數位化實驗的特點概述
數位化實驗室（dis）是一般由感測器、資料採集器、計算機及相關資料處理軟體等構成的測量、採集、處理裝置和與之配套的相應的實驗儀器裝備組成的實驗室。數位化實驗室是資訊科技與傳統實驗課程整合的重要載體。，也是中學物理實驗面向現代化，提公升實驗檔次，加速實現中學教學向國際接軌的一條途徑。
數位化實驗室中資料採集系統的研製，在國外比較著名的有：美國pasco公司的資料採集系統；英國picotechnology公司的資料採集系統；德國cobra的資料採集系統；澳大利亞d**a harvest公司的資料採集系統等；美國vernier公司的資料採集系統。國內生產的資料採集系統也開始增多，如浙江勝昔科技****的sciencedis；山東遠大的朗威dislab；江蘇艾迪生教育發展****的edislab；北京友高教育科技****的yoco；南京金華科軟體****的jhkdis等，不一而足。
筆者通過動手實踐數位化實驗，查閱文獻資料，總結出數位化實驗具有實驗過程「視覺化」；實驗設計「重點化」；資料採集「智慧型化」；資料處理「智慧型化」；教學過程「現代化」的特點。
1．實驗過程「視覺化」
實驗過程視覺化包括實驗過程空間可視性和實驗過程時間可視性。這是學生學習物理過程分析，建立物理概念，理解物理規律的認知基礎，是學會處理物理問題的關鍵所在。
物理實驗中，空間上細微過程人眼難以觀察，一般借助於顯微鏡可以實現細緻的觀察。時間上細微過程難以捕捉，難以記錄，是物理實驗的乙個難點，瞬間變化的視覺化尤其是難點。例如彈簧振子f-t、x-t關係，電容充、放電電流i-t關係，碰撞過程研究等等，這類實驗以往一般只能定性講述，或者用多**軟體進行模擬演示。
怎樣突破這個難點呢？傳統的實驗儀器由於人眼觀察與手工記錄的斷續性，確實難解決這個問題。數位化實驗通過與計算機連線的感測器實時採集資料，記錄資料，實現了時間上細微過程的實驗過程資料自動記錄，相當於用感測器和計算機代替人眼、手、紙和筆記錄資料，實現了資料記錄的時間連續性，實現了瞬間變化「視覺化」。
例如將感測器技術引入超重、失重教學，就可以在很短的時間內清晰地記錄下壓力隨時間變化的影象，具體再現超重、失重的過程，便於總結超重、失重現象的特點和條件，符合歸納法教學的要求。
2．實驗設計「重點化」
數位化實驗由感測器和資料採集器代替人眼讀取資料，用計算機軟體取代紙筆方式
手工記錄資料，計算機軟體代替人腦對資料進行簡單統計、處理和分析，使學生擺脫了繁瑣的計算過程，能夠直接把測量資料的變化過程通過「待測物理量──時間」圖象直接顯示出來，直觀地看出物理量之間的變化關係，使學生擺脫了手工作圖的繁瑣和作圖不準確而造成的實驗錯誤，從而讓學生能夠將更多的時間、心力用於實驗設計，用於**和分析，用於驗證和修改假設，從而有利於更好地理解概念，掌握規律。
當實驗設計成為學生思考的中心與重點，可以提高學生進行實驗**的興趣。
3．資料採集「智慧型化」
資料採集「智慧型化」的基礎是計算機資訊技術的應用。
3．1表現之一是「自動化」
系統設定了連續取樣、單點取樣、閾值觸發取樣等多種採集模式，軟體可以設定採集器的各種引數，實現資料採集的自動化。功能強大的資料採集器可以自動把整個實驗過程中物理量的變化通過高取樣率完整的記錄下來，儲存在資料檔案中。並且由於資料採集器提供了反饋輸出，可以通過附加一些器材，通過回控使得整個實驗的操作過程也實現自動化。
系統連續取樣頻率可以按照實驗要求設定。最高採集頻率可達5000-10000hz，採集的速度高的可到每秒一萬個資料，低的可到幾分鐘甚至幾小時乙個資料，因而可以適應各種不同型別實驗的需要。
3．2表現之二是「實時化」
由於採用計算機自動控制，系統能夠在很短的時間內採集和處理大量的資料，並利用計算機強大的資料處理和作圖功能，將資料反映成圖象，使實驗結果更加直觀。dis實驗資料採集迅速，資料傳輸迅速，資料儲存迅速，資料處理迅速，資料顯示迅速，從而實現了資料變化過程與實驗過程同步，實現資料的實時採集和實時處理。
3．3表現之三是「並行化」
資料採集器能同時接入四隻相同的感測器或四個不同的感測器，能同時採集多個相同或不同種類的物理量，實現資料的同步並行採集。在彈簧振子的振動實驗中，常規講授法教學中，學生對物理規律感覺比較抽象，理解起來十分困難，學生很難同時觀察到回覆力、加速度、速度和位移四個物理量在運動過程中的大小和方向。應用dis的並行採集功能，實驗中分別利用力感測器和位移感測器並行實時採集資料，直觀顯示f-t，x-t動態圖象，有利於學生建立起簡諧運動完整的物理圖景，幫助學生獲得直接經驗，直接感知物理規律，取得其它教學手段難以收到的效果。
3．4表現之四是「定量化」
定量研究是科學的特徵。一些傳統中學實驗受到實驗條件、實驗技術的限制，難以量化。dis實驗直接使許多中學物理定性實驗公升級成定量實驗。
利用感測器測量的各種物理量都要經過採集器進行處理後才能變為計算機能夠儲存和處理的資料。從資料的測量到採集再到處理，都是在系統內部完成，避免了傳統實驗儀器由於估讀時人為引進的各種測量誤差，使實驗結果更精確、可靠。
例如，電壓測量可以精確到0．01v，光電門計時可以精確到0．1ms。而且兩者的誤差都為1%以內，對於中學物理實驗來，這個精確度已是相當的高了。又例如壓強感測器採用工業級壓敏器件。
感測器量程為0～300kpa，測量分度達到0．1kpa，能夠精確反映實驗過程中的壓強變化。
計算機資料處理軟體資料可以即時地把同一實驗資料用數字、指標或示波器三種顯示方式顯示出來，實現了實驗資料的定量顯示。
數位化實驗的感測器的精度高，數位化實驗的誤差比較小，資料的定量顯示，這些就使物理、化學、生物學規律的**發現或者**驗證更具有嚴謹性和可信性。數位化實驗室為學生的「定量化」研究提供了研究平台，有利於學生理解科學的本質。
4．資料處理「智慧型化」
4．1「智慧型化」地進行實驗重演
每個實驗的配置、感測器的設定都以模板檔案（．exs）儲存在硬碟上，每次實驗資料都以一定的資料檔案（．exd）儲存在硬碟上。軟體提供了回放功能，只要呼叫相應的實驗模板和資料檔案，就能夠實現實驗的重演，學生可以隨意定格展示、隨意縮放dis實驗圖線，回憶實驗情形，複習實驗過程。由於儲存下來的資料和結果是以通用格式儲存的，這使得資料的共享十分方便。
利用計算機的網路功能，還可以把實驗資料和結果以最快的速度進行網上發布，做到資料共享。
4．2「智慧型化」地進行資料擬合
軟體不但提供了對資料求平均值、求最大值、求最小值的功能，而且提供了資料擬合功能，圖線面積求法──積分運算功能，和自定義運算功能。
其中資料的自動擬合是處理資料的關鍵，也是中學生課堂知識的盲區。學生能夠理解資料擬合是揭示資料之間關係、找出物理規律的必要方法，也有一次函式、二次函式、冪函式等數學知識，但缺乏把離散的資料進行擬合的數理統計的高等數學基礎。系統軟體直接給出了對給定的一系列資料進行「傻瓜式」、「選單型」擬合操作，提供給中學師生一種強有力的科學工具，使學生的實驗範圍大大拓寬，實驗水平極大提高。
dis為培養學生的創新能力和探索能力提供了很好的平台。
擬合選單包括直線擬合、曲線擬合兩類。曲線擬合提供乘冪擬合、指數擬合、n級
反比擬合、平方倒數擬合、二次項擬合、三次項擬合、正弦擬合等。
計算機資料處理是傳統資料處理方法的改進。學生首先要進行使用傳統的紙筆，用公式法、圖象法處理資料的訓練。熟練了這種資料處理方法後，可以用通用計算機軟體進行資料處理，改進實驗資料處理方法。
中學階段，一般可以簡單地運用matlab或者excel進行曲線擬合，也可以用專用的軟體進行資料處理，形成多種解釋資料之間關係的方法。
4．3「智慧型化」地建立實驗報告
軟體可以建立各種文件，如實驗指導報告文件、實驗預習報告文件、資料處理結果文件、實驗主報告文件以及需要的文件。word建立的文件另存為rtf檔案就能匯入到實驗文件中。電子文件的優點如方便多次修訂，方便網路共享、同伴交流學習在這裡實現。
5．教學過程「現代化」
5．1教學手段現代化
與傳統的實驗儀器相比，感測器更具有品種多、技術新、功能強、發展快、效能可靠等優勢。過去實驗測量器材有電流錶、電壓表、彈簧秤、水銀溫度計等，現在則可用電流感測器、電壓感測器、力感測器、溫度感測器等來測量物理量。
資料採集器已在實際的現代生產、生活中得到了廣泛的應用。資料採集器在中學物理實驗的應用，使學生能提早接觸和熟悉資料採集器，適應時代要求。教師利用數位化實驗裝置可以最大限度地率領學生敢於向傳統挑戰。
教師可以利用數位化實驗裝置創設情景，讓學生充滿對周圍事物關心的激情，促進學生創造性思維的發展。
5．2教學方式現代化
dis實驗提供一種現代的認知工具。認知工具是支援、指導、擴充套件學習者思維過程的心理或計算與實驗裝置。前者存在於學習者內部如學習者的認知、元認知策略；後者則是外部的，包括基於計算機的裝置和環境；它們都是知識建構的輔助工具。
認知工具由學習者控制而不是由教師或技術控制的；認知工具用來促成學習者對所學領域進行努力思考、並達成一些在沒有工具情況下難以形成的想法。
學生能否適應當今知識和資訊**的社會，是否具備完整的資訊處理能力將尤為關鍵。而以感測器為主的數位化實驗室仍以學生的真實實驗為基礎，很好地抓住了資訊處理的三個重要環節（採集、處理和表達），從而有效實現了資訊科技與理科學科的整合。
數位化實驗室對轉變學生的學習方式、提高實踐能力、培養創新精神等方面是值得肯定的。
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