數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)與應(yīng)用方法

上海江鳳光學(xué)儀器有限公司 宋鈺蕾

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)主要利用傳感器將實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過數(shù)據(jù)采集器傳送至計(jì)算機(jī)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分析與處理，獲得實(shí)驗(yàn)圖像，以此探究實(shí)驗(yàn)的規(guī)律和特點(diǎn)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程實(shí)現(xiàn)融合的載體，是進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)重要的技術(shù)支撐，是提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)質(zhì)量的重要手段。由此可見，研究數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)與應(yīng)用方法具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，使得傳統(tǒng)的中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)生了翻天覆地的變化，在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師需要帶領(lǐng)實(shí)驗(yàn)親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，待實(shí)驗(yàn)完成之后，還要整理數(shù)據(jù)信息，在通過描點(diǎn)法才能繪制出數(shù)據(jù)圖像，既耗時(shí)又費(fèi)力，且學(xué)生們的學(xué)習(xí)效果也不是特別理想。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)指的是使用由傳感器、數(shù)據(jù)采集器及數(shù)據(jù)分析軟件的實(shí)驗(yàn)，這一實(shí)驗(yàn)是根據(jù)計(jì)算機(jī)和傳感技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)過程中利用傳感器進(jìn)行測(cè)量、自動(dòng)搜集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，只需將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理和分析，進(jìn)而顯示出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖像，可以在最短的時(shí)間內(nèi)總結(jié)出實(shí)驗(yàn)的結(jié)論和目的。

1 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的介紹

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)指的是使用由傳感器、數(shù)據(jù)采集器及數(shù)據(jù)分析軟件的實(shí)驗(yàn)，也被稱為“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)”（也稱DIS實(shí)驗(yàn)，Digital Information System）（如圖1所示）。其中，傳感器負(fù)責(zé)在實(shí)驗(yàn)中直接測(cè)量，將電信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器中，數(shù)據(jù)采集器再將讀取的信號(hào)進(jìn)行交換傳遞到分析軟件中，最終以圖表形式實(shí)時(shí)顯示在軟件界面中[1]。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)參數(shù)和所測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集記錄、處理分析數(shù)據(jù)并同步制出圖表。

2 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的分類

隨著技術(shù)不斷提升更新，目前的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備已經(jīng)從原本的只有有線類的基礎(chǔ)上，逐步升級(jí)擴(kuò)充了無線類設(shè)備（如圖1、圖2所示）。

圖1 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)組成示意—有線Fig.1 Schematic diagram of digital experiment composition - wired

圖2 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)組成示意—無線Fig.2 Schematic diagram of digital experiment composition - wireless

有線類通過數(shù)據(jù)線將傳感器、數(shù)據(jù)采集器和分析軟件連接起來。相比無線類而言，其數(shù)據(jù)傳輸、信號(hào)交換更穩(wěn)定。產(chǎn)品如無特殊使用環(huán)境（強(qiáng)酸/強(qiáng)堿、長(zhǎng)期潮濕/干燥），使用壽命較長(zhǎng)。無線版本的優(yōu)勢(shì)則在于不受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地環(huán)境限制，便攜、功能綜合、數(shù)據(jù)傳輸直接，應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)學(xué)、生理學(xué)、戶外探究性實(shí)驗(yàn)課程十分理想。且可以通過連接，在小組成員間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)共享。

從工作原理上，兩者只在數(shù)據(jù)傳輸方式上有所區(qū)別：無線類通過藍(lán)牙裝置進(jìn)行信號(hào)的收發(fā)，而有線類直接通過數(shù)據(jù)線完成該動(dòng)作。由于藍(lán)牙信號(hào)收發(fā)受電信號(hào)的影響較大，使用無線類傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)要確保周圍沒有過多的電子設(shè)備干擾[2]。

3 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)分析“功能化”的應(yīng)用

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析“功能化”的應(yīng)用其中的數(shù)據(jù)分析軟件十分功能強(qiáng)大，幾乎不用考慮分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)容量的負(fù)載問題。數(shù)據(jù)通過軟件直接儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)設(shè)備上，在進(jìn)行長(zhǎng)周期的實(shí)驗(yàn)記錄時(shí)，確保計(jì)算機(jī)設(shè)備的空間足夠即可。此外，通過軟件設(shè)置，可調(diào)整傳感器的采樣頻率和數(shù)據(jù)采集模式；為采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)方程式的線性或曲線擬合；將實(shí)驗(yàn)視頻－數(shù)據(jù)同步記錄并回放；標(biāo)記、備注數(shù)據(jù)表格中的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。這幾項(xiàng)功能使該技術(shù)得以應(yīng)用于不同實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮筒煌瑢?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集上。

其中值得一提的是“實(shí)驗(yàn)視頻－數(shù)據(jù)同步記錄回放”功能，很多時(shí)候受實(shí)驗(yàn)原料、實(shí)驗(yàn)環(huán)境的限制，實(shí)驗(yàn)無法多次重復(fù)；回顧分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)只有數(shù)據(jù)，或只有影像，難以觀察現(xiàn)象產(chǎn)生的同時(shí)數(shù)據(jù)情況如何；實(shí)驗(yàn)本身的危險(xiǎn)性致使不適宜現(xiàn)場(chǎng)演示等，這項(xiàng)功能都能切實(shí)地解決這些顧慮。

除了在理化生實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)、現(xiàn)象記錄和處理中起到實(shí)際作用外，數(shù)字化技術(shù)無形中為使用者淡化了學(xué)科間固有的邊界。由于整套系統(tǒng)的使用沒有學(xué)科的區(qū)分，在物理、化學(xué)和生物實(shí)驗(yàn)中獲得的靈感及數(shù)據(jù)處理的方式方法能夠互相通用，這一點(diǎn)也為培養(yǎng)跨學(xué)科的綜合性優(yōu)質(zhì)人才做了堅(jiān)實(shí)鋪墊。在實(shí)驗(yàn)啟蒙的過程中擊破學(xué)科間的壁壘枷鎖，真正發(fā)現(xiàn)物理、化學(xué)、生物、數(shù)學(xué)等學(xué)科并非無交集的單一孤島。

3.2 實(shí)驗(yàn)過程“可視化”的應(yīng)用

“可視化”指的是實(shí)驗(yàn)過程中空間與時(shí)間的可視性，這是實(shí)驗(yàn)人員分析實(shí)驗(yàn)的過程，是實(shí)驗(yàn)人員理解和掌握物理規(guī)律的必要條件，是學(xué)會(huì)將物理知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中的重要手段，在具體的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)過程中，很多實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以通過肉眼觀察得出，需要借助顯微鏡的幫助，而時(shí)間上的細(xì)微過程又難以捕捉，需要借助攝像機(jī)的幫助，這些都是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中的重難點(diǎn)問題，比如彈簧振子F-t、x-t關(guān)系、放電電流i-t關(guān)系以及碰撞的過程及原理，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中由于以上實(shí)驗(yàn)都是以理論性為主，又或者需要利用多媒體輔助設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。如何有效解決這一問題，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程因?qū)嶒?yàn)人員的肉眼觀察難分辨性和手工記錄的局限性，這一問題也始終未能從根本上得到解決，而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)則是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器設(shè)備，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)地采集、分析的過程，不受時(shí)間和空間的現(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)記錄，也就是利用計(jì)算機(jī)和傳感器的方式代替了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)人員手、紙、筆的記錄方式，不受時(shí)間的限制性和瞬間變化的可視性。比如，將計(jì)算機(jī)和傳感技術(shù)應(yīng)用到超重和失重的講學(xué)中，就可以幫助相關(guān)人員清楚地記錄下壓力如何隨著時(shí)間變化的圖像，引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)人員明白超重和失重的原理，進(jìn)而更好的總結(jié)二者的特點(diǎn)[3]。

企業(yè)在創(chuàng)新管理模式的過程當(dāng)中，需要明確地辨識(shí)一些潛在的用戶以及用戶的不同需求，進(jìn)而合理地使用大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，最大限度地收集到用戶的相關(guān)資料，并對(duì)其進(jìn)行有效的整合分析，開發(fā)出潛在用戶的需求，激發(fā)出用戶的需求，并結(jié)合用戶的需求生產(chǎn)相應(yīng)的產(chǎn)品，促進(jìn)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)發(fā)展。

3.3 實(shí)驗(yàn)過程“重點(diǎn)化”的應(yīng)用

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)由計(jì)算機(jī)和傳感器代替人的肉眼讀取相關(guān)數(shù)據(jù)信息、代替人的大腦對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計(jì)算，解脫實(shí)驗(yàn)人員繁重的工作量，直接將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息通過“物理車輛——時(shí)間”的圖像方式顯示出來，觀察物理量和物理量之間的變化關(guān)系，使實(shí)驗(yàn)人員擺脫因制圖不準(zhǔn)確而出現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤問題，使他們可以有更多的時(shí)間和精力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、探究和分析，進(jìn)而更加深入地理解和掌握被實(shí)驗(yàn)對(duì)象的概念原理和規(guī)律。

3.4 數(shù)據(jù)采集“智能化”的應(yīng)用

數(shù)據(jù)采集“智能化”離不開計(jì)算機(jī)技術(shù)的支撐，具體表現(xiàn)為自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化、并行化、定量化幾個(gè)方面。

3.4.1 自動(dòng)化

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)開始之前需要完成連續(xù)采樣、單點(diǎn)采樣、閾值采樣等的多途徑采樣模式，這樣才能為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)過程的自動(dòng)化奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)礎(chǔ)。其中，采集器自身具備的強(qiáng)大功能的采集器可以完整準(zhǔn)確地將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的各類信息數(shù)據(jù)記錄下來，并自動(dòng)存儲(chǔ)在已經(jīng)建立的數(shù)據(jù)庫(kù)中。同時(shí)，采集器還具備信息反饋輸出功能，可以以其他器材作為輔助，使整個(gè)數(shù)據(jù)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)智能化的目的。此外，連續(xù)采樣頻率較高，最高可達(dá)5000～10000Hz，采集速度為10000個(gè)數(shù)據(jù)及以上/s，但最低也可能是幾分鐘又或者幾小時(shí)才能存儲(chǔ)一個(gè)數(shù)據(jù)，由此可見其可以滿足數(shù)字化實(shí)驗(yàn)過程中的全部要求。

3.4.2 實(shí)施化

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)主要通過計(jì)算機(jī)控制，可以在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的讀取，再利用計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)信息處理功能，將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)過程中不同的數(shù)據(jù)信息以圖像的形式體現(xiàn)出來，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具準(zhǔn)確性與可靠性。也正是由于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)快速與高效的特點(diǎn)，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具有直觀性，數(shù)據(jù)的顯示速度更快、更準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)記錄的同步。

3.4.3 并行化

數(shù)據(jù)信息采集器可以同時(shí)接入多只傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)不同類型物理量的采集，比如在對(duì)彈簧振子的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)過程中，如果依然運(yùn)用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)驗(yàn)人員就會(huì)對(duì)其中的物理規(guī)律和原理的理解較為抽象，將知識(shí)進(jìn)行運(yùn)用的時(shí)候也比較吃力，也很難在有限的時(shí)間內(nèi)觀察到回復(fù)力、加速度、位移和速度不同物理量的運(yùn)動(dòng)過程，而通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，就可以借助傳感器完成對(duì)數(shù)據(jù)信息的快速采集、分析、整理和歸納，進(jìn)而直觀地顯示“F-t、x-t”動(dòng)態(tài)圖像，幫助實(shí)驗(yàn)人員建立簡(jiǎn)單的物理圖像，積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，理解物理原理，獲得傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程中難以收獲的效果。

3.4.4 定量化

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過程中，由于受實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)時(shí)間等因素的影響和限制，實(shí)驗(yàn)過程很難量化，而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生從原本的物理定性實(shí)驗(yàn)直接審計(jì)為定量實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)采集“智能化”中的定量化指的是利用傳感器將在實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息先進(jìn)行處理，再轉(zhuǎn)化為以計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和處理的過程，從采集、分析、整理和歸納全部由計(jì)算機(jī)完成，有效避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程中因?qū)嶒?yàn)人員自身的原因造成的測(cè)量誤差，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具說服力。比如，將電壓通過數(shù)字化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其測(cè)量精度需要控制在0.01V，光門計(jì)時(shí)的精度應(yīng)當(dāng)控制在0.1ms，測(cè)量精度和光門精度的誤差要求相同，即都為0.1，這已是物理實(shí)驗(yàn)中最高的精度了。再比如，壓強(qiáng)傳感器是建立在工業(yè)級(jí)壓敏器件之上的，其量程為0～300Kpa，分度為0.1Kpa，這樣就可以準(zhǔn)確地反映出數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中壓強(qiáng)傳感器的變化情況。

另外，通過計(jì)算機(jī)處理實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息可以同步將實(shí)驗(yàn)過程、原理全部以數(shù)字和示波器的方式反映出來，更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。同時(shí)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)還具有精度高、誤差小、數(shù)據(jù)可以定量顯示等的特點(diǎn)，這就使得實(shí)驗(yàn)規(guī)律的探究和發(fā)現(xiàn)更具可行性，也為學(xué)生進(jìn)行“定量化”創(chuàng)造了有利的條件，對(duì)于實(shí)驗(yàn)人員更好地理解物理的原理具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3.5 數(shù)據(jù)處理“智能化”的應(yīng)用

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的配置、傳感器的設(shè)置都是一個(gè)模板（.ews）的形式存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)的硬盤中，同時(shí)軟件中還具備回放功能，只需要從硬件中復(fù)制粘貼實(shí)驗(yàn)流程和步驟，就可以在計(jì)算機(jī)中將實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行重演，相關(guān)人員就可以不受時(shí)間和空間的限制隨時(shí)定格實(shí)驗(yàn)過程，回憶實(shí)驗(yàn)過程，而保存的數(shù)據(jù)信息又以格式的形式重新存儲(chǔ)于硬盤中，實(shí)現(xiàn)傳輸目的。此外，實(shí)驗(yàn)人員利用計(jì)算機(jī)中強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，將實(shí)驗(yàn)過程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以最短的時(shí)間發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)上，與他人進(jìn)行共享。

3.5.1 “智能化”的數(shù)據(jù)信息擬合

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以具有對(duì)數(shù)據(jù)信息平均值、最大值和最小值以及擬合等的多種計(jì)算功能，其中數(shù)據(jù)擬合是對(duì)數(shù)據(jù)信息處理的關(guān)鍵所在，也是學(xué)生們對(duì)知識(shí)理解的盲區(qū)，雖然大部分的實(shí)驗(yàn)人員早已理解了數(shù)據(jù)擬合的根本目的是為了明確不同數(shù)據(jù)之間的關(guān)系而獲得物理原理的基本方法，其中還包含一次函數(shù)、二次函數(shù)、冪函數(shù)的基本的數(shù)學(xué)知識(shí)，但是由于缺少對(duì)分散數(shù)據(jù)的擬合，系統(tǒng)直接給出的是“菜單類型”的擬合操作，為實(shí)驗(yàn)人員的實(shí)驗(yàn)過程提供優(yōu)良的實(shí)驗(yàn)條件，贏得實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提升實(shí)驗(yàn)效率，為培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)人員的邏輯思維能力，物理實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)礎(chǔ)。

借助計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)信息，是對(duì)傳統(tǒng)信息處理方法的完善和優(yōu)化，依然需要實(shí)驗(yàn)人員使用傳統(tǒng)的紙筆進(jìn)行訓(xùn)練，待熟悉了這一數(shù)據(jù)處理的方法和流程之后，方可利用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的處理。中學(xué)時(shí)期，可以利用Matlab或者Excel的方式實(shí)現(xiàn)曲線擬合，也可以利用專業(yè)的軟件實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的處理，進(jìn)而形成多種不同類型數(shù)據(jù)關(guān)系的方法。

3.5.2 智能化可自動(dòng)形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)這一新型的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ娇梢宰詣?dòng)生成類型不同的文檔，比如指導(dǎo)文檔、預(yù)習(xí)文檔以及數(shù)據(jù)信息處理等的文檔，所生成的文檔號(hào)令存為RTF中，實(shí)驗(yàn)時(shí)在導(dǎo)入文檔中，其優(yōu)勢(shì)是可以進(jìn)行多次修訂，方便共享，實(shí)現(xiàn)相互學(xué)習(xí)目的。

4 結(jié)語

綜上所述，作為新時(shí)期下的中學(xué)生是否可以適應(yīng)當(dāng)前形勢(shì)下信息快速發(fā)展的社會(huì)，是否具備對(duì)大量數(shù)據(jù)信息的使用和處理能力，對(duì)提升學(xué)生們的綜合素養(yǎng)至關(guān)重要。為借助計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)徹底改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，更好地體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)過程的三要素，促進(jìn)了理論知識(shí)與實(shí)踐教學(xué)的有效融合，對(duì)提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率、物理素養(yǎng)以及創(chuàng)新能力等方面都是值得肯定的。

引用

[1] 高弘.淺析數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與新課標(biāo)實(shí)施[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器, 2009,26(3):4+6.

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[3] 沈世紅.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思考[J].現(xiàn)代中小學(xué)教育,2016,32(6):79-82.