數字化探究實驗室的特點
數字化實驗具有實驗過程可視化實驗設計重點化數據采集智能化數據處理智能化教學過程現代化的特點
1．實驗過程可視化
實驗過程可視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于顯微鏡可以實現細致的觀察時間上細微過程難以捕捉難以記錄是物理實驗的一個難點瞬間變化的可視化尤其是難點例如彈簧振子F-tx-t關系電容充放電電流i-t關系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媒體軟件進行模擬演示
怎樣突破這個難點呢?傳統的實驗儀器由于人眼觀察與手工記錄的斷續性確實難解決這個問題數字化實驗通過與計算機連接的傳感器實時采集數據記錄數據實現了時間上細微過程的實驗過程數據自動記錄相當于用傳感器和計算機代替人眼手紙和筆記錄數據實現了數據記錄的時間連續性實現了瞬間變化可視化例如將傳感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圖像具體再現超重失重的過程便于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
數字化實驗由傳感器和數據采集器代替人眼讀取數據用計算機軟件取代紙筆方式手工記錄數據計算機軟件代替人腦對數據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數據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系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于實驗設計用于探究和分析用于驗證和修改假設從而有利于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探究的興趣
3．數據采集智能化
數據采集智能化的基礎是計算機信息技術的應用
3．1表現之一是自動化
系統設置了連續采樣單點采樣閾值觸發采樣等多種采集模式軟件可以設置采集器的各種參數實現數據采集的自動化功能強大的數據采集器可以自動把整個實驗過程中物理量的變化通過高采樣率完整的記錄下來存儲在數據文件中并且由于數據采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
系統連續采樣頻率可以按照實驗要求設置最高采集頻率可達5000-10000Hz采集的速度高的可到每秒一萬個數據低的可到幾分鐘甚至幾小時一個數據因而可以適應各種不同類型實驗的需要
3．2表現之二是實時化
由于采用計算機自動控制系統能夠在很短的時間內采集和處理大量的數據并利用計算機強大的數據處理和作圖功能將數據反映成圖象使實驗結果更加直觀DIS實驗數據采集迅速數據傳輸迅速數據存儲迅速數據處理迅速數據顯示迅速從而實現了數據變化過程與實驗過程同步實現數據的實時采集和實時處理
3．3表現之三是并行化
數據采集器能同時接入四只相同的傳感器或四個不同的傳感器能同時采集多個相同或不同種類的物理量實現數據的同步并行采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復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的并行采集功能實驗中分別利用力傳感器和位移傳感器并行實時采集數據直觀顯示F-tx-t動態圖象有利于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征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升級成定量實驗
利用傳感器測量的各種物理量都要經過采集器進行處理后才能變為計算機能夠儲存和處理的數據從數據的測量到采集再到處理都是在系統內部完成避免了傳統實驗儀器由于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%以內對于中學物理實驗來這個精確度已是相當的高了又例如壓強傳感器采用工業級壓敏器件傳感器量程為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
計算機數據處理軟件數據可以即時地把同一實驗數據用數字指針或示波器三種顯示方式顯示出來實現了實驗數據的定量顯示
數字化實驗的傳感器的精度高數字化實驗的誤差比較小數據的定量顯示這些就使物理化學生物學規律的探究發現或者探究驗證更具有嚴謹性和可信性數字化實驗室為學生的定量化研究提供了研究平臺有利于學生理解科學的本質
4．數據處理智能化
4．1智能化地進行實驗重演
每個實驗的配置傳感器的設置都以模板文件（．exs）存儲在硬盤上每次實驗數據都以一定的數據文件（．exd）存儲在硬盤上軟件提供了回放功能只要調用相應的實驗模板和數據文件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復習實驗過程由于保存下來的數據和結果是以通用格式保存的這使得數據的共享十分方便利用計算機的網絡功能還可以把實驗數據和結果以最快的速度進行網上發布做到數據共享
4．2智能化地進行數據擬合
軟件不但提供了對數據求平均值求最大值求最小值的功能而且提供了數據擬合功能圖線面積求法──積分運算功能和自定義運算功能
其中數據的自動擬合是處理數據的關鍵也是中學生課堂知識的盲區學生能夠理解數據擬合是揭示數據之間關系找出物理規律的必要方法也有一次函數二次函數冪函數等數學知識但缺乏把離散的數據進行擬合的數理統計的高等數學基礎
｜系統軟件直接給出了對給定的一系列數據進行傻瓜式菜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范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臺
擬合菜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
計算機數據處理是傳統數據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數據的訓練熟練了這種數據處理方法后可以用通用計算機軟件進行數據處理改進實驗數據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件進行數據處理形成多種解釋數據之間關系的方法
4．3智能化地創建實驗報告
軟件可以創建各種文檔如實驗指導報告文檔實驗預習報告文檔數據處理結果文檔實驗主報告文檔以及需要的文檔WORD創建的文檔另存為RTF文件就能導入到實驗文檔中電子文檔的優點如方便多次修訂方便網絡共享同伴交流學習在這里實現
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傳感器更具有品種多技術新功能強發展快性能可靠等優勢過去實驗測量器材有電流表電壓表彈簧秤水銀溫度計等現在則可用電流傳感器電壓傳感器力傳感器溫度傳感器等來測量物理量
數據采集器已在實際的現代生產生活中得到了廣泛的應用數據采集器在中學物理實驗的應用使學生能提早接觸和熟悉數據采集器適應時代要求教師利用數字化實驗設備可以最大限度地率領學生敢于向傳統挑戰教師可以利用數字化實驗設備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持指導擴展學習者思維過程的心理或計算與實驗裝置前者存在于學習者內部如學習者的認知元認知策略后者則是外部的包括基于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并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信息爆炸的社會是否具備完整的信息處理能力將尤為關鍵而以傳感器為主的數字化實驗室仍以學生的真實實驗為基礎很好地抓住了信息處理的三個重要環節（采集處理和表達）從而有效實現了信息技術與理科學科的整合
