數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

摘要：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是對(duì)傳統(tǒng)常規(guī)實(shí)驗(yàn)手段的重大創(chuàng)新。文章重點(diǎn)論述了中學(xué)理科數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)中面臨的問(wèn)題，尤其是對(duì)目前國(guó)內(nèi)大部分同類系統(tǒng)尚未很好解決的通用實(shí)驗(yàn)和專用實(shí)驗(yàn)之間的矛盾、實(shí)驗(yàn)過(guò)程的有效控制、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確分析、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理、實(shí)驗(yàn)過(guò)程的重放等問(wèn)題，提出了解決方案；對(duì)未來(lái)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)面向互聯(lián)網(wǎng)、支持手持移動(dòng)終端等發(fā)展方向作了展望。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；中學(xué)理科教學(xué)；通用實(shí)驗(yàn)；專用實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)?zāi)０澹粋鞲衅?；控?/p>

0 引言

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(有時(shí)也稱為計(jì)算機(jī)輔件)一般由傳感器、測(cè)控器(或數(shù)據(jù)采集器)、有關(guān)的軟件和計(jì)算機(jī)組成，其中計(jì)算機(jī)是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心。通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以把課堂創(chuàng)建為一種學(xué)習(xí)者能主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)的環(huán)境。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠支持學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行定量的測(cè)量，特別是測(cè)量一些使用傳統(tǒng)設(shè)備很難測(cè)量的變量，使學(xué)生積極參與到以觀察和實(shí)驗(yàn)為主的探究學(xué)習(xí)中，實(shí)施探究并且獲得有效的學(xué)習(xí)效果，是信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)整合的有效手段。

本文著重論述的是中學(xué)理科數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)中面臨的問(wèn)題及解決方案。中學(xué)理科實(shí)驗(yàn)是一個(gè)相對(duì)比較寬泛的概念。其中，物理實(shí)驗(yàn)是最主要的部分，涉及到的實(shí)驗(yàn)包括力學(xué)、電磁學(xué)等方面原理；化學(xué)和生物學(xué)實(shí)驗(yàn)則主要涉及到成分測(cè)量方面的實(shí)驗(yàn)。

由于理科實(shí)驗(yàn)中各類不同實(shí)驗(yàn)之間差別較大，因此要將這些實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一在同一個(gè)固定操作界面的軟件上，其實(shí)現(xiàn)就會(huì)有相當(dāng)?shù)碾y度。而為每個(gè)單獨(dú)實(shí)驗(yàn)定制專門的程序，意味著程序的開(kāi)發(fā)量不可控，同時(shí)也很難滿足所有教師在教學(xué)上的個(gè)性化要求。

筆者近期承接了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)任務(wù)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)大部分的同類軟件產(chǎn)品都存在上述問(wèn)題。而另一個(gè)情況是大部分的國(guó)內(nèi)軟件目前都無(wú)法做到隨時(shí)保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)分析過(guò)程，留待重新調(diào)用或重放實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

1 通用實(shí)驗(yàn)和專用實(shí)驗(yàn)矛盾的解決

在國(guó)外成熟的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，基本不存在通用實(shí)驗(yàn)和專用實(shí)驗(yàn)的概念。不同的實(shí)驗(yàn)是通過(guò)設(shè)計(jì)不同的模板來(lái)實(shí)現(xiàn)的。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要幾個(gè)前提：

(1)軟件運(yùn)行的配置項(xiàng)經(jīng)過(guò)有效的歸納整理，都已完全參數(shù)化。程序運(yùn)行的各種可能性，包括界面表現(xiàn)、操作流程等要素都可預(yù)先通過(guò)參數(shù)配置來(lái)進(jìn)行控制。

(2)無(wú)論模板如何變化，數(shù)據(jù)的管理構(gòu)架都是統(tǒng)一的，能夠采用同一種方法存儲(chǔ)和調(diào)用以及傳輸。

(3)提供自由的數(shù)據(jù)變換方式和自由公式編輯功能。否則就無(wú)法滿足不同實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)算、轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)分析方面的要求。

(4)提供豐富的數(shù)據(jù)分析工具，包括直線擬合、各類曲線擬合以及積分、求導(dǎo)、統(tǒng)計(jì)等。

(5)提供通用實(shí)驗(yàn)報(bào)告功能。

國(guó)內(nèi)的同類軟件，由于多數(shù)沒(méi)有經(jīng)過(guò)很好的設(shè)計(jì)，軟件的開(kāi)發(fā)是“見(jiàn)招拆招”，碰到問(wèn)題才考慮怎么解決。在這樣的開(kāi)發(fā)模式下，要通過(guò)通用的程序＋實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓姆绞浇鉀Q所有的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題是不現(xiàn)實(shí)的。正是由于這個(gè)原因，國(guó)內(nèi)目前的同類軟件都是采用通用軟件＋專用軟件結(jié)合的方式，既每個(gè)實(shí)驗(yàn)都是單獨(dú)編制一個(gè)程序。這樣做既浪費(fèi)開(kāi)發(fā)時(shí)間，又讓教師和學(xué)生在使用過(guò)程中喪失了探究的可能性。

2 解決方案

2.1設(shè)計(jì)

分析了國(guó)外成熟數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的做法后，我們決定采用通用軟件平臺(tái)＋定制實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓姆椒▉?lái)解決通用實(shí)驗(yàn)和專用實(shí)驗(yàn)之間的矛盾(見(jiàn)圖1)。

可以把通用程序看作實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓慕馕銎骱瓦\(yùn)行平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)?zāi)０宕鎯?chǔ)了以下信息(見(jiàn)圖2)：①軟件運(yùn)行參數(shù)的配置庫(kù)；②實(shí)驗(yàn)控件配置信息；③預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)換算方法；④預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)分析方法；⑤預(yù)先設(shè)定的實(shí)驗(yàn)說(shuō)明文件；⑥預(yù)先設(shè)定的實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式。

軟件運(yùn)行參數(shù)的配置庫(kù)存儲(chǔ)的是通用軟件平臺(tái)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的配置情況。主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)實(shí)驗(yàn)類參數(shù)。包括實(shí)驗(yàn)名稱、實(shí)驗(yàn)類型、實(shí)驗(yàn)可重復(fù)最大次數(shù)、實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間。

(2)傳感器類參數(shù)。包括實(shí)驗(yàn)所采用的傳感器類型、數(shù)量、采樣頻率、采樣方式等。

其中實(shí)驗(yàn)類參數(shù)決定了該實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓膶傩悦枋?，通過(guò)這些屬性描述清楚地定義了該模板的實(shí)際使用范圍。而傳感器參數(shù)則決定了軟件在運(yùn)行過(guò)程中如何檢查設(shè)備連接情況以及如何配置這些連接設(shè)備。

實(shí)驗(yàn)控件配置信息存儲(chǔ)的是軟件平臺(tái)在運(yùn)行過(guò)程中需要在界面上展現(xiàn)哪些實(shí)驗(yàn)控件，以及這些控件的名稱、位置、顏色、背景圖樣以及所顯示的數(shù)據(jù)等屬性。

預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)換算方法存儲(chǔ)的是原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)從傳感器上傳后，如何換算成不同的數(shù)列集。

預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)分析方法存儲(chǔ)的是一些預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)分析算法庫(kù)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集完畢后，實(shí)驗(yàn)操作者只需點(diǎn)選預(yù)設(shè)的曲線類型，程序就能對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出擬合曲線。

預(yù)先設(shè)定的實(shí)驗(yàn)說(shuō)明文件存儲(chǔ)的是實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯谱髡?通常是教師)。為了能通過(guò)圖文描述實(shí)驗(yàn)的裝置情況、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟等，預(yù)先編寫的實(shí)驗(yàn)說(shuō)明書。模板也應(yīng)存儲(chǔ)這些實(shí)驗(yàn)說(shuō)明文件。

預(yù)先設(shè)定的實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式存儲(chǔ)了教師預(yù)先定義的實(shí)驗(yàn)報(bào)告指定格式。

要實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)０澹瑒t首先需要分析所有的實(shí)驗(yàn)，不會(huì)變化的要素有哪些(共性)，變化的要素有哪些(個(gè)性)，如何保存、記錄這些要素，如何正確重現(xiàn)這些要素。

2.2實(shí)驗(yàn)的共性要素

對(duì)于中學(xué)理科實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，共性的是實(shí)驗(yàn)過(guò)程。所有的實(shí)驗(yàn)流程都是按照下述步驟進(jìn)行的：①閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。②布置實(shí)驗(yàn)器材。③采集數(shù)據(jù)。④觀察數(shù)據(jù)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行各類分析。⑤形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。其中第④步驟，觀察和分析數(shù)據(jù)采用了圖形(圖3)和數(shù)據(jù)列表(圖4)兩種描述工具。

2.3實(shí)驗(yàn)的個(gè)性要素

針對(duì)實(shí)驗(yàn)的每個(gè)步驟，有許多可配置的個(gè)性要素。例如：

(1)針對(duì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)階段，應(yīng)顯示哪篇實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)文件。

(2)針對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置布置階段，采用哪幾種類型的傳感器，采樣頻率各是多少，量程各是多少，數(shù)據(jù)采集方式是連續(xù)采集，還-是值變化采集，或是閥值觸發(fā)方式采集。

(3)在數(shù)據(jù)觀察分析階段，可配置的個(gè)性項(xiàng)就更多了。例如，共分幾個(gè)頁(yè)面展示數(shù)據(jù)和圖形，每個(gè)頁(yè)面各布置什么控件，每個(gè)控件的位置和大小，每個(gè)數(shù)據(jù)列表框和數(shù)據(jù)圖形窗各顯示哪幾列數(shù)據(jù)等等。

(4)對(duì)于實(shí)驗(yàn)報(bào)告階段則需要配置哪些數(shù)據(jù)被抽取到實(shí)驗(yàn)報(bào)告中等。

(5)其它各類輔助性的配置參數(shù)，比如本實(shí)驗(yàn)的名稱，類型(物理、化學(xué)、生物)等等。

2.4實(shí)驗(yàn)要素的記錄和保存

本軟件采用數(shù)據(jù)列表集合的方式保存上述所有的配置信息。

配置信息數(shù)據(jù)列表集合采用下述結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5)：

這些設(shè)置表分別如下：①BaseSet基本設(shè)置表；②SensorSet傳感器設(shè)置表；③ControlSet控件設(shè)置表，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

每個(gè)控件自己獨(dú)立向該表記錄自己的關(guān)鍵信息，如位置、大小、關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)等。記錄哪些信息都是由控件自己獨(dú)立決定的。每條記錄都必須標(biāo)示是屬于哪個(gè)控件的，該控件的父控件是誰(shuí)。這樣當(dāng)從數(shù)據(jù)列表中恢復(fù)控件時(shí)，就能準(zhǔn)確得得到該控件相關(guān)的所有信息。

(1)CalcDataSet計(jì)算數(shù)列設(shè)置表

本表采用動(dòng)態(tài)增加字段的方式，每個(gè)字段有一個(gè)Expression屬性，該屬性決定了字段內(nèi)容生成的公式。在公式中可以使用傳感器獲得的數(shù)據(jù)，可使用變量表中的數(shù)據(jù)，也可使用其它計(jì)算數(shù)列的數(shù)據(jù)。例如：CalcData2的Expression為：Sensorl*Variablel+CaleDatal，表示CalcData2的數(shù)據(jù)內(nèi)容為同一行中的Sensorl數(shù)據(jù)乘上變量Variablel中的數(shù)據(jù)，再加上CalcDatal中的數(shù)據(jù)。

(2)VariableSet變量設(shè)置表(略)

上述信息都是在實(shí)驗(yàn)?zāi)０逶O(shè)計(jì)階段實(shí)時(shí)記錄的。當(dāng)需要保存這些信息至文件時(shí)，軟件對(duì)《模板數(shù)據(jù)列表集合》進(jìn)行序列化操作，以xML的格式保存至文件中。當(dāng)需要恢復(fù)該《模板數(shù)據(jù)列表集合》時(shí)，則從文件中讀出XML數(shù)據(jù)流，并進(jìn)行反序列化操作。

序列化的代碼例程：

2.5正確重現(xiàn)控件

傳感器配置信息、實(shí)驗(yàn)基本配置信息、計(jì)算數(shù)列信息等在反序列化操作后，都不必進(jìn)行后處理。而控件信息在反序列化后，需要進(jìn)行還原。在本軟件中，所有的近控件都布置在—個(gè)個(gè)TabPage中，因此需要首先正確還原各TabPage。當(dāng)—個(gè)TabPage還原后，再輪詢整個(gè)ControlSet數(shù)據(jù)列表，將凡屬于該TabPage的所有控件(ParemName=該TabPage)依次還原到該TabPage上(見(jiàn)圖6)。

2.6實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效存儲(chǔ)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程重放

在采用模板方式解決了通用實(shí)驗(yàn)和專用實(shí)驗(yàn)之間的矛盾后，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效存儲(chǔ)、傳輸和實(shí)驗(yàn)過(guò)程重放并不難解決。由于軟件的模板采用XML格式存儲(chǔ)，而軟件的數(shù)據(jù)也完全可以采用該格式存儲(chǔ)。實(shí)際上，模板和數(shù)據(jù)是同一個(gè)結(jié)構(gòu)，這樣也便于軟件處理。

軟件在內(nèi)存中設(shè)立一個(gè)存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的DataSet。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，該DataSet是空的。當(dāng)軟件從傳感器讀入數(shù)據(jù)后，軟件將這些原始數(shù)據(jù)，以及這些原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算后得到的計(jì)算列數(shù)據(jù)一并存儲(chǔ)在DataSet中。如果操作者選擇保存數(shù)據(jù)，則軟件簡(jiǎn)單地將整個(gè)DataSet經(jīng)過(guò)XML格式序列化轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)到文件中。當(dāng)需要時(shí)，將文件中的XML流反序列化覆蓋內(nèi)存中的DataSet即可。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程回放的實(shí)現(xiàn)方法為：首先清空?qǐng)D形控件中的數(shù)據(jù)(使圖形控件恢復(fù)到空白狀態(tài))，然后通過(guò)一個(gè)時(shí)間閥將DataSet中的數(shù)據(jù)重新傳輸給各個(gè)圖形控件。通過(guò)控制時(shí)間閥的頻率，就能控制數(shù)據(jù)回放的速率。這樣就能看清某些瞬間發(fā)生的實(shí)驗(yàn)狀況，也能看到以前實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行過(guò)程。

對(duì)于各個(gè)控件而言，實(shí)驗(yàn)過(guò)程回放本質(zhì)上可看作從數(shù)據(jù)源重新讀取數(shù)據(jù)的過(guò)程，只是數(shù)據(jù)源從采集器替換為數(shù)據(jù)表，同時(shí)控制了數(shù)據(jù)獲取的速度。由于各控件是數(shù)據(jù)事件觸發(fā)的，因此，對(duì)各控件而言，正式的實(shí)驗(yàn)過(guò)程與實(shí)驗(yàn)過(guò)程回放并沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。

3 數(shù)據(jù)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展方向

中學(xué)理科實(shí)驗(yàn)是隨著中國(guó)課程改革的發(fā)展而不斷發(fā)展的。目前階段，中學(xué)理科實(shí)驗(yàn)剛剛開(kāi)始經(jīng)歷從傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段向數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段轉(zhuǎn)化的過(guò)程。而從未來(lái)的趨勢(shì)來(lái)看，中學(xué)理科實(shí)驗(yàn)還將經(jīng)歷從重復(fù)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)到設(shè)計(jì)探究性實(shí)驗(yàn)的發(fā)展，以及從課堂實(shí)驗(yàn)到戶外大型的體驗(yàn)型實(shí)驗(yàn)的發(fā)展。因此，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)在以下方面得到加強(qiáng)：

(1)更為自由和便捷的模板化設(shè)計(jì)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)能為教師提供更為自由的定制手段。而同時(shí)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)則應(yīng)為學(xué)生提供盡量簡(jiǎn)單實(shí)用的用戶體驗(yàn)設(shè)計(jì)。

(2)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的支持。在未來(lái)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，應(yīng)能通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行各類實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的交換、界面共享、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)報(bào)告處理等。

(3)對(duì)更先進(jìn)傳感器的支持。目前國(guó)外已經(jīng)發(fā)展出基于藍(lán)牙技術(shù)的無(wú)線傳感器，可用于測(cè)量游樂(lè)場(chǎng)過(guò)山車速度、位移、加速度等的大型戶外實(shí)驗(yàn)。由于傳感器、藍(lán)牙等都是成熟的應(yīng)用，因此技術(shù)并不是門檻，而軟件則應(yīng)能支持這些新技術(shù)的傳感器。

(4)基于手持設(shè)備的簡(jiǎn)化版本。由于戶外實(shí)驗(yàn)的需要，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)開(kāi)發(fā)出基于類似Pocket PC等手持設(shè)備操作系統(tǒng)的版本。這樣，教師和學(xué)生就可以通過(guò)基于藍(lán)牙的無(wú)線傳感器、掌上電腦等設(shè)備，完成諸如海拔測(cè)量、火車加速度測(cè)試等大型戶外探索型實(shí)驗(yàn)了。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文”