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數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室：科技創(chuàng)新引領(lǐng)教育變革

發(fā)布時(shí)間：

2025-5-6 15:53:35

在科技飛速發(fā)展的今天，教育領(lǐng)域也在不斷迎來新的變革與創(chuàng)新。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室作為現(xiàn)代科技與教育深度融合的產(chǎn)物，正逐漸改變著傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式，為學(xué)生帶來更加高效、精準(zhǔn)、有趣的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。?

一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的定義與產(chǎn)生背景?

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用實(shí)時(shí)測量、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和智能控制等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了中學(xué)理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)與信息技術(shù)的全面整合，適合中學(xué)理科新教材，能夠完成新教材要求的數(shù)字化物理、化學(xué)、生物等各學(xué)科實(shí)驗(yàn)。?

其產(chǎn)生有著多方面的背景因素。國家在 2000 – 2010 年實(shí)施的課程改革，對科學(xué)教育進(jìn)行了深刻反思，強(qiáng)調(diào)科學(xué)探究、學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)造性思維以及問題解決能力的培養(yǎng)，這為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的出現(xiàn)提供了政策導(dǎo)向。同時(shí)，“做中學(xué)” 科學(xué)以及 “科學(xué)學(xué)習(xí)與生活結(jié)合” 這兩個(gè)主流科學(xué)教育觀點(diǎn)的盛行，也使得教育界迫切需要一種能夠更好實(shí)現(xiàn)這些理念的教學(xué)工具。此外，現(xiàn)代信息技術(shù)和傳感技術(shù)的蓬勃發(fā)展，為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)生提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。目前，北京、天津、上海等 13 個(gè)?。ㄊ校┮殉雠_數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室配備標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步推動了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室在教育領(lǐng)域的普及。?

二、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)成?

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)成涉及多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。首先要有被測量的自然量，例如 “溫度、濕度、電源、力、長度、壓力” 等。這些自然量通過傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其統(tǒng)統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并通過放大或縮小到合適的電壓。接著，采集器會對這些電信號進(jìn)行編碼，使其成為可被計(jì)算機(jī)利用的數(shù)字信號。最后，通過計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)軟件對這些數(shù)字信號進(jìn)行計(jì)算和總結(jié)，從而形成最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果文檔。?

三、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的主要功能特點(diǎn)?

便捷的數(shù)據(jù)采集與傳輸：數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)之間、數(shù)據(jù)采集器與傳感器之間均采用 USB 接口，四通道傳感器接口并行采集，即插即用，經(jīng)久耐用。這種設(shè)計(jì)極大地簡化了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的連接與操作過程，提高了實(shí)驗(yàn)效率。?

多樣化的顯示方式：采用大尺寸液晶屏幕顯示，方便觀察和分析。在配備學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)室時(shí)，甚至可以省去計(jì)算機(jī)。同時(shí)，可用多種形式顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，窗口可切換為數(shù)字、指針和波形等模式顯示。同一傳感器還可以波形 – 數(shù)字、波形 – 儀表、波形 – 波形等同步組合多模顯示，大大提高了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察效果?？赏瑫r(shí)顯示接入的多種變量，也可將某一變量放大單一顯示，可對任一接入的變量實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、表格、圖像的并行或單一顯示。?

強(qiáng)大的便攜性：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室采用便攜式設(shè)計(jì)，方便組織開展室外探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動。無論是在校園的花園中進(jìn)行生物觀察實(shí)驗(yàn)，還是在操場進(jìn)行物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生都可以輕松攜帶設(shè)備，隨時(shí)隨地開展探究。?

多種供電模式：具備兩種供電模式，使用電池供電時(shí)，方便室外實(shí)驗(yàn)，擺脫了電源插座的限制，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的場地選擇提供了更多靈活性。?

豐富的傳感器配備：擁有大量滿足理、化、生學(xué)科教學(xué)需要的傳感器，并且可以使用同一采集器。這意味著學(xué)生在進(jìn)行不同學(xué)科的實(shí)驗(yàn)時(shí)，無需頻繁更換采集設(shè)備，能夠更加專注于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容本身。?

人性化操作平臺：提供人性化操作平臺，方便探究實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。自動生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，方便學(xué)生編輯和提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，包括實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像等。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像分別可以保存，自動生成實(shí)驗(yàn)課件，支持課件的回放。圖像點(diǎn)對應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)閃動，便于觀察。選用多種保存形式，方便數(shù)據(jù)和圖像的處理和使用，可同時(shí)保存在同一次實(shí)驗(yàn)過程中因改變不同實(shí)驗(yàn)條件而產(chǎn)生的多張數(shù)據(jù)表格和多個(gè)實(shí)驗(yàn)圖象，便于比較。?

軟件功能強(qiáng)大：軟件分為專用軟件和通用軟件。專用軟件操作簡捷，重點(diǎn)突出，直觀性強(qiáng)；通用軟件功能強(qiáng)大，適合探究式學(xué)習(xí)，支持教師和學(xué)生自主搭建實(shí)驗(yàn)，鼓勵學(xué)生動手實(shí)踐，支持多傳感器組合實(shí)驗(yàn)。根據(jù)教學(xué)需要，教師還可編寫新實(shí)驗(yàn)?zāi)_本，擴(kuò)充專用實(shí)驗(yàn)。?

數(shù)據(jù)處理與分析功能完善：數(shù)據(jù)記錄方式多樣，數(shù)據(jù)以自動記錄、點(diǎn)擊記錄、外部調(diào)入等方式導(dǎo)入表格，傳感器對應(yīng)的變量在表格中自動生成?？蓪?shù)據(jù)導(dǎo)入到 EXCEL 表格等軟件進(jìn)行其他處理，也可直接將數(shù)據(jù)保存，方便下次調(diào)用。可以在計(jì)算表格中直接新建文檔，不必關(guān)閉軟件。公式及變量方面，可通過運(yùn)算編輯窗口將公式手動輸入或從公式庫輸入到表格并自動生成獨(dú)立的記錄單元；變量可手動輸入或自動生成，可輸入變量和恒量；可自行編輯公式保存到模板，方便下次調(diào)用。設(shè)立多種數(shù)據(jù)擬合方式，供教學(xué)時(shí)選用。支持常規(guī)四則運(yùn)算，支持對數(shù)、指數(shù)、三角函數(shù)、反三角函數(shù)等運(yùn)算，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行圖線描繪。可自動生成二維平面坐標(biāo)系，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要可自定義 X 軸和 Y 軸變量，可在坐標(biāo)系中繪出變量 – 時(shí)間、變量 – 變量等實(shí)驗(yàn)圖像，亦可在同一坐標(biāo)系內(nèi)重復(fù)繪制多組實(shí)驗(yàn)圖像以方便比較。圖線處理功能豐富，圖像可整體放大、縮小，也可單軸拉伸、壓縮、平移，可選擇單一圖線進(jìn)行綜合處理，任何一條圖線均可被鎖定 – 解鎖、隱藏 – 顯示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可單點(diǎn)顯示，也可圖線顯示，也可圖線 – 單點(diǎn)組合顯示，也可以腳標(biāo)方式實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)值?？蓪D像以 X 軸鏡像顯示，也可暫態(tài)顯示，可調(diào)圖線的線型，可整體移動圖像，也可框選并直接顯示框選范圍在 X 軸和 Y 軸的截距?？烧w復(fù)制實(shí)驗(yàn)界面到圖像編輯器、可將實(shí)驗(yàn)界面直接保存為圖像，可打印和保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)圖像；在實(shí)驗(yàn)中，還可以調(diào)閱實(shí)驗(yàn)幫助資料。?

四、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用案例?

以物理實(shí)驗(yàn)中的牛頓第三定律實(shí)驗(yàn)為例，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，通常采用兩個(gè)彈簧秤對拉看刻度基本相等來驗(yàn)證。而在數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)中，則采用兩個(gè)力傳感器對拉，通過兩根 USB 線將傳感器數(shù)據(jù)傳入電腦，然后借助軟件可以以數(shù)字和曲線的形式顯示出力的大小變化曲線和數(shù)據(jù)。從呈現(xiàn)結(jié)果來看，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)不僅能清晰地展示力的大小是相等的和對稱的，還可通過軟件進(jìn)行曲線的擬合，讓學(xué)生更直觀地理解牛頓第三定律的內(nèi)涵，也便于對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析。?

在生物實(shí)驗(yàn)中，對于植物光合作用速率的研究，傳統(tǒng)方法可能存在測量不夠精準(zhǔn)、難以實(shí)時(shí)監(jiān)測等問題。而利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，通過傳感器可以實(shí)時(shí)測量光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、溫度等環(huán)境因素以及植物的氧氣釋放量等數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行分析。學(xué)生能夠在實(shí)驗(yàn)過程中清晰地看到不同環(huán)境因素對光合作用速率的影響，從而更好地掌握光合作用的原理。?

五、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室對教育的影響與未來展望?

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的出現(xiàn)，對教育產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。它為學(xué)生提供了更加精準(zhǔn)、直觀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有助于學(xué)生深入理解科學(xué)知識的本質(zhì)。同時(shí)，豐富的實(shí)驗(yàn)功能和便捷的操作方式，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維。對于教師而言，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室為教學(xué)提供了更多的手段和資源，便于教師設(shè)計(jì)多樣化的教學(xué)活動，提高教學(xué)質(zhì)量。?

展望未來，隨著科技的不斷進(jìn)步，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室有望在功能上進(jìn)一步拓展和優(yōu)化。例如，與虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)相結(jié)合，為學(xué)生創(chuàng)造更加沉浸式的實(shí)驗(yàn)環(huán)境；利用人工智能技術(shù)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入的分析和預(yù)測，為教學(xué)決策提供更有力的支持。相信在不久的將來，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室將在教育領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，推動教育事業(yè)不斷向前發(fā)展。?

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