2014年数字化试验产业创新发展报告-山东远大朗威教育科技股份.PDFVIP

2014 年度数字化实验产业创新发展报告1 李鼎 关键词： 数字化实验，传统实验，创新 一、高速创新——数字化实验产业的基本特征 1、再谈数字化实验与传统实验 （1）传统实验 众所周知，某一个物理量、化学量变化时会产生特定的相关效应。利用经验公式或测 量数据做基础，建立“物理量、化学量与相关效应”的关联数据库，即可通过对其相关效应的 测量实现对该物理量、化学量的测量。比如利用物体受热后会产生膨胀这一规律，伽利略等 人先后设计了水银和酒精温度计，实现了对温度的测量；而电流流过导体的时候会产生磁效 应，与之对应的是磁场力，利用磁场力做功使指针偏转，德国科学家韦伯就发明了电流表。 等等。 从古至今，实验仪器的设计与研发都是遵循着上述原理和过程实现的。因此，实验仪 器大多拥有“相关效应物-机械联动装置-观察面板”三个构成部分。同时，尽管都具备三个基 本构成部分，但由于相关效应物各不相同，为了获取某一个实验数据而设计的实验仪器看起 来千差万别。 基于结构功能主义的认识，上述实验仪器的原理和构成也决定了其使用特征：以被测 物本身的变化或其相关效应带来的变化为测量基础；以观察面板上的刻度决定实验数据的精 度；以目视为数据感知手段，实验者需要经常基于估读并手动记录；数据记录之后方可进行 数据处理。 使用上述实验仪器并且具备以上特征的实验，一般称为传统实验。 （2 ）数字化实验 2 数字化实验，指以数字化实验仪器为主要手段所进行的实验 。而数字化实验仪器，则 基本上都是以计算机为综合信息处理平台，以各种传感器为测量端子构成的实验数据实时采 集和处理系统。 与传统实验仪器相比，数字化实验仪器所依据的“相关效应物”就是传感器，即测量某一 个物理量、化学量变化时引发的电信号的装置。传感器感受的是各种物理量、化学量，但输 出的都是电信号，因此传统仪器上的“机械联动装置”随之被电信号传输和数据采集装置替代， 而观察面板也换成了计算机屏幕，并且随之具备了数字、波形和仪表等多模显示功能。 得益于集成电路的进步，各种类型的传感器日益小型化，数字化实验仪器的前端设备 1 发表于 《中国教育装备行业蓝皮书2015 版》 2 《数字化实验教育装备发展研究报告》，《中国教育装备行业蓝皮书2013 版》。 可以实现高度统一。相对于传统实验，数字化实验的使用特征也发生了显著变化：以传感器 输出的电信号为测量基础；以 A/D 转化的精度和软件（含底层软件和上位机软件）的设置 决定实验数据的精度；以目视为数据感知的主要手段，但支持与目测同步的自动记录和程序 分析，可即时获得实验结果。 数字化实验是实验教学方法和手段在现代科学技术推动下的发展产物。数字化实验的 出现之后，解决了传统实验中测量精度不高、数据读取和记录效率低下等问题，与传统实验 共同构成了目前基础教育阶段理科实验教学的工具体系。 2、传统实验仪器和数字化实验仪器设备的更新、发展特征 （1）传统实验仪器 传统实验仪器这一庞大的族群是随着人类在自然科学领域的探索和进步而逐步积累起 来的。一件经典实验仪器的诞生往往昭示着科学史上的一次重大进步：卡文迪许扭称，对应 着验证万有引力的尝试；库伦扭称，则对应着针对静电力的探索。因此，传统实验仪器的结 构和功能令其具有独特的两面性：工具意义和标本/模型意义。 标本/模型意义使得传统实验仪器本身就具备了科学教育功能，这一点使得传统实验仪 器赢得了无数“强调传统”的教育专家的衷心拥戴。但其产生的机制和以机械为主的结构特征 也给自己带来了局限——更新发展的速度缓慢，而且其测量和记录等工具性特征在日新月异 的数字化技术面前相形见绌。 （2 ）数字化实验仪器 与传统实验仪器不同，数字化实验仪器诞生和发展的基础是现代工业测量和控制技术， 具体说来就是传感器技术和计算机技术。这两项技术作为人类进入信息社会的标志，在近三 十年间获得了加速发展：一方面是传感器的种类趋于多样化，逐步涵盖各个测量领域；另一 方面则是传感器和计算机在功能不断提升的同时体积日益缩小。这都为数字化实验仪器的发 展提供了巨大的推动力。 因此，自数字化实验仪器的雏形在八十年代初的美国出现之后，一直呈现出快速发展的 特征。尽管在部分强调实验仪器必须兼具标本/模型意义的教学专家眼里，数字