【数字化实验室的应用研究】朗威数字化实验室
基于朗威DISLab自制教具探究阿基米德原理
基于朗威DISLab自制教具探究阿基米德原理用日常生活中常见的材料制成阿基米德原理演示仪，并引进朗威智能信息采集系统，仪器易于操作，精确度高，能获取连续的多组数据，同一组仪器可以进行浮力的一系列实验，不需要重新设计仪器，实现数据的即时处理与直观呈现，方便省时，在真实实验的基础上实现了信息技術与物理实验教学的整合[1]。
一、实验系统介绍（一）朗威智能信息采集系统的简介DIS是英文Digital Information System （数字化信息系统）的缩写。
DISLab 是数字化信息系统实验室的简称。
朗威智能信息采集系统包含传感器、探头、数据采集器和“朗威物理”软件，其中软件包括专用软件和通用软件，它们共同构成了基于数据实时采集和实时处理的完整的现代化实验教学平台。
它集物理量测量、智能化数据分析、数据记录和自动控制等功能于一体，实现了对物理实验的实时控制及对实验数据的自动化采集和处理。
（二）自制阿基米德原理演示仪1.升降台的制作升降台是将两个针管用塑料管连通，一个里面装满水并排空空气，通过推拉其中一个针管中的活塞推动另一个针管中的活塞达到灵活、连续升降的目的。
2.阿基米德原理教具制作用铝管制成的支架，横杆长25.2cm，竖杆高50.0cm。
升降杆是用橡胶棒制成的，与升降台原理基本一样，都是通过推拉针管来调节高度，不同的是使用升降杆时将一个力传感器固定在升降杆上，另外一个力传感器固定在一个竖杆上，支架是可拆卸的。
二、利用朗威DISLab与自制阿基米德原理演示仪的实验过程实验仪器：朗威数字化信息系统、自制升降台、溢水杯、小桶、重物。
第一步：将两个力传感器插入数据采集器的两个通道中，再将数据采集器连接在电脑上，打开朗威数字化信息系统的通用软件，打开“计算表格”然后，设置变量“Fx”。
第二步：将小桶挂在I号力传感器上，对应变量F1，现在给溢水杯中倒液体直至有液体向外溢出，然后对两个力传感器进行调零（调零后小桶自身的重力以及桶中液体的重力对实验结果将不会造成影响）。
朗威DISLab数字化信息系统实验室物理培训22页
QUCS（Quite Universal Circuit Simulator)电路仿真软件
可在qucs.sourceforge/index.html下载 直流模拟，交流模拟，散射参数模拟，谐
波平衡分析模拟，噪声分析模拟等，完全可 以满足物理学电子专业学生自主学习的需要。
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教学中的应用方式一
⑴作为学生预习或者复习电学实验一种工具。 普通物理实验——“惠斯登电桥”
自由及开源软件在物理教育中 应用的初步探讨
吴肖 廖文 杨友源 2019年8月
摘要
本论文不但介绍了自由及开源软件的 起源和概念，还对它们在教育中应用的 优势及局限性进行了探讨。此外，我们 更对自由及开源软件如何在物理教育中 发挥有效的应用进行了具体的举例说明。
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自由及开源软件介绍
﹡自由及开源软件(Free and Open source software) 是一种提供用户使用的自由和公开源代码的软件， 它允许任何人自由的运行、拷贝、扩散以及修改和 完善 自由及开源软件的概念首先由美国麻省理工学 院(M．IT)的理查德．斯托曼(Richard Stallman)于 八十年代中后期提出，他认为自由及开源软件是全 人类共同的财富，应该自由传播。此后，他成立了 第一个自由及开源软件组织一一自由软件基金会 (GNU)，并拟订了一份公用版权法律文本(通用公共 许可证)，对自由及开源软件进行了界定。
频率比为2：3 相位差为pi/3
频率比为9：11 相位差为pi
结论
从近期各文献关于信息技术在科学或物理教育上的研究和以上三个自由 及开源软件在物理教学中的应用例子，我们可再一进步肯定和引证自由及 开源软件有着巨大的应用潜力：
⑴自由及开源软件在其功能上并不逊于商业软件，而且比大多数商业软件 小巧。例如Scilab是与Matlab类似的科学计算软件，Matlab可实现的大多 数功能Scilab都能实现。但Matlab非常庞大，对硬件的要求也较高，价格 极为昂贵。相比之下，Scilab具有明显的优势。
《朗威数字化信息系统的研究与思考》论文
朗威数字化信息系统实验室的研究和思考摘要：社会发展日新月异，各行各业的数字化和信息化程度越来越高，对人的能力发展提出更多方面的要求，比如：借助各种手段使用各种工具收集信息的能力；对各类信息进行分类、比较、分析和综合等方面的能力。
这些要求使作为高中的基础教育也要相应的做出改革和适应，所以数字化信息化的教学方式不断被引入各学科的课堂教学中，所以应用朗威数字化信息系统就是大环境发展的一个方向。
关键字：数字化；朗威；应用Abstract：The society develops rapidly and digital and information degree is more and more high.There are more demands for human’s development og abilities,such as the ability of collecting information and classification, comparison, analysis and synthesis. These requirements as the foundation of high school education also have to reform and adapt to it..Then the digital way of teaching have been used in the classrooms.,so using DISLab is a direction of the development.Keywords:Digital；DISLab；application前言：目前世界各国都对信息技术与中学学科课程整合给予了极大的关注. 例如美国著名的“2061”计划就提出了信息技术与各学科相整合的思想, 倡导具体课程与现代技术的结合, 以提高学习的质量和效率. 我国2003 年颁布的《普通高中物理课程标准》中对此也作了强调:“重视将信息技术应用到物理实验室, 加快中学生物理实验软件的开发和应用, 诸如通过计算机实时测量、处理实验数据, 分析实验结果等. ”1DISLab就是在这样的背景下被开发和引入到中。
朗威数字化信息系统实验实例正文
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上海市中小学数字化实验系统研发中心 山东省远大网络多媒体有限责任公司
朗威®DISLab
实验实例
43、水在加热过程中的温度曲线…………………….…………………………………………P50 44、液体蒸发使温度下降………………………………………………………………………P50 45、摩擦做功使温度升高………………………………………………………………………P51 46、气体压缩温度升高…………………………………………………………………………P52 47、红外线热效应………………………………………………………………………………P52 48、热辐射研究…………………………………………………………………………………P53 49、热传导………………………………………………………………………………………P55 50、水的冷却规律………………………………………………………………………………P56 51、热胀冷缩……………………………………………………………………………………P57 52、固体熔化时温度的变化规律………………………………………………………………P57 53、沸点与压强的关系…………………………………………………………………………P58 54、液体内部压强………………………………………………………………………………P59 55、阿基米德定律………………………………………………………………………………P60 56、玻意耳定律…………………………………………………………………………………P61 57、查理定律……………………………………………………………………………………P62 58、串联电路中电流的规律……………………………………………………………………P63 59、并联电路中电流的规律……………………………………………………………………P64 60、串联电路中电压的规律……………………………………………………………………P64 61、电流的热效应与电阻的关系………………………………………………………………P65 62、电容充放电与串并联………………………………………………………………………P66 63、欧姆定律……………………………………………………………………………………P67 64、导体的伏安特性……………………………………………………………………………P69 65、伏安法测金属丝的电阻率…………………………………………………………………P70 66、伏安法测电池的电动势和内阻……………………………………………………………P70 67、补偿法测量电池电动势……………………………………………………………………P71 68、研究电源的输出功率与电源效率…………………………………………………………P72 69、描绘小灯泡的伏安特性曲线………………………………………………………………P73 70、小电机的伏安特性曲线……………………………………………………………………P75 71、分压与限流电路……………………………………………………………………………P76 72、恒压源 恒流源……………………………………………………………………………P77 73、伏安法测电阻……………………………………………………….……………………...P78 74、复杂电路分析（一、二）………………………………………….………………………P79 75、用磁传感器研究地球磁场…………………………………………………………………P80 76、通电螺线管的磁感强度测量………………………………………………………………P81 77、匀强磁场研究………………………………………………………………………………P82 78、通电螺线管的磁感强度与电流的关系……………………………………………………P83 79、直线电流的磁场……………………………………………………………………………P84 80、安培力测量…………………………………………………………………………………P85 81、用单匝线圈研究电磁感应现象……………………………………………………………P86 82、楞次定律……………………………………………………………………………………P87 83、法拉第电磁感应定律………………………………………………………………………P87 84、电磁阻尼……………………………………………………………………………………P88 85、微弱磁通量变化时的感生电流……………………………………………………………P89 86、用磁传感器测量转速………………………………………………………………………P90 87、自感现象……………………………………………………………………………………P91
朗威DIS实验室所有的软件可硬件及相关的配套器材或自选器材
（2）数据采集器朗威DISLab数据采集器与计算机以串行方式通信，采用四路并行输入，可同时接插四种传感器。
数据采集器四个输入口的序号由左至右依次为1、2、3、4，与数据通道序列号相对应。
（3）朗威DISLab软件朗威DISLab软件由以下三大功能模块组成：物理量显示、数据记录与计算、坐标绘图及图线分析。
物理量显示：接入传感器后，软件会自动打开该传感器对应的窗口，显示出该传感器所属的数据通道序号、类别、物理量量程及单位。
数据记录与计算：当某一通道接入传感器后，通过朗威DISLab软件主界面上的“计算表格”窗口，弹出该传感器所测物理量的代码和通道序号，并自动建立记录数据的空格列，然后采用自动或手动的方式记录所测实验收据，记录完毕输入相应的计算公式，就可获得实验结果。
坐标绘图及图线分析：利用朗威DISLab软件主界面上的“坐标绘图”窗口，可针对直接来自传感器或取自计算表格的数据绘制相应的数据曲线，还可对获得的数据曲线做进一步的分析和处理，如多种拟合、求导等。
【实验内容】1．如图所以将单摆光电门放置于单摆的平衡位置，使摆线挡光而不是摆球挡光。
2．运行专用软件，设置计时方式为“时刻—隔次”。
3．摆动单摆，按“开始”键，观察光电门工作是否正常。
4．如光电门正常工作，使单摆小振幅摆动，再按“开始”键开始测量。
测量多组数据后停止测量。
5．按“数据记录”把数据记录到表格中进行数据分析，并得出结果。
【实验数据及处理】从上面可以看出来由公式可求出加速度g的值，其中摆长与小球的半径之和L = 0.796 m，由数据处理可得，加速度g = 9.846m/s2 ,与金华重力加速度的值相比比较符合.从上面的数据中t2-t1都是1.78上下浮动.说明单摆的等时性.【实验感想】通过本次实验熟悉了高中物理实验的基本内容。
熟练掌握了仪器的基本使用，研究了仪器的基本结构。
在实验过程中仍然碰到了一些问题，但是通过这些实验，使我明白了要为学生演示实验，使需要十倍于一般的理解和十倍的认识。
浓度对化学反应速率影响的一种实验创新
浓度对化学反应速率影响的一种实验创新摘要：《化学反应原理》教材中用来验证浓度对反应速率影响的实验药品使用酸性高锰酸钾溶液与不同浓度的草酸溶液反应，笔者在研究中发现了一些不妥之处。
文章主要针对这些缺点，结合朗威数字化信息系统实验室的色度传感器做了一个数字化的验证实验，并提出用溴水与葡萄糖为反应物的实验探究。
关键词：浓度反应速率实验创新朗威色度传感器化学反应速率是用来衡量化学反应快慢的一个物理量。
在其众多影响因素中，浓度是一个十分重要的外因。
许多教材设计采用草酸与酸性高锰酸钾溶液反应的实验，来考察该因素的影响：通过观察高锰酸钾溶液颜色的褪色，测量反应时间，从而定量地比较出浓度因素的影响，同时还可以计算反应速率。
但笔者在亲身实践中发现，不同浓度的高锰酸钾和草酸的反应中存在两个不利因素：1.物质色彩干扰：大学教材《定量分析化学简明教程》[1]中提到：酸性高锰酸钾与草酸反应过程中，MnO4-将被还原为Mn3+、Mn4+和Mn2+分别呈橙红色、棕黄色、肉色。
故溶液在反应过程中会呈现不同颜色变化。
因此高锰酸钾溶液褪色判断可能因人而异。
可能出现计时误差。
当然这个影响不会太大；2.颠覆性的干扰:该反应可能存在一些异常现象。
当使用酸浓度太高或者高锰酸钾浓度太大的时候，加入草酸后，草酸浓度小的反而先褪色。
如此则颠覆了这个实验的结论。
基于以上原因，笔者认为这个实验不适于用来验证浓度对化学反应速率的影响。
创新性实验设计1反应的选择那么要设计采用什么反应来验证更为合适呢？笔者通过文献查阅和实验验证，参考美国化学教材《CHEMISTRY》[2]使用甲酸和溴水的反应，其原理是：HCOOH+Br2→2HBr+CO2↑（1）考虑到甲酸属于危险化学品，不利于进行学生实验；虽然溴也是危险化学品，但高中化学考试说明中明确规定萃取和分液是必做实验的第一个实验。
因此笔者设计将甲酸改为葡萄糖，采用不同浓度的葡萄糖溶液与一定浓度的溴水反应来设计验证实验。
浅谈数字化实验室在化学中的应用
浅谈数字化实验室在化学中的应用化学是一门实验科学，化学实验作为化学课程的重要组成，对于培养学生的思维能力具有特殊的价值，它使化学知识与实验中的思维能力培养得到和谐的统一。
随着科学的发展和时代的进步，越来越多的新科技、新材料被应用到化学研究中来，在化学实验教学中，绿色化学、微量化学的理念不断深入人心，新方法层出不穷，大大地丰富了实验教学的手段。
数字化实验正是在这样的环境下出现的一种新的实验手段，是化学实验的有益补充。
一、数字化实验的内涵界定及其构成数字化实验是基于传感器技术的数字化实验设备和计算机等数字化设备的使用，并通过图像、刻度、表格、视频等多种形式来动态地显示化学变化或物理现象的整个过程，能对变化过程的数据进行直观、形象的处理的实验方法。
数字化实验设备从输入、接收、转化、处理并输出，主要包括这么几类设备： 1.信息收集装置主要为各类传感器：如氧气浓度传感器、二氧化碳浓度传感器等气体浓度传感器；pH传感器（其实质为H+浓度传感器）；温度传感器；力传感器；光电门等运动传感器。
通过这些传感器的使用，对实验过程需要测量的物理量进行数据采集，并通过内置的芯片，将信息从模拟信号转化成电信号。
2.数据接收传输装置数据采集装置将不同传感器中获得的电信号转化成数字信号并将其传输到实验的处理终端。
其作用就是将各种信息汇总转化并编译的过程，使之适合于各种数据处理装置，为进一步储存和处理信息做准备。
3.数据处理装置主要为个人计算机或手持式微机、智能手机（理论上只要有相应软件的支持，任何有计算能力的设备都可以），将得到的信息在相应的应用软件上进行储存、处理，并能通过多种形式使之呈现。
二、数字化实验的发展现状随着现代信息技术的发展，各种数字化设备在生产和生活中被广泛的使用，技术不断进步，且这些设备的生产成本亦不断降低，为学校课堂开展数字化实验创造了良好条件。
而且在当今的学校教育中，计算机的教学和使用越来越普遍，广大的中小学生对计算机的使用也非常熟悉，对数字化实验在计算机平台上的操作必然能非常快速地掌握，对于广大的师生而言，计算机的操作并不是障碍。
朗威DISLab数字化信息系统试验室物理培训
图9 电源的整流滤波电路
图10 不同的负载电阻整流后的输出波形
SCILAB科学计算软件
下载。 Scilab内含大量各类的数学函数、统计函数、 线性代数处理、矩阵处理、多项式计算、积 分微分、二十多类数学难题或方程式的求解。 另外，它亦提供约70项信号处理的过滤、采 样及转换等方法。它主要有三个功能：数值 计算、计算结果可视化以及图形化动态模型 仿真。这三个功能在物理教学中有着广泛的 应用
数值计算
利用Scilab计算出不同初始条件下单摆的 角度与角速度，并绘制出不同扰动系数下 单摆在相空间的轨迹图，以观察从有序到 混沌的变化过程。
扰动系数m=0
扰动系数m=0.17
扰动系数m=4.89
计算结果可视化
利用Scilab计算表征干涉光强的矩阵，并将其 作为颜色索引向量，绘制出牛顿环的干涉图像， 实现数据的可视化。
教学中的应用方式二
⑵用于老师进行电子电路等课程的教学 一种电子电路的画图工具。其模拟结果呈 现物理规律。在QUCS的网站上有许多已经 做好的例子，可供老师下载直接教学之用。
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教学中的应用方式三
⑶用于学生自主设计开发电路。学生在自行 设计一些电路时，QUCS可以立即反馈设计 电路的实验结果，帮助学生在最短时间内判 断电路的正确与否。
谢谢！请多指教
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教学中的应用方式一
⑴作为学生预习或者复习电学实验一种工具。 普通物理实验——“惠斯登电桥”
参数设定：Param=Rmeasure Start=100 ohm ;Stop=1kohm;point=100 Param=Rbranch; Start=500 ohm;Stop=1.5kohm,point=3
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自由及开源软件的杰出代表
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【数字化实验室的应用研究】朗威数字化实验室
随着科技的迅猛发展，学校信息化建设的要求也越来越高。
数字化实验室伴随着科技的发展及国家对科技创新人才培养的要求，在校园里应运而生。
如何将数字化实验室充分利用起来，推进数字化校园的全面应用是值得我们研究、探讨的问题。
一、什么是数字化实验室
所谓数字化实验室，简单地说就是用来完成采用传感器或数字化平台制作的软件来完成一些只能定性无法定量的实验以及一些微小或瞬间数据的测量、演示实验的场所，配备标准包括初高中的理化生实验、通用技术实验(智能机器人实验室是通用技术实验室的一部分)。
虚拟实验室的建立是对传统实验的一个非常好的补充，能发挥出巨大的作用。
二、长春市数字化实验室应用研究
1.初中理化生虚拟实验的应用
长春市目前所应用的数字化平台是由东北师大理想信息研究所开发的初中理化生虚拟实验平台。
该实验教学平台针对目前理化生实验平台中常见的问题，集合了众多功能，同时能为中学教师、学生提
供全方位的数字化支撑。
实验是激发学生探索欲望，培养学生创新精神和实践能力的重要途径。
根据实验教学的特点，初中理化生实验分为两大类：演示和分组实验、探究实验。
在实践中，我们感到，当学校实验器材不能满足现有教学需求时，该实验教学平台是最好的补充，它能实现学生平时“看也看不到、想也想不到、做也做不到”的实验课程和内容。
它能调动视觉、听觉、动手等多种感官参与教学，学生更有积极性，更有热情，对实验感兴趣了自然就愿意学习理化生这三门学科了。
理化生虚拟实验软件具有如下特点：一是针对性强。
如对有毒气体的制取，演示微观看不到的分子、离子，物质内部结构，宏观地球，动物解剖，植物成长过程，危险的实验课程。
通过学习平台的演示，可以把知识形象化，有利于学生对掌握的知识，减轻学生的学习负担。
二是有效性。
它有助于规范操作，使实验更科学准确。
它可以重复多次实验操作，使用效率高，尤其是对设备经费不足的学校更有益。
应用于复习课效果更明显，即便条件好的学校也很少在复习课上重做实验，而软件学习平台可以随时进行实验操作，也可以把几个实验串联起来一起做。
教师备课时，不用花费很多时间准备实验器材，节约了时间，减少了药品、器材、电等资源，减轻了教师的备课负担，降低了能耗。
可以说它做到了“三省”，即省时、省力、省钱。
三是智能性。
利用动画可以培养学生的探究能力，能把教学过程与实验过程融合在一起，使二者成为不可分
割的一部分。
它是信息技术与学科课程有效整合的典范。
四是便捷性。
适合教师备课、演示、复习使用，课堂容量大，实验过程方便快捷。
可以说，初中理化生虚拟实验软件是解决现有实验器械不足和
教学资源匮乏的最好方式。
它加快了农村中学信息化建设和发展进程，提高了教师、学生的信息素养及学生的感知认识能力，促进了教师专业发展，培养了学生的学习能力，有利于农村教学质量的提高。
当然，初中理化生虚拟实验软件也存在不足之处。
例如：学生缺少亲自动手操作的体验，视频格式单一，限于单机使用，应用软件不恰当等。
希望初中理化生虚拟实验软件不断完善和提高，更好地应用于教育教学中，成为理化生教师在教学中不可缺少的学习平台。
2.通用技术实验室的应用
通用技术实验是将无法完成课程目标要求的课堂教学变为虚拟
现实技术、人工智能技术，主要涵盖“技术设计、技术试验、技术制作、技术探究”等功能。
其中技术设计的主要作用是让学生针对技术问题进行多方案设计，培养学生的创造性思维和问题解决能力；技术试验的主要作用是让学生亲历技术试验过程，初步掌握测量、加工、安装、调试等简单的技术操作技能，形成初步的技术试验能力；技术制作的主要作用是为学生提供动手机会，经历技术方案的实现和物化的过程，促进学生动作技能的发展；技术探究的主要作用是培养学生
的探究精神，提高学生的技术探究能力。
智能机器人实验室是通用技术实验室的一部分，虚拟机器人的教学工作已经在长春市中学全面展开。
(1)什么是智能机器人实验室
所谓智能机器人实验室，是在学校建立的对学生开展机器人学习、活动的场所。
智能机器人教育是培养创新精神和实践能力的重要途径。
智能机器人技术应用了信息技术中的感测技术、传感技术、控制技术等，是信息技术课程和相关科技活动的良好载体。
智能机器人是信息技术教学的最佳载体，为实施探究性学习，培养学生的创新精神和实践能力提供了良好的平台和发展空间。
(2)智能机器人实验室应用研究
目前，长春市中小学机器人实验室所采用的设备分为教学用机器人和比赛用机器人。
教学用机器人，使学生掌握单片机和机械传动的基本知识，能设计与制作由单片机和传动机械等组成的简易自动控制机器或简单的自动控制系统。
课程设置一般分为初级、中级、高级三个阶段。
长春市教育局从xx年起，在全市几个区选择一些小学建起了智能机器人实验室，并装备了机器人设备，学校利用科技活动时间对学生进行机器人的搭建、组装培训。
囿于小学生的认知水平，长
春市目前开展的机器人教育仅限于搭建。
这种机器人配备标准只适用于学生进行简单的操作，可以参加一些创意比赛，但不能参加更多的比赛项目。
教学用智能机器人还包括虚拟机器人，虚拟机器人是打破传统教育模式的教育平台，它集虚拟机器人运行平台、机器人程序平台于一身，兼顾不同水平层次的需求。
用户通过机器人控制接口控制机器人的动作，将编写好程序的机器人放到赛场上和其他用户的机器人同台竞技，在比赛的过程中感受学习带来的快乐，并且在玩的过程中不断学习程序设计和机器人策略算法，在玩—学习—玩—学习的循环过程中不断提高自己的素养。
比赛用机器人包括各种大赛允许参加的厂家设计的机器人配件。
吉林省每年都举办全省青少年机器人大赛，大赛中成绩优秀的队伍会推荐参加全国青少年机器人大赛。
长春市每年都有队伍参赛，而且占吉林省参赛人数的40%以上。
东北师大附中初中部、高中部，长春市第二实验中学，东北师大附属中学、第二附属小学，长春十一高中以及汽车区多所学校在全国青少年机器人竞赛中都取得过很好的成绩。
对虚拟机器人比赛，我们主要组织了NOC大赛，长春市在历届大赛中成绩斐然。
三、结束语
随着教育信息化的推进，数字化实验室越来越得到广泛应用，但对其应用模式的探索是一项长期的系统工程。
相信在国家及社会各界的广泛支持下，它的发展会更加迅速。
(本栏/安健)
内容仅供参考。