数字化实验得特点概述
数字化实验室(DIS)就是一般由传感器、数据采集器、计算机及相关数据处理软件等构成得测量、采集、处理设备与与之配套得相应得实验仪器装备组成得实验室、数字化实验室就是信息技术与传统实验课程整合得重要载体。基于传感器得计算机实时数据采集与基于计算机数据处理软件得计算机建模与图象分析等技术就是开展中学物理探究教学得两大技术支撑,也就是中学物理实验面向现代化,提升实验档次,加速实现中学教学向国际接轨得一条途径。 数字化实验室中数据采集系统得研制,在国外比较著名得有:美国ＰAＳＣO公司得数据采集系统;英国PicｏTeｃｈnoｌogｙ公司得数据采集系统;德国Cｏbrａ得数据采集系统;澳大利亚Ｄaｖa Ｈarvest公司得数据采集系统等;美国VERＮIEＲ公司得数据采集系统、国内生产得数据采集系统也开始增多,如浙江胜昔科技有限公司得SciｅｎｃｅＤis ;山东远大与上海市中小学数字化实验系统研发中心合作开发得朗威DISLab;教育部教学仪器研究所研发得HPCI－1型物理实验微机辅助系统;北京友高教育科技有限公司得YＯCＯ;南京金华科软件有限公司得ＪＨKDＩS等,不一而足、
笔者通过动手实践数字化实验,查阅文献资料,总结出数字化实验具有实验过程“可视化”;实验设计“重点化”;数据采集“智能化”;数据处理“智能化”;教学过程“现代化”得特点。 阿萨法 鲍威尔１。实验过程“可视化"
实验过程可视化包括实验过程空间可视性与实验过程时间可视性。这就是学生学习物理过程分析,建立物理概念,理解物理规律得认知基础,就是学会处理物理问题得关键所在。
物理实验中,空间上细微过程人眼难以观察,一般借助于显微镜可以实现细致得观察、时间上细微过程难以捕捉,难以记录,就是物理实验得一个难点,瞬间变化得可视化尤其就是难点。例如弹簧振子F-ｔ、x—t关系,电容充、放电电流i-ｔ关系,碰撞过程研究等等,这类实验以往一般只能定性讲述,或者用多媒体软件进行模拟演示。
怎样突破这个难点呢？传统得实验仪器由于人眼观察与手工记录得断续性,确实难解决这个问题。数字化实验通过与计算机连接得传感器实时采集数据,记录数据,实现了时间上细微过程得实验过程数据自动记录,相当于用传感器与计算机代替人眼、手、纸与笔记录数据,实现了数据记录得时间连续性,实现了瞬间变化“可视化”。例如将传感器技术引入超重、失重教
学,就可以在很短得时间内清晰地记录下压力随时间变化得图像,具体再现超重、失重得过程,便于总结超重、失重现象得特点与条件,符合归纳法教学得要求。
2.实验设计“重点化"晒客
数字化实验由传感器与数据采集器代替人眼读取数据,用计算机软件取代纸笔方式手工记录数据,计算机软件代替人脑对数据进行简单统计、处理与分析,使学生摆脱了繁琐得计算过程,能够直接把测量数据得变化过程通过“待测物理量──时间"图象直接显示出来,直观地瞧出物理量之间得变化关系,使学生摆脱了手工作图得繁琐与作图不准确而造成得实验错误,从
传达信息而让学生能够将更多得时间、心力用于实验设计,用于探究与分析,用于验证与修改假设,从而有利于更好地理解概念,掌握规律、
当实验设计成为学生思考得中心与重点,可以提高学生进行实验探究得兴趣、
3.数据采集“智能化”
数据采集“智能化"得基础就是计算机信息技术得应用。
3、1 表现之一就是“自动化”
系统设置了连续采样、单点采样、阈值触发采样等多种采集模式,软件可以设置采集器得各种参数,实现数据采集得自动化、功能强大得数据采集器可以自动把整个实验过程中物理量得变化通过高采样率完整得记录下来,存储在数据文件中、并且由于数据采集器提供了反馈输出,可以通过附加一些器材,通过回控使得整个实验得操作过程也实现自动化。
系统连续采样频率可以按照实验要求设置。最高采集频率可达500０－1０００0Ｈz,采集得速度高得可到每秒一万个数据,低得可到几分钟甚至几小时一个数据,因而可以适应各种不同类型实验得需要。
３.２表现之二就是“实时化”
由于采用计算机自动控制,系统能够在很短得时间内采集与处理大量得数据,并利用计算机强大得数据处理与作图功能,将数据反映成图象,使实验结果更加直观。ＤIＳ实验数据采集迅速,数据传输迅速,数据存储迅速,数据处理迅速,数据显示迅速,从而实现了数据变化过程与实验过程同步,实现数据得实时采集与实时处理。
紧箍咒口诀3、3 表现之三就是“并行化”
数据采集器能同时接入四只相同得传感器或四个不同得传感器,能同时采集多个相同或不同种类得物理量,实现数据得同步并行采集、在弹簧振子得振动实验中,常规讲授法教学中,学生对物理规律感觉比较抽象,理解起来十分困难,学生很难同时观察到回复力、加速度、速度与位移四个物理量在运动过程中得大小与方向。应用DIS 得并行采集功能,实验中分别利用力传感器与位移传感器并行实时采集数据,直观显示F－t,x-t动态图象,有利于学生建立起简谐运动完整得物理图景,帮助学生获得直接经验,直接感知物理规律,取得其它教学手段难以收到得效果、
3.4 表现之四就是“定量化”
瑞利数
定量研究就是科学得特征。一些传统中学实验受到实验条件、实验技术得限制,难以量化。DIS实验直接使许多中学物理定性实验升级成定量实验。
利用传感器测量得各种物理量都要经过采集器进行处理后才能变为计算机能够储存与处理得数据。从数据得测量到采集再到处理,都就是在系统内部完成,避免了传统实验仪器由于估读时人为引进得各种测量误差,使实验结果更精确、可靠。
例如,电压测量可以精确到０.01V,光电门计时可以精确到0.1ms。而且两者得误差都为１％以内,对于中学物理实验来,这个精确度已就是相当得高了。又例如压强传感器采用工业级压敏器件、传感器量程为０~３００Kpa,测量分度达到０、1Kpa,能够精确反映实验过程中得压强变化。
计算机数据处理软件数据可以即时地把同一实验数据用数字、指针或示波器三种显示方式显示出来,实现了实验数据得定量显示。
数字化实验得传感器得精度高,数字化实验得误差比较小,数据得定量显示,这些就使物理、化学、生物学规律得探究发现或者探究验证更具有严谨性与可信性。数字化实验室为学生得“定量化”研究提供了研究平台,有利于学生理解科学得本质、
4、数据处理“智能化”
4。1 “智能化”地进行实验重演
每个实验得配置、传感器得设置都以模板文件(.exs)存储在硬盘上,每次实验数据都以一定得数据文件(、ｅxd)存储在硬盘上、软件提供了回放功能,只要调用相应得实验模板与数据
文件,就能够实现实验得重演,学生可以随意定格展示、随意缩放DＩS实验图线,回忆实验情形,复习实验过程、由于保存下来得数据与结果就是以通用格式保存得,这使得数据得共享十分方便、利用计算机得网络功能,还可以把实验数据与结果以最快得速度进行网上发布,做到数据共享。
4.2 “智能化”地进行数据拟合
软件不但提供了对数据求平均值、求最大值、求最小值得功能,而且提供了数据拟合功能,图线面积求法──积分运算功能,与自定义运算功能。
其中数据得自动拟合就是处理数据得关键,也就是中学生课堂知识得盲区。学生能够理解数据拟合就是揭示数据之间关系、出物理规律得必要方法,也有一次函数、二次函数、幂函数等数学知识,但缺乏把离散得数据进行拟合得数理统计得高等数学基础、系统软件直接给出了对给定得一系列数据进行“傻瓜式”、“菜单型”拟合操作,提供给中学师生一种强有力得科学工具,使学生得实验范围大大拓宽,实验水平极大提高。DIS为培养学生得创新能力与探索能力提供了很好得平台。
拟合菜单包括直线拟合、曲线拟合两类、曲线拟合提供乘幂拟合、指数拟合、N级反比拟合、平方倒数拟合、二次项拟合、三次项拟合、正弦拟合等。
计算机数据处理就是传统数据处理方法得改进。学生首先要进行使用传统得纸笔,用公式法、图象法处理数据得训练。熟练了这种数据处理方法后,可以用通用计算机软件进行数据处理,改进实验数据处理方法、中学阶段,一般可以简单地运用Matlａb或者Exceｌ进行曲线拟合,也可以用专用得软件进行数据处理,形成多种解释数据之间关系得方法。
4.３“智能化"地创建实验报告
英语课文软件可以创建各种文档,如实验指导报告文档、实验预习报告文档、数据处理结果文档、实验主报告文档以及需要得文档。WORD创建得文档另存为RTF文件就能导入到实验文档中。电子文档得优点如方便多次修订,方便网络共享、同伴交流学习在这里实现。
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