实验教学信息化发展的两种取向

摘 要：信息化的实验系统是对传统常规实验手段的重大创新。信息化的实验主要表现为两种取向：数字化和虚拟化。数字实验系统是由传感器、数据采集器、计算机系统及配套软件构成的, 有助于实验结果的数字化和精确化测量。而虚拟实验系统则是利用虚拟现实技术，为师生提供一个和计算机进行交互操作以实现虚拟的实验操作。数字化和虚拟化的实验在实验教学中具有很多优势并得以广泛应用。

关键词：实验教学；信息化发展；数字化；虚拟化

中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1673-8454（2009）04-0047-04

一、引言

教育信息化是实现教育现代化的基础和条件，是教育现代化的重要内容和主要标志，以教育信息化带动教育现代化是当今世界教育改革与发展的共同趋势。[1] 实验教学在科学教育中具有重要地位。人类的发展和进步是建立在工具和手段的不断发展和更新之上的，同理，实验也是伴随着实验仪器和设备的发展而取得更多的研究成果。随着实验仪器与计算机技术的发展，实验教学的现代化也应得到人们重视。实现实验教学的信息化不仅成为信息技术与课程整合、教育手段现代化的一个突破口，而且对培养学生的实践动手能力、激发学生学习科技的兴趣、提高综合素质和发展创新思维起着重要作用。

笔者认为，实验教学的信息化主要表现为两种取向：第一，实验设备的数字化和精确化，主要是指实验数据通过数字传感器和计算机来实时地采集实验数据，并通过运算将实验结果呈现出来。第二，实验的虚拟化，是指利用虚拟现实技术，通过网络或计算机提供一个供师生和计算机进行交互操作以进行模拟化的实验操作。

二、数字化:实验教学信息化发展的取向之一

许多传统的实验很难将实验数据进行实时的自动化的采集以及实现对大量实验数据的处理，然而，随着计算机和传感器等数字化技术的不断发展及其在实验中应用的深入，势必会对实验教学产生了巨大的推动和促进作用。

1.数字化实验系统

数字化实验系统（DISLab）是由传感器、数据采集器、计算机系统及配套软件构成的，其中计算机是数字化实验系统的核心，共同构成了实时采集实验数据的智能化系统。在实际使用中，一般将数据采集器和传感器集成为一个设备，被称为手持技术（Held Technology）, 它能将实验数据方便地记录和分析。[2]

数字化实验系统的主要工作原理是，通过配备的各种传感器实时地采集各类被测物理量的实验数据，通过模拟和数字信号转换后输入到计算机（一般实验直接获取得到的数据是模拟信号，而计算机接收的信息必须是数字化的，因此需要这个转换过程），再通过相应的软件对被测数据进行各种数据处理，从而构建一个现代化的数据测量和处理平台。更具体地说，在实验过程中把被测的实验信号转化为电压信号以供电脑声卡采集，因此需要用到各种合适的传感器等媒介，否则数字化的实验是不可能实现的，之后再利用计算机强大的运算和处理功能，能更好地呈现实验的动态过程以及对实验结果的运算和分析，同时还可以通过接口软件对硬件进行控制和调整，以获取更加精确的实验数据。

国内常见的数字化实验系统有，基于Labview和声卡数据采集的中学物理实验仪器系统、江苏艾迪生（EDIS）数字实验室和朗威数字化实验系统等。

2.数字化实验的优点

数字化实验系统是一个开放性的实验平台，与传统实验器材相比，它具有实时、快速、高精度地采集实验数据，并自动记录和分析实验数据的特点。数字化实验不仅可以完成很多传统的实验，而且还可完成一些传统实验难以实现的实验。具体而言，开展数字化的科学实验具有如下优势：

（1）实验手段的数字化

实验手段的数字化主要是将抽象的科学现象和科学过程得到量化处理，从而更加准确地理解各种科学概念及物体运动变化过程中所遵循的规律。比如在传统的物理实验中，利用测力计、压强计、电流表和电压表等仪表测量物体之间的受力、压强、电流、电压等物理量，这些仪器仪表体积较大，读数不便且误差较大。而数字化实验系统则通过手持技术把以上这些物理量转换为电信号，并与计算机相连接，从而保证了实验数据传输得更方便、测量得更便捷、采集得更细密。

传感器通过把物理量转化成标准的电压信号，且具备信号实时上传的功能，与计算机方便通讯。这保证了信息技术的优势得以充分发挥，不仅能实现对传统仪器的补充和替代，更能够超越传统仪器的功能。比如电磁学、光学和原子物理等有关实验较难进行测量，有些在传统条件下甚至没有办法进行量化测量，而数字化实验系统则可完成许多在传统实验中无法完成的实验，其优越性尤为突出。

（2）促进实验现象和实验规律的可视化

数字化实验系统可实现由传统实验数据的“点采集”过渡到“线采集”，即以极小的时间间隔记录以获取大量的实验数据，亦可直接根据大量的实验测量数值来描绘反映物理量变化过程的图线，从而为实验现象和实验规律的可视化表征奠定了技术基础，可有效地解决有关实验暂态现象等传统的实验难题。比如在自感现象的实验中，学生对自感电动势和自感电流大小与方向的暂态现象及其关系的理解是一个难点。传统的实验没有办法呈现相关现象，只有靠教师的口头讲授进行讲解，学生很难理解，有些学生只能靠记忆来学习，而数字化的实验系统依靠数字化的电流传感器和相关的配套软件，可以非常直观地将自感电流的变化特点以可视化的方式呈现于计算机屏幕上，从而有助于学生更加容易地理解自感现象的本质。总之，数字化实验可以将许多在传统实验中无法观测到的实验现象与数据准确清晰地再现出来。

（3）实验数据“测量—记录—呈现”的实时化

在数字化实验系统中，实验数据的测量、记录和呈现主要是通过计算机来实现和完成的。实验数据“测量—记录—呈现”实时化就是指在实验进行的同时，传感器和数据采集器实时地采集实验数据，并同时将这些数据传输至计算机，通过计算机将实验数据进行加工和处理，从而纪录实验结果并将有关反映实验数据变化规律的图线描绘完成，因此，可大幅度地提高实验效率和准确率。

数字化实验系统具有广泛的应用空间并可取得较好的实验效果。数字化实验可以在物理学、化学、生物学以及医学等领域开展实验。比如在研究“力的相互作用”的关系时，传统的实验器材无非是两个弹簧秤，让学生拉一下，学生能观察到弹簧秤的示数相同即可。而数字化的实验则利用两个力的传感器，实验中力的大小随时可变，并实时显示，拉力和推力可瞬间切换。即使在运动状态，如匀速、加速、瞬间碰撞状态下，作用力与反作用力仍能尽显于计算机屏幕上，从而取得比传统实验更好的实验效果。实验图可参看图1所示。

三、虚拟化：实验教学信息化发展的取向之二

1.虚拟实验技术及其特点

虚拟实验技术是以虚拟现实技术为基础的。而虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）是指基于多媒体技术和传感设备以实现为人们提供一种计算机模拟时空，以自然方式（如手的运动）向计算机输入各种控制信息从而得到平面或三维的视觉、听觉以及触觉等感觉的虚拟世界。[3] 虚拟实验的核心思想就是利用虚拟形式技术，人为地制造一个虚拟的实验环境，人们在其中可以实现看、听、操作等交互活动，就像在“真”的实验环境里进行实验操作一样。在虚拟实验环境中，学生具有更多的进行创造性和探究性实验的机会，可与其中的操作对象进行虚拟交互操作，且虚拟环境允许更多的用户访问并能彼此交互和对话。

虚拟实验技术具有很多优点，且有助于计算机在教育领域的普及和应用，具有不可估量的作用。虚拟实验就是借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术，在计算机和网络上搭建可辅助或可替代传统实验所包含的各个环节的软硬件操作环境。虚拟实验由于不受地域和时间限制，可以跨越时空进行网络教学，为学习者提供很大方便。[4]虚拟实验与真实实验相类似，可以供学生自己动手配置、连接、调节和使用实验仪器并开展实验操作，为学生提供更多的探究和尝试的机会。虚拟实验教学融合了网络教学的优势，具有建设速度快、成本低和易于管理的优势。采用虚拟实验系统，可以突破时间、地点和设备数量的限制。学生可以在实验过程中更容易获得相关知识，实验结果更容易保存。对教师和管理人员来讲，实验教学过程更容易控制，对实验教学的指导效率会更高。

虚拟实验有助于将科学知识和科学原理得以“物化”。教师将需要讲授的科学知识以物化的形式凝结和保存于虚拟环境中，以直观、形象、迅速、全面、准确地形式向学生传递信息。学生通过书本学习而获得的知识是有限的，而在虚拟环境中所蕴含的运动着的客观事物传递的信息是全方位的、动态的和丰富的。更重要的是，事物本身就是不断变化和发展的，它所揭示的过程和知识更有利于真实地再现知识的本来面貌，是教科书所难以呈现的。教师可通过“借用”、“移植”、“仿真”、“模拟”等方式，使虚拟环境逼近于客观事物，在教学过程中，向学生揭示事物之间的变化过程及其规律。在这样的学习情境中，学生能更有效地进行创造性的思维活动，从而有利于更加深刻地认识事物，更牢固地记住所学的知识和深刻理解事物的本质和内涵。

2.虚拟实验教学的相关应用

（1）国内外相关虚拟实验平台概况

虚拟实验在国外已经有了广泛的应用。比如，美国的Simulation Plus公司在1998年推出的面向中学理科教育的Futurelab虚拟实验室，涵盖了从初中到高中各个年级的生物、地理、化学、物理等学科内容。另外，美国的Riverdeep Interactive Learning公司开发的虚拟电学实验室（Virtual Labs：Electricity）包含丰富的电学相关实验，可用于中小学电磁学内容的教学。

随着我国教育信息化的发展及其在学科教育领域中的应用，虚拟实验的研究和探索也取得了长足的发展。比如由南京金华科软件有限公司自主开发的仿真物理实验室、仿真化学实验室、数理平台等就是一个成功的典型代表。[5] 其中，物理实验仿真软件是面向中学物理实验教学的，该实验系统把物理规律内置在软件系统中，具有操作简单、交互性强等特点，可以称得上具有世界先进水平的物理教学软件平台，于2001年通过了全国中小学计算机教育研究中心的鉴定。

（2）虚拟实验的具体应用举隅

①仿真物理实验室的组成

仿真物理实验室是由四部分组成的：主模块部分、光学部分、电学部分和初中模块。每个部分都提供了实验所需的足够的物理器件，比如小球、弹簧、绳子、连杆、电荷等虚拟实验器具，并集成了重力场、电场、磁场、万有引力场等虚拟实验环境。光学实验室为我们提供了光线模型、方形介质、理想凸透镜、凹透镜等。学生在仿真实验软件平台的使用中，只需要通过搭建器件，并设置器件的相关属性就能完成其所设计的实验设备的安装。比如，力学中的自由落体运动、平抛运动、单摆运动、人造地球卫星的运动以及带电粒子在磁场中的圆周运动等都可以在该平台中得以轻松再现，光学中的平面镜反射、介质对光线的折射和全反射、凸透镜成像等，电学中的串联与并联电路、伏安法测电阻等。用《仿真物理实验室》创建的物理模型不但可以向您展示动画，更可以为您提供多种多样实时的实验数据，并可使用软件提供的辅助分析工具，对实验数据进行计算和分析。

②实验的思路和过程

在仿真物理实验室的使用过程中，我们应根据实验目的来设计实验，之后再在该虚拟实验平台上进行虚拟的实验操作。以物体动量守恒定律的应用为例，动量守恒是高中物理教学的重点和难点。在该部分内容中，有一个典型的物理模型：一个质量为M1，初速度为V1的平板，其上放有一质量为M2、初速度为V2的木块，且木块与平板之间的摩擦系数为μ，来探讨其物体之间的速度和动量的关系问题。在仿真物理实验系统中，可通过以下几步以清晰地揭示其物理模型中各个物理量的变化关系，以帮助学生深刻而准确地理解该物理模型。其具体的操作步骤如下：

第一，新建一个“实验项目”，确定坐标位置并设置该坐标的比例。

第二，点击工具栏上的“设置”按钮，在“实验设置”对话框中对实验的大环境和一些参数进行设置。

第三，从创建模板中选择器件，将其拖入并放置于实验区中，同时对其相关属性进行设置。在“创建模板”中创建平板，然后再创建一个木块放在平板上，并设置它们的大小、质量和初速度等物理参数。实验过程中，我们可以通过改变物理参数的数值，观察其运动过程的中有关物理量的变化情况，此时，平板与木块的物理参数也能实时地显示在计算机屏幕上，方便我们观察并发现其规律。之后，应选择恰当的方式将其实验结果输出。实验的截图如图2所示。

在虚拟实验过程中，教师借助此平台既可以让学生形象地理解这个物体相互作用的动态过程，又可用实验数据对这个物理过程进行定量分析，更可以让学生亲自动手搭建类似的物理模型，使学生在轻松娱乐的过程中进行探究式学习。

总之，学生一般情况下很不容易掌握这部分内容，教师教学时也不容易将此过程准确细致地表述清楚。但若使用仿真物理实验室的虚拟实验教学平台来辅助教学，会很容易地将此物理模型清晰准确地呈现出来，为教师的教和学生的学提供极大的方便。

参考文献：

[1]杨晓宏，梁丽.全面解读教育信息化[J].电化教育研究，2002，（1）：27-33.

[2]钱扬义.手持技术在理科实验中的应用研究[M].北京：高等教育出版社，2003.9：2-4.

[3]张洪洋.虚拟现实技术及其在科学教育中的应用[J].高等理科教育，2008，（27）：42-44.

[4]文福安.虚拟实验教学系统的研究与应用[J].中国教育信息化，2008，（11）：37-39.

[5]http://www.jhksoft.com；http://www.eedduu.com．

(编辑：王天鹏)