数字化实验教学设备的发展及应用

赵恺

摘 要 数字化实验设备目前已成为世界范围内实验教学仪器发展的主流。系统地介绍朗威?数字化信息系统实验室构成、发展过程、应用案例和发展前景。

关键词 数字化实验；朗威?DISLab；课改

中图分类号：G434 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2015）05-0005-05

科学发展过程中，概念的形成、规律的发现、理论的建立，都有赖于实验。重视实验、改进实验，不仅是科学发展的必由之路，更是科学教育的重要方法。

20世纪末涌现的数字化实验系统，以“传感器+计算机”为构成要素，凭借“促进学生认知、提高课堂效率”的显著作用而获得了教育专家的高度认可，成为21世纪世界范围内实验教学仪器发展的重要部分。

1 数字化实验概念

数字化实验，特指在实验数据的采集、传输及预处理方面采用传感器和数字电路等技术，实验数据上传至计算机（含各种由计算机变形的终端），由特定的软件加以计算、处理，最终得出实验结果的新型实验教学体系。

与传统实验相比，数字化实验尽管引入“人机交互”，但保留了真实实验的一切要求：实验对象的操作、实验装置的架设、实验过程的设置和调控等，且具有传统实验所不具备的“采集高速度、数据高密度、结果高精度、呈现高可视度”等一系列突出优势，在实验效率提升，实验结果优化和教学效果强化等方面均显著优于传统实验。不仅有效地填补了传统实验的空白，使常规教学活动获得动力，更有助于培养学生“在信息技术环境下的自主学习和自主探究能力”。

2 朗威?数字化信息系统实验室构成及发展过程

朗威?数字化信息系统实验室简称为朗威?DISLab，是由数据采集器、系列传感器、配套实验器材和软件构成（图1）。其中软件包括通用软件、专用软件和辅助软件。系列传感器可满足高中物理、化学、生物、地理、初中综合科学、小学科学等教学的需求，种类正在根据教学要求不断扩展。

朗威?DISLab的前身为朗威?微机辅助高级中学物理实验系统，是由山东省远大网络多媒体有限责任公司（现更名为山东省远大网络多媒体股份有限公司）于1999年自主研发并生产的。2002年，上海市教委为实现“促进信息技术与学科教学的整合”“培养学生在信息技术环境下的自主学习和自主探究能力”的课改目标，决定组建专门机构，自主研发上海二期课改所需数字化实验设备及配套器材。经过严格考核、缜密筛选，由上海教委教研室、风华中学和山东远大共同组建的上海市中小学数字化实验系统研发中心成立，著名实验教学专家、特级教师、上海特级校长冯容士先生任中心主任，山东远大董事长、总经理李鼎任副主任。2002年8月中心完成了第一版数字化实验系统的研发，并将产品下发至上海市53所试点学校进行教学验证。2002年至2008年间，朗威?DISLab先后通过了山东省教育厅、教育部基础教育司、上海市教委、教育部教育装备研究与发展中心、浙江省教育厅装备中心等多部门的课程鉴定，被列入上海市中学物理课程标准，编入上海二期课改中学物理、生物教材，以及人教版、沪科教版和粤教版等多家全国教材。2009年获全国优秀自制教具评选一等奖和济南市创新产品称号。2010年12月荣获教育部基础教育课程改革教学研究成果一等奖。2011年8月获得河北省科学技术成果证书。2012年11月荣获第七届国际发明展览会两项金奖。2013年5月荣获上海教博会双十佳产品奖。2014年4月，“法拉第电磁感应实验器”荣获中国教育装备产品创新奖。2014年5月荣获上海市教学成果特等奖。2014年6月，“朗威?V7.0 无线向心力实验器”荣获2014第16届世教联仪器设备组大奖，这是中国首次获得此奖项。2014年9月，《中学物理教学的革新——数字化实验系统（DIS）研发与应用》荣获国家级教学成果一等奖。

3 朗威?数字化信息系统实验室应用案例

平抛运动

1）实验装置构成。该实验需要使用朗威?DISLab二维运动传感器与朗威?DISLab二维平抛运动实验器（图2）。朗威?DISLab二维运动传感器由发射器和接收器构成，打开发射器开关后接收器可对发射器位置定位，从而通过教学软件描绘出发射器的运动轨迹。朗威?DISLab二维平抛运动实验器轨道呈倾斜状安装在立杆上，轨道上端设有位置可调的释放装置，改变释放装置的高度可以改变抛射速度，轨道末端设有调零装置和水平仪。轨道为铝合金材质，经折弯处理，其宽度恰好允许二维运动发射器在其中滚动，且减小晃动和摩擦。

2）实验操作。实验时，按如下操作步骤。第一步，释放试抛器，并将缓冲装置放置在试抛器落点范围内；第二步，点击二维系列软件主界面上的实验条目“平抛运动”，打开软件；第三步，将二维运动传感器发射器放置于平抛轨道水平一端的边缘紧靠调零装置，点击软件“零点设置”，再将其沿水平方向移动3～6 cm，点击“水平校准”；第四步，将二维运动传感器发射器放置于轨道抛体释放区，点击“开始记录”后将其释放，系统将自动记录其平抛运动的轨迹（图3）；第五步，依次点击界面“x”“y”可模拟出平抛运动在水平方向和竖直方向的分运动轨迹，点击“二次拟合”按钮对平抛轨迹进行二次拟合；第六步，点击“加速度”，计算出平抛运动在竖直方向的加速度数值，并可与当地的重力加速度的数值进行比较（图4）。

3）数字化实验优势。描绘平抛运动轨迹，传统上使用频闪摄影和电火花描迹两种方法。这两种方法虽然原理相对简单，但一方面测量方式具有一定间接性，另一方面对实验设备、操作方法、实验环境和数量程度都有一定的要求。限于此，该实验成功率不高，需要多次尝试方可获得较为理想的轨迹，而且多次实验不可避免地导致系统误差增大。

使用朗威?DISLab二维运动实验系统完成该实验，操作简单，成功率高，不但可以描绘出平抛运动轨迹，而且可以对数据进行分析处理，得出平抛运动实际上是水平方向上匀速直线运动和竖直方向自由落体运动的合运动的实验结论，解决了教学上的难点。朗威?DISLab二维运动实验系统诞生以来，经过专家认证和课程教学的实践，获得了广泛好评。2009年，该系统在第七届全国优秀自制教具评选活动中获得一等奖。基于该系统的平抛运动实验案例被编入人教版高中物理教材2第五章“曲线运动”第3节“实验：研究平抛运动”中。

酸碱中和滴定

1）实验器材及试剂（图5）。朗威?数据采集器、PH传感器、自动滴液装置、计算机、洗瓶、50 ml烧杯、滤纸、磁力搅拌器、铁架台、0.1 mol/L HCl、未知浓度NaOH。

将0.1 mol/L HCl加入到自动滴液装置中，自动滴液装置可自动记录液滴滴数，根据每滴液滴的体积0.025 ml，软件可自动计算出滴入的HCL体积。

2）实验操作。

●专用软件操作方法：点击“开始实验”，打开磁力搅拌器电源开关，向烧杯中逐滴滴加HCL溶液（滴速控制在1～2滴/s），直至pH<7。点击“图线分析”，点击“选择区域”，选择求导曲线的峰值作为研究对象，系统自动计算NaOH溶液的溶度（图6）。

●通用软件操作方法：选择光电门的测量方式为“计数”。在“组合曲线”，添加自定义曲线“V-pH”（需增加变量“V=0.025*t2”）代表盐酸的体积，点击“开始”，打开磁力搅拌器电源开关，向烧杯中逐滴滴加HCL（滴速控制在1～2滴/s），直至pH<7。对滴定曲线进行求导，确定滴定终点时滴加盐酸的体积（图7）。

3）数字化实验优势。

●绘制酸碱中和滴定曲线的传统方法，操作过程复杂。采用DIS数字化实验系统绘制滴定曲线，操作更简便，精度更高，教学效果好。由教师现场演示绘制出一条滴定曲线或者由学生通过实验自己绘制滴定曲线，其教学效果与滴定曲线印在教材上让学生观察分析是大不相同的。

●用标准盐酸滴定未知浓度的氢氧化钠时，传统实验方法采用甲基橙为指示剂。但是甲基橙变色时pH为4.4而盐酸与氢氧化钠恰好反应时pH等于7，酸碱指示剂的变色点不是反应终点，这一点难以向学生解释。采用数字化实验则可以直接得到pH=7时的相关数据，实验结果更为科学。

蛋白质含量测定

1）实验器材及试剂（图8）。朗威?数据采集器、色度传感器、结晶牛血清白蛋白、待测样品（如鸡蛋清）、双缩脲试剂、5 ml移液管、吸管、100 ml容量瓶、滴瓶4个、小试管5支。

2）实验操作。

●取结晶牛血清白蛋白1.0 g溶于100 ml蒸馏水中，取5支烧杯编号后，分别加蒸馏水配成蛋白质含量为0 mg/mL（蒸馏水为空白参照）、2 mg/mL、3 mg/mL、4 mg/mL、5 mg/mL的溶液。在各小烧杯溶液中先加入5% NaOH 15 mL，混合后，加入1% CuSO4溶液1 mL，拌匀后，静置30 min待用。

●取鸡蛋清加蒸馏水稀释50倍。取鸡蛋清稀释液5 ml，先加入5% NaOH 15 mL，混合后，加入1% CuSO4溶液1 mL，拌匀后，静置30 min待用。

●将待测的任一蛋白质反应液加到比色皿中，并放入到色度传感器中，数据显示有R、G、B三个数值，代表R、G、B三色下的吸光值，本实验选择G通道。

●将空白对照与梯度浓度的蛋白质溶液以及待测的蛋清溶液依次倒入比色皿，使用色度传感器测量各溶液的吸光值，并在表格相应位置输入其浓度值。

●点击“绘图”，软件自动生成蛋白质含量标准曲线并计算出蛋清溶液的蛋白质含量（图9）。

3）数字化实验优势。该实验是上海科学技术出版社出版的《生命科学》教材高中第一册（试用本）第2章第2节采用的一个数字化实验。因为采用了数字化的实验方法使该实验由传统的定型观察升华为定量测量，朗威?DISLab强大的数据采集、分析、处理能力，大大提高了实验效率。该实验不但可以使学生学会定量检测蛋白质含量的实验方法，并通过该方法解决生活中的实际问题（例如学生可以通过检测奶粉中蛋白质的含量来判断奶粉质量的优劣），而且可以培养他们在信息环境中相互合作，收集处理信息、归纳总结的能力。

小车运动快慢比较

1）实验器材（图10）。朗威?数据采集器、光电门传感器、多用力学轨道。

2）实验操作。

●将光电门传感器固定在轨道上，两光电门距离为0.4米，将挡光片固定在小车上，调节光电门位置，使挡光片能够挡光。

●打开小学科学专用软件——“小车运动快慢比较”，点击开始。

●读出两个光电门之间的距离（小车运动距离为0.4米），输入到表格中。

●点击记录，释放小车，小车挡光片经过第一个光电门时系统开始计时，经过第二个光电门时计时结束，这段时间就是小车在两个光电门之间运动的时间。

●点击停止，实验结束，点击计算可获得小车运动的平均速度。

●改变两光电门之间的距离、改变小车的质量或改变推动小车力的大小，重复实验比较小车运动的快慢（图11）。

3）数字化实验优势。本实验曾经作为公开课在江苏省小学科学数字技术研讨会上展示，引起了广泛的关注和热烈的研讨。该课伊始，教师让学生通过秒表记录小车运动的时间，但是由于起始和结束的时机不易把握所以得出的实验结果误差很大，改用光电门传感器测量后，实验结果精确的反映了该实验所呈现的客观规律，学生通过对该实验的探究总结出了影响小车运动快慢的因素。数字化实验的精确度远远大于传统实验，这样就保证了实验的成功率和科学性，有利于培养学生的科学素养。

朗威?DISLab小学科学实验系统以“学生的生活经验”为线索，构建了包括“力学”“热学”“声学”“光学”“电学”“磁学”“化学”“生命科学”在内的8个探索包。向学生提够充分的科学探究机会，使他们在像科学家那样进行科学探究的过程中，体验学习科学的乐趣，增长科学探究能力，获取科学知识，形成尊重事实、善于质疑的科学态度。

4 数字化信息系统实验室的发展前景

国家课改促进数字化实验教学 随着课改的不断深入，实验教学越来越被教育部相关部分所重视。2013年教育部基础教育二司技术装备处将该年度定位为“实验教学年”，年度工作要点为促进和发展实验教学。2013年末教育部举办了首届全国中小学实验教学优秀案例展演。其中，上海、北京、深圳、浙江、江苏、山东等教育强省均排出了以数字化实验为主体的展演内容，并令参观者形成了“数字化实验与传统实验并举、数字化实验引领实验教学发展方向”的深刻印象。教育部基础教育二司的工作，从国家层面上提高了教育界对于实验教学的重视水平，对于数字化实验的发展也起到了积极的推动作用。

教材对于数字化实验的重视 2013年，人民教育出版社初中物理教材修订版发行。在该教材中，首次引进了由上海市中小学数字化实验系统研发中心提供的四个数字化实验案例：“流体压强与流速的关系”“用位移传感器测量速度”“用传感器比较不同物质的比热容”和“电磁波的发射与接收”。至此，人教版初中、高物理教材共引入数字化实验案例15个。教材对于数字化实验的重视，非常有利于数字化实验行业的发展。

国际教学仪器行业组织对朗威?DISLab的认可 2014年，朗威?无线向心力实验器专利产品荣获世界教具联合会“2014年世教联创新大奖”，创造了中国教育装备史上的两个第一：第一次有中国教学仪器参加评奖，第一次有中国教学仪器获奖。世教联高层人士对此给出了积极评价：“我们对该奖项设立30年来中国产品首次获奖表示祝贺！”本次获奖使得朗威?DISLab开始走出国门，走向世界。■