連接虛擬與現(xiàn)實的橋梁 數(shù)字化學(xué)習(xí)的新手段

信息技術(shù)與學(xué)科課程整合的目的 是為教師與學(xué)生構(gòu)建一個信息化環(huán)境，讓信息技術(shù)融入到學(xué)習(xí)生活的每個角落。在中學(xué)理科教學(xué)中如何體現(xiàn)信息技術(shù)的優(yōu)越性，以及如何利用信息技術(shù)培養(yǎng)學(xué)生對理科的興趣與創(chuàng)新精神，數(shù)字化綜合理科實驗室提供了一個良好的平臺。在高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)中已提出使用傳感器等信息技術(shù)手段整合實驗教學(xué)，本文描述了數(shù)字化綜合理科實驗室的發(fā)展歷程、工作原理、軟硬件組成、教學(xué)應(yīng)用，及與傳統(tǒng)實驗室在各個方面的對比。

目前情況概述

在基礎(chǔ)教育階段，理科教學(xué)（物理、化學(xué)、生物）處于重要位置，而這三門學(xué)科又都是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，教師演示實驗與學(xué)生實驗質(zhì)量的高低將直接影響學(xué)生對于知識的理解與掌握。根據(jù)調(diào)查，目前我國中學(xué)的理科教學(xué)中存在著對實驗教學(xué)不同程度的輕視現(xiàn)象。有的學(xué)生實驗被教師演示實驗取代，又有的教師演示實驗被教師口述或板書取代，以至于有些學(xué)生將這樣的實驗戲稱為“聽寫式實驗”。這種異化了的實驗根本達(dá)不到新課程標(biāo)準(zhǔn)在學(xué)生實驗?zāi)芰Ψ矫娴囊蟆?/p>

出現(xiàn)上述情況的原因很多，有環(huán)境的原因，也有管理與教學(xué)理念上的因素。僅從環(huán)境的因素來分析，其一，我國全日制中學(xué)一般建有物理，化學(xué)，生物實驗室，儀器多為傳統(tǒng)機(jī)械的或模擬的實驗器材。這些器材一般比較笨重，實驗準(zhǔn)備周期較長且繁瑣。例如高中物理的光學(xué)實驗，通常的器材有光具座、光屏、光源等。這些器材體積較大（光具座），移動不便，實驗環(huán)境要求較高（室內(nèi)光線較暗），而實驗現(xiàn)象又不太明顯，這些因素都制約了實驗的教學(xué)效果。其二，傳統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)處理一直是中學(xué)教師的最大心病。例如在牛頓第二運(yùn)動定律的教學(xué)中，若按部就班地進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)的收集與處理就需要很長時間，無法在一節(jié)課的時間內(nèi)得到a∝f，a∝1/m的關(guān)系，造成教學(xué)上的不連貫；若教師自備數(shù)據(jù)，又會給學(xué)生不真實感。

長久以來，人們都試圖解決這些問題。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們開始利用信息技術(shù)構(gòu)造新的數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境，其中傳感器與計算機(jī)的結(jié)合便是一個發(fā)展方向，以這些技術(shù)為基礎(chǔ)便產(chǎn)生了數(shù)字化實驗室。

數(shù)字化實驗室的產(chǎn)生與發(fā)展

數(shù)字化實驗室是傳統(tǒng)實驗室與現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、電子技術(shù)、多媒體技術(shù)等相關(guān)信息加工處理技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。數(shù)字化實驗室在英文中較早出現(xiàn)的是e-lab的概念，1995年，Virtual Conference CUBE95將e-lab解釋為：計算機(jī)模擬實驗，促進(jìn)實驗過程的優(yōu)化和更方便地處理數(shù)據(jù)。此外，國外一些研究者還提出了其他一些概念如：Digital Lab，Virtual Lab，MBL(Micro Computer Based Lab)，DISLab(Digital Information System Lab)等[1]。

從目前數(shù)字化實驗室的情況來看，筆者認(rèn)為主要分為兩大類：一是完全虛擬的數(shù)字化實驗室，即實驗的器材、過程、現(xiàn)象、結(jié)論完全由計算機(jī)仿真得出，并通過計算機(jī)呈現(xiàn)給實驗者；其二是基于傳感器與數(shù)據(jù)采集的數(shù)字化實驗室。這類實驗室處于真實的實驗環(huán)境中，計算機(jī)的作用是通過傳感器與數(shù)據(jù)采集器的結(jié)合，計算、分析、呈現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)。比如，美國印第安那大學(xué)的MBL化學(xué)實驗室等。與第一類實驗室相比，該類實驗室實現(xiàn)了現(xiàn)實與虛擬的結(jié)合，即實驗環(huán)境具有真實性，實驗數(shù)據(jù)也采集自真實的實驗，實驗數(shù)據(jù)的分析與結(jié)果的呈現(xiàn)又具有虛擬性。故而這類實驗室特別適合理科的實驗教學(xué)與探究式教學(xué)。本文陳述的數(shù)字化綜合理科實驗室便是第二類實驗室。為闡述方便，下文中的數(shù)字化實驗室均指數(shù)字化綜合理科實驗室。

早期基于傳感器的數(shù)字化實驗室，由于設(shè)備昂貴，一般只裝備在大學(xué)的實驗室中。近年來，隨著技術(shù)的日益成熟，成本不斷下降，發(fā)達(dá)國家越來越多的中小學(xué)開始裝備此設(shè)備，特別是美、英兩國，他們將這種實驗的方法稱為Datalogging[2] 。20世紀(jì)90年代中期以來，Datalogging實驗室日益成為發(fā)達(dá)國家中小學(xué)的必備實驗裝備。我國從2002年開始逐步采用Datalogging實驗方法，并將這種實驗室稱為DISLab（Digital Information System Lab，數(shù)字信息系統(tǒng)實驗室）或數(shù)字化綜合理科實驗室。結(jié)合高中新課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，國內(nèi)目前主要是北京、山東、江蘇、浙江、廣東等發(fā)達(dá)地區(qū)的部分中學(xué)裝備了該實驗室。上海市結(jié)合二期課改，已在全市50多所試點學(xué)校裝備，同時上海成立了DISLab研發(fā)中心，由前風(fēng)華中學(xué)校長、高中物理特級教師馮容士主持開發(fā)了國內(nèi)第一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的DISLab系統(tǒng)。

目前，絕大多數(shù)的數(shù)字化實驗室還像傳統(tǒng)實驗室一樣固定在房間內(nèi)，實驗還需在室內(nèi)完成。隨著移動技術(shù)，如3G無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)以及無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起與發(fā)展，下一代的數(shù)字實驗室將是無線的、可移動的。學(xué)生將可以在完全真實的自然環(huán)境中觀察實驗現(xiàn)象，并通過無線傳感器將數(shù)據(jù)發(fā)送到PDA或其他手持式設(shè)備進(jìn)行初步處理，然后將處理結(jié)果通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送至實驗中心進(jìn)行匯總、對比、分析，并作進(jìn)一步研究。

數(shù)字化實驗室的組成及工作原理

數(shù)字化實驗室系統(tǒng)分為感應(yīng)、采集、分析與計算3個子系統(tǒng)。本文主要介紹美國Vernier公司的Vernier Lab Pro的數(shù)字化綜合理科實驗系統(tǒng)。

1.硬件構(gòu)成及其工作原理

傳感器——數(shù)字化實驗室的觸角廣義上來看，傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號的器件。國際電工委員會（International Electrotechnical Committee ，IEC）認(rèn)為：傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入的變量轉(zhuǎn)變成可供測量的信號。[3]傳感器種類繁多，其工作原理也不盡相同。電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、電渦流式傳感器、磁電式傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器、磁彈性式傳感器、振頻式傳感器和電化學(xué)式傳感器等。未來傳感器發(fā)展將主要表現(xiàn)在利用半導(dǎo)體材料和大規(guī)模集成電路工藝，將測量電路和敏感元件結(jié)合成一體，以提高傳感器的靈敏度、精確度和可靠性，實現(xiàn)小型化、智能化。

高中階段的物理、化學(xué)、生物實驗的絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)都可以用傳感器采集，表1中列舉了這3門學(xué)科實驗用的傳感器（部分）。

數(shù)據(jù)采集器——數(shù)字化實驗室的核心 數(shù)據(jù)采集器的英文名稱為Datalogger，在我國港臺地區(qū)也被稱作數(shù)據(jù)提存器。它是連接傳感器與計算機(jī)的橋梁，是整個系統(tǒng)的核心部件（圖1），其主要功能是實現(xiàn)對傳感器采集的電信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換（數(shù)/模轉(zhuǎn)換）及數(shù)據(jù)分析，然后把數(shù)字信號傳送給計算機(jī)或大投影幕，把結(jié)果顯示出來。目前較好的數(shù)據(jù)采集器，一般具有嵌入式系統(tǒng)，比如帶有ARM9系列的模塊，采集器除了具有A/D、D/A轉(zhuǎn)換功能外還具有分析、運(yùn)算功能。將傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)有機(jī)地結(jié)合便構(gòu)成了數(shù)字化實驗室的硬件系統(tǒng)。

2．軟件系統(tǒng)

各種數(shù)字化實驗室系統(tǒng)的軟件在功能上大同小異，都具有收集、計算、分析及呈現(xiàn)的功能。以Vernier Lab Pro的Logger Pro的軟件系統(tǒng)為例，其界面如圖2所示。

除了數(shù)據(jù)采集、計算分析以外，軟件還提供了實驗過程記錄功能，可以將實驗過程如物體運(yùn)動過程、化學(xué)反應(yīng)過程或細(xì)胞分裂的過程（利用電子顯微鏡）用視頻方式記錄并保存，實驗者可以在實驗結(jié)束后瀏覽整個實驗過程的概況，如圖3所示。

總體而言，這個軟件系統(tǒng)是一個包含了教學(xué)所需要功能的數(shù)據(jù)收集分析軟件，它運(yùn)行于Windows環(huán)境下，包括工具箱、復(fù)制和粘貼、分析工具和用戶友好界面。多功能的軟件系統(tǒng)可以支持40多種傳感器，適用于物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)和綜合學(xué)科等；其特點為：（1）基于Windows系統(tǒng)的顯示，例如曲線圖、數(shù)據(jù)表、測量等；（2）廣泛的分析工具，包括積分、統(tǒng)計、曲線擬合、計算數(shù)列、檢查和修改等；（3）多線程的數(shù)據(jù)運(yùn)行；（4）在保存實驗文件前，方便的傳感器設(shè)置和實驗設(shè)置；（5）在文本窗口中注釋圖表和記錄；（6）同時支持4個模擬傳感器和2個數(shù)字傳感器[4]。

數(shù)字實驗室的教學(xué)應(yīng)用

數(shù)字化手段引入實驗教學(xué)后，在時間、空間、問題解決的廣度與深度等各個方面擴(kuò)展了教學(xué)的效用。

1.科學(xué)分配了教學(xué)時空[5]

由于數(shù)字化實驗室采用了“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+計算機(jī)”的體系結(jié)構(gòu)，使其具備了“實時實驗”的功能，即可以對實驗的過程進(jìn)行實時的跟蹤與數(shù)據(jù)收集，同時完成數(shù)據(jù)處理。這就將教師與學(xué)生從以前那種數(shù)據(jù)讀取、記錄、運(yùn)算以及圖線描繪等繁瑣而簡單的勞動中解放出來，為學(xué)生的自主探究、小組協(xié)作與充分的體驗提供時間與空間，如圖4所示。

2.利用新技術(shù)填補(bǔ)了測量空白

數(shù)字化實驗室憑借傳感器技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實驗中的多個空白，解決了理、化、生實驗中精確采集問題。同時系統(tǒng)輔以相對完善的軟件系統(tǒng)，可以進(jìn)行很多利用傳統(tǒng)實驗裝置想做而又做不到的實驗。如在化學(xué)酸堿度測量和滴定實驗中，由于利用了滴數(shù)傳感器、pH值傳感器，可以通過顯示的滴定數(shù)據(jù)，找到滴定終點時（pH=7）對應(yīng)的體積讀數(shù)，而且通過圖像可以讓學(xué)生感受到滴定過程的突躍（圖5），這些在傳統(tǒng)的石蕊法或pH試紙法中是不可能做到的。

3.真正實現(xiàn)了跨學(xué)科融合教學(xué)

在傳統(tǒng)實驗中，物理、化學(xué)、生物實驗室相互獨(dú)立，實驗室的功能單一。在新課標(biāo)中提倡跨學(xué)科的探究實驗，而這種實驗在傳統(tǒng)條件下既費(fèi)時又費(fèi)力，而且效果并不理想。由于數(shù)字化實驗室可以基于不同的傳感探頭，又有通用的軟件平臺，所以能較好地解決上述問題。學(xué)生可以同時、同地地測量同一實驗的理、化、生的不同量，在真正意義上實現(xiàn)了跨學(xué)科的實驗教學(xué)。

4.實驗過程與結(jié)果的可視化

在有些理、化、生實驗中，實驗現(xiàn)象并不明顯，或是實驗過程十分短暫，比如物理中電磁輻射的實驗等。教師與學(xué)生在觀察此類實驗時難度較大，實驗數(shù)據(jù)的測量也有困難。數(shù)字化實驗室因裝備了高靈敏的傳感器探頭、攝像裝置，可以將實驗過程以視頻方式儲存并重放，實現(xiàn)了實驗的可視化。同時可以根據(jù)要求放慢或加快播放速度，而且攝像頭的變焦功能可以對實驗的某個細(xì)節(jié)進(jìn)行放大，以便于觀察。

在傳統(tǒng)實驗中，實驗者在實驗后為了直觀地理解測量值之間的關(guān)系，通常要手工繪制函數(shù)圖像。在數(shù)字化實驗室的軟件系統(tǒng)中提供了曲線擬合功能。計算機(jī)在采集、計算、分析實驗數(shù)據(jù)后，會按照實驗者要求自動繪制函數(shù)圖像或直方圖等，使得實驗結(jié)果以圖像方式直觀地呈現(xiàn)出來(圖6）。

5.將黑箱變?yōu)橥该鳎ぐl(fā)學(xué)生興趣

傳統(tǒng)實驗裝置自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對于外界來說是不可見的“黑箱”，很少有學(xué)生去探究實驗器件本身的原理。而在數(shù)字化實驗室中，廠商把大多數(shù)儀器的外殼采用透明的材質(zhì)，學(xué)生可以看清楚各種儀器的內(nèi)部構(gòu)造，有利于激發(fā)學(xué)生探究未知世界的興趣。

總之，數(shù)字化實驗室提供了許多傳統(tǒng)實驗室無法達(dá)到的教學(xué)功能，教師在深入運(yùn)用中將會發(fā)現(xiàn)更多更好的教學(xué)功能（表2中列出了傳統(tǒng)實驗室與數(shù)字化室部分教學(xué)功能的對比，僅供參考）。

總結(jié)

數(shù)字化實驗室的出現(xiàn)帶來了實驗手段的新變化，它的精確、高效、操作簡便等特點為教師與學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)提供了可靠的技術(shù)支持。但是，從目前國內(nèi)的情況來看，還存在一些急需解決的問題：其一，適合我國國情的數(shù)字化實驗教材不多，許多教材只是從國外教材直接翻譯過來，尚未本土化；其二，由于數(shù)字化實驗室的某些核心部件仍需進(jìn)口（如數(shù)據(jù)采集器），因而價格相對比較昂貴，大規(guī)模推廣尚需時日，我國有實力的制造商應(yīng)及早進(jìn)行開發(fā)、制造以降低成本；其三，對于已經(jīng)裝備了數(shù)字化實驗室的學(xué)校，能否真正地運(yùn)用，而不只是將其作為學(xué)校的展覽室，也是一個重要問題；最后，目前許多教師的教學(xué)理念不能真正發(fā)揮數(shù)字化實驗室的效能，更新理念勢在必行。數(shù)字化實驗室進(jìn)入我國的時間不長，對于它的運(yùn)用以及管理都還有待研究。隨著新課程改革的不斷深入，使數(shù)字化實驗室的認(rèn)識將從關(guān)注技術(shù)到關(guān)注人本的改變，讓數(shù)字化實驗室真正成為培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

[1]徐朝軍，李藝.數(shù)字化實驗室的建設(shè)[J].實驗室研究與探索，2003（2）

[2]潘洪濤.數(shù)字化綜合理科實驗室的硬件和軟件[J].現(xiàn)代教學(xué)，2005(11)

[3]錢楊義.手持技術(shù)在理科實驗中應(yīng)用研究[M].北京：高等教育出版社，2003:2-3

[4]潘洪濤.數(shù)字化綜合理科實驗室的硬件和軟件[J].現(xiàn)代教學(xué)，2005(11)

[5]馮容士.工具的變遷，課改的理念——DISLab綜述[J].物理教學(xué)，2004(9)

（作者單位：上海師范大學(xué)數(shù)理信息學(xué)院；安徽財經(jīng)大學(xué)）