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一、数字化实验设备的研发背景

众所周知,我国目前正轰轰烈烈的进行中小学课程改革。
课程改革的核心理念,就是要强化学生的自主探究性学习,
让学生通过自主探究性学习,掌握新的知识,获得新技能,培养科学探究的能力。
 
在课程改革的新形势下,理科教学中理化生实验教学的地位显得更为重要,
许多的知识、规律不再是由教材直接给出后通过教师灌输给学生,
而是要求让学生通过探究性实验来再发现,这就对理化生实验室的建设提出更高的要求。
 
数字化生物实验室

传统的理化生实验室的缺陷最主要有以下几个方面:

1.传统实验仪器的分辨率不高,影响了探究实验的结果;
2.传统实验室中实验数据的记录只能采用手工记录,数据采样率不高,
对实验结果的精确度影响较大,更重要的是这种传统的数据记录方法
面对一些快速连续变化的量时往往无能为力,导致一些实验无法完成;
3.中学生分析处理数据的能力不强。
 
长此以往,学生会觉得实验难做,实验意义不大,严重影响学生的学习兴趣。
 
在这种情况下,威成亚联合清华大学研究中心达成合作,
研发了数字化实验室系列产品,为中学理科实验教学提供完美的解决方案。


二、数字化实验设备的构成

数字化(探究性)实验室系统由数据采集器(+软件)、系列传感器、及附件构成。
 

 
(一)采集器

采集器是微处理器控制的智能设备,其作用是采集多个电脉冲信号,
并转换成数字数据信息记录保存,故称数据采集器简称采集器。
是一种具有现场实时数据采集,处理功能的自动化设备。
为现场数据的真实性,有效性,实时性,可用性提供了保证。
  
具备实时采集,自动存储,即时反馈,自动处理,自动传输功能。
通过数据线与计算机/平板电脑进行数据的传输。

 
智能采集器

 
标准采集器


(二)传感器


传感器是一种将测得非电信号转换成电信号,
并对该微小的电信号进行放大且按照一定规律输出的器件或装置。

威成亚目前已研发、生产60余种不同功能的传感器,
且传感器的种类正在根据教学内容与要求不断扩展,基本覆盖初高中所有实验。


(三)附件


有了采集器和传感器,只解决了数字化实验室中数据测量的基本测量装置。
如果将先进的手段和精密的测量与传统的实验环境结合,会带来巨大的误差。

基于教材和实验的要求,根据数字化实验的特点而研发的配套附件,
大大提高了数字化实验的优越性。从根本上解决了传统实验中无法实现的或误差大的测量。
 

三、数字化实验设备的应用优势

1.实验“可视化”,解决了传统实验受力现象无法直观呈现的问题,
例如“斜面上力的合成与分解”实验:
 


此实验为教学重点,但也是讲解难点。
受限于受力大小和方向“看”不到,使得传统实验手段无法完成。

而数字化实验,能够通过传感器可实时显示物体的受力大小及方向,
并可以通过图像拟合进一步学习掌握平行四边形定则内容。

2.实验设备简单,数据准确。解决了传统实验设备连接复杂,过程容易出现失误,
实验结果无法量化分析的问题。例如“法拉第电磁感应”实验:
 

 
传统实验过程中,仪器组装需要连接多个元件,容易由于连接错误导致实验失败,
数据难以精确测量,无法进行对比实验。

数字化实验器材连接起来就简单许多,且可通过智能电源进行组合波操作,
通过传感器精确采集数据,能够进行相关性分析。

3.可同时持续记录多组实验数据,方便观察分析不同变量对实验结果的影响。
例如“气体流速与压强”实验:

 

传统实验只能进行初级的现象观察,无法深入探究。

数字化实验通过采集三组传感器数据,可深入探究管径不同时气体流速与压强的关系,
并将实验结果完美呈现在软件当中,方便后续对比分析。

4.在软件中内置实验原理动画,老师可以选择让学生对实验进行预习和复习,
或者自行操作实验,以提高学生学习的自主性,加深理解。
 

 
 
四、数字化实验设备的市场前景

现代信息技术和传感技术的发展,对数字化实验室的产生提供了技术支撑。

相比传统实验,数字化实验更真实、更具体、更直观的对真实世界进行反馈,
尊重实验的科学性。通过简化实验设备的复杂程度、更好地监控实验过程,
保证了实验的成功率,降低老师授课难度。

我们对10个常见实验进行研究,据统计,利用数字化实验手段反复实验,其成功率达到99%。

有了数字化设备,能帮助学生开展自主性学习,
提升学生的数学图形分析能力、对复杂物理问题的分析判断能力以及联想探究能力。

研究表明,数字化实验在提高学生学习兴趣、
转变学生学习方式以及树立正确的价值观等方面都有着积极的作用。

在这个注重科学素养、创造性思维培养的时代,数字化设备无疑是理化生实验室的标配,
必然会有越来越多的学校需要配置,市场潜力不容忽视。