中學生數(shù)字化科學探究移動實驗室的研究進展

◆袁順發(fā)　孫紅嬌　岑健林　黎遠興　王雙喜

中學生數(shù)字化科學探究移動實驗室的研究進展

◆袁順發(fā)孫紅嬌岑健林黎遠興王雙喜

隨著我國教育事業(yè)的不斷發(fā)展，人們對培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和動手能力的素質(zhì)教育越來越重視，數(shù)字化科學探究實驗教學在初級、中級教育中受到廣泛關(guān)注。但受限于高昂的成本，數(shù)字化科學探究實驗教學難以在全國范圍內(nèi)尤其是偏遠地區(qū)大范圍推廣。數(shù)字化科學探究移動實驗室通過區(qū)域內(nèi)學校的互通互用，可以有效解決這一需求與經(jīng)濟基礎(chǔ)的矛盾。介紹國內(nèi)外移動實驗室的種類，總結(jié)數(shù)字化科學探究移動實驗室的發(fā)展現(xiàn)狀，分析我國在數(shù)字化科學探究移動裝備領(lǐng)域的不足，展望我國數(shù)字化科學探究移動實驗室未來的開發(fā)重點。

移動實驗室；數(shù)字化科學探究；實驗教學；實驗器材

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.16.004

1　前言

數(shù)字化科學探究實驗教學是近年來興起的一種全新教育模式，受到各個階段學校和學生的廣泛歡迎。數(shù)字化科學探究實驗教學通過現(xiàn)場操作數(shù)字化實驗設(shè)備，教學的整個過程生動、高效并且簡單明了，使學生對于實驗所展示的學習內(nèi)容有更加深刻的理解與記憶。另外，與傳統(tǒng)教學相比，數(shù)字化科學探究實驗趣味性強，能夠使學生積極主動地投入到實驗探索過程中，對科學具有更強的求知欲望和探索熱情。

但是，由于數(shù)字化科學探究實驗課所用的實驗器材昂貴，建立數(shù)字化科學探究實驗室耗資比較大，使得數(shù)字化科學探究實驗在偏遠貧困地區(qū)難以普及。近年來，為了滿足中小學對數(shù)字化科學探究的教學需求，人們相繼開發(fā)了可流動的數(shù)字化科學探究實驗車。一輛流動實驗車就相當于一個可移動的實驗室，可以讓偏遠地區(qū)的多個學校的學生分享現(xiàn)代數(shù)字化教學實驗設(shè)備，進一步提供教育均衡發(fā)展的機會，帶動偏遠貧困地區(qū)的學生動手實踐，自主地探索新知識，這對培養(yǎng)偏遠地區(qū)的學生的科技素養(yǎng)和研究興趣十分重要。

2　移動實驗室的發(fā)展現(xiàn)狀

移動實驗室移動實驗室是一種在一定區(qū)域內(nèi)能夠轉(zhuǎn)移、拆卸、組裝，且配置了檢測、實驗設(shè)備及通信設(shè)備，能快速準確地完成規(guī)定內(nèi)容的實驗的移動汽車。

1940年左右，西方國家開始開發(fā)并使用移動實驗室，它們將其應(yīng)用在一些化學武器、電磁波等對于軍事方面的流動監(jiān)測分析上。隨著科技的發(fā)展，各個國家開發(fā)的移動實驗室各有側(cè)重，德美法等少數(shù)西方發(fā)達國家在移動實驗室技術(shù)方面領(lǐng)先全球：德國的西門子公司已經(jīng)擁有用于分析DNA和蛋白質(zhì)的自動化移動式生物芯片實驗室；美國開發(fā)出兩個世界上最為先進的移動實驗室，即化學移動實驗室和微生物移動實驗室；英國則開發(fā)出可進行現(xiàn)場珠寶鑒定服務(wù)的移動實驗室；以色列萊舍夫公司研制出一種專供農(nóng)業(yè)的移動實驗室，能夠?qū)ν寥罓顩r進行綜合分析，可對農(nóng)藥、化肥進行檢測以及進行作物病蟲害診斷、防治等；2015年，俄羅斯發(fā)射一款太空移動實驗室，它既能與空間站對接，又能自由飛行。

移動實驗室具有區(qū)域快速轉(zhuǎn)移、現(xiàn)場迅速檢測的優(yōu)勢。由于移動實驗室具備多種多樣的功能，除了發(fā)達國家，發(fā)展中國家也相繼投入開發(fā)特種移動實驗室。據(jù)報道［1］，泰國醫(yī)療科學局在2006年研發(fā)出一款能夠在野外快速準確地檢測出禽流感等病毒的移動實驗室，通過該移動實驗室，可在4小時內(nèi)檢測到禽流感、登革熱、口蹄疫等病毒。

受到經(jīng)濟發(fā)展水平、技術(shù)以及人員等多個條件的限制，我國對于移動實驗室的研究起步較晚，但近些年來，隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，國內(nèi)環(huán)境、疾病、安全等各個領(lǐng)域突發(fā)事件頻繁爆發(fā)，我國政府加強了對公共衛(wèi)生安全、食品安全、環(huán)境安全等方面的監(jiān)測，移動實驗室建設(shè)在我國獲得進一步的發(fā)展。

我國第一臺投入使用的移動實驗室是一款食品安全檢測移動實驗室，用于監(jiān)測水體污染狀況。移動實驗室在北京奧運會期間對于供奧食品檢測、汶川地震時對于食品安全檢測、松花江污染中對水質(zhì)檢測以及協(xié)助非洲在埃博拉暴發(fā)期間的血樣檢測等重大事件或活動中發(fā)揮了重要作用。我國“十二五”計劃指出：政府將逐步“加大力度建設(shè)社會公共安全，完善通報及反應(yīng)機制體系，全力提高基層快速檢測能力，使政府部門的監(jiān)管更具公信力與有效性”。移動實驗室的建設(shè)和推廣正在逐步成為政府有關(guān)部門快速、準確、及時、有效地預(yù)防監(jiān)控各類事件的有效手段。

移動實驗室的功能改進隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，移動實驗室已經(jīng)成為一個重要的新產(chǎn)業(yè)，從滿足人們的需求的角度，近年來在設(shè)備穩(wěn)定性、空間舒適性、功能多樣性等方面做了很多嘗試。

1）車體空間拓展。移動實驗室最早是基于廂式汽車改造而來的，廂式車大部分是通過汽車二類底盤改裝而成，典型的廂式車由三部分組成：底盤車、副車架和車廂。20世紀70年代，美國軍方在確保廂式車機動能力的條件下，研制出可拓展式軍用廂式車［2］。其可在現(xiàn)場展開，使車廂的空間得到進一步擴大，同時拓展、收攏的時間短，極大地方便了戰(zhàn)時的前進及轉(zhuǎn)移，是結(jié)合大空間和快巧靈于一體的軍事裝備機動載體，因此得到各國軍方的高度重視，并陸續(xù)地研制出兩側(cè)車廂板掀頂伸縮式、兩側(cè)車廂板整體內(nèi)伸縮式、兩側(cè)車廂板整體外伸縮式等多種拓展機構(gòu)。與此同時，軍用車廂拓展技術(shù)在民用市場上也產(chǎn)生非常大的影響，尤其最近幾年在人防工程、電視轉(zhuǎn)播、搶險救災(zāi)、旅游等方面廣泛吸收箱體拓展技術(shù)。如宣傳大篷車，采用的是兩側(cè)車廂板整體外伸縮式拓展技術(shù)，當擴展廂擴展打開時，兩側(cè)車廂就如兩個大“抽屜”被推出。圖1所示為大篷車車體伸縮狀態(tài)［3］。

圖1　大篷車車體伸縮結(jié)構(gòu)示意圖

2）太陽能動力。1978年，英國研制了世界上第一臺太陽能汽車，車速高達13 km/h。2003年，在澳大利亞舉辦的太陽能汽車競賽上，荷蘭代表開發(fā)的“NunaⅡ”光伏汽車以30小時54分鐘的成績行駛了3010 km，獲得該賽事冠軍并且將太陽能汽車世界最高時速更新為170 km［4］。

車載太陽能系統(tǒng)由光伏電池及蓄電池組成，光伏電池通過收集太陽能發(fā)電，利用控制器為汽車上的負載提供部分或全部的電力，剩余的電力則會儲存在蓄電池中。目前，奔馳、奧迪等部分車型已實現(xiàn)將太陽能作為全部或輔助動力。國內(nèi)奇瑞汽車公司2010年就著手把流線型太陽能電池板安裝在奇瑞車型頂部，推出自主知識產(chǎn)權(quán)的太陽能汽車［5］。

3）液壓腿支撐實驗室平臺。液壓支撐腿最早在汽車工業(yè)中獲得應(yīng)用。設(shè)置汽車起重機支撐腿是為了在不增加起重機自身寬度的條件下，為汽車起重機的實際操作提供更大的支承跨度，提高起重機的起重性能。汽車起重機支腿是設(shè)置在車廂支架上可收起外放以及伸縮的支承結(jié)構(gòu)。涉及支撐腿的三個領(lǐng)域，即型式、結(jié)構(gòu)以及控制。目前液壓支腿在軍用設(shè)備車、汽車起重機、混凝土泵車等眾多特殊車種中都有使用，一些民用車輛，如移動式舞臺［6］，其舞臺平臺的支承依靠的仍是液壓腿，如圖2所示。舞臺演出車展開后，展開平臺與原車內(nèi)平臺組合成舞臺，下翼展內(nèi)外板下部固定液壓腿。頂柵升起后，柵翼前后兩側(cè)分別展開作為舞臺頂柵，閉合后，整個車廂的外形為箱式半掛車。

4）車內(nèi)LED照明。20世紀初，照明光源逐步被應(yīng)用在汽車上。最開始，汽車上使用的照明光源是煤油燈和乙炔燈；直到1910年，汽車照明逐步應(yīng)用電光源，先后經(jīng)歷了白熾燈、鹵鎢燈及高強度放電式氣體燈；到了1985年，汽車照明開始引入LED技術(shù)。LED具有很多其他光源所不具備的優(yōu)點：①壽命長且抗震性好；②節(jié)能環(huán)保；③響應(yīng)速度快；④體積小。目前，奔馳、寶馬、奧迪等各個知名品牌車為了提高汽車的觀賞性，都逐漸推出配有多種多樣LED內(nèi)外飾的新款車型。得益于汽車LED照明技術(shù)，新一代的移動實驗室基本采用了新的LED照明技術(shù)。

圖2　移動式舞臺的正面及側(cè)面示意圖

3　教學用移動實驗室

國內(nèi)教學用移動實驗室的起源在20世紀八九十年代，部分地區(qū)的一些山村學校由于實驗設(shè)備不足，無法進行實驗教學，通過向一些學校租借一些儀器設(shè)備并通過改裝一輛專用卡車，組裝了一輛巡回的實驗教學車。該實驗車深入鄉(xiāng)間學校進行理化實驗教學，初步改變了“只能在黑板上教實驗”的局面。

數(shù)字化科學探究流動實驗《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》提出要改革創(chuàng)新現(xiàn)有的教育教學方法，激起學生對于科學知識的興趣愛好，營造求思好學、開拓探索的學習氛圍。教育部新的課程標準也明確要求：重視將信息技術(shù)應(yīng)用到理化生實驗，通過計算機實時測量實驗數(shù)據(jù)來處理并且分析實驗結(jié)果等。為了適應(yīng)飛速發(fā)展的人才培養(yǎng)的需求，數(shù)字化實驗系統(tǒng)（Digital Information System，簡稱DIS）正逐漸成為各地數(shù)字化校園建設(shè)的重點項目，各學校開展探究實驗的選擇對象也逐漸地從傳統(tǒng)實驗室轉(zhuǎn)化為數(shù)字化探究型實驗室。

由于數(shù)字化科學探究實驗課所用的實驗設(shè)備昂貴，使得數(shù)字化科學探究實驗在偏遠貧困地區(qū)難以普及。近年來，為了滿足中小學對數(shù)字化科學探究的教學需求，人們相繼開發(fā)可流動的數(shù)字化科學探究實驗車。

2013年，佛山推出國內(nèi)首臺數(shù)字化科學探究流動實驗室（圖3），在當?shù)卣闹С窒拢瑪?shù)字化科學探究流動實驗室駛進高明、三水等地的偏遠山區(qū)學校。數(shù)字化科學探究移動實驗室是建立在移動實驗室的基礎(chǔ)之上，配備供水系統(tǒng)、通風系統(tǒng)以及車載櫥柜系統(tǒng)等功能，并且載有多種科學探究實驗所需的電子器材的一個數(shù)字化教學平臺［7］。該流動實驗室由大巴車改裝而成，配備了觸摸屏計算機、遠程視頻系統(tǒng)，可進行信息技術(shù)、科學、數(shù)學、物理、化學與生物等學科的數(shù)字化探究實驗。實驗室內(nèi)的數(shù)字化科學探究儀器有顯微鏡、數(shù)據(jù)采集器、電流傳感器、微電流傳感器、聲波傳感器、力傳感器、心率傳感器、G-M傳感器等，可以進行水果電池、顯微觀察、力的相互作用、聲波三要素等實驗。

圖3　“探索號”數(shù)字化科學流動實驗室

圖4　宇通科學巴士

除了教學設(shè)備，數(shù)字化科學探究移動實驗室還包含水位顯示、電動控制、清水箱、污水箱、洗手池、洗眼器、變頻空調(diào)、排氣口、抽氣泵等配套設(shè)施。另外，數(shù)字化科學探究移動實驗室內(nèi)安裝有無線4G網(wǎng)絡(luò)，將實驗室內(nèi)的學生用計算機與遠方的計算機有效連接，再配合高清攝像系統(tǒng)，能實現(xiàn)師生間的遠程互動，也可將課堂內(nèi)容分享到實驗室以外的顯示屏上。車內(nèi)安裝有變頻空調(diào)，能夠應(yīng)對寒冷及炎熱兩種極端天氣；凈水箱與污水箱，能夠應(yīng)對偏遠地區(qū)的實驗需求并防止對停放處的水源污染。數(shù)字化科學探究移動實驗室可以在區(qū)域部分學校間調(diào)度使用，將數(shù)字化實驗硬件分享到基層偏遠山區(qū)，促進了教育公平、均衡發(fā)展。

與此類似，2014年5月，北京自然博物館推出“中生代王者歸來”流動科普車［8］。這是一臺在大客車基礎(chǔ)上改裝的移動實驗室，結(jié)合車內(nèi)外空間，形成一個較大的展示舞臺。該車可以流動展示一些恐龍的化石標本以及模型，另外設(shè)置有移動式球幕影院，通過多媒體內(nèi)容，為學生提供一個了解遠古恐龍科普知識的學習平臺。

2014年9月，在全國科普日活動現(xiàn)場，鄭州宇通推出一款純電動客車改造而成的“科學巴士”［9］（圖4）。巴士上配備了可穿戴智能設(shè)備、4G Wi-Fi和全景攝像頭，展示了增強現(xiàn)實技術(shù)、3D打印技術(shù)等最新的數(shù)字化技術(shù)。車上裝載手提電腦、可動機器人、傳感器、導(dǎo)線等實驗器材，供學生進行水果電池、機械配合等實驗的操作及學習。相對上述幾款流動教學實驗室而言，宇通的“科學巴士”所含科學因素較為前端，其特有的純電動動力系統(tǒng)更為綠色和諧，“科學巴士”以新技術(shù)吸引學生，更適合于科學普及教育。但其內(nèi)部設(shè)置的基礎(chǔ)科學實驗儀器種類較少，櫥柜儲藏能力不足，難以滿足學校教學的主要要求。

4　國內(nèi)數(shù)字化科學探究移動實驗車存在的問題

盡管數(shù)字化科學探究移動實驗車已經(jīng)在不同地區(qū)和領(lǐng)域獲得應(yīng)用，但由于發(fā)展時間短，國內(nèi)數(shù)字化科學探究移動實驗車仍然存在一些不足。

1）流動實驗室的內(nèi)部空間較為狹小。安裝了儲物柜系統(tǒng)之后，車上的可站立面積在原有基礎(chǔ)上減少一半，這影響到實驗教學的實施和教學效果。

2）實驗室的流動性決定了它需要建立在一輛車上，而實驗車一般停放在比較空曠的地方使用，如果通過外接交流電源支持實驗用電，一方面，外接的電線對學生的安全存在一定的隱患；另一方面，對于偏遠的地區(qū)來說，停電狀況時有發(fā)生，影響教學實驗的安排。另外，如果靠車載發(fā)電機供電，燃油煙氣會污染固定放置的車廂及周邊空氣，對學生集中精力上課會產(chǎn)生消極影響。

5　展望

隨著我國教育事業(yè)的不斷發(fā)展，對于教育質(zhì)量的要求越來越高，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和動手能力的素質(zhì)教育已經(jīng)成為基礎(chǔ)教育的重要內(nèi)容。近年來，數(shù)字化科學探究實驗教學在初級、中級教育中受到廣泛關(guān)注，但受限于高昂的成本，數(shù)字化科學探究實驗教學難以在全國范圍內(nèi)尤其是偏遠地區(qū)大范圍推廣。雖然通過區(qū)域內(nèi)學校的互通互用，數(shù)字化科學探究移動實驗室可以有效提升貧困偏遠地區(qū)的實驗教學水平，但還有許多方面不能滿足教學需求。

考慮到移動實驗室的流動性、實用性要求，下一代數(shù)字化科學探究教學流動實驗應(yīng)該吸收 目前國內(nèi)外移動實驗室的優(yōu)點，在如下領(lǐng)域開展進一步的研究：

1）參考國內(nèi)外的汽車空間擴展技術(shù)，擴展數(shù)字化科學探究實驗教學流動實驗室內(nèi)部空間；

2）參考國外已實現(xiàn)的車載太陽能方案，將太陽能作為數(shù)字化科學探究實驗教學流動實驗室內(nèi)部用照明和實驗設(shè)備的供能來源之一，提高數(shù)字化科學探究實驗教學流動實驗室的適應(yīng)能力，以滿足偏遠落后地區(qū)的實驗教學需求。

［1］Denise A. Thailand launches fast-reaction hi-tech bird fl u mo bile labs［N］.Flu Trackers News and Information，2006-8-23.

［2］韓林.國外專用汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢［J］.汽車與配件，2014（4）：39-43.

［3］楊艷，王登貴.一種大篷車車廂只能伸縮控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2015，53（1）：60-63.

［4］Marks L. Solar Car Challenge： The History of Solar Car Racing［EB/OL］.http：//www.solarcarchallenge.org/challenge/ history.shtml.

［5］盧磊，陳效華，嚴偉，等.一種在汽車上應(yīng)用太陽能技術(shù)的設(shè)計方案［J］.新材料產(chǎn)業(yè)，2010（1）：71-73.

［6］王欽普，吳占國.多功能移動舞臺演出車的結(jié)構(gòu)及功能裝置［J］.專用汽車，2006（4）：45-46.

［7］饒良星，黃桂意.一款移動實驗室的設(shè)計開發(fā)［J］.機電技術(shù)，2014（6）：128-129.

［8］史英周.北京自然博物館“中生代王者歸來”流動科普車展覽啟動［EB/OL］.［2014-05-13］.http：//www.bjast.ac.cn/ Html/Article/20140513/23390.html.

［9］吳佳.宇通科學巴士亮相第十一屆全國科普日［N/OL］.［2014-09-30］.http：//www.cnautonews.com/syqc/kec/201409/ t20140929_327692.htm.

Development of Mobile Laboratory for Digital Experiment in Middle School

//YUAN Shunfa， SUN Hongjiao， CEN Jianlin， LI Yuanxing， WANG Shuangxi

With the development of education in China， training of creative thoughts and practical ability becomes more and more important for middle schools. At president， much attention has been paid on digital experiments of scientifi c inquiry education in primary and secondary school. However， due to the high cost of the digital equipment， it is difficult to promote digital experiments widely in the whole country， especially in the poverty and rural areas. The digital scientific inquiry mobile laboratory could be utilized one by one for multi schools in the rural region， which could eff ectively solve the contradiction between great demand and poor economic basis. In this paper， some kinds of mobile laboratory at home and abroad were introduced fi rstly. Then， the development of mobile laboratory for the digital experiment in middle school was summarized. Finally， through analysis about the existed mobile laboratories for the digital experiment in China， some main orientations about the next generation were prospected.

mobile laboratory； numeric scientific inquiry； experimental teaching； experiment equipment

G482

B

1671-489X（2016）16-0004-04

作者：袁順發(fā)、黎遠興，汕頭大學工學院；孫紅嬌、岑健林，廣東雅嘉思科技有限公司（528000）；王雙喜，汕頭大學工學院教授（515063）。