10.3969/j.issn.1671-489X.2015.05.005 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的發(fā)展與應(yīng)用——以朗威?數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室為例 ◆ 趙凱 摘要 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備已成為世界范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備發(fā)展的主流，本文系統(tǒng)地介紹了朗威?數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的組成、發(fā)展歷程、應(yīng)用案例及發(fā)展前景。 關(guān)鍵詞 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；朗威?；課程改革 中圖分類(lèi)號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章號(hào)：1671-489X(2015)05-0005-05 在科學(xué)發(fā)展過(guò)程中，概念的形成、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)、理論的建立都要依靠實(shí)驗(yàn)。重視實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)是科學(xué)發(fā)展的必由之路，也是科學(xué)教育的重要方法。 20世紀(jì)末興起的以“傳感器+計(jì)算機(jī)”為組成部分的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，因其在“促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知、提高課堂效率”等方面的顯著作用，得到了教育專(zhuān)家的高度認(rèn)可，成為21世紀(jì)全球?qū)嶒?yàn)教學(xué)設(shè)備發(fā)展的重要組成部分。1數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的概念數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是指在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和預(yù)處理過(guò)程中，利用傳感器和數(shù)字電路，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)（包括計(jì)算機(jī)改造后的各種終端），通過(guò)特定的軟件進(jìn)行計(jì)算處理，最終得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一種新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)雖然引入了“人機(jī)交互”，但保留了真實(shí)實(shí)驗(yàn)的全部要求：操作實(shí)驗(yàn)對(duì)象、設(shè)置實(shí)驗(yàn)設(shè)備、設(shè)置和調(diào)控實(shí)驗(yàn)流程等，并具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所不具備的“高采集速度、高數(shù)據(jù)密度、高結(jié)果準(zhǔn)確性、高可視性”。作者：**，山東遠(yuǎn)大網(wǎng)絡(luò)多媒體有限公司（）。
它具有一系列突出的優(yōu)勢(shì)，在提高實(shí)驗(yàn)效率、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)效果、強(qiáng)化教學(xué)效果等方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，不僅有效填補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的空白，為常規(guī)教學(xué)活動(dòng)注入了動(dòng)力，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生“信息技術(shù)環(huán)境下的自主學(xué)習(xí)、自主探究能力”。2 朗威?數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的組成及發(fā)展歷程朗威?數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，簡(jiǎn)稱(chēng)朗威?，由數(shù)據(jù)采集器、系列傳感器、配套實(shí)驗(yàn)設(shè)備和軟件等組成（圖1）。軟件包括通用軟件、專(zhuān)用軟件和輔助軟件。系列傳感器可滿足高中物理、化學(xué)、生物、地理、初中綜合科學(xué)、小學(xué)科學(xué)等教學(xué)需要，種類(lèi)還在根據(jù)教學(xué)要求不斷擴(kuò)充。朗威?的前身是1999年由山東遠(yuǎn)大網(wǎng)絡(luò)多媒體有限公司（現(xiàn)更名為山東遠(yuǎn)大網(wǎng)絡(luò)多媒體有限公司）自主研發(fā)生產(chǎn)的朗威?微機(jī)輔助高中物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。2002年，上海市教委為實(shí)現(xiàn)“推進(jìn)信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)融合”、“培養(yǎng)學(xué)生在信息技術(shù)環(huán)境下自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立研究的能力”的課程改革目標(biāo)，決定成立專(zhuān)門(mén)機(jī)構(gòu)，自主研發(fā)上海市第二期課改所需的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備及配套設(shè)備。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格評(píng)估和慎重選拔，上海市教委教研室、奉化中學(xué)、山東遠(yuǎn)大三校共同成立了上海市中小學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)中心。著名實(shí)驗(yàn)教學(xué)專(zhuān)家、特級(jí)教師、上海市特級(jí)校長(zhǎng)馮榮時(shí)先生擔(dān)任中心主任，山東遠(yuǎn)大董事長(zhǎng)、總經(jīng)理李丁擔(dān)任副主任。
2002年8月，中心完成了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)第一版的研發(fā)，并將產(chǎn)品發(fā)放到上海市53所試點(diǎn)學(xué)校進(jìn)行教學(xué)驗(yàn)證。圖1 朗威?數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室組成。 淺談儀器（二十三）理論研究-5-2015年3月第05期（總第359期） 發(fā)展歷程、應(yīng)用案例及關(guān)鍵詞 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；中圖分類(lèi)號(hào)：G434 文章編號(hào)：1671-489X 建立在科學(xué)發(fā)展過(guò)程中，都依靠實(shí)驗(yàn)發(fā)展的必然路徑，更重要的是它作為構(gòu)成要素在20世紀(jì)末興起，以“作者身份”獲得了教育領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)教學(xué)儀器的發(fā)展。 1 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)概念數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，特別是利用傳感器和計(jì)算機(jī)（包括各種計(jì)算機(jī)控制的處理，最終得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2002年至2008年，龍威?通過(guò)了山東省教育廳、教育部基礎(chǔ)教育司、上海市教委、教育部教育裝備研究發(fā)展中心、浙江省教育廳裝備中心等多個(gè)部門(mén)的課程鑒定，被納入上海市中學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)，被納入上海市課程改革第二階段上海市中學(xué)物理、生物教材，以及人民教育出版社、上海科教出版社、廣東教育出版社等多部國(guó)家級(jí)教材。2009年榮獲全國(guó)優(yōu)秀自制教具評(píng)選一等獎(jiǎng)、濟(jì)南市創(chuàng)新產(chǎn)品稱(chēng)號(hào)，2010年12月榮獲教育部基礎(chǔ)教育課程改革教學(xué)研究成果一等獎(jiǎng)。 2011年8月獲得河北省科學(xué)技術(shù)成果證書(shū)，2012年11月在第七屆國(guó)際發(fā)明展覽會(huì)上榮獲兩項(xiàng)金牌，2013年5月在上海教育博覽會(huì)上榮獲雙十佳產(chǎn)品獎(jiǎng)。
2014年4月，“法拉第電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀”獲中國(guó)教育裝備產(chǎn)品創(chuàng)新獎(jiǎng)。2014年5月初中物理實(shí)驗(yàn)器材改進(jìn)，獲上海市教學(xué)成果特等獎(jiǎng)。2014年6月，“朗威?V7.0無(wú)線向心力實(shí)驗(yàn)儀”獲2014年第十六屆世界教育聯(lián)盟儀器設(shè)備組獎(jiǎng)，這是我國(guó)首次獲此殊榮。2014年9月，“中學(xué)物理教學(xué)創(chuàng)新—數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（DIS）的研究與應(yīng)用”獲國(guó)家級(jí)教學(xué)成果一等獎(jiǎng)。3朗威?數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用案例水平拋物運(yùn)動(dòng)1）實(shí)驗(yàn)裝置組成。本實(shí)驗(yàn)需用到朗威?2D運(yùn)動(dòng)傳感器和朗威?2D水平拋物運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀（圖2）。朗威?2D運(yùn)動(dòng)傳感器由發(fā)射器和接收器組成。打開(kāi)發(fā)射機(jī)開(kāi)關(guān)后，接收器可以定位發(fā)射機(jī)位置，這樣就可以通過(guò)教學(xué)軟件描繪出發(fā)射機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡。?二維水平拋射運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)器的軌道呈傾斜狀安裝在垂直桿上，軌道上端裝有位置可調(diào)的釋放裝置，改變釋放裝置的高度可以改變拋射速度。軌道末端裝有調(diào)零裝置和水平儀。軌道采用鋁合金材質(zhì)，呈彎曲狀，其寬度剛好足以讓二維運(yùn)動(dòng)發(fā)射裝置在其中滾動(dòng)，減少晃動(dòng)和摩擦。2）實(shí)驗(yàn)操作。實(shí)驗(yàn)時(shí)按如下步驟進(jìn)行，第一步，釋放測(cè)試彈丸，將緩沖裝置置于測(cè)試彈丸落地范圍內(nèi)；第二步，在二維系列軟件主界面點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)項(xiàng)“水平拋射運(yùn)動(dòng)”，打開(kāi)軟件；第三步，將二維運(yùn)動(dòng)傳感器發(fā)射器放置在水平投影軌道水平端邊緣靠近調(diào)零裝置處，點(diǎn)擊軟件“零點(diǎn)設(shè)置”，然后沿水平方向移動(dòng)3至6cm，點(diǎn)擊“水平校準(zhǔn)”；第四步，將二維運(yùn)動(dòng)傳感器發(fā)射器放置在軌道彈丸釋放區(qū)域，點(diǎn)擊“開(kāi)始記錄”進(jìn)行釋放，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄其水平投影運(yùn)動(dòng)軌跡（圖3）；第五步，在界面上依次點(diǎn)擊“x”、“y”，模擬水平投影運(yùn)動(dòng)的水平和垂直運(yùn)動(dòng)軌跡，點(diǎn)擊“二次擬合”按鈕對(duì)水平投影軌跡進(jìn)行二次擬合；第六步，點(diǎn)擊“加速度”，計(jì)算水平投影運(yùn)動(dòng)在垂直方向的加速度值，并與當(dāng)?shù)刂亓铀俣戎颠M(jìn)行比較（圖4）。
3）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于水平拋射運(yùn)動(dòng)軌跡的刻畫(huà)，傳統(tǒng)上采用頻閃攝影和電火花追蹤兩種方法。這兩種方法雖然原理比較簡(jiǎn)單，但一方面測(cè)量方法有些間接，另一方面對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、操作方法、實(shí)驗(yàn)環(huán)境和數(shù)量都有一定的要求。受此限制，實(shí)驗(yàn)成功率不高，需要多次嘗試才能得到較為理想的軌跡，而多次實(shí)驗(yàn)必然導(dǎo)致系統(tǒng)誤差增大。本次實(shí)驗(yàn)采用?二維運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完成，操作簡(jiǎn)單，成功率高，不僅能刻畫(huà)水平拋射運(yùn)動(dòng)軌跡，還能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出水平拋射運(yùn)動(dòng)其實(shí)是水平方向勻速直線運(yùn)動(dòng)與垂直方向自由落體運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，解決了教學(xué)難的問(wèn)題。 ?二維運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自誕生以來(lái)，經(jīng)過(guò)專(zhuān)家認(rèn)證，在課程教學(xué)中實(shí)踐，受到廣泛好評(píng)。點(diǎn)擊其水平運(yùn)動(dòng)軌跡“y”即可模擬水平軌跡，點(diǎn)擊“二次擬合”再點(diǎn)擊“加速度”，數(shù)值即可與局部運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行對(duì)比。傳統(tǒng)方法雖然原理上一致，但對(duì)精度有一定要求，只能?chē)L試才能得到較好的結(jié)果，導(dǎo)致系統(tǒng)誤差增大。實(shí)驗(yàn)由系統(tǒng)完成，運(yùn)動(dòng)軌跡可操作，其實(shí)可以做水平運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)·理論研究-6-2015年3月第05期（總359期）
2009年該系統(tǒng)在第七屆全國(guó)優(yōu)秀自制教具評(píng)選活動(dòng)中榮獲一等獎(jiǎng)，基于此系統(tǒng)的水平拋物運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)案例被收錄于人教版高中物理教材第五章“曲線運(yùn)動(dòng)”和第三節(jié)“實(shí)驗(yàn)：研究水平拋物運(yùn)動(dòng)”2.酸堿中和滴定1）實(shí)驗(yàn)器材及試劑（圖5）。?數(shù)據(jù)采集器、pH傳感器、自動(dòng)滴定裝置、計(jì)算機(jī)、洗瓶、50ml燒杯、濾紙、磁力攪拌器、鐵架、0.1mol/L HCl、未知濃度的NaOH。在自動(dòng)滴定裝置中加入0.1mol/L HCl，能自動(dòng)記錄滴數(shù)，根據(jù)每滴0.025ml的體積，軟件能自動(dòng)計(jì)算出滴加的HCL體積。2）實(shí)驗(yàn)操作。 ● 專(zhuān)用軟件操作方法：點(diǎn)擊“開(kāi)始實(shí)驗(yàn)”，打開(kāi)磁力攪拌器電源開(kāi)關(guān)，向燒杯中逐滴加入HCL溶液（滴速控制在1~2滴/s），直至pH<7。點(diǎn)擊“圖形分析”，點(diǎn)擊“選擇區(qū)域”，選擇導(dǎo)數(shù)曲線的峰值作為研究對(duì)象，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算NaOH溶液的溶解度（圖6）。● 通用軟件操作方法：選擇光電門(mén)的測(cè)量方式為“計(jì)數(shù)”，在“組合曲線”中添加自定義曲線“V-pH”（需添加變量“V=0.025*t2”）表示鹽酸的體積，點(diǎn)擊“開(kāi)始”，打開(kāi)磁力攪拌器電源開(kāi)關(guān)，向燒杯中逐滴加入HCL溶液（滴速控制在1~2滴/s），直至pH<7。
得出滴定曲線，從而確定滴定終點(diǎn)時(shí)需加入鹽酸的體積（圖7）。3）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)。●傳統(tǒng)的酸堿中和滴定曲線繪制方法復(fù)雜，利用DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)繪制滴定曲線操作更簡(jiǎn)便，更準(zhǔn)確，教學(xué)效果好。由老師現(xiàn)場(chǎng)演示或?qū)W生自己通過(guò)實(shí)驗(yàn)繪制滴定曲線初中物理實(shí)驗(yàn)器材改進(jìn)，與教科書(shū)上印刷的滴定曲線供學(xué)生觀察分析的教學(xué)效果有很大區(qū)別。●用標(biāo)準(zhǔn)鹽酸滴定未知濃度的氫氧化鈉時(shí)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法以甲基橙為指示劑，但甲基橙變色時(shí)的pH值為4.4，而鹽酸與氫氧化鈉反應(yīng)時(shí)的pH值正好為7，酸堿指示劑的變色點(diǎn)并非反應(yīng)終點(diǎn)，難以向?qū)W生解釋。利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，可直接得到pH=7時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更科學(xué)。圖4 水平拋物運(yùn)動(dòng)的速度與加速度 圖5 酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)裝置 圖6 中和滴定實(shí)驗(yàn)專(zhuān)用軟件廣受好評(píng)，2009年在活動(dòng)中榮獲一等獎(jiǎng)，在人教版高中物理教材《平行運(yùn)動(dòng)的研究》中。 酸堿中和滴定 1）實(shí)驗(yàn)器材及傳感器，自動(dòng)滴定器，磁力攪拌器，鐵架，0.1mol/L HC，能自動(dòng)記錄滴數(shù)，軟件能自動(dòng)計(jì)算滴數(shù)。 2）實(shí)驗(yàn)操作。●專(zhuān)用軟件操作攪拌器電源開(kāi)關(guān)網(wǎng)校頭條，理論研究-7-2015年3月05期（總359期） 蛋白質(zhì)含量測(cè)定 1）實(shí)驗(yàn)器材及試劑（圖8）。
?數(shù)據(jù)記錄儀、比色傳感器、結(jié)晶牛血清白蛋白、待測(cè)樣品（如蛋清）、雙縮脲試劑、5 ml移液器、吸管、100 ml容量瓶、4個(gè)滴瓶、5個(gè)小試管。2）實(shí)驗(yàn)操作。● 取結(jié)晶牛血清白蛋白1.0 g，溶于100 ml蒸餾水中。取5個(gè)燒杯并編號(hào)，加蒸餾水配成蛋白質(zhì)含量為0 mg/mL（蒸餾水為空白參比）、2 mg/mL、3 mg/mL、4 mg/mL、5 mg/mL的溶液。先在每個(gè)小燒杯中的溶液中加入15 mL 5% NaOH，混勻，再加入1 mL 1% CuSO4溶液，混勻，靜置30 min。● 取蛋清，用蒸餾水稀釋50倍。取5ml蛋清稀釋液，先加入15mL 5%NaOH，混勻，再加入1mL 1%CuSO4溶液，混勻，靜置30min。●將任意待測(cè)蛋白反應(yīng)液加入比色皿中，放入比色傳感器中，數(shù)據(jù)會(huì)顯示出R、G、B三個(gè)值，代表R、G、B三個(gè)顏色下的吸光度值，本實(shí)驗(yàn)選擇G通道。●將空白對(duì)照、梯度濃度蛋白溶液、待測(cè)蛋清溶液依次倒入比色皿中，用比色傳感器測(cè)量各溶液的吸光度值，在表格對(duì)應(yīng)位置輸入其濃度值。●點(diǎn)擊“繪制”，軟件自動(dòng)生成蛋白含量標(biāo)準(zhǔn)曲線并計(jì)算蛋清溶液的蛋白含量（圖9）。
3）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)。本實(shí)驗(yàn)是上海科技出版社出版的高中《生命科學(xué)》教材第一冊(cè)（試用版）第二章第二節(jié)采用的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。由于采用了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方式，實(shí)驗(yàn)由傳統(tǒng)的刻板觀察升華為定量測(cè)量。龍威?強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、分析和處理能力，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率。本實(shí)驗(yàn)不僅能讓學(xué)生學(xué)習(xí)定量檢測(cè)蛋白質(zhì)含量的實(shí)驗(yàn)方法，還能通過(guò)此方法解決蛋白質(zhì)含量問(wèn)題（圖7通用軟件中和滴定實(shí)驗(yàn)圖8蛋白質(zhì)含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置圖9蛋白質(zhì)含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖10小車(chē)移動(dòng)速度比較實(shí)驗(yàn)裝置圖11小車(chē)移動(dòng)速度比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果（續(xù)P11）是一種觀察型的實(shí)驗(yàn)，但也能通過(guò)傳感器測(cè)量各溶液的濃度值，從而得到蛋白質(zhì)含量的標(biāo)準(zhǔn)量（圖9）。它是上海科技出版的卷（試行版），將數(shù)字化的觀察升華為定量分析處理能力，能讓學(xué)生通過(guò)此方法學(xué)會(huì)解決生活問(wèn)題。理論研究-8-2015年3月05期（總359期）初步建立了一種新型有效的課堂教學(xué)評(píng)價(jià)體系，在“未來(lái)校園”云學(xué)習(xí)平臺(tái)，學(xué)生觀看微視頻、完成測(cè)驗(yàn)，師生互動(dòng)，共同探討教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量。