10.3969/j.issn.1671-489X.2015.05.005 数字化实验教学设备的发展与应用——以朗威®数字化信息系统实验室为例 ◆ 赵凯 摘要 数字化实验设备已成为世界范围内实验教学设备发展的主流，本文系统地介绍了朗威®数字化信息系统实验室的组成、发展历程、应用案例及发展前景。 关键词 数字化实验；朗威®；课程改革 中图分类号：G434 文献标识码：B 文章号：1671-489X(2015)05-0005-05 在科学发展过程中，概念的形成、规律的发现、理论的建立都要依靠实验。重视实验、改进实验是科学发展的必由之路，也是科学教育的重要方法。 20世纪末兴起的以“传感器+计算机”为组成部分的数字化实验系统，因其在“促进学生认知、提高课堂效率”等方面的显著作用，得到了教育专家的高度认可，成为21世纪全球实验教学设备发展的重要组成部分。1数字化实验的概念数字化实验是指在实验数据的采集、传输和预处理过程中，利用传感器和数字电路，将实验数据上传到计算机（包括计算机改造后的各种终端），通过特定的软件进行计算处理，最终得到实验结果的一种新型实验教学系统。与传统实验相比，数字化实验虽然引入了“人机交互”，但保留了真实实验的全部要求：操作实验对象、设置实验设备、设置和调控实验流程等，并具有传统实验所不具备的“高采集速度、高数据密度、高结果准确性、高可视性”。作者：**，山东远大网络多媒体有限公司（）。
它具有一系列突出的优势，在提高实验效率、优化实验效果、强化教学效果等方面明显优于传统实验，不仅有效填补了传统实验的空白，为常规教学活动注入了动力，而且有利于培养学生“信息技术环境下的自主学习、自主探究能力”。2 朗威®数字化信息系统实验室的组成及发展历程朗威®数字化信息系统实验室，简称朗威®，由数据采集器、系列传感器、配套实验设备和软件等组成（图1）。软件包括通用软件、专用软件和辅助软件。系列传感器可满足高中物理、化学、生物、地理、初中综合科学、小学科学等教学需要，种类还在根据教学要求不断扩充。朗威®的前身是1999年由山东远大网络多媒体有限公司（现更名为山东远大网络多媒体有限公司）自主研发生产的朗威®微机辅助高中物理实验系统。2002年，上海市教委为实现“推进信息技术与学科教学融合”、“培养学生在信息技术环境下自主学习、独立研究的能力”的课程改革目标，决定成立专门机构，自主研发上海市第二期课改所需的数字化实验设备及配套设备。经过严格评估和慎重选拔，上海市教委教研室、奉化中学、山东远大三校共同成立了上海市中小学数字化实验系统研发中心。著名实验教学专家、特级教师、上海市特级校长冯荣时先生担任中心主任，山东远大董事长、总经理李丁担任副主任。
2002年8月，中心完成了数字化实验系统第一版的研发，并将产品发放到上海市53所试点学校进行教学验证。图1 朗威®数字化信息系统实验室组成。 浅谈仪器（二十三）理论研究-5-2015年3月第05期（总第359期） 发展历程、应用案例及关键词 数字化实验；中图分类号：G434 文章编号：1671-489X 建立在科学发展过程中，都依靠实验发展的必然路径，更重要的是它作为构成要素在20世纪末兴起，以“作者身份”获得了教育领域实验教学仪器的发展。 1 数字化实验概念数字化实验，特别是利用传感器和计算机（包括各种计算机控制的处理，最终得到实验验证。2002年至2008年，龙威®通过了山东省教育厅、教育部基础教育司、上海市教委、教育部教育装备研究发展中心、浙江省教育厅装备中心等多个部门的课程鉴定，被纳入上海市中学物理课程标准，被纳入上海市课程改革第二阶段上海市中学物理、生物教材，以及人民教育出版社、上海科教出版社、广东教育出版社等多部国家级教材。2009年荣获全国优秀自制教具评选一等奖、济南市创新产品称号，2010年12月荣获教育部基础教育课程改革教学研究成果一等奖。 2011年8月获得河北省科学技术成果证书，2012年11月在第七届国际发明展览会上荣获两项金牌，2013年5月在上海教育博览会上荣获双十佳产品奖。
2014年4月，“法拉第电磁感应实验仪”获中国教育装备产品创新奖。2014年5月初中物理实验器材改进，获上海市教学成果特等奖。2014年6月，“朗威®V7.0无线向心力实验仪”获2014年第十六届世界教育联盟仪器设备组奖，这是我国首次获此殊荣。2014年9月，“中学物理教学创新—数字化实验系统（DIS）的研究与应用”获国家级教学成果一等奖。3朗威®数字化信息系统实验室应用案例水平抛物运动1）实验装置组成。本实验需用到朗威®2D运动传感器和朗威®2D水平抛物运动实验仪（图2）。朗威®2D运动传感器由发射器和接收器组成。打开发射机开关后，接收器可以定位发射机位置，这样就可以通过教学软件描绘出发射机的运动轨迹。®二维水平抛射运动实验器的轨道呈倾斜状安装在垂直杆上，轨道上端装有位置可调的释放装置，改变释放装置的高度可以改变抛射速度。轨道末端装有调零装置和水平仪。轨道采用铝合金材质，呈弯曲状，其宽度刚好足以让二维运动发射装置在其中滚动，减少晃动和摩擦。2）实验操作。实验时按如下步骤进行，第一步，释放测试弹丸，将缓冲装置置于测试弹丸落地范围内；第二步，在二维系列软件主界面点击实验项“水平抛射运动”，打开软件；第三步，将二维运动传感器发射器放置在水平投影轨道水平端边缘靠近调零装置处，点击软件“零点设置”，然后沿水平方向移动3至6cm，点击“水平校准”；第四步，将二维运动传感器发射器放置在轨道弹丸释放区域，点击“开始记录”进行释放，系统会自动记录其水平投影运动轨迹（图3）；第五步，在界面上依次点击“x”、“y”，模拟水平投影运动的水平和垂直运动轨迹，点击“二次拟合”按钮对水平投影轨迹进行二次拟合；第六步，点击“加速度”，计算水平投影运动在垂直方向的加速度值，并与当地重力加速度值进行比较（图4）。
3）数字化实验的优势。对于水平抛射运动轨迹的刻画，传统上采用频闪摄影和电火花追踪两种方法。这两种方法虽然原理比较简单，但一方面测量方法有些间接，另一方面对实验设备、操作方法、实验环境和数量都有一定的要求。受此限制，实验成功率不高，需要多次尝试才能得到较为理想的轨迹，而多次实验必然导致系统误差增大。本次实验采用®二维运动实验系统完成，操作简单，成功率高，不仅能刻画水平抛射运动轨迹，还能对数据进行分析处理，得出水平抛射运动其实是水平方向匀速直线运动与垂直方向自由落体运动的复合运动的实验结论，解决了教学难的问题。 ®二维运动实验系统自诞生以来，经过专家认证，在课程教学中实践，受到广泛好评。点击其水平运动轨迹“y”即可模拟水平轨迹，点击“二次拟合”再点击“加速度”，数值即可与局部运动轨迹进行对比。传统方法虽然原理上一致，但对精度有一定要求，只能尝试才能得到较好的结果，导致系统误差增大。实验由系统完成，运动轨迹可操作，其实可以做水平运动实验。实验系统·理论研究-6-2015年3月第05期（总359期）
2009年该系统在第七届全国优秀自制教具评选活动中荣获一等奖，基于此系统的水平抛物运动实验案例被收录于人教版高中物理教材第五章“曲线运动”和第三节“实验：研究水平抛物运动”2.酸碱中和滴定1）实验器材及试剂（图5）。®数据采集器、pH传感器、自动滴定装置、计算机、洗瓶、50ml烧杯、滤纸、磁力搅拌器、铁架、0.1mol/L HCl、未知浓度的NaOH。在自动滴定装置中加入0.1mol/L HCl，能自动记录滴数，根据每滴0.025ml的体积，软件能自动计算出滴加的HCL体积。2）实验操作。 ● 专用软件操作方法：点击“开始实验”，打开磁力搅拌器电源开关，向烧杯中逐滴加入HCL溶液（滴速控制在1~2滴/s），直至pH<7。点击“图形分析”，点击“选择区域”，选择导数曲线的峰值作为研究对象，系统自动计算NaOH溶液的溶解度（图6）。● 通用软件操作方法：选择光电门的测量方式为“计数”，在“组合曲线”中添加自定义曲线“V-pH”（需添加变量“V=0.025*t2”）表示盐酸的体积，点击“开始”，打开磁力搅拌器电源开关，向烧杯中逐滴加入HCL溶液（滴速控制在1~2滴/s），直至pH<7。
得出滴定曲线，从而确定滴定终点时需加入盐酸的体积（图7）。3）数字化实验的优势。●传统的酸碱中和滴定曲线绘制方法复杂，利用DIS数字化实验系统绘制滴定曲线操作更简便，更准确，教学效果好。由老师现场演示或学生自己通过实验绘制滴定曲线初中物理实验器材改进，与教科书上印刷的滴定曲线供学生观察分析的教学效果有很大区别。●用标准盐酸滴定未知浓度的氢氧化钠时，传统实验方法以甲基橙为指示剂，但甲基橙变色时的pH值为4.4，而盐酸与氢氧化钠反应时的pH值正好为7，酸碱指示剂的变色点并非反应终点，难以向学生解释。利用数字化实验，可直接得到pH=7时的相关数据，实验结果更科学。图4 水平抛物运动的速度与加速度 图5 酸碱中和滴定实验装置 图6 中和滴定实验专用软件广受好评，2009年在活动中荣获一等奖，在人教版高中物理教材《平行运动的研究》中。 酸碱中和滴定 1）实验器材及传感器，自动滴定器，磁力搅拌器，铁架，0.1mol/L HC，能自动记录滴数，软件能自动计算滴数。 2）实验操作。●专用软件操作搅拌器电源开关网校头条，理论研究-7-2015年3月05期（总359期） 蛋白质含量测定 1）实验器材及试剂（图8）。
®数据记录仪、比色传感器、结晶牛血清白蛋白、待测样品（如蛋清）、双缩脲试剂、5 ml移液器、吸管、100 ml容量瓶、4个滴瓶、5个小试管。2）实验操作。● 取结晶牛血清白蛋白1.0 g，溶于100 ml蒸馏水中。取5个烧杯并编号，加蒸馏水配成蛋白质含量为0 mg/mL（蒸馏水为空白参比）、2 mg/mL、3 mg/mL、4 mg/mL、5 mg/mL的溶液。先在每个小烧杯中的溶液中加入15 mL 5% NaOH，混匀，再加入1 mL 1% CuSO4溶液，混匀，静置30 min。● 取蛋清，用蒸馏水稀释50倍。取5ml蛋清稀释液，先加入15mL 5%NaOH，混匀，再加入1mL 1%CuSO4溶液，混匀，静置30min。●将任意待测蛋白反应液加入比色皿中，放入比色传感器中，数据会显示出R、G、B三个值，代表R、G、B三个颜色下的吸光度值，本实验选择G通道。●将空白对照、梯度浓度蛋白溶液、待测蛋清溶液依次倒入比色皿中，用比色传感器测量各溶液的吸光度值，在表格对应位置输入其浓度值。●点击“绘制”，软件自动生成蛋白含量标准曲线并计算蛋清溶液的蛋白含量（图9）。
3）数字化实验的优势。本实验是上海科技出版社出版的高中《生命科学》教材第一册（试用版）第二章第二节采用的数字化实验。由于采用了数字化实验方式，实验由传统的刻板观察升华为定量测量。龙威®强大的数据采集、分析和处理能力，大大提高了实验效率。本实验不仅能让学生学习定量检测蛋白质含量的实验方法，还能通过此方法解决蛋白质含量问题（图7通用软件中和滴定实验图8蛋白质含量测定实验装置图9蛋白质含量测定实验结果图10小车移动速度比较实验装置图11小车移动速度比较实验结果（续P11）是一种观察型的实验，但也能通过传感器测量各溶液的浓度值，从而得到蛋白质含量的标准量（图9）。它是上海科技出版的卷（试行版），将数字化的观察升华为定量分析处理能力，能让学生通过此方法学会解决生活问题。理论研究-8-2015年3月05期（总359期）初步建立了一种新型有效的课堂教学评价体系，在“未来校园”云学习平台，学生观看微视频、完成测验，师生互动，共同探讨教学方法，提高教学质量。