数字化实验的特点与应用方法

上海江凤光学仪器有限公司 宋钰蕾

数字化实验主要利用传感器将实验过程中产生的数据信息转化为数字信号，通过数据采集器传送至计算机上，实现对数据的分析与处理，获得实验图像，以此探究实验的规律和特点。数字化实验是现代信息技术与传统实验课程实现融合的载体，是进行物理实验重要的技术支撑，是提升实验教学与实验质量的重要手段。由此可见，研究数字化实验的特点与应用方法具有极其重要的现实意义。

随着计算机信息技术的不断发展，使得传统的中学实验教学发生了翻天覆地的变化，在传统的实验教学中，教师需要带领实验亲自动手实验、操作实验设备、记录实验数据，待实验完成之后，还要整理数据信息，在通过描点法才能绘制出数据图像，既耗时又费力，且学生们的学习效果也不是特别理想。数字化实验指的是使用由传感器、数据采集器及数据分析软件的实验，这一实验是根据计算机和传感技术，在实验过程中利用传感器进行测量、自动搜集实验数据，只需将数据输入计算机中进行处理和分析，进而显示出实验数据图像，可以在最短的时间内总结出实验的结论和目的。

1 数字化实验的介绍

数字化实验指的是使用由传感器、数据采集器及数据分析软件的实验，也被称为“数字化实验”（也称DIS实验，Digital Information System）（如图1所示）。其中，传感器负责在实验中直接测量，将电信号传输到数据采集器中，数据采集器再将读取的信号进行交换传递到分析软件中，最终以图表形式实时显示在软件界面中[1]。数字化实验的优势在于对参数和所测实验对象能够进行实时的采集记录、处理分析数据并同步制出图表。

2 数字化实验设备的分类

随着技术不断提升更新，目前的数字化实验设备已经从原本的只有有线类的基础上，逐步升级扩充了无线类设备（如图1、图2所示）。

图1 数字化实验组成示意—有线Fig.1 Schematic diagram of digital experiment composition - wired

图2 数字化实验组成示意—无线Fig.2 Schematic diagram of digital experiment composition - wireless

有线类通过数据线将传感器、数据采集器和分析软件连接起来。相比无线类而言，其数据传输、信号交换更稳定。产品如无特殊使用环境（强酸/强碱、长期潮湿/干燥），使用寿命较长。无线版本的优势则在于不受实验场地环境限制，便携、功能综合、数据传输直接，应用于运动学、生理学、户外探究性实验课程十分理想。且可以通过连接，在小组成员间实现实时的数据共享。

从工作原理上，两者只在数据传输方式上有所区别：无线类通过蓝牙装置进行信号的收发，而有线类直接通过数据线完成该动作。由于蓝牙信号收发受电信号的影响较大，使用无线类传感器进行实验时要确保周围没有过多的电子设备干扰[2]。

3 数字化实验的应用

3.1 数据分析“功能化”的应用

数字化实验数据分析“功能化”的应用其中的数据分析软件十分功能强大，几乎不用考虑分析软件对数据容量的负载问题。数据通过软件直接储存到计算机设备上，在进行长周期的实验记录时，确保计算机设备的空间足够即可。此外，通过软件设置，可调整传感器的采样频率和数据采集模式；为采集到的实验数据进行函数方程式的线性或曲线拟合；将实验视频－数据同步记录并回放；标记、备注数据表格中的重点实验数据等。这几项功能使该技术得以应用于不同实验目的和不同实验设计的数据采集上。

其中值得一提的是“实验视频－数据同步记录回放”功能，很多时候受实验原料、实验环境的限制，实验无法多次重复；回顾分析实验现象时只有数据，或只有影像，难以观察现象产生的同时数据情况如何；实验本身的危险性致使不适宜现场演示等，这项功能都能切实地解决这些顾虑。

除了在理化生实验的数据、现象记录和处理中起到实际作用外，数字化技术无形中为使用者淡化了学科间固有的边界。由于整套系统的使用没有学科的区分，在物理、化学和生物实验中获得的灵感及数据处理的方式方法能够互相通用，这一点也为培养跨学科的综合性优质人才做了坚实铺垫。在实验启蒙的过程中击破学科间的壁垒枷锁，真正发现物理、化学、生物、数学等学科并非无交集的单一孤岛。

3.2 实验过程“可视化”的应用

“可视化”指的是实验过程中空间与时间的可视性，这是实验人员分析实验的过程，是实验人员理解和掌握物理规律的必要条件，是学会将物理知识运用到实践中的重要手段，在具体的数字化实验过程中，很多实验结果难以通过肉眼观察得出，需要借助显微镜的帮助，而时间上的细微过程又难以捕捉，需要借助摄像机的帮助，这些都是数字化实验中的重难点问题，比如弹簧振子F-t、x-t关系、放电电流i-t关系以及碰撞的过程及原理，传统实验中由于以上实验都是以理论性为主，又或者需要利用多媒体辅助设备才能实现教学目标。如何有效解决这一问题，传统实验过程因实验人员的肉眼观察难分辨性和手工记录的局限性，这一问题也始终未能从根本上得到解决，而数字化实验则是利用计算机技术和传感器设备，对实验过程中产生的数据信息进行实时地采集、分析的过程，不受时间和空间的现实，实现了实验过程中数据信息的自动记录，也就是利用计算机和传感器的方式代替了传统实验过程中实验人员手、纸、笔的记录方式，不受时间的限制性和瞬间变化的可视性。比如，将计算机和传感技术应用到超重和失重的讲学中，就可以帮助相关人员清楚地记录下压力如何随着时间变化的图像，引导实验人员明白超重和失重的原理，进而更好的总结二者的特点[3]。

企业在创新管理模式的过程当中，需要明确地辨识一些潜在的用户以及用户的不同需求，进而合理地使用大数据系统，最大限度地收集到用户的相关资料，并对其进行有效的整合分析，开发出潜在用户的需求，激发出用户的需求，并结合用户的需求生产相应的产品，促进企业的经营发展。

3.3 实验过程“重点化”的应用

数字化实验由计算机和传感器代替人的肉眼读取相关数据信息、代替人的大脑对数据信息进行计算，解脱实验人员繁重的工作量，直接将产生的数据信息通过“物理车辆——时间”的图像方式显示出来，观察物理量和物理量之间的变化关系，使实验人员摆脱因制图不准确而出现了实验错误问题，使他们可以有更多的时间和精力进行实验设计、探究和分析，进而更加深入地理解和掌握被实验对象的概念原理和规律。

3.4 数据采集“智能化”的应用

数据采集“智能化”离不开计算机技术的支撑，具体表现为自动化、实时化、并行化、定量化几个方面。

3.4.1 自动化

数字化实验开始之前需要完成连续采样、单点采样、阈值采样等的多途径采样模式，这样才能为数字化实验过程的自动化奠定坚实的基础础。其中，采集器自身具备的强大功能的采集器可以完整准确地将数字化实验过程中产生的各类信息数据记录下来，并自动存储在已经建立的数据库中。同时，采集器还具备信息反馈输出功能，可以以其他器材作为辅助，使整个数据化实验数据采集实现智能化的目的。此外，连续采样频率较高，最高可达5000～10000Hz，采集速度为10000个数据及以上/s，但最低也可能是几分钟又或者几小时才能存储一个数据，由此可见其可以满足数字化实验过程中的全部要求。

3.4.2 实施化

数字化实验主要通过计算机控制，可以在较短的时间内实现对数据信息的读取，再利用计算机中的数据信息处理功能，将数字化实验过程中不同的数据信息以图像的形式体现出来，使实验结果更具准确性与可靠性。也正是由于数字化实验数据信息存储快速与高效的特点，使得实验结果更具有直观性，数据的显示速度更快、更准，实现了实验过程和数据记录的同步。

3.4.3 并行化

数据信息采集器可以同时接入多只传感器，可以实现对多个不同类型物理量的采集，比如在对弹簧振子的数字化实验过程中，如果依然运用传统的实验方法，实验人员就会对其中的物理规律和原理的理解较为抽象，将知识进行运用的时候也比较吃力，也很难在有限的时间内观察到回复力、加速度、位移和速度不同物理量的运动过程，而通过数字化实验，就可以借助传感器完成对数据信息的快速采集、分析、整理和归纳，进而直观地显示“F-t、x-t”动态图像，帮助实验人员建立简单的物理图像，积累实践经验，理解物理原理，获得传统实验过程中难以收获的效果。

3.4.4 定量化

在传统的实验过程中，由于受实验条件、实验场地和实验时间等因素的影响和限制，实验过程很难量化，而数字化实验可以帮助学生从原本的物理定性实验直接审计为定量实验。数据采集“智能化”中的定量化指的是利用传感器将在实验过程中产生的数据信息先进行处理，再转化为以计算机存储和处理的过程，从采集、分析、整理和归纳全部由计算机完成，有效避免了传统实验过程中因实验人员自身的原因造成的测量误差，使实验结果更具说服力。比如，将电压通过数字化进行实验，其测量精度需要控制在0.01V，光门计时的精度应当控制在0.1ms，测量精度和光门精度的误差要求相同，即都为0.1，这已是物理实验中最高的精度了。再比如，压强传感器是建立在工业级压敏器件之上的，其量程为0～300Kpa，分度为0.1Kpa，这样就可以准确地反映出数字化实验中压强传感器的变化情况。

另外，通过计算机处理实验过程中产生的数据信息可以同步将实验过程、原理全部以数字和示波器的方式反映出来，更好地实现数字化实验目标。同时，数字化实验还具有精度高、误差小、数据可以定量显示等的特点，这就使得实验规律的探究和发现更具可行性，也为学生进行“定量化”创造了有利的条件，对于实验人员更好地理解物理的原理具有极其重要的现实意义。

3.5 数据处理“智能化”的应用

数字化实验的配置、传感器的设置都是一个模板（.ews）的形式存储于计算机的硬盘中，同时软件中还具备回放功能，只需要从硬件中复制粘贴实验流程和步骤，就可以在计算机中将实验过程进行重演，相关人员就可以不受时间和空间的限制随时定格实验过程，回忆实验过程，而保存的数据信息又以格式的形式重新存储于硬盘中，实现传输目的。此外，实验人员利用计算机中强大的网络功能，将实验过程的实验结果以最短的时间发布在网络上，与他人进行共享。

3.5.1 “智能化”的数据信息拟合

数字化实验可以具有对数据信息平均值、最大值和最小值以及拟合等的多种计算功能，其中数据拟合是对数据信息处理的关键所在，也是学生们对知识理解的盲区，虽然大部分的实验人员早已理解了数据拟合的根本目的是为了明确不同数据之间的关系而获得物理原理的基本方法，其中还包含一次函数、二次函数、幂函数的基本的数学知识，但是由于缺少对分散数据的拟合，系统直接给出的是“菜单类型”的拟合操作，为实验人员的实验过程提供优良的实验条件，赢得实验时间，提升实验效率，为培养实验人员的逻辑思维能力，物理实验素养奠定了坚实的基础础。

借助计算机处理数据信息，是对传统信息处理方法的完善和优化，依然需要实验人员使用传统的纸笔进行训练，待熟悉了这一数据处理的方法和流程之后，方可利用计算机软件实现对数据信息的处理。中学时期，可以利用Matlab或者Excel的方式实现曲线拟合，也可以利用专业的软件实验对数据信息的处理，进而形成多种不同类型数据关系的方法。

3.5.2 智能化可自动形成实验报告

数字化实验这一新型的实验模式可以自动生成类型不同的文档，比如指导文档、预习文档以及数据信息处理等的文档，所生成的文档号令存为RTF中，实验时在导入文档中，其优势是可以进行多次修订，方便共享，实现相互学习目的。

4 结语

综上所述，作为新时期下的中学生是否可以适应当前形势下信息快速发展的社会，是否具备对大量数据信息的使用和处理能力，对提升学生们的综合素养至关重要。为借助计算机技术和传感器的数字化实验彻底改变了传统的实验模式，更好地体现了实验过程的三要素，促进了理论知识与实践教学的有效融合，对提升学生学习效率、物理素养以及创新能力等方面都是值得肯定的。

引用

[1] 高弘.浅析数字化实验系统与新课标实施[J].实验教学与仪器, 2009,26(3):4+6.

[2] 严西平,陈学东,钱蕙.可燃物在密闭容器中燃烧耗氧量的数字化探究[J].教学仪器与实验,2015,31(4):34-36.

[3] 沈世红.数字化实验应用于化学实验教学的思考[J].现代中小学教育,2016,32(6):79-82.