數字化實驗系統的設計和實現

摘要：數字化實驗系統是對傳統常規實驗手段的重大創新。文章重點論述了中學理科數字化實驗系統在開發和設計中面臨的問題，尤其是對目前國內大部分同類系統尚未很好解決的通用實驗和專用實驗之間的矛盾、實驗過程的有效控制、實驗數據的正確分析、實驗數據的存儲管理、實驗過程的重放等問題，提出了解決方案；對未來數字化實驗系統面向互聯網、支持手持移動終端等發展方向作了展望。

關鍵詞：數字化實驗系統；中學理科教學；通用實驗；專用實驗；實驗模板；傳感器；控件

0 引言

數字化實驗系統(有時也稱為計算機輔件)一般由傳感器、測控器(或數據采集器)、有關的軟件和計算機組成，其中計算機是數字化實驗系統的核心。通過數字化實驗系統可以把課堂創建為一種學習者能主動建構知識的環境。數字化實驗系統能夠支持學生在實驗中進行定量的測量，特別是測量一些使用傳統設備很難測量的變量，使學生積極參與到以觀察和實驗為主的探究學習中，實施探究并且獲得有效的學習效果，是信息技術與學科教學整合的有效手段。

本文著重論述的是中學理科數字化實驗系統開發和設計中面臨的問題及解決方案。中學理科實驗是一個相對比較寬泛的概念。其中，物理實驗是最主要的部分，涉及到的實驗包括力學、電磁學等方面原理；化學和生物學實驗則主要涉及到成分測量方面的實驗。

由于理科實驗中各類不同實驗之間差別較大，因此要將這些實驗統一在同一個固定操作界面的軟件上，其實現就會有相當的難度。而為每個單獨實驗定制專門的程序，意味著程序的開發量不可控，同時也很難滿足所有教師在教學上的個性化要求。

筆者近期承接了數字化實驗系統的開發任務，在設計過程中，發現國內大部分的同類軟件產品都存在上述問題。而另一個情況是大部分的國內軟件目前都無法做到隨時保存實驗數據和實驗分析過程，留待重新調用或重放實驗過程。

1 通用實驗和專用實驗矛盾的解決

在國外成熟的數字化實驗系統中，基本不存在通用實驗和專用實驗的概念。不同的實驗是通過設計不同的模板來實現的。要實現這一點，需要幾個前提：

(1)軟件運行的配置項經過有效的歸納整理，都已完全參數化。程序運行的各種可能性，包括界面表現、操作流程等要素都可預先通過參數配置來進行控制。

(2)無論模板如何變化，數據的管理構架都是統一的，能夠采用同一種方法存儲和調用以及傳輸。

(3)提供自由的數據變換方式和自由公式編輯功能。否則就無法滿足不同實驗對數據計算、轉換以及數據分析方面的要求。

(4)提供豐富的數據分析工具，包括直線擬合、各類曲線擬合以及積分、求導、統計等。

(5)提供通用實驗報告功能。

國內的同類軟件，由于多數沒有經過很好的設計，軟件的開發是“見招拆招”，碰到問題才考慮怎么解決。在這樣的開發模式下，要通過通用的程序＋實驗模板的方式解決所有的實驗問題是不現實的。正是由于這個原因，國內目前的同類軟件都是采用通用軟件＋專用軟件結合的方式，既每個實驗都是單獨編制一個程序。這樣做既浪費開發時間，又讓教師和學生在使用過程中喪失了探究的可能性。

2 解決方案

2.1設計

分析了國外成熟數字化實驗系統的做法后，我們決定采用通用軟件平臺＋定制實驗模板的方法來解決通用實驗和專用實驗之間的矛盾(見圖1)。

可以把通用程序看作實驗模板的解析器和運行平臺。實驗模板存儲了以下信息(見圖2)：①軟件運行參數的配置庫；②實驗控件配置信息；③預先設定的數據換算方法；④預先設定的數據分析方法；⑤預先設定的實驗說明文件；⑥預先設定的實驗報告格式。

軟件運行參數的配置庫存儲的是通用軟件平臺在實際運行過程中的配置情況。主要包括以下幾個方面：

(1)實驗類參數。包括實驗名稱、實驗類型、實驗可重復最大次數、實驗持續時間。

(2)傳感器類參數。包括實驗所采用的傳感器類型、數量、采樣頻率、采樣方式等。

其中實驗類參數決定了該實驗模板的屬性描述，通過這些屬性描述清楚地定義了該模板的實際使用范圍。而傳感器參數則決定了軟件在運行過程中如何檢查設備連接情況以及如何配置這些連接設備。

實驗控件配置信息存儲的是軟件平臺在運行過程中需要在界面上展現哪些實驗控件，以及這些控件的名稱、位置、顏色、背景圖樣以及所顯示的數據等屬性。

預先設定的數據換算方法存儲的是原始實驗數據從傳感器上傳后，如何換算成不同的數列集。

預先設定的數據分析方法存儲的是一些預設的數據分析算法庫。當實驗數據采集完畢后，實驗操作者只需點選預設的曲線類型，程序就能對實驗數據畫出擬合曲線。

預先設定的實驗說明文件存儲的是實驗模板制作者(通常是教師)。為了能通過圖文描述實驗的裝置情況、實驗原理、實驗步驟等，預先編寫的實驗說明書。模板也應存儲這些實驗說明文件。

預先設定的實驗報告格式存儲了教師預先定義的實驗報告指定格式。

要實現實驗模板，則首先需要分析所有的實驗，不會變化的要素有哪些(共性)，變化的要素有哪些(個性)，如何保存、記錄這些要素，如何正確重現這些要素。

2.2實驗的共性要素

對于中學理科實驗應用到數字化實驗系統，共性的是實驗過程。所有的實驗流程都是按照下述步驟進行的：①閱讀實驗指導。②布置實驗器材。③采集數據。④觀察數據，并對采集的數據進行各類分析。⑤形成實驗報告。其中第④步驟，觀察和分析數據采用了圖形(圖3)和數據列表(圖4)兩種描述工具。

2.3實驗的個性要素

針對實驗的每個步驟，有許多可配置的個性要素。例如：

(1)針對實驗指導階段，應顯示哪篇實驗指導文件。

(2)針對實驗裝置布置階段，采用哪幾種類型的傳感器，采樣頻率各是多少，量程各是多少，數據采集方式是連續采集，還-是值變化采集，或是閥值觸發方式采集。

(3)在數據觀察分析階段，可配置的個性項就更多了。例如，共分幾個頁面展示數據和圖形，每個頁面各布置什么控件，每個控件的位置和大小，每個數據列表框和數據圖形窗各顯示哪幾列數據等等。

(4)對于實驗報告階段則需要配置哪些數據被抽取到實驗報告中等。

(5)其它各類輔助性的配置參數，比如本實驗的名稱，類型(物理、化學、生物)等等。

2.4實驗要素的記錄和保存

本軟件采用數據列表集合的方式保存上述所有的配置信息。

配置信息數據列表集合采用下述結構(見圖5)：

這些設置表分別如下：①BaseSet基本設置表；②SensorSet傳感器設置表；③ControlSet控件設置表，其結構見表1。

每個控件自己獨立向該表記錄自己的關鍵信息，如位置、大小、關聯的數據等。記錄哪些信息都是由控件自己獨立決定的。每條記錄都必須標示是屬于哪個控件的，該控件的父控件是誰。這樣當從數據列表中恢復控件時，就能準確得得到該控件相關的所有信息。

(1)CalcDataSet計算數列設置表

本表采用動態增加字段的方式，每個字段有一個Expression屬性，該屬性決定了字段內容生成的公式。在公式中可以使用傳感器獲得的數據，可使用變量表中的數據，也可使用其它計算數列的數據。例如：CalcData2的Expression為：Sensorl*Variablel+CaleDatal，表示CalcData2的數據內容為同一行中的Sensorl數據乘上變量Variablel中的數據，再加上CalcDatal中的數據。

(2)VariableSet變量設置表(略)

上述信息都是在實驗模板設計階段實時記錄的。當需要保存這些信息至文件時，軟件對《模板數據列表集合》進行序列化操作，以xML的格式保存至文件中。當需要恢復該《模板數據列表集合》時，則從文件中讀出XML數據流，并進行反序列化操作。

序列化的代碼例程：

2.5正確重現控件

傳感器配置信息、實驗基本配置信息、計算數列信息等在反序列化操作后，都不必進行后處理。而控件信息在反序列化后，需要進行還原。在本軟件中，所有的近控件都布置在—個個TabPage中，因此需要首先正確還原各TabPage。當—個TabPage還原后，再輪詢整個ControlSet數據列表，將凡屬于該TabPage的所有控件(ParemName=該TabPage)依次還原到該TabPage上(見圖6)。

2.6實驗數據的有效存儲、實驗過程重放

在采用模板方式解決了通用實驗和專用實驗之間的矛盾后，實驗數據的有效存儲、傳輸和實驗過程重放并不難解決。由于軟件的模板采用XML格式存儲，而軟件的數據也完全可以采用該格式存儲。實際上，模板和數據是同一個結構，這樣也便于軟件處理。

軟件在內存中設立一個存儲實驗數據的DataSet。在實驗開始前，該DataSet是空的。當軟件從傳感器讀入數據后，軟件將這些原始數據，以及這些原始數據經過計算后得到的計算列數據一并存儲在DataSet中。如果操作者選擇保存數據，則軟件簡單地將整個DataSet經過XML格式序列化轉換，存儲到文件中。當需要時，將文件中的XML流反序列化覆蓋內存中的DataSet即可。

實驗過程回放的實現方法為：首先清空圖形控件中的數據(使圖形控件恢復到空白狀態)，然后通過一個時間閥將DataSet中的數據重新傳輸給各個圖形控件。通過控制時間閥的頻率，就能控制數據回放的速率。這樣就能看清某些瞬間發生的實驗狀況，也能看到以前實驗的進行過程。

對于各個控件而言，實驗過程回放本質上可看作從數據源重新讀取數據的過程，只是數據源從采集器替換為數據表，同時控制了數據獲取的速度。由于各控件是數據事件觸發的，因此，對各控件而言，正式的實驗過程與實驗過程回放并沒有本質的區別。

3 數據化實驗系統未來的發展方向

中學理科實驗是隨著中國課程改革的發展而不斷發展的。目前階段，中學理科實驗剛剛開始經歷從傳統實驗手段向數字化實驗手段轉化的過程。而從未來的趨勢來看，中學理科實驗還將經歷從重復經典實驗到設計探究性實驗的發展，以及從課堂實驗到戶外大型的體驗型實驗的發展。因此，數字化實驗系統應在以下方面得到加強：

(1)更為自由和便捷的模板化設計。數字化實驗系統應能為教師提供更為自由的定制手段。而同時，數字化實驗系統則應為學生提供盡量簡單實用的用戶體驗設計。

(2)對互聯網應用的支持。在未來的數字化實驗領域，應能通過互聯網進行各類實驗數據的交換、界面共享、遠程實驗指導、遠程實驗報告處理等。

(3)對更先進傳感器的支持。目前國外已經發展出基于藍牙技術的無線傳感器，可用于測量游樂場過山車速度、位移、加速度等的大型戶外實驗。由于傳感器、藍牙等都是成熟的應用，因此技術并不是門檻，而軟件則應能支持這些新技術的傳感器。

(4)基于手持設備的簡化版本。由于戶外實驗的需要，數字化實驗系統應開發出基于類似Pocket PC等手持設備操作系統的版本。這樣，教師和學生就可以通過基于藍牙的無線傳感器、掌上電腦等設備，完成諸如海拔測量、火車加速度測試等大型戶外探索型實驗了。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文”