数字化实验室的.docx

数字化实验室的.docx

《数字化实验室的.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字化实验室的.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

数字化实验室的

物理数字化实验室方案

1概述

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。

在现行的课程改革中，科学探究不仅被作为重要的理念强调，还被列入了课程目标和内容标准之中。

但新课程实验教学中，发现依靠传统实验仪器是比较难达到这一目标的。

于是，“信息技术与学科教学整合”这一理念就越来越被大家所认可和接受。

而数字化实验可以让学生使用相关实验工具，特别是信息技术工具进行认知学习和探索研究，既提高了学生的实验操作技能，又提高了他们的自主探究能力，培养了他们搜集信息的素养等，达到了课改目标。

可以说，数字化实验是信息技术与学科教学整合这一理念可靠的物质载体。

数字化探究实验系统，在业内也被称作“数字化信息实验系统”（DigitalInformationSystem），简称“DIS”，在教育部颁布的装备标准中被称为“计算机数据采集处理系统”或“物理/生物/化学实验微机接口及辅助教学系统”，不管哪种叫法，都是计算机信息技术应用到理科实验中去的一种现代化实验装置或叫媒介,它分为三个部分:

传感器，它主要负责前段实验量的采集，形成模拟电信号；数据采集器，它主要负责把传感器的模拟电信号转换成数字信号并与计算机进行通信；软件，它主要负责数据信号的显示、处理与分析等。

另外，该产品还配套实验指导书、小配件及一部分专用的实验辅助器材。

2数字化实验室的优势

数字化实验系统具有强大的信息处理能力，可以实时、高效处理各种数据，可以实现连网互通，具有便捷的交互功能。

而传统的实验手段存在着误差大、数据采集慢，有的物理量无法直接测量、读数不方便等问题，更为重要的是数据处理手工完成，效率低，误差大。

这些弊端严重制约了新课改的顺利进行。

数字化实验系统操作起来较安全，在数据采集上，可以同时自动记录多种数据，速度和精度上都达到了较高的要求；多窗口显示数据和图像的功能便于进行比较；可选用多种保存形式，方便数据和图像的处理和重复使用。

具体的说，数字实验设备具备“实时实验”的功能，数据采集、处理和图线描绘都由计算机完成，所以师生可以从数据读取、记录，公式运算和图线描绘等繁琐的简单劳动中解脱出来，有更多的时间来进行实验的设计和探究上。

比如高一摩擦力这一节，很多同学心里都想知道最大静摩擦力为什么比滑动摩擦力大？

显然，传统仪器很难解决这一问题，而运用力学传感器，把物体从静止到运动的受力变化进行实时测量，再通过软件用图线描绘出来，学生就很清楚地看到最大静摩擦力确实比滑动摩擦力大，非常直观。

如果数字化实验室具有网络教室功能，教师则可以调阅学生的实验屏幕。

针对教学实际情况，对学生进行及时有力地监督和指导。

数字化实验系统对于迅速变化的物理过程可以进行实时观测并同时高效地处理各种数据，能把许多传统实验手段做不了、做不好的实验做好。

例如,电磁感应中的《断电自感》课难点在于断电瞬间通过用电器的电流大小和方向,特别是电流变化极快。

在探究断电瞬间电流变化情况时，教师利用电流传感器实时测量在断电瞬间流过用电器和电感两条支路的电流，通过数据采集器上传到电脑，再通过配套的软件描绘出两支路的电流随时间变化的函数图象。

运用图像这一直观、形象的数学语言帮助学生理解了这一瞬间电流变化的规律，学生通过解读这一具体的图形，恰到好处地顺利解决了这一难点，这就是数字化实验设备的优势所在。

在这里，教师充分利用了数字化实验系统和图象这一数学工具，帮助学生顺利地提出问题的同时,训练了学生观察、比较、分析、概括等思维能力。

所以，创建“信息化实验环境”，可提高学生的实验素质、探究素质和信息素养。

同时也有助于突破物理教学的难点问题，大大提高了教学效率。

还有，在做验证“牛顿第二定律”的物理实验。

实验中，小传感器感应到小车运动，数据采集器自动收集数据，电脑屏幕显示运动轨迹，这一系列实验操作完全自动化，与小车滑动同步。

在这间“科学探究实验室”里，学生们可以用传感器与传统教学仪器结合进行数据采集，由计算机对探测到的信息进行数据和图形的分析处理，提高了实验的精确度。

3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。

4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。

5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。

5.1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。

5.2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。

5.3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。

5.4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。

6数据处理“智能化”

6.1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。

6.2“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。

6.3“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。

7教学过程“现代化”

7.1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。

7.2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。

8针对具体项目定位的设备配置

8.1学校需求

针对物理探究实验室的具体情况，我方建议学校配置一套适宜本项目特色的物理探究实验系统，该系统具备完全的实验室探头类型，可以在增加实验项目的时候添加实验附件达到实验的目的。

1、实现对抽象的、动态变化的物理量进行直观测量与观察，归纳总结出相应的运动规律。

2、实现观察测量过程与绘图分析过程的同步，现象直观、测量精确，提高课堂教学效率。

3、可拓展探究问题的深度和广度。

4、丰富了探究方案的选择。

5、可以更好地培养学生分析、质疑、探究、解决问题的综合能力。

6、创设以综合、探究、创新为理念的新课程实验教学环境，养成自主、合作、探究的新的学习方式

8.2配置功能

1.具备进行多媒体讲解的功能，能使教师的备案课程在投影屏幕上面进行展示。

2.可以实现教育资源的共享，可以远程共享本地资源，或者将异地资源纳入本地进行管理。

3.学生的实验结果、过程均可以联网共享给教师，教师可以在投影屏幕上对实验结果进行点评。

4.测量手段先进，实验数据精度高，比如力的测量：

5.实验数据可连续量化显示，比如单根导线切割空间磁场的实验：

6.分析手段先进:

数据处理能力强、准，比如加速度与拉力的关系的实验拟合：

7.尊重实验的科学性，比如上图中加速度与拉力的关系实验中，5个数据点比较均匀地分布并紧凑在拟合直线的两侧，这些存在客观误差的点不完全在理论直线上正说明实验的科学性。

8.实验成功率有保障，现代化成熟的计算机信息技术及科学合理的实验设计对实验的成功率有足够的保证，我们对10个常见实验进行研究,据统计，利用数字化实验手段反复实验,其成功率达到99%。

9.解决了传统实验中不好做的、做不出的、效果差的问题，比如“绿色植物、水生植物的光和作用”、“玻意尔定律”、“牛三定律”等等

10.理念更为先进:

注重学生的主动探究性学习,是新教法改革的有效工具。

11.帮助学生理解掌握基本概念和基本规律方面优势:

1）由于DIS实验实验误差较小，这就使物理学规律的发现或验证更具严谨性和可信度。

2）由于DIS实验测量精确、快速、操作灵活、简便，使得学生能够较容易发现或验证各物理量间的数学关系，对定量研究物理学规律非常适用。

3）由于DIS实验可以实时动态地采集实验信息，因而在分析物理动态变化问题上有着不言而喻的优势。

4）由于DIS实验由计算机代替人脑对数据进行简单统计，处理和分析，使学生摆脱了烦琐的计算过程，从而能将更多的时间、精力用于研究掌握物理学规律上。

12.帮助学生发展提高各种能力方面的优势:

1）由于有了计算机辅助进行分析处理，这使得学生的数学图形分析能力、对复杂物理问题的分析判断能力以及联想猜测能力有了较大的提高。

2）由于实验设备先进，使得原本较难完成或不能完成的实验有了得以实施的可能，这就在很大程度上提高了学生的实验设计能力。

10、帮助学生开展自主性学习、以及对学生情感态度价值观的影响方面：

1）由于实验设备先进，使得教师能够在教学形式上从过多的灌输、讲授物理规律转变为引导学生自己去发现、验证物理规律。

2）由于实验设备先进，使得DIS实验具有很强的拓展性，能够更加方便地开展研究型课程和进行研究性学习,给了学生更为广阔的进行自主发展的空间。

3）研究表明，DIS实验在提高学生学习兴趣转变学生学习方式以及树立正确的价值观等方面都有着积极的作用。

8.3配置数字化实验室原则

按照标准探究实验进行配置，配置教师人员1人，学员48人。

安按照4个学生一组进行实验配置设备。

1、新课改《标准》原则

新课改《标准》的教育理念、思想、模式，彻底改变传统教师的角色定位，需要新的实验模式、新的实验技术和实验方法来支撑教师的教学、学生的学习；因此探究实验室首先应按新课程《标准》要求，研制和创设的科学探究的场所。

2、模拟科学研究活动原则

探究实验本质上是模拟的科学研究活动，科学研究活动有其自身的规律、程序，探究实验室的设计方便学生分组，角色定位，方便实施模拟的科学研究活动。

3、主体性原则

数字化实验室需以学生为主体，创设能让常规学科验证型实验转化成探究型实验，学生是开展课题研究的主体，在教师的引导下自主选择探究课题，自主实施探究实验。

4、实践性原则

遵循教学规律，引导探索、尝试、创造。

从课程学习、社会现象、自然现象选择具有一定的灵活性、开放性、趣味性、主动性、综合性的实验，来构建我们的数字化实验室的课题内容，方便创设问题情境。

5、创造性原则

探究实验室需要营造鼓励学生创新的环境，掌握科学研究的常用方法、培养科研素养、科研能力。

8.4需求配置

根据物理教学特点，按照4个学生一组进行实验配置教学仪器的数量。

物理数字化探究实验室按照48人配置

详细配置参见清单。

9设备参数

9.1多功能手持分析仪

1、独立式（非平板电脑）多功能手持分析仪器，可以脱离电脑主机直接连接传感器采集、分析

2、5.6"全真彩触碰屏/128M内存，NANDFLASH128M/400MHZ，32Bit/内置锂电池，可持续工作8个小时，理论时间15个小时/100M网口

3、带连接和传输指示灯/USB供电,1个USB主口，1个USB从口/SD卡接口，最大可接8GSD卡/1路立体声扬声器，1路立体声音频输出接口可接耳机或音箱/本地\PC自由切换/可直接连接各种VGA接口的CRT显示器或液晶显示器

4、支持LCD和VGA同时输出，VGA分辨率640×480/WinCE5.0BSP支持包5、支持MP3、MP4播放，支持文本、表格等常用软件/支持网络连接/四通道并行采集，单通道最高采样速率100ksps

5、传感器通道采用HDMI接口与主机通信。

软件要求：

1、完全图表显示风格以及开放式的设计，易用、好用。

2、EPA软件安装方便、简单、快捷,软件为绿色软件，无需安装直接复制到分析仪中就可直接使用。

3、自动识别传感器，智能设定最佳采样频率，可以通过软件设定选择传感器的两个量程。

4、使用前由软件对传感器进行调零，使数据测量更精确。

5、更准确的数据，采样频率最高可达100kps，很多的传感器软件都提供多种量程选择用于提高精度。

6、实验过程中可实现数据和图像的同时显示，并有实时显示数据窗口，同一页面可以根据设定多图表和多表格显示（最多6个）

7、可以自由设定采集数据的计算精确位数

8、可以自由插入文本列，采集数据可以保存为历史组，实现与前面采集数据的对比。

9、通过计算列、积分、拟合（14种以上的拟合函数，并且函数可自定义系数）等功能，可以进行专业的实验数据分析。

10、软件可由老师按照实际的教学需要建立规范化的实验模板，可内置几百个物理，化学，生物学科的实验。

11、包含各种特殊符号插入公式功能，实验前可预先添加计算公式，自动计算相关数据并显示图象

12、图像有点显示，连线显示，点连线三种显示功能。

13、EPA上保存的实验文件可以在PC软件上打开，与PC上完成的保持一致EPA实验结果的保存有多种保存路径：

内置卡、U盘、SD卡。

14、软件运行时占有极小的磁盘空间，不影响其它软件工作。

9.2智能采集器

1、体积小巧精致，四通道并行采集，单通道最高采样速率100ksps,

2、USB供电、数据传输采用标准usb2.0通信协议。

3、无需外接电源，预留5V电源接口,所有端口具备12VESD静电防护，预留1394接口；

4、数字通道采样精度达1微秒；人体工学外观，实用、耐用

5、传感器通道采用HDMI接口，采集分辨率12-bits

6、CPU主频30MHz以上

7、所有端口具备短路保护，支持热插拔，即插即用，与传感器任意组合，不区分模拟数字通道

8、SMT技术生产，预留扩展空间，可直接接PDA或笔记本电脑进行室外拓展性探究实验。

9.3操作软件

1、Office软件（WORD、EXCEL）风格和开放式设计，易用、好用。

2、自动识别传感器，可通过软件选择设定选择传感器的两个量程；

3、有中文和英文两种语言可以选择；

4、可以设置与硬件设备连接和脱机工作，可以同时打开多个软件窗口进行实验（可以打开一个连接硬件的软件窗口，无限多个脱机的软件窗口）；

5、用户可根据需要自由设定常用工具的快捷按钮；

6、实验过程中可实现数据和图象的同时显示,并有实时显示数据窗口，同一页面可以根据设定多图表和多表格显示（最多可6个）；

7、图象显示有自动滚屏和自动缩屏2种模式，在数据采集的同时可以对图象进行放大、缩小、拖拽等操作

8、可自由设定采集数据的计算精确位数；

9、可以自由插入文本列；采集数据可以保存为历史组，实现与前面采集数据的对比；

10、实验结果可以WORD\EXCEL的形式导出\保存,也可以作为独立文件整体保存实验配置和结果

11、内嵌电子实验报告模板功能，实验结果可直接自动导入到电子实验报告中,实现智能设定最佳采样频率；自动配置显示数据的表格、图表、数值仪器、表盘等多种数据显示方式；

12、通过计算列、积分、拟合（14种以上的拟合函数，并且函数可自定义系数）等功能，可以进行专业的实验数据分析。

13、软件可由老师按照实际的教学需要建立规范化的实验模板,可内置几百个物理、化学、生物学科的实验；

14、包含各种特殊符号插入公式的功能。

可自由设定多种图象点的样式和颜色；

15、图象有点显示、连线显示、点连线三种显示功能；

16、实验前可预先添加计算公式，自动计算相关数据并显示图象

17、该操作软件必须支持藏文功能，实现藏文教学。