數字化實驗配套儀器的創新和完善

本世紀初的新一輪基礎教育課程改革中，優化了中小學的課程結構，同時增加了綜合實踐活動，為了實施信息技術教育，研究性學習，社區服務與社會實踐以及勞動與技術教育。同時在新課程教材中突出現代技術的應用，生活器具用于實驗，社會通用產品引入教學，社會熱點問題教學，都對教學儀器設計思路、技術應用和配備結構產生了影響。新課改讓傳統教學儀器面臨新的挑戰，同時“信息技術與課程教材整合”的要求，也給出了一個發展方向。

　　一、數字化實驗室的引入和發展

　　以傳感技術、計算機技術和通信技術為基礎的信息技術在最近的二十年內迅速發展，其廣泛應用不僅顯著改變了人類的生產、經營甚至生活形態，而且也逐步進入到學校的教學應用，我們看到多媒體教學、計算機仿真、互聯網應用、教學軟件管理等等，傳統教學只要和信息技術結合，就會迸發出空前的生機和活力。

　　以傳感器為基礎 數字化實驗設備 隨著產品技術的成熟，逐步進入了浙江省的實驗教學裝備。傳感器，是一類電子器件的統稱。其功能首先在于“感”，即可將距離、速度、力、熱、聲、光、電、磁乃至酸堿度、電導率、氣體含量等多種變化量轉換成電信號，以電信號的變化體現對外界變化量的感知;其次在于“傳”，電信號可被放大、轉換、傳輸、編碼、讀取，可以通過計算機顯示和處理。

　　我省這幾年主要是在高中物理學科和初中科學學科進行實驗室裝備，主要配備電流、電壓、微電流、溫度、壓強、位移、力、光電門、聲波、磁感應強度、光強分布、G-M等傳感器。從實際教學應用結果看，數字化實驗設備有高精度、高密度、多模式、實時性的特點，不僅能做“點測量”，還能做連續測量，并能借助計算機的處理和顯示功能，進行多數據并行測量，數據處理和實驗回放。顯著提高了實驗效率，實驗精度和實驗質量，能夠完成一些傳統實驗裝置很難完成的實驗。如：使用位移傳感器測量自由落體的加速度、使用溫度和壓強傳感器進行查理定律實驗、使用力傳感器測量單導線切割磁力線的感生電流、使用磁傳感器測量單導線直線電流的磁場等。數字化實驗的這些優點被教研專家和實驗老師廣泛仍可。

　　但我們也看到數字化實驗設備并沒有在學校的實驗教學上有效的使用，除了學校師生需進行使用培訓外，不少難度并不大的實驗的效果并不理想，有些實驗僅憑傳感器還是做不出來。究其原因，傳感器只是一個測量工具，而完成教學實驗還需與之相配套的實驗裝置。一方面傳統的配套實驗器材與傳感器使用不匹配，或是安裝不上，或是精度不夠。另一方面部分實驗目前還缺乏與傳感器一同使用的配套儀器。

　　二、配套實驗器材的創新和完善

　

 我們分析了目前高中物理學科的實驗，列舉了部分受限于實驗器材的實驗。

 

實驗名稱	應用的傳統器材存在的問題
測量位移、速度	軌道及小車運動不平滑摩擦力大，造成數據不穩，圖線波動
牛二定律	軌道及小車運動不平滑摩擦力大，造成數據不穩，誤差大
動能大小的比較	軌道及小車運動不平滑摩擦力大，造成數據不穩，誤差大
磁通量變化時的感生電流	螺線管直徑過小，磁感應強度不能插入
向心力研究	無法同步采集角速度與向心力數據，實驗無法完成
斜面上力的分解	缺乏適合安裝傳感器且可調傾角的斜面，實驗無法完成
勻強磁場研究	螺線管匝數和長徑比不符合要求，勻強現象不明顯

 

 

　　至于非教材要求的拓展型實驗，受限于配套實驗器材的實驗數量就更多了。為此，作為教育裝備工作，我們除了為學校裝備數字化實驗設備外，還需重視相關配套儀器的研究和開發。

　　案例一：力學軌道小車

　　針對運動學實驗對高水平軌道系統的迫切需求，我們研究了國內外眾多企業的軌道小車系統進行研究。造成誤差大的主要原因是軌道表面平滑度不夠、小車輪子摩擦力較大，小車和軌道間摩擦力較大。如果全面換用氣墊導軌，雖然精度大幅度提高，但價格昂貴、維護復雜，且存在能耗大、噪音大的缺點，也不是學生實驗的理想裝備。

　　通過研究發現，采用鋁合金一次成形技術，能獲得平整度極高，表面光滑的的軌道;采用精密微型軸承可以減少小車輪子摩擦力，減小輪子和軌道間的接觸面積可以減小相互間的摩擦力。此外，為配合相關傳感器使用，還需配備相關附件：支架、掛架、磁碰緩沖片、滑輪、配重片、擋光片、固定栓、緊固螺栓、摩擦塊等。

　　通過改造的軌道小車配合相應的傳感器能完成的力學實驗包括：動能大小的比較、研究勻速直線運動、從v-t圖求加速度、瞬時速度測定、加速度與質量、拉力的關系即牛二定律、動量定理、動能定理、簡諧振動、阻尼振動、受迫振動等，獲得了良好的實驗效果。

　　

 

　　案例二：向心力實驗器材

　　如果說力學軌道小車改善了運動學實驗的效果，提升了實驗質量，那么向心力實驗器解決了一個類別的實驗從無到有的問題，填補了多年來實驗教學的空白。

　　圓周運動是高中物理力學實驗的重點和難點。歷年來，國家組織的“自制教具大賽”中均有大量作品圍繞圓周運動而設計，也從一個側面反映了圓周運動標準實驗器材的缺失。圓周運動實驗器材的設計難點有二：首先以彈簧秤為代表的測力手段難以測量動態變化的向心力;其次是圓周運動模型構造困難，已有產品無論材料還是工藝均難以達到定量實驗的要求。

　　國內企業通過不斷的研究，開發出較為理想的圓周運動實驗器材，同時綜合運用計算機技術，實現向心力數據和角速度的同步測量。

　　該儀器設計思路，固定質量物體按固定半徑旋轉，向心力通過轉向裝置有過力傳感器讀出，物體的角速度由擋光桿擋光時間和擋光桿寬度計算得出。

　　實驗過程與數據分析

　　1、將光電門傳感器和力傳感器分別固定在向心力實驗器上，接入數據采集器;

　　2、對力傳感器調零，轉動實驗器的懸臂，記錄F、t數據;

　　3、輸入計算線速度和角速度的公式，選取X軸為“ω”，Y軸為“F2”，得到數據點在坐標系內的分布圖;數據點的分布具有拋物線特征。通過計算機進行“二次多項式”擬合，發現數據點與擬合線基本重合，驗證了事先的猜想，說明F與ω之間系二次方關系;

　　4、 固定砝碼質量，改變砝碼轉動半徑，重復上述步驟，得到另一條實驗圖線，固定砝碼轉動半徑，改變砝碼質量，獲得另一條實驗圖線，軟件“顯示坐標”功能，比較ω相同時兩條圖線F的大小;根據上述結果，總結F與ω、m之間的關系。

                                                                     

案例三：托里徹利實驗器

　　自從教育部規定學生實驗不允許使用水銀后，經典的托里徹利實驗無法在學生實驗中開展。主要原因是液體材料和測量氣壓儀器的問題。用水代替水銀后，原先1個大氣壓的76cm水銀高度即變成10米的水的高度，這樣的高度顯然在學校實驗室里是無法實驗的。實驗時理想的水柱高度1米左右，通過氣壓變化改變的水柱高度在0.5米左右，即氣壓改變量小于5%大氣壓，現有配套實驗器材真空表精度不高，很難準確讀取5%~10%大氣壓的數值。

　　氣壓傳感器的引入解決了實驗所需測量氣壓的精度問題，他能達到?%。但是配套的實驗器材及裝置還需重新設計，一是需要有改變容器內壓力的設備，二是在容器內負壓的情況下，水不會倒流進氣壓傳感器。為此我們研究設計了配套氣壓傳感器使用的托里徹利實驗裝置，讓這個經典的學生實驗重回課堂。

　　由上述實驗案例可以看出，僅有數字化實驗設備還是遠遠不夠的。沒有與之相適應新型實驗器材，就等于沒有可供傳感器采集的信號源。沒有測量對象和研究模型，再好的測量工具也只能是無本之木。反過來。根據實驗要求大力開發基于傳感器的實驗器材，無疑將極大地推動數字化實驗教學的創新和完善。

　　三、教育工作者的共同努力

　　我中心近些年一直致力于數字化實驗的配套實驗器材的研究和設計，鼓勵國內優秀的教學儀器企業進行開發和試制，已有多個高中物理和初中科學配套儀器，并準備著手制定這些配套儀器的標準。

　　高中配套儀器有：軌道小車，向心力實驗器、機械能守恒實驗器、力的分解合成實驗器、邏輯電路實驗器、環形線圈、勻強磁場螺線管。

　　初中配套儀器有：遠紅外加熱器，導體電阻實驗器，托里徹利實驗器，氣體做功實驗器，聲音發生器，摩擦力實驗器，機械能-熱能轉換實驗器，焦耳定律實驗器，勻速直線運動器，熱輻射實驗器。

　　數字化實驗的最終目標不僅是實驗工作和配套實驗器材的更新，更重要的是促進教師教學思想和教學方法的飛躍，并通過教學活動把這種飛躍傳遞到學生身上，讓傳統實驗課堂演變成培養學生動手能力和創新思維的天堂。在實現這個目標之前需要廣大教育工作者進一步創新和完善數字化實驗的配套資源，解決了師生培訓問題，解決了配套器材問題，解決了教學案例問題，數字化實驗必將在不久的將來并發出生機和活力。