數字化實驗的特點與應用方法

上海江鳳光學儀器有限公司 宋鈺蕾

數字化實驗主要利用傳感器將實驗過程中產生的數據信息轉化為數字信號，通過數據采集器傳送至計算機上，實現對數據的分析與處理，獲得實驗圖像，以此探究實驗的規律和特點。數字化實驗是現代信息技術與傳統實驗課程實現融合的載體，是進行物理實驗重要的技術支撐，是提升實驗教學與實驗質量的重要手段。由此可見，研究數字化實驗的特點與應用方法具有極其重要的現實意義。

隨著計算機信息技術的不斷發展，使得傳統的中學實驗教學發生了翻天覆地的變化，在傳統的實驗教學中，教師需要帶領實驗親自動手實驗、操作實驗設備、記錄實驗數據，待實驗完成之后，還要整理數據信息，在通過描點法才能繪制出數據圖像，既耗時又費力，且學生們的學習效果也不是特別理想。數字化實驗指的是使用由傳感器、數據采集器及數據分析軟件的實驗，這一實驗是根據計算機和傳感技術，在實驗過程中利用傳感器進行測量、自動搜集實驗數據，只需將數據輸入計算機中進行處理和分析，進而顯示出實驗數據圖像，可以在最短的時間內總結出實驗的結論和目的。

1 數字化實驗的介紹

數字化實驗指的是使用由傳感器、數據采集器及數據分析軟件的實驗，也被稱為“數字化實驗”（也稱DIS實驗，Digital Information System）（如圖1所示）。其中，傳感器負責在實驗中直接測量，將電信號傳輸到數據采集器中，數據采集器再將讀取的信號進行交換傳遞到分析軟件中，最終以圖表形式實時顯示在軟件界面中[1]。數字化實驗的優勢在于對參數和所測實驗對象能夠進行實時的采集記錄、處理分析數據并同步制出圖表。

2 數字化實驗設備的分類

隨著技術不斷提升更新，目前的數字化實驗設備已經從原本的只有有線類的基礎上，逐步升級擴充了無線類設備（如圖1、圖2所示）。

圖1 數字化實驗組成示意—有線Fig.1 Schematic diagram of digital experiment composition - wired

圖2 數字化實驗組成示意—無線Fig.2 Schematic diagram of digital experiment composition - wireless

有線類通過數據線將傳感器、數據采集器和分析軟件連接起來。相比無線類而言，其數據傳輸、信號交換更穩定。產品如無特殊使用環境（強酸/強堿、長期潮濕/干燥），使用壽命較長。無線版本的優勢則在于不受實驗場地環境限制，便攜、功能綜合、數據傳輸直接，應用于運動學、生理學、戶外探究性實驗課程十分理想。且可以通過連接，在小組成員間實現實時的數據共享。

從工作原理上，兩者只在數據傳輸方式上有所區別：無線類通過藍牙裝置進行信號的收發，而有線類直接通過數據線完成該動作。由于藍牙信號收發受電信號的影響較大，使用無線類傳感器進行實驗時要確保周圍沒有過多的電子設備干擾[2]。

3 數字化實驗的應用

3.1 數據分析“功能化”的應用

數字化實驗數據分析“功能化”的應用其中的數據分析軟件十分功能強大，幾乎不用考慮分析軟件對數據容量的負載問題。數據通過軟件直接儲存到計算機設備上，在進行長周期的實驗記錄時，確保計算機設備的空間足夠即可。此外，通過軟件設置，可調整傳感器的采樣頻率和數據采集模式；為采集到的實驗數據進行函數方程式的線性或曲線擬合；將實驗視頻－數據同步記錄并回放；標記、備注數據表格中的重點實驗數據等。這幾項功能使該技術得以應用于不同實驗目的和不同實驗設計的數據采集上。

其中值得一提的是“實驗視頻－數據同步記錄回放”功能，很多時候受實驗原料、實驗環境的限制，實驗無法多次重復；回顧分析實驗現象時只有數據，或只有影像，難以觀察現象產生的同時數據情況如何；實驗本身的危險性致使不適宜現場演示等，這項功能都能切實地解決這些顧慮。

除了在理化生實驗的數據、現象記錄和處理中起到實際作用外，數字化技術無形中為使用者淡化了學科間固有的邊界。由于整套系統的使用沒有學科的區分，在物理、化學和生物實驗中獲得的靈感及數據處理的方式方法能夠互相通用，這一點也為培養跨學科的綜合性優質人才做了堅實鋪墊。在實驗啟蒙的過程中擊破學科間的壁壘枷鎖，真正發現物理、化學、生物、數學等學科并非無交集的單一孤島。

3.2 實驗過程“可視化”的應用

“可視化”指的是實驗過程中空間與時間的可視性，這是實驗人員分析實驗的過程，是實驗人員理解和掌握物理規律的必要條件，是學會將物理知識運用到實踐中的重要手段，在具體的數字化實驗過程中，很多實驗結果難以通過肉眼觀察得出，需要借助顯微鏡的幫助，而時間上的細微過程又難以捕捉，需要借助攝像機的幫助，這些都是數字化實驗中的重難點問題，比如彈簧振子F-t、x-t關系、放電電流i-t關系以及碰撞的過程及原理，傳統實驗中由于以上實驗都是以理論性為主，又或者需要利用多媒體輔助設備才能實現教學目標。如何有效解決這一問題，傳統實驗過程因實驗人員的肉眼觀察難分辨性和手工記錄的局限性，這一問題也始終未能從根本上得到解決，而數字化實驗則是利用計算機技術和傳感器設備，對實驗過程中產生的數據信息進行實時地采集、分析的過程，不受時間和空間的現實，實現了實驗過程中數據信息的自動記錄，也就是利用計算機和傳感器的方式代替了傳統實驗過程中實驗人員手、紙、筆的記錄方式，不受時間的限制性和瞬間變化的可視性。比如，將計算機和傳感技術應用到超重和失重的講學中，就可以幫助相關人員清楚地記錄下壓力如何隨著時間變化的圖像，引導實驗人員明白超重和失重的原理，進而更好的總結二者的特點[3]。

企業在創新管理模式的過程當中，需要明確地辨識一些潛在的用戶以及用戶的不同需求，進而合理地使用大數據系統，最大限度地收集到用戶的相關資料，并對其進行有效的整合分析，開發出潛在用戶的需求，激發出用戶的需求，并結合用戶的需求生產相應的產品，促進企業的經營發展。

3.3 實驗過程“重點化”的應用

數字化實驗由計算機和傳感器代替人的肉眼讀取相關數據信息、代替人的大腦對數據信息進行計算，解脫實驗人員繁重的工作量，直接將產生的數據信息通過“物理車輛——時間”的圖像方式顯示出來，觀察物理量和物理量之間的變化關系，使實驗人員擺脫因制圖不準確而出現了實驗錯誤問題，使他們可以有更多的時間和精力進行實驗設計、探究和分析，進而更加深入地理解和掌握被實驗對象的概念原理和規律。

3.4 數據采集“智能化”的應用

數據采集“智能化”離不開計算機技術的支撐，具體表現為自動化、實時化、并行化、定量化幾個方面。

3.4.1 自動化

數字化實驗開始之前需要完成連續采樣、單點采樣、閾值采樣等的多途徑采樣模式，這樣才能為數字化實驗過程的自動化奠定堅實的基礎礎。其中，采集器自身具備的強大功能的采集器可以完整準確地將數字化實驗過程中產生的各類信息數據記錄下來，并自動存儲在已經建立的數據庫中。同時，采集器還具備信息反饋輸出功能，可以以其他器材作為輔助，使整個數據化實驗數據采集實現智能化的目的。此外，連續采樣頻率較高，最高可達5000～10000Hz，采集速度為10000個數據及以上/s，但最低也可能是幾分鐘又或者幾小時才能存儲一個數據，由此可見其可以滿足數字化實驗過程中的全部要求。

3.4.2 實施化

數字化實驗主要通過計算機控制，可以在較短的時間內實現對數據信息的讀取，再利用計算機中的數據信息處理功能，將數字化實驗過程中不同的數據信息以圖像的形式體現出來，使實驗結果更具準確性與可靠性。也正是由于數字化實驗數據信息存儲快速與高效的特點，使得實驗結果更具有直觀性，數據的顯示速度更快、更準，實現了實驗過程和數據記錄的同步。

3.4.3 并行化

數據信息采集器可以同時接入多只傳感器，可以實現對多個不同類型物理量的采集，比如在對彈簧振子的數字化實驗過程中，如果依然運用傳統的實驗方法，實驗人員就會對其中的物理規律和原理的理解較為抽象，將知識進行運用的時候也比較吃力，也很難在有限的時間內觀察到回復力、加速度、位移和速度不同物理量的運動過程，而通過數字化實驗，就可以借助傳感器完成對數據信息的快速采集、分析、整理和歸納，進而直觀地顯示“F-t、x-t”動態圖像，幫助實驗人員建立簡單的物理圖像，積累實踐經驗，理解物理原理，獲得傳統實驗過程中難以收獲的效果。

3.4.4 定量化

在傳統的實驗過程中，由于受實驗條件、實驗場地和實驗時間等因素的影響和限制，實驗過程很難量化，而數字化實驗可以幫助學生從原本的物理定性實驗直接審計為定量實驗。數據采集“智能化”中的定量化指的是利用傳感器將在實驗過程中產生的數據信息先進行處理，再轉化為以計算機存儲和處理的過程，從采集、分析、整理和歸納全部由計算機完成，有效避免了傳統實驗過程中因實驗人員自身的原因造成的測量誤差，使實驗結果更具說服力。比如，將電壓通過數字化進行實驗，其測量精度需要控制在0.01V，光門計時的精度應當控制在0.1ms，測量精度和光門精度的誤差要求相同，即都為0.1，這已是物理實驗中最高的精度了。再比如，壓強傳感器是建立在工業級壓敏器件之上的，其量程為0～300Kpa，分度為0.1Kpa，這樣就可以準確地反映出數字化實驗中壓強傳感器的變化情況。

另外，通過計算機處理實驗過程中產生的數據信息可以同步將實驗過程、原理全部以數字和示波器的方式反映出來，更好地實現數字化實驗目標。同時，數字化實驗還具有精度高、誤差小、數據可以定量顯示等的特點，這就使得實驗規律的探究和發現更具可行性，也為學生進行“定量化”創造了有利的條件，對于實驗人員更好地理解物理的原理具有極其重要的現實意義。

3.5 數據處理“智能化”的應用

數字化實驗的配置、傳感器的設置都是一個模板（.ews）的形式存儲于計算機的硬盤中，同時軟件中還具備回放功能，只需要從硬件中復制粘貼實驗流程和步驟，就可以在計算機中將實驗過程進行重演，相關人員就可以不受時間和空間的限制隨時定格實驗過程，回憶實驗過程，而保存的數據信息又以格式的形式重新存儲于硬盤中，實現傳輸目的。此外，實驗人員利用計算機中強大的網絡功能，將實驗過程的實驗結果以最短的時間發布在網絡上，與他人進行共享。

3.5.1 “智能化”的數據信息擬合

數字化實驗可以具有對數據信息平均值、最大值和最小值以及擬合等的多種計算功能，其中數據擬合是對數據信息處理的關鍵所在，也是學生們對知識理解的盲區，雖然大部分的實驗人員早已理解了數據擬合的根本目的是為了明確不同數據之間的關系而獲得物理原理的基本方法，其中還包含一次函數、二次函數、冪函數的基本的數學知識，但是由于缺少對分散數據的擬合，系統直接給出的是“菜單類型”的擬合操作，為實驗人員的實驗過程提供優良的實驗條件，贏得實驗時間，提升實驗效率，為培養實驗人員的邏輯思維能力，物理實驗素養奠定了堅實的基礎礎。

借助計算機處理數據信息，是對傳統信息處理方法的完善和優化，依然需要實驗人員使用傳統的紙筆進行訓練，待熟悉了這一數據處理的方法和流程之后，方可利用計算機軟件實現對數據信息的處理。中學時期，可以利用Matlab或者Excel的方式實現曲線擬合，也可以利用專業的軟件實驗對數據信息的處理，進而形成多種不同類型數據關系的方法。

3.5.2 智能化可自動形成實驗報告

數字化實驗這一新型的實驗模式可以自動生成類型不同的文檔，比如指導文檔、預習文檔以及數據信息處理等的文檔，所生成的文檔號令存為RTF中，實驗時在導入文檔中，其優勢是可以進行多次修訂，方便共享，實現相互學習目的。

4 結語

綜上所述，作為新時期下的中學生是否可以適應當前形勢下信息快速發展的社會，是否具備對大量數據信息的使用和處理能力，對提升學生們的綜合素養至關重要。為借助計算機技術和傳感器的數字化實驗徹底改變了傳統的實驗模式，更好地體現了實驗過程的三要素，促進了理論知識與實踐教學的有效融合，對提升學生學習效率、物理素養以及創新能力等方面都是值得肯定的。

引用

[1] 高弘.淺析數字化實驗系統與新課標實施[J].實驗教學與儀器, 2009,26(3):4+6.

[2] 嚴西平,陳學東,錢蕙.可燃物在密閉容器中燃燒耗氧量的數字化探究[J].教學儀器與實驗,2015,31(4):34-36.

[3] 沈世紅.數字化實驗應用于化學實驗教學的思考[J].現代中小學教育,2016,32(6):79-82.