10.3969/j.issn.1671-489X.2015.05.005 數字化實驗教學設備的發展與應用——以朗威?數字化信息系統實驗室為例 ◆ 趙凱 摘要 數字化實驗設備已成為世界范圍內實驗教學設備發展的主流，本文系統地介紹了朗威?數字化信息系統實驗室的組成、發展歷程、應用案例及發展前景。 關鍵詞 數字化實驗；朗威?；課程改革 中圖分類號：G434 文獻標識碼：B 文章號：1671-489X(2015)05-0005-05 在科學發展過程中，概念的形成、規律的發現、理論的建立都要依靠實驗。重視實驗、改進實驗是科學發展的必由之路，也是科學教育的重要方法。 20世紀末興起的以“傳感器+計算機”為組成部分的數字化實驗系統，因其在“促進學生認知、提高課堂效率”等方面的顯著作用，得到了教育專家的高度認可，成為21世紀全球實驗教學設備發展的重要組成部分。1數字化實驗的概念數字化實驗是指在實驗數據的采集、傳輸和預處理過程中，利用傳感器和數字電路，將實驗數據上傳到計算機（包括計算機改造后的各種終端），通過特定的軟件進行計算處理，最終得到實驗結果的一種新型實驗教學系統。與傳統實驗相比，數字化實驗雖然引入了“人機交互”，但保留了真實實驗的全部要求：操作實驗對象、設置實驗設備、設置和調控實驗流程等，并具有傳統實驗所不具備的“高采集速度、高數據密度、高結果準確性、高可視性”。作者：**，山東遠大網絡多媒體有限公司（）。
它具有一系列突出的優勢，在提高實驗效率、優化實驗效果、強化教學效果等方面明顯優于傳統實驗，不僅有效填補了傳統實驗的空白，為常規教學活動注入了動力，而且有利于培養學生“信息技術環境下的自主學習、自主探究能力”。2 朗威?數字化信息系統實驗室的組成及發展歷程朗威?數字化信息系統實驗室，簡稱朗威?，由數據采集器、系列傳感器、配套實驗設備和軟件等組成（圖1）。軟件包括通用軟件、專用軟件和輔助軟件。系列傳感器可滿足高中物理、化學、生物、地理、初中綜合科學、小學科學等教學需要，種類還在根據教學要求不斷擴充。朗威?的前身是1999年由山東遠大網絡多媒體有限公司（現更名為山東遠大網絡多媒體有限公司）自主研發生產的朗威?微機輔助高中物理實驗系統。2002年，上海市教委為實現“推進信息技術與學科教學融合”、“培養學生在信息技術環境下自主學習、獨立研究的能力”的課程改革目標，決定成立專門機構，自主研發上海市第二期課改所需的數字化實驗設備及配套設備。經過嚴格評估和慎重選拔，上海市教委教研室、奉化中學、山東遠大三校共同成立了上海市中小學數字化實驗系統研發中心。著名實驗教學專家、特級教師、上海市特級校長馮榮時先生擔任中心主任，山東遠大董事長、總經理李丁擔任副主任。
2002年8月，中心完成了數字化實驗系統第一版的研發，并將產品發放到上海市53所試點學校進行教學驗證。圖1 朗威?數字化信息系統實驗室組成。 淺談儀器（二十三）理論研究-5-2015年3月第05期（總第359期） 發展歷程、應用案例及關鍵詞 數字化實驗；中圖分類號：G434 文章編號：1671-489X 建立在科學發展過程中，都依靠實驗發展的必然路徑，更重要的是它作為構成要素在20世紀末興起，以“作者身份”獲得了教育領域實驗教學儀器的發展。 1 數字化實驗概念數字化實驗，特別是利用傳感器和計算機（包括各種計算機控制的處理，最終得到實驗驗證。2002年至2008年，龍威?通過了山東省教育廳、教育部基礎教育司、上海市教委、教育部教育裝備研究發展中心、浙江省教育廳裝備中心等多個部門的課程鑒定，被納入上海市中學物理課程標準，被納入上海市課程改革第二階段上海市中學物理、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家級教材。2009年榮獲全國優秀自制教具評選一等獎、濟南市創新產品稱號，2010年12月榮獲教育部基礎教育課程改革教學研究成果一等獎。 2011年8月獲得河北省科學技術成果證書，2012年11月在第七屆國際發明展覽會上榮獲兩項金牌，2013年5月在上海教育博覽會上榮獲雙十佳產品獎。
2014年4月，“法拉第電磁感應實驗儀”獲中國教育裝備產品創新獎。2014年5月初中物理實驗器材改進，獲上海市教學成果特等獎。2014年6月，“朗威?V7.0無線向心力實驗儀”獲2014年第十六屆世界教育聯盟儀器設備組獎，這是我國首次獲此殊榮。2014年9月，“中學物理教學創新—數字化實驗系統（DIS）的研究與應用”獲國家級教學成果一等獎。3朗威?數字化信息系統實驗室應用案例水平拋物運動1）實驗裝置組成。本實驗需用到朗威?2D運動傳感器和朗威?2D水平拋物運動實驗儀（圖2）。朗威?2D運動傳感器由發射器和接收器組成。打開發射機開關后，接收器可以定位發射機位置，這樣就可以通過教學軟件描繪出發射機的運動軌跡。?二維水平拋射運動實驗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。軌道末端裝有調零裝置和水平儀。軌道采用鋁合金材質，呈彎曲狀，其寬度剛好足以讓二維運動發射裝置在其中滾動，減少晃動和摩擦。2）實驗操作。實驗時按如下步驟進行，第一步，釋放測試彈丸，將緩沖裝置置于測試彈丸落地范圍內；第二步，在二維系列軟件主界面點擊實驗項“水平拋射運動”，打開軟件；第三步，將二維運動傳感器發射器放置在水平投影軌道水平端邊緣靠近調零裝置處，點擊軟件“零點設置”，然后沿水平方向移動3至6cm，點擊“水平校準”；第四步，將二維運動傳感器發射器放置在軌道彈丸釋放區域，點擊“開始記錄”進行釋放，系統會自動記錄其水平投影運動軌跡（圖3）；第五步，在界面上依次點擊“x”、“y”，模擬水平投影運動的水平和垂直運動軌跡，點擊“二次擬合”按鈕對水平投影軌跡進行二次擬合；第六步，點擊“加速度”，計算水平投影運動在垂直方向的加速度值，并與當地重力加速度值進行比較（圖4）。
3）數字化實驗的優勢。對于水平拋射運動軌跡的刻畫，傳統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單，但一方面測量方法有些間接，另一方面對實驗設備、操作方法、實驗環境和數量都有一定的要求。受此限制，實驗成功率不高，需要多次嘗試才能得到較為理想的軌跡，而多次實驗必然導致系統誤差增大。本次實驗采用?二維運動實驗系統完成，操作簡單，成功率高，不僅能刻畫水平拋射運動軌跡，還能對數據進行分析處理，得出水平拋射運動其實是水平方向勻速直線運動與垂直方向自由落體運動的復合運動的實驗結論，解決了教學難的問題。 ?二維運動實驗系統自誕生以來，經過專家認證，在課程教學中實踐，受到廣泛好評。點擊其水平運動軌跡“y”即可模擬水平軌跡，點擊“二次擬合”再點擊“加速度”，數值即可與局部運動軌跡進行對比。傳統方法雖然原理上一致，但對精度有一定要求，只能嘗試才能得到較好的結果，導致系統誤差增大。實驗由系統完成，運動軌跡可操作，其實可以做水平運動實驗。實驗系統·理論研究-6-2015年3月第05期（總359期）
2009年該系統在第七屆全國優秀自制教具評選活動中榮獲一等獎，基于此系統的水平拋物運動實驗案例被收錄于人教版高中物理教材第五章“曲線運動”和第三節“實驗：研究水平拋物運動”2.酸堿中和滴定1）實驗器材及試劑（圖5）。?數據采集器、pH傳感器、自動滴定裝置、計算機、洗瓶、50ml燒杯、濾紙、磁力攪拌器、鐵架、0.1mol/L HCl、未知濃度的NaOH。在自動滴定裝置中加入0.1mol/L HCl，能自動記錄滴數，根據每滴0.025ml的體積，軟件能自動計算出滴加的HCL體積。2）實驗操作。 ● 專用軟件操作方法：點擊“開始實驗”，打開磁力攪拌器電源開關，向燒杯中逐滴加入HCL溶液（滴速控制在1~2滴/s），直至pH<7。點擊“圖形分析”，點擊“選擇區域”，選擇導數曲線的峰值作為研究對象，系統自動計算NaOH溶液的溶解度（圖6）。● 通用軟件操作方法：選擇光電門的測量方式為“計數”，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，點擊“開始”，打開磁力攪拌器電源開關，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，從而確定滴定終點時需加入鹽酸的體積（圖7）。3）數字化實驗的優勢。●傳統的酸堿中和滴定曲線繪制方法復雜，利用DIS數字化實驗系統繪制滴定曲線操作更簡便，更準確，教學效果好。由老師現場演示或學生自己通過實驗繪制滴定曲線初中物理實驗器材改進，與教科書上印刷的滴定曲線供學生觀察分析的教學效果有很大區別。●用標準鹽酸滴定未知濃度的氫氧化鈉時，傳統實驗方法以甲基橙為指示劑，但甲基橙變色時的pH值為4.4，而鹽酸與氫氧化鈉反應時的pH值正好為7，酸堿指示劑的變色點并非反應終點，難以向學生解釋。利用數字化實驗，可直接得到pH=7時的相關數據，實驗結果更科學。圖4 水平拋物運動的速度與加速度 圖5 酸堿中和滴定實驗裝置 圖6 中和滴定實驗專用軟件廣受好評，2009年在活動中榮獲一等獎，在人教版高中物理教材《平行運動的研究》中。 酸堿中和滴定 1）實驗器材及傳感器，自動滴定器，磁力攪拌器，鐵架，0.1mol/L HC，能自動記錄滴數，軟件能自動計算滴數。 2）實驗操作。●專用軟件操作攪拌器電源開關網校頭條，理論研究-7-2015年3月05期（總359期） 蛋白質含量測定 1）實驗器材及試劑（圖8）。
?數據記錄儀、比色傳感器、結晶牛血清白蛋白、待測樣品（如蛋清）、雙縮脲試劑、5 ml移液器、吸管、100 ml容量瓶、4個滴瓶、5個小試管。2）實驗操作。● 取結晶牛血清白蛋白1.0 g，溶于100 ml蒸餾水中。取5個燒杯并編號，加蒸餾水配成蛋白質含量為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。●將任意待測蛋白反應液加入比色皿中，放入比色傳感器中，數據會顯示出R、G、B三個值，代表R、G、B三個顏色下的吸光度值，本實驗選擇G通道。●將空白對照、梯度濃度蛋白溶液、待測蛋清溶液依次倒入比色皿中，用比色傳感器測量各溶液的吸光度值，在表格對應位置輸入其濃度值。●點擊“繪制”，軟件自動生成蛋白含量標準曲線并計算蛋清溶液的蛋白含量（圖9）。
3）數字化實驗的優勢。本實驗是上海科技出版社出版的高中《生命科學》教材第一冊（試用版）第二章第二節采用的數字化實驗。由于采用了數字化實驗方式，實驗由傳統的刻板觀察升華為定量測量。龍威?強大的數據采集、分析和處理能力，大大提高了實驗效率。本實驗不僅能讓學生學習定量檢測蛋白質含量的實驗方法，還能通過此方法解決蛋白質含量問題（圖7通用軟件中和滴定實驗圖8蛋白質含量測定實驗裝置圖9蛋白質含量測定實驗結果圖10小車移動速度比較實驗裝置圖11小車移動速度比較實驗結果（續P11）是一種觀察型的實驗，但也能通過傳感器測量各溶液的濃度值，從而得到蛋白質含量的標準量（圖9）。它是上海科技出版的卷（試行版），將數字化的觀察升華為定量分析處理能力，能讓學生通過此方法學會解決生活問題。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評價體系，在“未來校園”云學習平臺，學生觀看微視頻、完成測驗，師生互動，共同探討教學方法，提高教學質量。