數字化實驗教學設備的發展及應用

趙愷

摘 要 數字化實驗設備目前已成為世界范圍內實驗教學儀器發展的主流。系統地介紹朗威?數字化信息系統實驗室構成、發展過程、應用案例和發展前景。

關鍵詞 數字化實驗；朗威?DISLab；課改

中圖分類號：G434 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）05-0005-05

科學發展過程中，概念的形成、規律的發現、理論的建立，都有賴于實驗。重視實驗、改進實驗，不僅是科學發展的必由之路，更是科學教育的重要方法。

20世紀末涌現的數字化實驗系統，以“傳感器+計算機”為構成要素，憑借“促進學生認知、提高課堂效率”的顯著作用而獲得了教育專家的高度認可，成為21世紀世界范圍內實驗教學儀器發展的重要部分。

1 數字化實驗概念

數字化實驗，特指在實驗數據的采集、傳輸及預處理方面采用傳感器和數字電路等技術，實驗數據上傳至計算機（含各種由計算機變形的終端），由特定的軟件加以計算、處理，最終得出實驗結果的新型實驗教學體系。

與傳統實驗相比，數字化實驗盡管引入“人機交互”，但保留了真實實驗的一切要求：實驗對象的操作、實驗裝置的架設、實驗過程的設置和調控等，且具有傳統實驗所不具備的“采集高速度、數據高密度、結果高精度、呈現高可視度”等一系列突出優勢，在實驗效率提升，實驗結果優化和教學效果強化等方面均顯著優于傳統實驗。不僅有效地填補了傳統實驗的空白，使常規教學活動獲得動力，更有助于培養學生“在信息技術環境下的自主學習和自主探究能力”。

2 朗威?數字化信息系統實驗室構成及發展過程

朗威?數字化信息系統實驗室簡稱為朗威?DISLab，是由數據采集器、系列傳感器、配套實驗器材和軟件構成（圖1）。其中軟件包括通用軟件、專用軟件和輔助軟件。系列傳感器可滿足高中物理、化學、生物、地理、初中綜合科學、小學科學等教學的需求，種類正在根據教學要求不斷擴展。

朗威?DISLab的前身為朗威?微機輔助高級中學物理實驗系統，是由山東省遠大網絡多媒體有限責任公司（現更名為山東省遠大網絡多媒體股份有限公司）于1999年自主研發并生產的。2002年，上海市教委為實現“促進信息技術與學科教學的整合”“培養學生在信息技術環境下的自主學習和自主探究能力”的課改目標，決定組建專門機構，自主研發上海二期課改所需數字化實驗設備及配套器材。經過嚴格考核、縝密篩選，由上海教委教研室、風華中學和山東遠大共同組建的上海市中小學數字化實驗系統研發中心成立，著名實驗教學專家、特級教師、上海特級校長馮容士先生任中心主任，山東遠大董事長、總經理李鼎任副主任。2002年8月中心完成了第一版數字化實驗系統的研發，并將產品下發至上海市53所試點學校進行教學驗證。2002年至2008年間，朗威?DISLab先后通過了山東省教育廳、教育部基礎教育司、上海市教委、教育部教育裝備研究與發展中心、浙江省教育廳裝備中心等多部門的課程鑒定，被列入上海市中學物理課程標準，編入上海二期課改中學物理、生物教材，以及人教版、滬科教版和粵教版等多家全國教材。2009年獲全國優秀自制教具評選一等獎和濟南市創新產品稱號。2010年12月榮獲教育部基礎教育課程改革教學研究成果一等獎。2011年8月獲得河北省科學技術成果證書。2012年11月榮獲第七屆國際發明展覽會兩項金獎。2013年5月榮獲上海教博會雙十佳產品獎。2014年4月，“法拉第電磁感應實驗器”榮獲中國教育裝備產品創新獎。2014年5月榮獲上海市教學成果特等獎。2014年6月，“朗威?V7.0 無線向心力實驗器”榮獲2014第16屆世教聯儀器設備組大獎，這是中國首次獲得此獎項。2014年9月，《中學物理教學的革新——數字化實驗系統（DIS）研發與應用》榮獲國家級教學成果一等獎。

3 朗威?數字化信息系統實驗室應用案例

平拋運動

1）實驗裝置構成。該實驗需要使用朗威?DISLab二維運動傳感器與朗威?DISLab二維平拋運動實驗器（圖2）。朗威?DISLab二維運動傳感器由發射器和接收器構成，打開發射器開關后接收器可對發射器位置定位，從而通過教學軟件描繪出發射器的運動軌跡。朗威?DISLab二維平拋運動實驗器軌道呈傾斜狀安裝在立桿上，軌道上端設有位置可調的釋放裝置，改變釋放裝置的高度可以改變拋射速度，軌道末端設有調零裝置和水平儀。軌道為鋁合金材質，經折彎處理，其寬度恰好允許二維運動發射器在其中滾動，且減小晃動和摩擦。

2）實驗操作。實驗時，按如下操作步驟。第一步，釋放試拋器，并將緩沖裝置放置在試拋器落點范圍內；第二步，點擊二維系列軟件主界面上的實驗條目“平拋運動”，打開軟件；第三步，將二維運動傳感器發射器放置于平拋軌道水平一端的邊緣緊靠調零裝置，點擊軟件“零點設置”，再將其沿水平方向移動3～6 cm，點擊“水平校準”；第四步，將二維運動傳感器發射器放置于軌道拋體釋放區，點擊“開始記錄”后將其釋放，系統將自動記錄其平拋運動的軌跡（圖3）；第五步，依次點擊界面“x”“y”可模擬出平拋運動在水平方向和豎直方向的分運動軌跡，點擊“二次擬合”按鈕對平拋軌跡進行二次擬合；第六步，點擊“加速度”，計算出平拋運動在豎直方向的加速度數值，并可與當地的重力加速度的數值進行比較（圖4）。

3）數字化實驗優勢。描繪平拋運動軌跡，傳統上使用頻閃攝影和電火花描跡兩種方法。這兩種方法雖然原理相對簡單，但一方面測量方式具有一定間接性，另一方面對實驗設備、操作方法、實驗環境和數量程度都有一定的要求。限于此，該實驗成功率不高，需要多次嘗試方可獲得較為理想的軌跡，而且多次實驗不可避免地導致系統誤差增大。

使用朗威?DISLab二維運動實驗系統完成該實驗，操作簡單，成功率高，不但可以描繪出平拋運動軌跡，而且可以對數據進行分析處理，得出平拋運動實際上是水平方向上勻速直線運動和豎直方向自由落體運動的合運動的實驗結論，解決了教學上的難點。朗威?DISLab二維運動實驗系統誕生以來，經過專家認證和課程教學的實踐，獲得了廣泛好評。2009年，該系統在第七屆全國優秀自制教具評選活動中獲得一等獎。基于該系統的平拋運動實驗案例被編入人教版高中物理教材2第五章“曲線運動”第3節“實驗：研究平拋運動”中。

酸堿中和滴定

1）實驗器材及試劑（圖5）。朗威?數據采集器、PH傳感器、自動滴液裝置、計算機、洗瓶、50 ml燒杯、濾紙、磁力攪拌器、鐵架臺、0.1 mol/L HCl、未知濃度NaOH。

將0.1 mol/L HCl加入到自動滴液裝置中，自動滴液裝置可自動記錄液滴滴數，根據每滴液滴的體積0.025 ml，軟件可自動計算出滴入的HCL體積。

2）實驗操作。

●專用軟件操作方法：點擊“開始實驗”，打開磁力攪拌器電源開關，向燒杯中逐滴滴加HCL溶液（滴速控制在1～2滴/s），直至pH<7。點擊“圖線分析”，點擊“選擇區域”，選擇求導曲線的峰值作為研究對象，系統自動計算NaOH溶液的溶度（圖6）。

●通用軟件操作方法：選擇光電門的測量方式為“計數”。在“組合曲線”，添加自定義曲線“V-pH”（需增加變量“V=0.025*t2”）代表鹽酸的體積，點擊“開始”，打開磁力攪拌器電源開關，向燒杯中逐滴滴加HCL（滴速控制在1～2滴/s），直至pH<7。對滴定曲線進行求導，確定滴定終點時滴加鹽酸的體積（圖7）。

3）數字化實驗優勢。

●繪制酸堿中和滴定曲線的傳統方法，操作過程復雜。采用DIS數字化實驗系統繪制滴定曲線，操作更簡便，精度更高，教學效果好。由教師現場演示繪制出一條滴定曲線或者由學生通過實驗自己繪制滴定曲線，其教學效果與滴定曲線印在教材上讓學生觀察分析是大不相同的。

●用標準鹽酸滴定未知濃度的氫氧化鈉時，傳統實驗方法采用甲基橙為指示劑。但是甲基橙變色時pH為4.4而鹽酸與氫氧化鈉恰好反應時pH等于7，酸堿指示劑的變色點不是反應終點，這一點難以向學生解釋。采用數字化實驗則可以直接得到pH=7時的相關數據，實驗結果更為科學。

蛋白質含量測定

1）實驗器材及試劑（圖8）。朗威?數據采集器、色度傳感器、結晶牛血清白蛋白、待測樣品（如雞蛋清）、雙縮脲試劑、5 ml移液管、吸管、100 ml容量瓶、滴瓶4個、小試管5支。

2）實驗操作。

●取結晶牛血清白蛋白1.0 g溶于100 ml蒸餾水中，取5支燒杯編號后，分別加蒸餾水配成蛋白質含量為0 mg/mL（蒸餾水為空白參照）、2 mg/mL、3 mg/mL、4 mg/mL、5 mg/mL的溶液。在各小燒杯溶液中先加入5% NaOH 15 mL，混合后，加入1% CuSO4溶液1 mL，拌勻后，靜置30 min待用。

●取雞蛋清加蒸餾水稀釋50倍。取雞蛋清稀釋液5 ml，先加入5% NaOH 15 mL，混合后，加入1% CuSO4溶液1 mL，拌勻后，靜置30 min待用。

●將待測的任一蛋白質反應液加到比色皿中，并放入到色度傳感器中，數據顯示有R、G、B三個數值，代表R、G、B三色下的吸光值，本實驗選擇G通道。

●將空白對照與梯度濃度的蛋白質溶液以及待測的蛋清溶液依次倒入比色皿，使用色度傳感器測量各溶液的吸光值，并在表格相應位置輸入其濃度值。

●點擊“繪圖”，軟件自動生成蛋白質含量標準曲線并計算出蛋清溶液的蛋白質含量（圖9）。

3）數字化實驗優勢。該實驗是上海科學技術出版社出版的《生命科學》教材高中第一冊（試用本）第2章第2節采用的一個數字化實驗。因為采用了數字化的實驗方法使該實驗由傳統的定型觀察升華為定量測量，朗威?DISLab強大的數據采集、分析、處理能力，大大提高了實驗效率。該實驗不但可以使學生學會定量檢測蛋白質含量的實驗方法，并通過該方法解決生活中的實際問題（例如學生可以通過檢測奶粉中蛋白質的含量來判斷奶粉質量的優劣），而且可以培養他們在信息環境中相互合作，收集處理信息、歸納總結的能力。

小車運動快慢比較

1）實驗器材（圖10）。朗威?數據采集器、光電門傳感器、多用力學軌道。

2）實驗操作。

●將光電門傳感器固定在軌道上，兩光電門距離為0.4米，將擋光片固定在小車上，調節光電門位置，使擋光片能夠擋光。

●打開小學科學專用軟件——“小車運動快慢比較”，點擊開始。

●讀出兩個光電門之間的距離（小車運動距離為0.4米），輸入到表格中。

●點擊記錄，釋放小車，小車擋光片經過第一個光電門時系統開始計時，經過第二個光電門時計時結束，這段時間就是小車在兩個光電門之間運動的時間。

●點擊停止，實驗結束，點擊計算可獲得小車運動的平均速度。

●改變兩光電門之間的距離、改變小車的質量或改變推動小車力的大小，重復實驗比較小車運動的快慢（圖11）。

3）數字化實驗優勢。本實驗曾經作為公開課在江蘇省小學科學數字技術研討會上展示，引起了廣泛的關注和熱烈的研討。該課伊始，教師讓學生通過秒表記錄小車運動的時間，但是由于起始和結束的時機不易把握所以得出的實驗結果誤差很大，改用光電門傳感器測量后，實驗結果精確的反映了該實驗所呈現的客觀規律，學生通過對該實驗的探究總結出了影響小車運動快慢的因素。數字化實驗的精確度遠遠大于傳統實驗，這樣就保證了實驗的成功率和科學性，有利于培養學生的科學素養。

朗威?DISLab小學科學實驗系統以“學生的生活經驗”為線索，構建了包括“力學”“熱學”“聲學”“光學”“電學”“磁學”“化學”“生命科學”在內的8個探索包。向學生提夠充分的科學探究機會，使他們在像科學家那樣進行科學探究的過程中，體驗學習科學的樂趣，增長科學探究能力，獲取科學知識，形成尊重事實、善于質疑的科學態度。

4 數字化信息系統實驗室的發展前景

國家課改促進數字化實驗教學 隨著課改的不斷深入，實驗教學越來越被教育部相關部分所重視。2013年教育部基礎教育二司技術裝備處將該年度定位為“實驗教學年”，年度工作要點為促進和發展實驗教學。2013年末教育部舉辦了首屆全國中小學實驗教學優秀案例展演。其中，上海、北京、深圳、浙江、江蘇、山東等教育強省均排出了以數字化實驗為主體的展演內容，并令參觀者形成了“數字化實驗與傳統實驗并舉、數字化實驗引領實驗教學發展方向”的深刻印象。教育部基礎教育二司的工作，從國家層面上提高了教育界對于實驗教學的重視水平，對于數字化實驗的發展也起到了積極的推動作用。

教材對于數字化實驗的重視 2013年，人民教育出版社初中物理教材修訂版發行。在該教材中，首次引進了由上海市中小學數字化實驗系統研發中心提供的四個數字化實驗案例：“流體壓強與流速的關系”“用位移傳感器測量速度”“用傳感器比較不同物質的比熱容”和“電磁波的發射與接收”。至此，人教版初中、高物理教材共引入數字化實驗案例15個。教材對于數字化實驗的重視，非常有利于數字化實驗行業的發展。

國際教學儀器行業組織對朗威?DISLab的認可 2014年，朗威?無線向心力實驗器專利產品榮獲世界教具聯合會“2014年世教聯創新大獎”，創造了中國教育裝備史上的兩個第一：第一次有中國教學儀器參加評獎，第一次有中國教學儀器獲獎。世教聯高層人士對此給出了積極評價：“我們對該獎項設立30年來中國產品首次獲獎表示祝賀！”本次獲獎使得朗威?DISLab開始走出國門，走向世界。■