數(shù)字化實驗優(yōu)缺點

1、數(shù)字化實驗得特點概述數(shù)字化實驗室(DIS) 就是一般由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機及相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件等構(gòu)成得測量、 采集、 處理設(shè)備與與之配套得相應(yīng)得實驗儀器裝備組成得實驗室、數(shù)字化實驗室就是信息技術(shù)與傳統(tǒng)實驗課程整合得重要載體?；趥鞲衅鞯糜嬎銠C實時數(shù)據(jù)采集與基于計算機數(shù)據(jù)處理軟件得計算機建模與圖象分析等技術(shù)就是開展中學(xué)物理探究教學(xué)得兩大技術(shù)支撐, 也就是中學(xué)物理實驗面向現(xiàn)代化, 提升實驗檔次, 加速實現(xiàn)中學(xué)教學(xué)向國際接軌得一條途徑。數(shù)字化實驗室中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得研制，在國外比較著名得有：美國P AS C。公司得數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)；英國Pic o Tec h no 1 ogy公司得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；彳惠

2、國Co br a得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)； 澳大利亞Dav a Harvest公司得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等；美國VEW IE R公司得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、國 內(nèi)生產(chǎn)得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也開始增多，如浙江勝昔科技有限公司得Sci e n c e D is ;山東遠(yuǎn)大 與上海市中小學(xué)數(shù)字化實驗系統(tǒng)研發(fā)中心合作開發(fā)得朗威DISLab; 教育部教學(xué)儀器研究所研發(fā)得HPCI- 1型物理實驗微機輔助系統(tǒng)；北京友高教育科技有限公司得 YO CO ;南京金華科軟 件有限公司得JH KDI S等，不一而足、筆者通過動手實踐數(shù)字化實驗, 查閱文獻(xiàn)資料, 總結(jié)出數(shù)字化實驗具有實驗過程“可視化” ; 實驗設(shè)計“重點化”; 數(shù)據(jù)采集“智能化”; 數(shù)

3、據(jù)處理“智能化”; 教學(xué)過程“現(xiàn)代化”得特點。1. 0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與實驗過程時間可視性。這就是學(xué)生學(xué)習(xí)物理過程分析, 建立物理概念, 理解物理規(guī)律得認(rèn)知基礎(chǔ), 就是學(xué)會處理物理問題得關(guān)鍵所在。物理實驗中, 空間上細(xì)微過程人眼難以觀察, 一般借助于顯微鏡可以實現(xiàn)細(xì)致得觀察、時間上細(xì)微過程難以捕捉, 難以記錄, 就是物理實驗得一個難點, 瞬間變化得可視化尤其就是難點。例如彈簧振子F-t、x-t關(guān)系，電容充、放電電流i- t關(guān)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(jìn)行模擬演示。怎樣突破這個難點呢？傳統(tǒng)得實驗儀器由于

4、人眼觀察與手工記錄得斷續(xù)性, 確實難解決這個問題。 數(shù)字化實驗通過與計算機連接得傳感器實時采集數(shù)據(jù), 記錄數(shù)據(jù), 實現(xiàn)了時間上細(xì)微過程得實驗過程數(shù)據(jù)自動記錄, 相當(dāng)于用傳感器與計算機代替人眼、手、 紙與筆記錄數(shù)據(jù), 實現(xiàn)了數(shù)據(jù)記錄得時間連續(xù)性, 實現(xiàn)了瞬間變化“可視化”。例如將傳感器技術(shù)引入超重、失重教學(xué) ,就可以在很短得時間內(nèi)清晰地記錄下壓力隨時間變化得圖像, 具體再現(xiàn)超重、失重得過程, 便于總結(jié)超重、失重現(xiàn)象得特點與條件, 符合歸納法教學(xué)得要求。2. 實驗設(shè)計“重點化 "數(shù)字化實驗由傳感器與數(shù)據(jù)采集器代替人眼讀取數(shù)據(jù), 用計算機軟件取代紙筆方式手工記錄數(shù)據(jù), 計算機軟件代替人腦對

5、數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單統(tǒng)計、處理與分析, 使學(xué)生擺脫了繁瑣得計算過程，能夠直接把測量數(shù)據(jù)得變化過程通過“待測物理量時間”圖象直接顯示出來，直觀地瞧出物理量之間得變化關(guān)系, 使學(xué)生擺脫了手工作圖得繁瑣與作圖不準(zhǔn)確而造成得實驗錯誤, 從而讓學(xué)生能夠?qū)⒏嗟脮r間、心力用于實驗設(shè)計, 用于探究與分析, 用于驗證與修改假設(shè), 從而有利于更好地理解概念, 掌握規(guī)律、當(dāng)實驗設(shè)計成為學(xué)生思考得中心與重點, 可以提高學(xué)生進(jìn)行實驗探究得興趣、3. 數(shù)據(jù)采集“智能化”數(shù)據(jù)采集“智能化 "得基礎(chǔ)就是計算機信息技術(shù)得應(yīng)用。4. 1 表現(xiàn)之一就是“自動化”系統(tǒng)設(shè)置了連續(xù)采樣、單點采樣、閾值觸發(fā)采樣等多種采集模式, 軟件可

6、以設(shè)置采集器得各種參數(shù), 實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集得自動化、功能強大得數(shù)據(jù)采集器可以自動把整個實驗過程中物理量得變化通過高采樣率完整得記錄下來, 存儲在數(shù)據(jù)文件中、并且由于數(shù)據(jù)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得操作過程也實現(xiàn)自動化。系統(tǒng)連續(xù)采樣頻率可以按照實驗要求設(shè)置。最高采集頻率可達(dá)500 0 - 1 0 0 0 0Hz,采集得速度高得可到每秒一萬個數(shù)據(jù), 低得可到幾分鐘甚至幾小時一個數(shù)據(jù), 因而可以適應(yīng)各種不同類型實驗得需要。3 . 2表現(xiàn)之二就是“實時化”由于采用計算機自動控制, 系統(tǒng)能夠在很短得時間內(nèi)采集與處理大量得數(shù)據(jù), 并利用計算機強大得數(shù)據(jù)處理與作圖功能

7、，將數(shù)據(jù)反映成圖象，使實驗結(jié)果更加直觀。D I S實驗數(shù)據(jù)采集迅 速 , 數(shù)據(jù)傳輸迅速, 數(shù)據(jù)存儲迅速, 數(shù)據(jù)處理迅速, 數(shù)據(jù)顯示迅速, 從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)變化過程與實驗過程同步, 實現(xiàn)數(shù)據(jù)得實時采集與實時處理。3 、 3 表現(xiàn)之三就是“并行化”數(shù)據(jù)采集器能同時接入四只相同得傳感器或四個不同得傳感器, 能同時采集多個相同或不同種類得物理量, 實現(xiàn)數(shù)據(jù)得同步并行采集、在彈簧振子得振動實驗中, 常規(guī)講授法教學(xué)中, 學(xué)生對物理規(guī)律感覺比較抽象, 理解起來十分困難, 學(xué)生很難同時觀察到回復(fù)力、加速度、 速度與位移四個物理量在運動過程中得大小與方向。應(yīng)用 DIS 得并行采集功能, 實驗中分別利用力傳感器與位

8、移傳感器并行實時采集數(shù)據(jù), 直觀顯示F t,x-t 動態(tài)圖象, 有利于學(xué)生建立起簡諧運動完整得物理圖景, 幫助學(xué)生獲得直接經(jīng)驗, 直接感知物理規(guī)律, 取得其它教學(xué)手段難以收到得效果、3.4 表現(xiàn)之四就是“定量化”定量研究就是科學(xué)得特征。一些傳統(tǒng)中學(xué)實驗受到實驗條件、實驗技術(shù)得限制, 難以量化。DIS實驗直接使許多中學(xué)物理定性實驗升級成定量實驗。利用傳感器測量得各種物理量都要經(jīng)過采集器進(jìn)行處理后才能變?yōu)橛嬎銠C能夠儲存與處理得數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)得測量到采集再到處理, 都就是在系統(tǒng)內(nèi)部完成, 避免了傳統(tǒng)實驗儀器由于估讀時人為引進(jìn)得各種測量誤差, 使實驗結(jié)果更精確、可靠。例如，電壓測量可以精確到0 .01V

9、,光電門計時可以精確到0.1ms。而且兩者得誤差都為 1 %以內(nèi)，對于中學(xué)物理實驗來，這個精確度已就是相當(dāng)?shù)酶吡恕Ｓ掷鐗簭妭鞲衅鞑捎霉I(yè)級 壓敏器件、傳感器量程為0 3 0 0 Kpa,測量分度達(dá)到0、1Kpa,能夠精確反映實驗過程中得壓 強變化。計算機數(shù)據(jù)處理軟件數(shù)據(jù)可以即時地把同一實驗數(shù)據(jù)用數(shù)字、指針或示波器三種顯示方式顯示出來, 實現(xiàn)了實驗數(shù)據(jù)得定量顯示。數(shù)字化實驗得傳感器得精度高, 數(shù)字化實驗得誤差比較小, 數(shù)據(jù)得定量顯示, 這些就使物理、 化學(xué)、 生物學(xué)規(guī)律得探究發(fā)現(xiàn)或者探究驗證更具有嚴(yán)謹(jǐn)性與可信性。數(shù)字化實驗室為學(xué)生得“定量化”研究提供了研究平臺 , 有利于學(xué)生理解科學(xué)得本質(zhì)、4

10、、數(shù)據(jù)處理“智能化”4。 1 “智能化”地進(jìn)行實驗重演每個實驗得配置、傳感器得設(shè)置都以模板文件(.exs) 存儲在硬盤上, 每次實驗數(shù)據(jù)都以一定得數(shù)據(jù)文件(、c xd)存儲在硬盤上、軟件提供了回放功能，只要調(diào)用相應(yīng)得實驗?zāi)０迮c數(shù) 據(jù)文件，就能夠?qū)崿F(xiàn)實驗得重演，學(xué)生可以隨意定格展示、隨意縮放DI S實驗圖線，回憶實驗情 形 , 復(fù)習(xí)實驗過程、由于保存下來得數(shù)據(jù)與結(jié)果就是以通用格式保存得, 這使得數(shù)據(jù)得共享十分方便、 利用計算機得網(wǎng)絡(luò)功能, 還可以把實驗數(shù)據(jù)與結(jié)果以最快得速度進(jìn)行網(wǎng)上發(fā)布, 做到數(shù)據(jù)1 .2 “智能化”地進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合軟件不但提供了對數(shù)據(jù)求平均值、求最大值、求最小值得功能, 而且提供

11、了數(shù)據(jù)擬合功能,圖線面積求法積分運算功能，與自定義運算功能。其中數(shù)據(jù)得自動擬合就是處理數(shù)據(jù)得關(guān)鍵, 也就是中學(xué)生課堂知識得盲區(qū)。學(xué)生能夠理解數(shù)據(jù)擬合就是揭示數(shù)據(jù)之間關(guān)系、找出物理規(guī)律得必要方法, 也有一次函數(shù)、二次函數(shù)、冪函數(shù)等數(shù)學(xué)知識, 但缺乏把離散得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得數(shù)理統(tǒng)計得高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、系統(tǒng)軟件直接給出了對給定得一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行“傻瓜式”、“菜單型”擬合操作 , 提供給中學(xué)師生一種強有力得科學(xué)工具, 使學(xué)生得實驗范圍大大拓寬, 實驗水平極大提高。DIS 為培養(yǎng)學(xué)生得創(chuàng)新能力與探索能力提供了很好得平臺。擬合菜單包括直線擬合、曲線擬合兩類、曲線擬合提供乘幕擬合、指數(shù)擬合、N級反比擬合、平方倒數(shù)擬

12、合、二次項擬合、三次項擬合、正弦擬合等。計算機數(shù)據(jù)處理就是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法得改進(jìn)。學(xué)生首先要進(jìn)行使用傳統(tǒng)得紙筆, 用公式法、圖象法處理數(shù)據(jù)得訓(xùn)練。熟練了這種數(shù)據(jù)處理方法后, 可以用通用計算機軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,改進(jìn)實驗數(shù)據(jù)處理方法、中學(xué)階段,一般可以簡單地運用Matl a b或者Exce 1進(jìn)行曲線擬合 , 也可以用專用得軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理, 形成多種解釋數(shù)據(jù)之間關(guān)系得方法。4 . 3 “智能化”地創(chuàng)建實驗報告軟件可以創(chuàng)建各種文檔, 如實驗指導(dǎo)報告文檔、實驗預(yù)習(xí)報告文檔、數(shù)據(jù)處理結(jié)果文檔、實驗主報告文檔以及需要得文檔。 WORD建得文檔另存為RTFt件就能導(dǎo)入到實驗文檔中。電子文檔得優(yōu)點如方便多次

13、修訂, 方便網(wǎng)絡(luò)共享、同伴交流學(xué)習(xí)在這里實現(xiàn)。5、教學(xué)過程“現(xiàn)代化”5 。 1 教學(xué)手段現(xiàn)代化與傳統(tǒng)得實驗儀器相比, 傳感器更具有品種多、技術(shù)新、功能強、發(fā)展快、性能可靠等優(yōu)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(xiàn)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(shù)據(jù)采集器已在實際得現(xiàn)代生產(chǎn)、生活中得到了廣泛得應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集器在中學(xué)物理實驗得應(yīng)用, 使學(xué)生能提早接觸與熟悉數(shù)據(jù)采集器, 適應(yīng)時代要求。教師利用數(shù)字化實驗設(shè)備可以最大限度地率領(lǐng)學(xué)生敢于向傳統(tǒng)挑戰(zhàn)。教師可以利用數(shù)字化實驗設(shè)備創(chuàng)設(shè)情景, 讓學(xué)生充滿對周圍事物關(guān)心得激情, 促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)造性思維得發(fā)展

14、。5。 2 教學(xué)方式現(xiàn)代化D I S實驗提供一種現(xiàn)代得認(rèn)知工具、認(rèn)知工具就是支持、指導(dǎo)、擴(kuò)展學(xué)習(xí)者思維過程得心理或計算與實驗裝置。前者存在于學(xué)習(xí)者內(nèi)部如學(xué)習(xí)者得認(rèn)知、元認(rèn)知策略; 后者則就是外部得 , 包括基于計算機得裝置與環(huán)境; 它們都就是知識建構(gòu)得輔助工具。認(rèn)知工具由學(xué)習(xí)者控制而不就是由教師或技術(shù)控制得; 認(rèn)知工具用來促成學(xué)習(xí)者對所學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行努力思考、并達(dá)成一些在沒有工具情況下難以形成得想法。學(xué)生能否適應(yīng)當(dāng)今知識與信息爆炸得社會, 就是否具備完整得信息處理能力將尤為關(guān)鍵。而以傳感器為主得數(shù)字化實驗室仍以學(xué)生得真實實驗為基礎(chǔ), 很好地抓住了信息處理得三個重要環(huán)節(jié)（ 采集、處理與表達(dá)）, 從而

15、有效實現(xiàn)了信息技術(shù)與理科學(xué)科得整合。數(shù)字化實驗室對轉(zhuǎn)變學(xué)生得學(xué)習(xí)方式、提高實踐能力、培養(yǎng)創(chuàng)新精神等方面就是值得肯定得。數(shù)字實驗與常規(guī)實驗相比各有什么優(yōu)缺點數(shù)字實驗得優(yōu)點:1、數(shù)字實驗具有實時性,高精度,省時,直觀 ,精準(zhǔn) ,快速,簡便、模擬性強,易于操作,便于數(shù)據(jù)得處理,呈現(xiàn)出物理圖象 ,對實驗動態(tài)變化過程得展示與實驗數(shù)據(jù)采集、加工、處理及學(xué)生興趣得激發(fā)有很強得優(yōu)勢、2數(shù)字實驗運用實時測量、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析與智能控制等先進(jìn)技術(shù), 使得枯燥得知識以圖文并茂得形式呈現(xiàn)出來,便于學(xué)生培養(yǎng)學(xué)習(xí)物理得興趣,便于數(shù)據(jù)得處理呈現(xiàn)出物理圖象 ,數(shù)字模擬實驗可以變抽象為直觀,有電影回放得感受,動靜自如。3、由

16、于實驗誤差較小,使規(guī)律與概念得發(fā)現(xiàn)或驗證更具嚴(yán)謹(jǐn)性與可信度。4 、實驗測量精準(zhǔn)、快速、簡便,就是學(xué)生能夠很容易得物理量間得各種關(guān)系,對定量研究規(guī)律很適合。5、動態(tài)采集實驗信息,分析物理動態(tài)變化有很強得優(yōu)勢。6、電腦對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,分析,減少繁瑣得計算,有更多得時間來研究掌握物理規(guī)律上。7、提高了學(xué)生學(xué)生物理得興趣與積極性,轉(zhuǎn)變學(xué)生得學(xué)習(xí)方法,讓學(xué)生有更廣闊得自主學(xué)習(xí)空間。數(shù)字實驗得缺點:1、不利于訓(xùn)練學(xué)生得操作能力,給人以虛擬得感覺。難以培養(yǎng)學(xué)生得動手、動腦能力,而且數(shù)字實驗室得建設(shè)資金投入大,對老師與學(xué)生在現(xiàn)代教學(xué)設(shè)備得應(yīng)用要求較高。2、數(shù)字實驗科技含量高,設(shè)備價格昂貴,中學(xué)實驗室需要一定經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)得大力支持。3、數(shù)字實驗很現(xiàn)代,對當(dāng)年科學(xué)家對規(guī)律得發(fā)現(xiàn)過程在再現(xiàn)方面有些弱化,學(xué)生無法感受科學(xué)家在探索過程中得艱辛與執(zhí)著,不能較好地實現(xiàn)教學(xué)得三維目標(biāo)。4、數(shù)字實驗操作靈活快捷，削弱了學(xué)生觀察動手與計算能力、甚至有得學(xué)生只就是出于對 腦得好奇,忽略了對物理過程得觀察以及對本質(zhì)得探究、常規(guī)實驗得優(yōu)點:1、注重學(xué)生得參與體驗，直觀得現(xiàn)象比抽