摘 要：信息化的實驗系統(tǒng)是對傳統(tǒng)常規(guī)實驗手段的重大創(chuàng)新。信息化的實驗主要表現(xiàn)為兩種取向：數(shù)字化和虛擬化。數(shù)字實驗系統(tǒng)是由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機系統(tǒng)及配套軟件構(gòu)成的, 有助于實驗結(jié)果的數(shù)字化和精確化測量。而虛擬實驗系統(tǒng)則是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，為師生提供一個和計算機進行交互操作以實現(xiàn)虛擬的實驗操作。數(shù)字化和虛擬化的實驗在實驗教學(xué)中具有很多優(yōu)勢并得以廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)；信息化發(fā)展；數(shù)字化；虛擬化

中圖分類號：G434 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-8454（2009）04-0047-04

一、引言

教育信息化是實現(xiàn)教育現(xiàn)代化的基礎(chǔ)和條件，是教育現(xiàn)代化的重要內(nèi)容和主要標(biāo)志，以教育信息化帶動教育現(xiàn)代化是當(dāng)今世界教育改革與發(fā)展的共同趨勢。[1] 實驗教學(xué)在科學(xué)教育中具有重要地位。人類的發(fā)展和進步是建立在工具和手段的不斷發(fā)展和更新之上的，同理，實驗也是伴隨著實驗儀器和設(shè)備的發(fā)展而取得更多的研究成果。隨著實驗儀器與計算機技術(shù)的發(fā)展，實驗教學(xué)的現(xiàn)代化也應(yīng)得到人們重視。實現(xiàn)實驗教學(xué)的信息化不僅成為信息技術(shù)與課程整合、教育手段現(xiàn)代化的一個突破口，而且對培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科技的興趣、提高綜合素質(zhì)和發(fā)展創(chuàng)新思維起著重要作用。

筆者認為，實驗教學(xué)的信息化主要表現(xiàn)為兩種取向：第一，實驗設(shè)備的數(shù)字化和精確化，主要是指實驗數(shù)據(jù)通過數(shù)字傳感器和計算機來實時地采集實驗數(shù)據(jù)，并通過運算將實驗結(jié)果呈現(xiàn)出來。第二，實驗的虛擬化，是指利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)或計算機提供一個供師生和計算機進行交互操作以進行模擬化的實驗操作。

二、數(shù)字化:實驗教學(xué)信息化發(fā)展的取向之一

許多傳統(tǒng)的實驗很難將實驗數(shù)據(jù)進行實時的自動化的采集以及實現(xiàn)對大量實驗數(shù)據(jù)的處理，然而，隨著計算機和傳感器等數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展及其在實驗中應(yīng)用的深入，勢必會對實驗教學(xué)產(chǎn)生了巨大的推動和促進作用。

1.數(shù)字化實驗系統(tǒng)

數(shù)字化實驗系統(tǒng)（DISLab）是由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機系統(tǒng)及配套軟件構(gòu)成的，其中計算機是數(shù)字化實驗系統(tǒng)的核心，共同構(gòu)成了實時采集實驗數(shù)據(jù)的智能化系統(tǒng)。在實際使用中，一般將數(shù)據(jù)采集器和傳感器集成為一個設(shè)備，被稱為手持技術(shù)（Held Technology）, 它能將實驗數(shù)據(jù)方便地記錄和分析。[2]

數(shù)字化實驗系統(tǒng)的主要工作原理是，通過配備的各種傳感器實時地采集各類被測物理量的實驗數(shù)據(jù)，通過模擬和數(shù)字信號轉(zhuǎn)換后輸入到計算機（一般實驗直接獲取得到的數(shù)據(jù)是模擬信號，而計算機接收的信息必須是數(shù)字化的，因此需要這個轉(zhuǎn)換過程），再通過相應(yīng)的軟件對被測數(shù)據(jù)進行各種數(shù)據(jù)處理，從而構(gòu)建一個現(xiàn)代化的數(shù)據(jù)測量和處理平臺。更具體地說，在實驗過程中把被測的實驗信號轉(zhuǎn)化為電壓信號以供電腦聲卡采集，因此需要用到各種合適的傳感器等媒介，否則數(shù)字化的實驗是不可能實現(xiàn)的，之后再利用計算機強大的運算和處理功能，能更好地呈現(xiàn)實驗的動態(tài)過程以及對實驗結(jié)果的運算和分析，同時還可以通過接口軟件對硬件進行控制和調(diào)整，以獲取更加精確的實驗數(shù)據(jù)。

國內(nèi)常見的數(shù)字化實驗系統(tǒng)有，基于Labview和聲卡數(shù)據(jù)采集的中學(xué)物理實驗儀器系統(tǒng)、江蘇艾迪生（EDIS）數(shù)字實驗室和朗威數(shù)字化實驗系統(tǒng)等。

2.數(shù)字化實驗的優(yōu)點

數(shù)字化實驗系統(tǒng)是一個開放性的實驗平臺，與傳統(tǒng)實驗器材相比，它具有實時、快速、高精度地采集實驗數(shù)據(jù)，并自動記錄和分析實驗數(shù)據(jù)的特點。數(shù)字化實驗不僅可以完成很多傳統(tǒng)的實驗，而且還可完成一些傳統(tǒng)實驗難以實現(xiàn)的實驗。具體而言，開展數(shù)字化的科學(xué)實驗具有如下優(yōu)勢：

（1）實驗手段的數(shù)字化

實驗手段的數(shù)字化主要是將抽象的科學(xué)現(xiàn)象和科學(xué)過程得到量化處理，從而更加準(zhǔn)確地理解各種科學(xué)概念及物體運動變化過程中所遵循的規(guī)律。比如在傳統(tǒng)的物理實驗中，利用測力計、壓強計、電流表和電壓表等儀表測量物體之間的受力、壓強、電流、電壓等物理量，這些儀器儀表體積較大，讀數(shù)不便且誤差較大。而數(shù)字化實驗系統(tǒng)則通過手持技術(shù)把以上這些物理量轉(zhuǎn)換為電信號，并與計算機相連接，從而保證了實驗數(shù)據(jù)傳輸?shù)酶奖?、測量得更便捷、采集得更細密。

傳感器通過把物理量轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號，且具備信號實時上傳的功能，與計算機方便通訊。這保證了信息技術(shù)的優(yōu)勢得以充分發(fā)揮，不僅能實現(xiàn)對傳統(tǒng)儀器的補充和替代，更能夠超越傳統(tǒng)儀器的功能。比如電磁學(xué)、光學(xué)和原子物理等有關(guān)實驗較難進行測量，有些在傳統(tǒng)條件下甚至沒有辦法進行量化測量，而數(shù)字化實驗系統(tǒng)則可完成許多在傳統(tǒng)實驗中無法完成的實驗，其優(yōu)越性尤為突出。

（2）促進實驗現(xiàn)象和實驗規(guī)律的可視化

數(shù)字化實驗系統(tǒng)可實現(xiàn)由傳統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)的“點采集”過渡到“線采集”，即以極小的時間間隔記錄以獲取大量的實驗數(shù)據(jù)，亦可直接根據(jù)大量的實驗測量數(shù)值來描繪反映物理量變化過程的圖線，從而為實驗現(xiàn)象和實驗規(guī)律的可視化表征奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，可有效地解決有關(guān)實驗暫態(tài)現(xiàn)象等傳統(tǒng)的實驗難題。比如在自感現(xiàn)象的實驗中，學(xué)生對自感電動勢和自感電流大小與方向的暫態(tài)現(xiàn)象及其關(guān)系的理解是一個難點。傳統(tǒng)的實驗沒有辦法呈現(xiàn)相關(guān)現(xiàn)象，只有靠教師的口頭講授進行講解，學(xué)生很難理解，有些學(xué)生只能靠記憶來學(xué)習(xí)，而數(shù)字化的實驗系統(tǒng)依靠數(shù)字化的電流傳感器和相關(guān)的配套軟件，可以非常直觀地將自感電流的變化特點以可視化的方式呈現(xiàn)于計算機屏幕上，從而有助于學(xué)生更加容易地理解自感現(xiàn)象的本質(zhì)。總之，數(shù)字化實驗可以將許多在傳統(tǒng)實驗中無法觀測到的實驗現(xiàn)象與數(shù)據(jù)準(zhǔn)確清晰地再現(xiàn)出來。

（3）實驗數(shù)據(jù)“測量—記錄—呈現(xiàn)”的實時化

在數(shù)字化實驗系統(tǒng)中，實驗數(shù)據(jù)的測量、記錄和呈現(xiàn)主要是通過計算機來實現(xiàn)和完成的。實驗數(shù)據(jù)“測量—記錄—呈現(xiàn)”實時化就是指在實驗進行的同時，傳感器和數(shù)據(jù)采集器實時地采集實驗數(shù)據(jù)，并同時將這些數(shù)據(jù)傳輸至計算機，通過計算機將實驗數(shù)據(jù)進行加工和處理，從而紀(jì)錄實驗結(jié)果并將有關(guān)反映實驗數(shù)據(jù)變化規(guī)律的圖線描繪完成，因此，可大幅度地提高實驗效率和準(zhǔn)確率。

數(shù)字化實驗系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用空間并可取得較好的實驗效果。數(shù)字化實驗可以在物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域開展實驗。比如在研究“力的相互作用”的關(guān)系時，傳統(tǒng)的實驗器材無非是兩個彈簧秤，讓學(xué)生拉一下，學(xué)生能觀察到彈簧秤的示數(shù)相同即可。而數(shù)字化的實驗則利用兩個力的傳感器，實驗中力的大小隨時可變，并實時顯示，拉力和推力可瞬間切換。即使在運動狀態(tài)，如勻速、加速、瞬間碰撞狀態(tài)下，作用力與反作用力仍能盡顯于計算機屏幕上，從而取得比傳統(tǒng)實驗更好的實驗效果。實驗圖可參看圖1所示。

三、虛擬化：實驗教學(xué)信息化發(fā)展的取向之二

1.虛擬實驗技術(shù)及其特點

虛擬實驗技術(shù)是以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)的。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，簡稱VR）是指基于多媒體技術(shù)和傳感設(shè)備以實現(xiàn)為人們提供一種計算機模擬時空，以自然方式（如手的運動）向計算機輸入各種控制信息從而得到平面或三維的視覺、聽覺以及觸覺等感覺的虛擬世界。[3] 虛擬實驗的核心思想就是利用虛擬形式技術(shù)，人為地制造一個虛擬的實驗環(huán)境，人們在其中可以實現(xiàn)看、聽、操作等交互活動，就像在“真”的實驗環(huán)境里進行實驗操作一樣。在虛擬實驗環(huán)境中，學(xué)生具有更多的進行創(chuàng)造性和探究性實驗的機會，可與其中的操作對象進行虛擬交互操作，且虛擬環(huán)境允許更多的用戶訪問并能彼此交互和對話。

虛擬實驗技術(shù)具有很多優(yōu)點，且有助于計算機在教育領(lǐng)域的普及和應(yīng)用，具有不可估量的作用。虛擬實驗就是借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，在計算機和網(wǎng)絡(luò)上搭建可輔助或可替代傳統(tǒng)實驗所包含的各個環(huán)節(jié)的軟硬件操作環(huán)境。虛擬實驗由于不受地域和時間限制，可以跨越時空進行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，為學(xué)習(xí)者提供很大方便。[4]虛擬實驗與真實實驗相類似，可以供學(xué)生自己動手配置、連接、調(diào)節(jié)和使用實驗儀器并開展實驗操作，為學(xué)生提供更多的探究和嘗試的機會。虛擬實驗教學(xué)融合了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的優(yōu)勢，具有建設(shè)速度快、成本低和易于管理的優(yōu)勢。采用虛擬實驗系統(tǒng)，可以突破時間、地點和設(shè)備數(shù)量的限制。學(xué)生可以在實驗過程中更容易獲得相關(guān)知識，實驗結(jié)果更容易保存。對教師和管理人員來講，實驗教學(xué)過程更容易控制，對實驗教學(xué)的指導(dǎo)效率會更高。

虛擬實驗有助于將科學(xué)知識和科學(xué)原理得以“物化”。教師將需要講授的科學(xué)知識以物化的形式凝結(jié)和保存于虛擬環(huán)境中，以直觀、形象、迅速、全面、準(zhǔn)確地形式向?qū)W生傳遞信息。學(xué)生通過書本學(xué)習(xí)而獲得的知識是有限的，而在虛擬環(huán)境中所蘊含的運動著的客觀事物傳遞的信息是全方位的、動態(tài)的和豐富的。更重要的是，事物本身就是不斷變化和發(fā)展的，它所揭示的過程和知識更有利于真實地再現(xiàn)知識的本來面貌，是教科書所難以呈現(xiàn)的。教師可通過“借用”、“移植”、“仿真”、“模擬”等方式，使虛擬環(huán)境逼近于客觀事物，在教學(xué)過程中，向?qū)W生揭示事物之間的變化過程及其規(guī)律。在這樣的學(xué)習(xí)情境中，學(xué)生能更有效地進行創(chuàng)造性的思維活動，從而有利于更加深刻地認識事物，更牢固地記住所學(xué)的知識和深刻理解事物的本質(zhì)和內(nèi)涵。

2.虛擬實驗教學(xué)的相關(guān)應(yīng)用

（1）國內(nèi)外相關(guān)虛擬實驗平臺概況

虛擬實驗在國外已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。比如，美國的Simulation Plus公司在1998年推出的面向中學(xué)理科教育的Futurelab虛擬實驗室，涵蓋了從初中到高中各個年級的生物、地理、化學(xué)、物理等學(xué)科內(nèi)容。另外，美國的Riverdeep Interactive Learning公司開發(fā)的虛擬電學(xué)實驗室（Virtual Labs：Electricity）包含豐富的電學(xué)相關(guān)實驗，可用于中小學(xué)電磁學(xué)內(nèi)容的教學(xué)。

隨著我國教育信息化的發(fā)展及其在學(xué)科教育領(lǐng)域中的應(yīng)用，虛擬實驗的研究和探索也取得了長足的發(fā)展。比如由南京金華科軟件有限公司自主開發(fā)的仿真物理實驗室、仿真化學(xué)實驗室、數(shù)理平臺等就是一個成功的典型代表。[5] 其中，物理實驗仿真軟件是面向中學(xué)物理實驗教學(xué)的，該實驗系統(tǒng)把物理規(guī)律內(nèi)置在軟件系統(tǒng)中，具有操作簡單、交互性強等特點，可以稱得上具有世界先進水平的物理教學(xué)軟件平臺，于2001年通過了全國中小學(xué)計算機教育研究中心的鑒定。

（2）虛擬實驗的具體應(yīng)用舉隅

①仿真物理實驗室的組成

仿真物理實驗室是由四部分組成的：主模塊部分、光學(xué)部分、電學(xué)部分和初中模塊。每個部分都提供了實驗所需的足夠的物理器件，比如小球、彈簧、繩子、連桿、電荷等虛擬實驗器具，并集成了重力場、電場、磁場、萬有引力場等虛擬實驗環(huán)境。光學(xué)實驗室為我們提供了光線模型、方形介質(zhì)、理想凸透鏡、凹透鏡等。學(xué)生在仿真實驗軟件平臺的使用中，只需要通過搭建器件，并設(shè)置器件的相關(guān)屬性就能完成其所設(shè)計的實驗設(shè)備的安裝。比如，力學(xué)中的自由落體運動、平拋運動、單擺運動、人造地球衛(wèi)星的運動以及帶電粒子在磁場中的圓周運動等都可以在該平臺中得以輕松再現(xiàn)，光學(xué)中的平面鏡反射、介質(zhì)對光線的折射和全反射、凸透鏡成像等，電學(xué)中的串聯(lián)與并聯(lián)電路、伏安法測電阻等。用《仿真物理實驗室》創(chuàng)建的物理模型不但可以向您展示動畫，更可以為您提供多種多樣實時的實驗數(shù)據(jù)，并可使用軟件提供的輔助分析工具，對實驗數(shù)據(jù)進行計算和分析。

②實驗的思路和過程

在仿真物理實驗室的使用過程中，我們應(yīng)根據(jù)實驗?zāi)康膩碓O(shè)計實驗，之后再在該虛擬實驗平臺上進行虛擬的實驗操作。以物體動量守恒定律的應(yīng)用為例，動量守恒是高中物理教學(xué)的重點和難點。在該部分內(nèi)容中，有一個典型的物理模型：一個質(zhì)量為M1，初速度為V1的平板，其上放有一質(zhì)量為M2、初速度為V2的木塊，且木塊與平板之間的摩擦系數(shù)為μ，來探討其物體之間的速度和動量的關(guān)系問題。在仿真物理實驗系統(tǒng)中，可通過以下幾步以清晰地揭示其物理模型中各個物理量的變化關(guān)系，以幫助學(xué)生深刻而準(zhǔn)確地理解該物理模型。其具體的操作步驟如下：

第一，新建一個“實驗項目”，確定坐標(biāo)位置并設(shè)置該坐標(biāo)的比例。

第二，點擊工具欄上的“設(shè)置”按鈕，在“實驗設(shè)置”對話框中對實驗的大環(huán)境和一些參數(shù)進行設(shè)置。

第三，從創(chuàng)建模板中選擇器件，將其拖入并放置于實驗區(qū)中，同時對其相關(guān)屬性進行設(shè)置。在“創(chuàng)建模板”中創(chuàng)建平板，然后再創(chuàng)建一個木塊放在平板上，并設(shè)置它們的大小、質(zhì)量和初速度等物理參數(shù)。實驗過程中，我們可以通過改變物理參數(shù)的數(shù)值，觀察其運動過程的中有關(guān)物理量的變化情況，此時，平板與木塊的物理參數(shù)也能實時地顯示在計算機屏幕上，方便我們觀察并發(fā)現(xiàn)其規(guī)律。之后，應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)姆绞綄⑵鋵嶒灲Y(jié)果輸出。實驗的截圖如圖2所示。

在虛擬實驗過程中，教師借助此平臺既可以讓學(xué)生形象地理解這個物體相互作用的動態(tài)過程，又可用實驗數(shù)據(jù)對這個物理過程進行定量分析，更可以讓學(xué)生親自動手搭建類似的物理模型，使學(xué)生在輕松娛樂的過程中進行探究式學(xué)習(xí)。

總之，學(xué)生一般情況下很不容易掌握這部分內(nèi)容，教師教學(xué)時也不容易將此過程準(zhǔn)確細致地表述清楚。但若使用仿真物理實驗室的虛擬實驗教學(xué)平臺來輔助教學(xué)，會很容易地將此物理模型清晰準(zhǔn)確地呈現(xiàn)出來，為教師的教和學(xué)生的學(xué)提供極大的方便。

參考文獻：

[1]楊曉宏，梁麗.全面解讀教育信息化[J].電化教育研究，2002，（1）：27-33.

[2]錢揚義.手持技術(shù)在理科實驗中的應(yīng)用研究[M].北京：高等教育出版社，2003.9：2-4.

[3]張洪洋.虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其在科學(xué)教育中的應(yīng)用[J].高等理科教育，2008，（27）：42-44.

[4]文福安.虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].中國教育信息化，2008，（11）：37-39.

[5]http://www.jhksoft.com；http://www.eedduu.com．

(編輯：王天鵬)