連接虛擬與現實的橋梁 數字化學習的新手段

信息技術與學科課程整合的目的 是為教師與學生構建一個信息化環境，讓信息技術融入到學習生活的每個角落。在中學理科教學中如何體現信息技術的優越性，以及如何利用信息技術培養學生對理科的興趣與創新精神，數字化綜合理科實驗室提供了一個良好的平臺。在高中物理新課程標準中已提出使用傳感器等信息技術手段整合實驗教學，本文描述了數字化綜合理科實驗室的發展歷程、工作原理、軟硬件組成、教學應用，及與傳統實驗室在各個方面的對比。

目前情況概述

在基礎教育階段，理科教學（物理、化學、生物）處于重要位置，而這三門學科又都是以實驗為基礎的學科，教師演示實驗與學生實驗質量的高低將直接影響學生對于知識的理解與掌握。根據調查，目前我國中學的理科教學中存在著對實驗教學不同程度的輕視現象。有的學生實驗被教師演示實驗取代，又有的教師演示實驗被教師口述或板書取代，以至于有些學生將這樣的實驗戲稱為“聽寫式實驗”。這種異化了的實驗根本達不到新課程標準在學生實驗能力方面的要求。

出現上述情況的原因很多，有環境的原因，也有管理與教學理念上的因素。僅從環境的因素來分析，其一，我國全日制中學一般建有物理，化學，生物實驗室，儀器多為傳統機械的或模擬的實驗器材。這些器材一般比較笨重，實驗準備周期較長且繁瑣。例如高中物理的光學實驗，通常的器材有光具座、光屏、光源等。這些器材體積較大（光具座），移動不便，實驗環境要求較高（室內光線較暗），而實驗現象又不太明顯，這些因素都制約了實驗的教學效果。其二，傳統實驗數據處理一直是中學教師的最大心病。例如在牛頓第二運動定律的教學中，若按部就班地進行實驗數據的收集與處理就需要很長時間，無法在一節課的時間內得到a∝f，a∝1/m的關系，造成教學上的不連貫；若教師自備數據，又會給學生不真實感。

長久以來，人們都試圖解決這些問題。隨著技術的不斷進步，人們開始利用信息技術構造新的數字化學習環境，其中傳感器與計算機的結合便是一個發展方向，以這些技術為基礎便產生了數字化實驗室。

數字化實驗室的產生與發展

數字化實驗室是傳統實驗室與現代計算機技術、通訊技術、電子技術、多媒體技術等相關信息加工處理技術的有機結合。數字化實驗室在英文中較早出現的是e-lab的概念，1995年，Virtual Conference CUBE95將e-lab解釋為：計算機模擬實驗，促進實驗過程的優化和更方便地處理數據。此外，國外一些研究者還提出了其他一些概念如：Digital Lab，Virtual Lab，MBL(Micro Computer Based Lab)，DISLab(Digital Information System Lab)等[1]。

從目前數字化實驗室的情況來看，筆者認為主要分為兩大類：一是完全虛擬的數字化實驗室，即實驗的器材、過程、現象、結論完全由計算機仿真得出，并通過計算機呈現給實驗者；其二是基于傳感器與數據采集的數字化實驗室。這類實驗室處于真實的實驗環境中，計算機的作用是通過傳感器與數據采集器的結合，計算、分析、呈現實驗數據。比如，美國印第安那大學的MBL化學實驗室等。與第一類實驗室相比，該類實驗室實現了現實與虛擬的結合，即實驗環境具有真實性，實驗數據也采集自真實的實驗，實驗數據的分析與結果的呈現又具有虛擬性。故而這類實驗室特別適合理科的實驗教學與探究式教學。本文陳述的數字化綜合理科實驗室便是第二類實驗室。為闡述方便，下文中的數字化實驗室均指數字化綜合理科實驗室。

早期基于傳感器的數字化實驗室，由于設備昂貴，一般只裝備在大學的實驗室中。近年來，隨著技術的日益成熟，成本不斷下降，發達國家越來越多的中小學開始裝備此設備，特別是美、英兩國，他們將這種實驗的方法稱為Datalogging[2] 。20世紀90年代中期以來，Datalogging實驗室日益成為發達國家中小學的必備實驗裝備。我國從2002年開始逐步采用Datalogging實驗方法，并將這種實驗室稱為DISLab（Digital Information System Lab，數字信息系統實驗室）或數字化綜合理科實驗室。結合高中新課程標準的要求，國內目前主要是北京、山東、江蘇、浙江、廣東等發達地區的部分中學裝備了該實驗室。上海市結合二期課改，已在全市50多所試點學校裝備，同時上海成立了DISLab研發中心，由前風華中學校長、高中物理特級教師馮容士主持開發了國內第一套具有自主知識產權的DISLab系統。

目前，絕大多數的數字化實驗室還像傳統實驗室一樣固定在房間內，實驗還需在室內完成。隨著移動技術，如3G無線網絡技術、藍牙技術以及無線傳感網絡技術的興起與發展，下一代的數字實驗室將是無線的、可移動的。學生將可以在完全真實的自然環境中觀察實驗現象，并通過無線傳感器將數據發送到PDA或其他手持式設備進行初步處理，然后將處理結果通過無線網絡傳送至實驗中心進行匯總、對比、分析，并作進一步研究。

數字化實驗室的組成及工作原理

數字化實驗室系統分為感應、采集、分析與計算3個子系統。本文主要介紹美國Vernier公司的Vernier Lab Pro的數字化綜合理科實驗系統。

1.硬件構成及其工作原理

傳感器——數字化實驗室的觸角廣義上來看，傳感器是一種能把物理量或化學量轉變成便于利用的電信號的器件。國際電工委員會（International Electrotechnical Committee ，IEC）認為：傳感器是測量系統中的一種前置部件，它將輸入的變量轉變成可供測量的信號。[3]傳感器種類繁多，其工作原理也不盡相同。電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、電渦流式傳感器、磁電式傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器、磁彈性式傳感器、振頻式傳感器和電化學式傳感器等。未來傳感器發展將主要表現在利用半導體材料和大規模集成電路工藝，將測量電路和敏感元件結合成一體，以提高傳感器的靈敏度、精確度和可靠性，實現小型化、智能化。

高中階段的物理、化學、生物實驗的絕大部分數據都可以用傳感器采集，表1中列舉了這3門學科實驗用的傳感器（部分）。

數據采集器——數字化實驗室的核心 數據采集器的英文名稱為Datalogger，在我國港臺地區也被稱作數據提存器。它是連接傳感器與計算機的橋梁，是整個系統的核心部件（圖1），其主要功能是實現對傳感器采集的電信號進行A/D轉換（數/模轉換）及數據分析，然后把數字信號傳送給計算機或大投影幕，把結果顯示出來。目前較好的數據采集器，一般具有嵌入式系統，比如帶有ARM9系列的模塊，采集器除了具有A/D、D/A轉換功能外還具有分析、運算功能。將傳感器、數據采集器、計算機有機地結合便構成了數字化實驗室的硬件系統。

2．軟件系統

各種數字化實驗室系統的軟件在功能上大同小異，都具有收集、計算、分析及呈現的功能。以Vernier Lab Pro的Logger Pro的軟件系統為例，其界面如圖2所示。

除了數據采集、計算分析以外，軟件還提供了實驗過程記錄功能，可以將實驗過程如物體運動過程、化學反應過程或細胞分裂的過程（利用電子顯微鏡）用視頻方式記錄并保存，實驗者可以在實驗結束后瀏覽整個實驗過程的概況，如圖3所示。

總體而言，這個軟件系統是一個包含了教學所需要功能的數據收集分析軟件，它運行于Windows環境下，包括工具箱、復制和粘貼、分析工具和用戶友好界面。多功能的軟件系統可以支持40多種傳感器，適用于物理學、化學、生物學和綜合學科等；其特點為：（1）基于Windows系統的顯示，例如曲線圖、數據表、測量等；（2）廣泛的分析工具，包括積分、統計、曲線擬合、計算數列、檢查和修改等；（3）多線程的數據運行；（4）在保存實驗文件前，方便的傳感器設置和實驗設置；（5）在文本窗口中注釋圖表和記錄；（6）同時支持4個模擬傳感器和2個數字傳感器[4]。

數字實驗室的教學應用

數字化手段引入實驗教學后，在時間、空間、問題解決的廣度與深度等各個方面擴展了教學的效用。

1.科學分配了教學時空[5]

由于數字化實驗室采用了“傳感器+數據采集器+計算機”的體系結構，使其具備了“實時實驗”的功能，即可以對實驗的過程進行實時的跟蹤與數據收集，同時完成數據處理。這就將教師與學生從以前那種數據讀取、記錄、運算以及圖線描繪等繁瑣而簡單的勞動中解放出來，為學生的自主探究、小組協作與充分的體驗提供時間與空間，如圖4所示。

2.利用新技術填補了測量空白

數字化實驗室憑借傳感器技術彌補了傳統實驗中的多個空白，解決了理、化、生實驗中精確采集問題。同時系統輔以相對完善的軟件系統，可以進行很多利用傳統實驗裝置想做而又做不到的實驗。如在化學酸堿度測量和滴定實驗中，由于利用了滴數傳感器、pH值傳感器，可以通過顯示的滴定數據，找到滴定終點時（pH=7）對應的體積讀數，而且通過圖像可以讓學生感受到滴定過程的突躍（圖5），這些在傳統的石蕊法或pH試紙法中是不可能做到的。

3.真正實現了跨學科融合教學

在傳統實驗中，物理、化學、生物實驗室相互獨立，實驗室的功能單一。在新課標中提倡跨學科的探究實驗，而這種實驗在傳統條件下既費時又費力，而且效果并不理想。由于數字化實驗室可以基于不同的傳感探頭，又有通用的軟件平臺，所以能較好地解決上述問題。學生可以同時、同地地測量同一實驗的理、化、生的不同量，在真正意義上實現了跨學科的實驗教學。

4.實驗過程與結果的可視化

在有些理、化、生實驗中，實驗現象并不明顯，或是實驗過程十分短暫，比如物理中電磁輻射的實驗等。教師與學生在觀察此類實驗時難度較大，實驗數據的測量也有困難。數字化實驗室因裝備了高靈敏的傳感器探頭、攝像裝置，可以將實驗過程以視頻方式儲存并重放，實現了實驗的可視化。同時可以根據要求放慢或加快播放速度，而且攝像頭的變焦功能可以對實驗的某個細節進行放大，以便于觀察。

在傳統實驗中，實驗者在實驗后為了直觀地理解測量值之間的關系，通常要手工繪制函數圖像。在數字化實驗室的軟件系統中提供了曲線擬合功能。計算機在采集、計算、分析實驗數據后，會按照實驗者要求自動繪制函數圖像或直方圖等，使得實驗結果以圖像方式直觀地呈現出來(圖6）。

5.將黑箱變為透明，激發學生興趣

傳統實驗裝置自身的內部結構對于外界來說是不可見的“黑箱”，很少有學生去探究實驗器件本身的原理。而在數字化實驗室中，廠商把大多數儀器的外殼采用透明的材質，學生可以看清楚各種儀器的內部構造，有利于激發學生探究未知世界的興趣。

總之，數字化實驗室提供了許多傳統實驗室無法達到的教學功能，教師在深入運用中將會發現更多更好的教學功能（表2中列出了傳統實驗室與數字化室部分教學功能的對比，僅供參考）。

總結

數字化實驗室的出現帶來了實驗手段的新變化，它的精確、高效、操作簡便等特點為教師與學生進行深度學習提供了可靠的技術支持。但是，從目前國內的情況來看，還存在一些急需解決的問題：其一，適合我國國情的數字化實驗教材不多，許多教材只是從國外教材直接翻譯過來，尚未本土化；其二，由于數字化實驗室的某些核心部件仍需進口（如數據采集器），因而價格相對比較昂貴，大規模推廣尚需時日，我國有實力的制造商應及早進行開發、制造以降低成本；其三，對于已經裝備了數字化實驗室的學校，能否真正地運用，而不只是將其作為學校的展覽室，也是一個重要問題；最后，目前許多教師的教學理念不能真正發揮數字化實驗室的效能，更新理念勢在必行。數字化實驗室進入我國的時間不長，對于它的運用以及管理都還有待研究。隨著新課程改革的不斷深入，使數字化實驗室的認識將從關注技術到關注人本的改變，讓數字化實驗室真正成為培養創新性人才的環境。

參考文獻

[1]徐朝軍，李藝.數字化實驗室的建設[J].實驗室研究與探索，2003（2）

[2]潘洪濤.數字化綜合理科實驗室的硬件和軟件[J].現代教學，2005(11)

[3]錢楊義.手持技術在理科實驗中應用研究[M].北京：高等教育出版社，2003:2-3

[4]潘洪濤.數字化綜合理科實驗室的硬件和軟件[J].現代教學，2005(11)

[5]馮容士.工具的變遷，課改的理念——DISLab綜述[J].物理教學，2004(9)

（作者單位：上海師范大學數理信息學院；安徽財經大學）