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3.3 表现之三是“并行化”
数据采集器能同时接入四只相同的传感器或四个不同的传感器,能同时采集多个相同或不同种类的物理量,实现数据的同步并行采集。在弹簧振子的振动实验中,常规讲授法教学中,学生对物理规律感觉比较抽象,理解起来十分困难,学生很难同时观察到回复力、加速度、速度和位移四个物理量在运动过程中的大小和方向。应用DIS 的并行采集功能,实验中分别利用力传感器和位移传感器并行实时采集数据,直观显示F-t,x-t动态图象,有利于学生建立起简谐运动完整的物理图景,帮助学生获得直接经验,直接感知物理规律,取得其它教学手段难以收到的效果。
3.4 表现之四是“定量化”
定量研究是科学的特征。一些传统中学实验受到实验条件、实验技术的限制,难以量化。DIS实验直接使许多中学物理定性实验升级成定量实验。
利用传感器测量的各种物理量都要经过采集器进行处理后才能变为计算机能够储存和处理的数据。从数据的测量到采集再到处理,都是在系统内部完成,避免了传统实验仪器由于估读时人为引进的各种测量误差,使实验结果更精确、可靠。
例如,电压测量可以精确到0.01V,光电门计时可以精确到0.1ms。而且两者的误差都为1%以内,对于中学物理实验来,这个精确度已是相当的高了。又例如压强传感器采用工业级压敏器件。传感器量程为0~300Kpa,测量分度达到0.1Kpa,能够精确反映实验过程中的压强变化。
计算机数据处理软件数据可以即时地把同一实验数据用数字、指针或示波器三种显示方式显示出来,实现了实验数据的定量显示。
数字化实验的传感器的精度高,数字化实验的误差比较小,数据的定量显示,这些就使物理、化学、生物学规律的探究发现或者探究验证更具有严谨性和可信性。数字化实验室为学生的“定量化”研究提供了研究平台,有利于学生理解科学的本质。
4.数据处理“智能化”
4.1 “智能化”地进行实验重演
每个实验的配置、传感器的设置都以模板文件(.exs)存储在硬盘上,每次实验数据都以一定的数据文件(.exd)存储在硬盘上。软件提供了回放功能,只要调用相应的实验模板和数据文件,就能够实现实验的重演,学生可以随意定格展示、随意缩放DIS实验图线,回忆实验情形,复习实验过程。由于保存下来的数据和结果是以通用格式保存的,这使得数据的共享十分方便。利用计算机的网络功能,还可以把实验数据和结果以最快的速度进行网上发布,做到数据共享。
4.2 “智能化”地进行数据拟合
软件不但提供了对数据求平均值、求最大值、求最小值的功能,而且提供了数据拟合功能,图线面积求法──积分运算功能,和自定义运算功能。
其中数据的自动拟合是处理数据的关键,也是中学生课堂知识的盲区。学生能够理解数据拟合是揭示数据之间关系、找出物理规律的必要方法,也有一次函数、二次函数、幂函数等数学知识,但缺乏把离散的数据进行拟合的数理统计的高等数学基础。系统软件直接给出了对给定的一系列数据进行“傻瓜式”、“菜单型”拟合操作,提供给中学师生一种强有力的科学工具,使学生的实验范围大大拓宽,实验水平极大提高。DIS为培养学生的创新能力和探索能力提供了很好的平台。
拟合菜单包括直线拟合、曲线拟合两类。曲线拟合提供乘幂拟合、指数拟合、N级反比拟合、平方倒数拟合、二次项拟合、三次项拟合、正弦拟合等。
计算机数据处理是传统数据处理方法的改进。学生首先要进行使用传统的纸笔,用公式法、图象法处理数据的训练。熟练了这种数据处理方法后,可以用通用计算机软件进行数据处理,改进实验数据处理方法。中学阶段,一般可以简单地运用Matlab或者Excel进行曲线拟合,也可以用专用的软件进行数据处理,形成多种解释数据之间关系的方法。
4.3 “智能化”地创建实验报告
软件可以创建各种文档,如实验指导报告文档、实验预习报告文档、数据处理结果文档、实验主报告文档以及需要的文档。WORD创建的文档另存为RTF文件就能导入到实验文档中。电子文档的优点如方便多次修订,方便网络共享、同伴交流学习在这里实现。
5.教学过程“现代化”
5.1 教学手段现代化
与传统的实验仪器相比,传感器更具有品种多、技术新、功能强、发展快、性能可靠等优势。过去实验测量器材有电流表、电压表、弹簧秤、水银温度计等,现在则可用
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