进信息技术在教学过程中的普遍应用，促进现代信息技术与学科课程的整合”。
《普通高中物理课程标准（实验）》指出：
“加强与学生生活、现代社会及科技发展的联系，反映当代科学技术发展的重要成果和新的科学思想”“高中物理课程应促进学生自主学习，让学生积极参与、乐于探究、勇于实验、勤于思考。
通过多样化的教学方式，帮助学生学习物理知识与技能，培养其科学探究能力，使其逐步形成科学态度与科学精神。
”新课程物理教学大纲指出：
“重视将信息技术应用到物理实验，诸如通过计算机实时测量、处理实验数据、分析实验结果”。
全国多个版本的高中物理教材在多个章节介绍了利用数字化实验平台采集数据（表1），利用计算机处理数据，能够更加清晰、明确地展示现象、揭示规律。
国外发达国家如美国、加拿大、英国、日本等国家，在上个世纪八九十年代就已经把逐步将数字化引入课堂教学中。
与国外发达国家相比，我国确实是落后了很多，但中国正在这方面奋勇直追。
我国从2002年开始逐渐在物理学科教学中运用数字化实验，经济发达的长三角、珠三角、环渤海地区，已经从传统实验方式逐步过渡到数字化实验方式。
资金投入巨大的基于数字化信息系统的高中物理实验教学研究在上海、江苏、山东、北京、广州等地已经开展了十多年，成果斐然，所采用的实验设备、实验内容、教育理论已基本与国际同步。
表1人教新课标高中物理教材使用DIS实验情况统计
Tap.1People'
sEducationPublishingHousenewhighschoolphysicstextbookusingDISStatistics
序号
教材
栏目
实验
页码
1
必修1
做一做
借助传感器用计算机测速度
P23
2
用传感器探究作用力与反作用力的关系
P82
3
必修2
用传感器和计算机研究平抛运动
P14-15
4
选修3-1
用传感器观察电容器的充放电
P32
5
用磁传感器研究磁场
P89
6
选修3-2
用电流传感器演示自感对电路中电流的影响
7
用电压（流）传感器演示电压（流）波形
P31
8
选修3-3
用传感器和计算机探究气体等温变化的规律
P19
9
选修3-4
用传感器和计算机描绘简谐运动的图像
P4
10
用光传感器做双缝的干涉实验
P58
11
用光传感器做单缝的干涉实验
P60
12
用传感器和计算机观察振荡电流
P79
13
选修3-5
用传感器测量放射性
P75
注：
统计的教材版次为2010年4月第3版
1.2研究现状
中国数字化实验掌门人冯容士带领的团队开启了国内实验教学的数字化时代，紧跟教育教学的现实需要和时代趋势，开发了以力传感器、位移传感器、微电流传感器、磁传感器等的一系列数字化实验器材，取得了丰硕的成果。
将信息技术整合于中学物理课程中是新课改以来的重点研究领域之一，在中学物理实验教学中运用数字化实验平台是其具体的表现。
基于数字化信息系统的高中物理教学研究从多个角度进行：
（1）对比研究传统实验和数字化实验，利用数字化实验系统改进传统实验，将传统实验和数字化实验优化整合于物理教学实践中。
关于中学物理教育全国有影响力的几大期刊（《物理教师》、《中学物理教学参考》、《物理教学探讨》、《中学物理》、《物理教学》等）经常刊载应用数字化实验的教学案例。
（2）以现代教学技术理论为指导，从现代教学理念的角度，研究数字化信息系统的特点，深入分析数字化信息系统的构成要素、技术特征和在教育教学中的地位和作用。
以中国数字化实验掌门人——冯容士为代表的从事教育技术装备研究的专家、学者在不断探索适合中国国情的数字化实验发展道路，致力于改进、完善数字化实验产品在硬件和软件上的不足。
（3）研究数字化信息系统在中学物理教学与实验中的功能，如数字化实验与研究性学习的结合、数字化实验与验证性实验的结合、数字化实验与探究性课堂教学的结合。
在物理教学等几大期刊上可以找到很多这方面的研究。
（4）专门为数字化实验开发校本教材，设计应用数字化信息系统的具体案例。
随着我国课程教材体系的改革，像长三角、珠三角、环渤海等一些经济、教育比较发达的地方和各地区顶级中学在开发适合本地区或本学校情况的数字化实验校本教材。
总体比较而言，目前对数字化实验系统在高中物理教学中的研究基本没有在三维目标视角下进行系统研究，另外对运用数字化信息系统优化拓展课外物理教学的实践研究显得薄弱些，有待进一步完善。
1.3研究内容
本课题希望在文献调查和教学实践的基础上，总结出数字化实验系统的优势及如何更好地应用数字化实验平台优化高中物理实验教学，因此需主要在以下几个方面进行研究：
（1）数字化实验系统构成及其特点介绍
（2）传统实验方式和数字化实验方式三维视角下的对比研究
（3）应用数字化实验平台优化高中物理实验教学的典例与策略
研究的主要内容在于：
尝试在从三维视角下对比研究数字化实验系统与传统实验方式，以及在课外物理教学中应用数字化实验系统方面进行初步的研究。
这也是本研究比较创新的地方。
1.4研究意义
自然科学由于其自身客观、量化等特殊性，使得人们在实践研究中离不开技术设备的支持，特别是现代化的实验设备。
而中学物理实验最大的不足就是缺少量化的、直观的结果。
很多时候，在概念、规律等知识讲授中掺入了人为的“理想化分析结果”。
将基于现代信息技术的数字化实验系统应用于高中物理实验教学，首先可以从量化和客观两个方面减少或解决这种“尴尬”；
其次，还能突破传统实验领域的限制，为学生改进学习方法、培养创新意识、提高探究能力创造了强有力的物质条件，开创高中物理实验教学的新天地；
最后，体现了现代信息技术与物理课程的整合的时代要求和教育趋势。
本课题希望通过在对比研究数字化实验系统和传统实验方式的基础上，总结出如何在先进教学理念指引下更好地应用数字化实验平台优化高中物理实验教学。
以期避免将数字化实验系统和传统实验方式对立起来：
片面强调数字化实验系统的优点，而抛弃传统实验方式；
或固守传统实验方式，对数字化实验系统嗤之以鼻。
这将对我们在教学中具体实施新课程标准有很大的参考意义，同时更有利于培养学生的终生发展的兴趣和能力。
2数字化实验系统介绍
现阶段，关于数字化实验系统的概念，大多数学者均是从其结构组成的角度进行狭义的定义，它是指由“传感器+数据采集器+实验软件包+计算机”构成的新型实验系统。
作为信息技术与传统实验整合的重要载体，它依托传感器技术和计算机平台，集实验数据采集、显示、分析、处理于一体，兼容传统实验教具、替代多种仪表，是理科实验教学平台。
数字化实验系统实现了从单一仪器到数字化多功能集成系统的飞跃，提供了一整套解决方案。
2.1数字化实验系统在国内外发展现状
国外在数字化实验的开发方面，起步较早，技术也比较成熟。
美国的PASCO公司、Vernier公司、德州仪器公司，英国的PicoTechnology公司生产的数字化实验产品应用较为广泛。
除此之外，较为著名的公司还有以色列fourrier公司、韩国数字株式会社。
美国PASCO公司是美国最大的教育实验仪器制造商，提供物理、化学、生物、科学、环境、工程实验等课程使用的传感器、数据采集器接口和配套软件，构成一个基于计算机和网络应用的新一代数字化实验系统的整体解决方案。
它生产的先进的教学仪器已被世界上很多国家的中学和大学广泛使用PASCO公司的产品，我国香港地区几乎所有的中学和大学都采用PASCO公司的实验教学产品。
目前国内数字化实验产品处于起始阶段，专门从事为教育领域开发数字化实验的公司主要有山东远大网络多媒体有限责任公司、上海华师京城高新技术股份有限公司、北京友高教育科技公司、宁波GQY视讯股份有限公司等。
山东远大网络多媒体有限责任公司研发的朗威数字化信息系统实验室开启了国内实验教学的数字化时代，该产品已被编入人教版、沪教版和粤教版等国内多家新课标物理教材，成为信息技术与物理教学理念整合的优秀载体。
上海华师京城高新技术股份有限公司是我国教育信息化整体解决方案的领先提供商，其生产的产品包括虚拟实验室、仿真实验室、数字传感器实验室三大系统，这三大系统构成了全方位的数字化实验室，可以满足各学科实验教学的各种需求。
北京友高教育科技公司隶属于北京师范大学产业总公司教育技术研究所，其生产的友高数字化实验室是一整套新型的数字化教学设备，它为实验教学提供了一个开放的平台。
宁波GQY公司针对国家二期课改，与国家教育部教学仪器研究所合作研发的GQY-eLab系列产品，主要适用于教育系统的物理、化学、生物以及相关探究性实验。
就产品质量和设计而言，国外品牌要远远好于国产品牌，但在价格上，国产的基本上是进口的13左右，并且所有的实验设计与教学大纲高度吻合。
进口的美国品牌PASCO凭借其出色的拓展实验能力和优良的质量，成为高端市场的霸主。
在所有国产数字化实验设备中，山东远大的朗威由于有与上海市教委合作的先天优势，其产品市场占有率最高。
本文主要应用朗威数字化信息系统实验室来研究优化高中物理实验教学的问题。
2.2数字化实验系统的构成
朗威数字化信息系统实验室（简称朗威DISLab）由传感器、数据采集器、软件和配套实验器材构成（图3）。
（1）传感器：
将非电学量转化成电信号，并将电信号传递到数据采集器，是数字化实验的核心部件。
其测量精度、性能与使用效果均达到先进水平。
教学中常见的传感器包含位移传感器、力传感器、电流传感器、微电流传感器、电压传感器、压强传感器、温度传感器、声波传感器、磁传感器、光电门传感器等，如图4所示。
（2）数据采集器：
采集来自传感器的数据，并传给计算机平台，是传感器和计算机平台之间的转换器，如图5所示。
（3）软件：
并行双软件系统，包含教材专用软件和教材通用软件。
其5.0版包含21个专用软件，目前教材专用软件有不断扩展的趋势。
通用软件采用了国际通行的主流工具软件（如AdobePhotoshop、VB、VC等）的设计风格，可完成物理量的显示、数据记录与计算、组合图线分析等教学任务，如图6所示。
（4）配套实验器材：
如多用力学导轨、向心力实验器、环形线圈、螺线管等完成实验所需要的仪器，如图7所示。
2.3数字化实验系统的特点
作为全新的软硬件一体化的数字化实验系统，非常鲜明的具有传感器多类型、数据采集器多通道、自主操控平台多样化的特点，实现了实验手段数字化、测量实时化、现象规律可视化、操作简单化，替代和超越了传统观实验装置和仪器仪表，大幅度提高了实验质量与效率，显著扩展了学生的实验操作空间。
1、在数据采集环节，能够自动、连续、快捷地采集数据，能够检测到信号量的微小变化和瞬时变化，大大扩展了研究范围。
（1）微小变化量的采集
例如，在人民教育出版社出版的高中物理新课标教材——选修3-2第四章第2节“探究感应电流的产生条件”有个“做一做”栏目——摇绳能发电吗，这个实验要取得成功比较困难，但用朗威DISLab则很容易达到明显的实验效果。
采用微电流传感器、带屏蔽的多匝实验线圈等实验器材，可以轻松采集到微弱地磁场的磁通量变化时产生的微小感应电流（图8），并且可以通过实验发现：
当实验线圈平面与地磁场垂直时转动线圈，产生的感应电流比较大。
（2）瞬时数据的采集
例如，传统实验一般是运用打点计时器每隔0.02s在纸带上间接记录物体的位置，进而再对纸带进行处理计算物体在某段时间间隔内的平均速度，但采用朗威DISLab位移传感器及其相应器材可以更高频率直接实时记录物体的位移和瞬时速度，如图9所示。
（3）暂态数据的采集
稍纵即逝的瞬间，也包含着丰富的物理图景。
将这短暂的过程清晰呈现，传统实验设备就无能为力了。
应用数字化实验系统，则可以打破这一瓶颈。
例如，在讲解电容的充放电的时候，很多学生难以理解“断路”也有电流。
为突破这个教学难点，不少老师尝试用比较灵敏的电流计来演示，可是依然难以让现象非常明显可观。
采用微电流传感器，则可将瞬间变化的微电流异常细微地展现出来，如图10所示。
2、在数据处理环节，自动智能处理数据以及绘图，可将学生从简单、机械、繁琐的数据处理过程中解脱出来，显著提高了实验结果精确度和实验效率。
例如，在探究物体的加速度a与物体的质量m、物体受到的合外力F间的关系时，运用传统实验手段则会花大量是时间对纸带进行处理计算物体的加速度，但直接运用朗威DISLab中的教材专用软件——牛顿第二定律，则可避免简单、机械、繁琐的数据处理过程，从而将更多精力集中在研究a与m、F间的关系，不仅提高了实验精确度，更提高了效率。
3、在观察环节，实时显示、直观、明显，极大扩展实验的可视性和可重复性。
例如，采用朗威DISLab中的教材专用软件——从v-t图求加速度，点击“开始记录”后，窗口会实时显示物体的速度随时间变化的动态曲线，如图11所示。
又如，突破牛顿第三定律的教学，采用朗威DISLab力传感器等实验器材，则会更直观明显地表明相互作用力等大方向的特点，如图12所示。
3数字化实验系统与传统实验设备的比较
传统实验是相对于数字化实验而言的，其实验设备沿用了近代物理学中的经典仪器。
像游标卡尺、天平、直尺、温度计等都使用超过了100年，而打点计时器、电压表等设备也有数十年的历史。
除此之外，其最鲜明的特点就是将日常生活中的常见物品应用到其中。
3.1数字化实验系统与传统实验设备在“硬件”方面的比较
3.1.1实验设备比较
数字化实验中所用到的设备绝大多数是以20世纪前沿科技作为技术理论支撑、20世纪下半叶得到实际应用的具有较高科技含量的装备，其中包括：
微型计算机、传感器、数据采集器和软件。
传统实验中所用到的设备，绝大多数是以18、19世纪的物理学知识作为理论支撑、使用了几十年甚至上百年的老式装备，其中主要包括：
秒表、米尺、天平、弹簧秤、打点计时器、电压表、电流表、温度计等。
显然，数字化实验设备没有传统实验设备丰富，其配套实验器材之间的重新组合不是很特别自由，改进的空间依然很大。
尽管用传感器代替了部分测量仪表，但并没有脱离传统的实验装置，而是借助其优势填补了传统实验中诸如微小量、瞬时量测量等多个空白，实现了数字技术与物理实验教学的有效整合。
这预示着数字化实验具有很强的拓展性，承传并发展了传统。
3.1.2误差比较
实验误差分为系统误差和偶然误差。
传统实验中绝大部分数据需要人工读取、记录，由于人的感觉器官能力的限制，如照准、估读、记录之类的偶然误差是必然存在的，且在整个实验误差中占了相当大的比例。
而数字化实验可以自动采集实验数据，因而基本消除了偶然误差。
产生系统误差的最主要原因是测量仪器本身的原理、结构、材质以及元件响应度等因素引起，总的来说，数字化实验系统的系统误差明显小于传统物理实验设备的系统误差。
3.1.3实验时间比较
一般情况来说，传统实验需要占用比较多的课堂时间,尤其是量化的数据测量和数据处理时，紧张的时间往往成为制约实验教学设计与实施的最大瓶颈。
运用数字化实验系统则可以在很大程度上提高数据采集、处理、分析的效率。
除了必须要缓慢变化的实验之外，比如气体定律的实验，大多数实验从完成的速度来看，数字化实验手段所用时间要远远少于传统实验手段所用的时间，这为中学物理的实验教学打开了一片新天地。
3.1.4投入资金比较
整个数字化实验室建设的费用在35万左右，其中数字化传感器的费用在12万左右，其他电脑多媒体和实验室改造的建设费用在23万左右。
整个数字化实验室及设备的费用是传统实验室的7到8倍。
面对昂贵的建设费用，中学对此的投资比较慎重。
在重庆市第十一中学实习期间，指导学生参加重庆市第三届科技小论文大赛时，本来学生的有些想法是非常适合开展实验进行探究的，可惜没有数字化实验设备，难以有效开展实验。
此外，数字化实验系统的维护成本高。
一方面，由于数字化实验装备属于精密仪器，在使用的过程中容易被损坏；
另一方面，信息技术的高速发展导致仪器的更新换代速度加快，几年的时间里原来的实验仪器就会老化，精确度降低，这些都会导致数字化实验系统的维护成本高。
3.2数字化实验系统与传统实验设备在“软件”方面的比较
新课程改革强调从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个维度全面培养学生，为学生终身发展、应对现代社会和未来发展的挑战奠定基础。
因此，在实验教学中也需在这三个维度比较数字化实验系统与传统实验设备的异同。
3.2.1知识与技能维度的比较
3.2.1.1物理学基础知识学习
不管是传统实验，还是数字化实验，都有助于学生认知、理解、掌握高中物理中的基本概念和规律。
与现代信息技术密切结合的数字化实验系统，在帮助学生认知、理解、掌握物理概念和规律上明显优于传统实验。
首先，数字化实验系统可以实时动态地采集数据，在分析动态问题上具有不言而喻的优势。
其次，数字化实验系统测量精确、快速，操作灵活、简便，易于发现或验证有关物理量间的关系，对定量研究物理学规律非常适用。
第三，由计算机代替人脑对数据进行处理，避免了繁琐的计算或作图过程，从而有更多的时间、精力用于研究掌握物理学规律上。
最后，实验误差小，从而使物理学规律的发现或验证更具严谨性和可信度。
从而让学生开阔了视野，突破了认知知识方面的某些局限，更清晰全面地认识、理解、掌握物理概念和规律。
3.2.1.2物理实验基本技能掌握
3.2.1.2.1观察能力
传统实验一般需要多次观察、重复测量，有利于培养学生细致耐心的观察习惯、不厌倦的良好心理品质，从而提高学生的观察能力。
数字化实验不要求学生了解传感器、数据采集器、计算机等的内部构造，对实验器材的观察少了不少要求，但将学生积极的思维活动寓于现象观察之中，对学生观察图像的能力要求较高。
两者相比，传统实验侧重于培养细致、认真、耐心等观察习惯，而数字化实验则侧重于培养学生在观察中思考探究能力。
3.2.1.2.2合理选择和正确使用仪器的能力
传统物理实验十分重视这方面能力的培养。
首先要分清仪器的量程，待测量不能超过量程；
其次仪器的精度必须符合实验要求；
最后还要了解仪器使用的基本要求。
对数字化实验而言，这方面的能力要求降低了许多。
它只要求学生基本了解各种传感器的使用方法，会选择合适的传感器进行数据的采集即可。
至于读数、精度等都由仪器本身来完成。
因此，在正确选择和使用仪器能力的培养方面，数字化实验是个弱点。
3.2.1.2.3实验过程中的有序操作和排除故障的能力
正确有序的实验操作，是完成实验的关键。
传统实验需要的测量仪器较多，操作时间较长，实验中容易出现故障，但这有利于培养学生清晰、有序的思维能力及勇于克服困难的坚强的意志品质。
数字化实验的操作过程相对简单，体现了实验设计的方便性原则。
同时数字化实验系统作为信息采集和数据处理工具，提高了学生使用计算机的操作技能和运用现代信息技术的能力。
3.2.1.2.4数据处理过程中的计算、作图能力，数形结合、探索规律、归纳结论的能力
传统实验在数据处理方面所花的时间比较长，学生要经过详细的计算或描点作图，才能够根据计算的结果或作出的图象进行分析
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