随着计算机技术的普及和发展，实验教学得到了空前的发展，物理实验不可避免地向自动化、数字化、智能化方向发展。一种以传感器和计算机为基础的整合信息技术与实验教学的数字化实验随之产生。物理实验教学中教师需要因地制宜开发一些数字化实验。

　　一、数字化实验的内涵

　　所谓数字化实验，简单说就是以传统的实物实验为基础，借助传感器采集实验数据，并用计算机来处理数据的一种新型的实验技术。数字化数据采集处理系统由传感器、数据采集器和计算机组成。以数字化实验技术为基础的物理实验，就是建立在上述实验仪器、实验技术、实验方法基础上的物理实验。可见，这种数字化实验不包含计算机模拟实验以及仿真实验、数字图片、视频动画、课件等，可狭隘地理解为目前的 DIS 实验类。数字化实验的优点在于可借助智能数字设备或传感器测量速度，观察电容器的充电和放电等。从学生学习物理知识的角度来说，数字化物理实验是对传统物理实验的补充、辅助，但它却有着传统物理实验无法比拟的优势。数字化实验获取数据过程如图 1所示。

　　图1数字化实验获取数据示意图

　　二、数字化实验的开发

　　（一）数字化实验开发的原则

　　原则一：需要性。让数字化实验成为学生认知、探究和解决问题的新型工具。利用数字化实验就要考虑弥补传统实验的不足，发挥信息技术的优势。信息技术主要应用于过程比较复杂、采集数据多而难、操作技巧比较强的实验。例如，弹性碰撞的发生转瞬消失，不易观察，而数字化实验就能很好地解决这个问题了。

　　声音共振的实验，按照课本上介绍的方法操作如下。在盛水容器中插入一根粗玻璃管，并在管口上方放一个正在发声的音叉，然后慢慢向上提起玻璃管。当管内空气柱达到一定长度时，可以听到空气柱发出较强的声音。可该实验在实际操作中，有如下不足：敲击玻璃管上方的音叉，只能在 3s 内听到声音。若再敲打，则难以分清是共振，还是被敲击的。若将音叉固定在支架上，提起玻璃管时高度受限制，同时随着玻璃管上移，易产生多普勒效应，效果不理想。为了弥补上述不足，可自制如图2 所示的数字化实验装置。长约21cm 的圆筒是几个塑料注射器的圆筒被锯掉头部，再用胶水黏接而成的。微型听筒和话筒可在废弃的智能手机中寻找。使用方法如下（可参见视频）。

　　图2声音共振实验外接实验装置

　　第一步，下载音频软件Audacity，并把程序安装到电脑中。第二步，启动Audacity 窗口—打开“制作”菜单—选择“单音节”命令—打开“单音调发生器”对话框并输入参数（频率为2000Hz，振幅为1，时间长度60 s）—单击“生成单音阶”按钮，创建一个声音片段作为声源文件。第三步，在电脑上播放创建的频率为2000Hz、播放时间60s 的备用音频，通过电脑音频输出端使扬声器发声。第四步，启动Audacity 窗口—单击“录音”按钮—单击“缩放按钮”—查看录制时的波形。这时向外拉动移动拉杆，调节透明圆筒中空气柱的长度。当拉到图2中A位置（4.2 cm）时，能听到第一次很响的共鸣声。表明这时管内空气柱的频率和扬声器发出的声音频率相同，使空气柱产生共振现象。我们可在电脑屏幕的窗口中观察放大的共振波形。继续向外拉动移动拉杆，依次听到有几次很大的声响，同时从电脑屏幕上观察共振时放大的波形。发生共振时的位置分别为 A、B、C、D，空气柱长分别为4.2cm、12.6cm、16.8cm、21.0cm。

　　原则二：辅助性。数字化实验具有原理先进、结构集中、过程自动等特点。“傻瓜化”实验对初学物理实验的学生来说，不利于培养他们的科学素养。比较符合教学规律的做法是利用传统实验能够完成的实验教学，应尽可能使用传统的实验器材来实现。如电流的测量，串、并电路中电流规律的研究宜用传统的指针式电流表，而不宜用数字电流表。因为，这样不仅能测量出电流大小，更能培养学生对这类仪表的选择、连接、试触、计数、记录等基本的实验能力。

　　原则三：简便性。设计实验时，要考虑实验数据是否容易获得。数据采集装置要简单：能用已有的数字装置就不用新的传感器；能用计算机外围接口的就不必自制新的实验接口装置；能采用简单的方法和实验装置直接采集到数据，就直接测量。

　　（二）数字化实验开发的策略

　　数字化实验是数字技术发展到一定水平的产物。目前数字化实验还处于探索阶段，但已有不少典型案例为我们开发和设计数字化实验提供了很好的借鉴。开发策略如下。

　　策略一：对已有技术组合创新。将已有的实验装置或日常家用的数字产品与多媒体技术相结合，从而更好地发挥它们的功能或提高它们的效果。以观察布朗运动实验为例。学生在显微镜上一个一个地看，而且观察起来不明显。若取一个摄像头（多媒体电脑带视频采集）和普通显微镜，就可保证全班学生都能观察。具体方法是先将显微镜调至肉眼能直接看到布朗运动，再将摄像头对准显微镜目镜约 2cm 处，然后调节摄像头的焦距和光栅，直到在投影屏幕上能清晰看到布朗运动为止。通过摄像头和干涉仪组合使用，我们可在大屏幕上清晰观察单缝衍射、双缝干涉、光的偏振现象。

　　“耳听为虚，眼见为实。”智能手机结合多媒体可用来演示很多实验，演示多普勒效应实验就是一个典型应用。具体步骤如下。第一步，从“APPStore”下载软件“音频发生器”和“FreqCounter”（ 以下称频率计）至iPhone手机中。第二步，打开音频发生器，滑块滑至3000Hz并播放，利用电脑自带的录音器录制长1min 的音频保存。将处理好的音频软件储存至MP3中作为声源。第三步，用MP3 播放器播放录制好的音频文件（选择循环播放模式），装进布袋系好口并用线连在钓鱼竿头上。第四步，打开iPhone手机中的“音频计”并调到 “FFT”工作模式。保持MP3播放器和iPhone手机之间的距离，学生听发出的声音的同时通过iPhone 手机观察“音频计”数值。为增大可见度，可将手机放在投影仪展台上。第五步，保持iPhone手机不动，摇动钓鱼竿，改变MP3播放器和iPhone 手机之间的距离。学生会听到音调变化，同时观察到“音频计”数值也在变化。MP3播放器靠近手机时音调变高， “音频计”的频率变大；远离手机时音调变低，“音频计”的频率变小。

　　策略二：挖掘已有传感器功能。我们要充分应用实验室已有的各种传感器。这些传感器都是符合国家标准的实验器材，性能上比较稳定，效果上比较明显，更重要是它们都与计算机有固定的接口和设计好的启动程序，使用起来得心应手。如电压传感器、电流传感器，可方便演示电容的充电过程与放电过程。

　　策略三：借助计算机输入设备。整合传统实验与数字化实验设备，需要接口和相应的启动软件。多媒体设备周围都有很多外设产品，如鼠标、手写器、话筒、内存卡等。这些设备除了有 USB 接口外，一般都有专用的接口，如话筒插孔。更重要的是计算机本身已有这些外围设备启动程序。鼠标可当作自身位移获取信息的二维运动数据采集器。我们也可根据运动的相对性，保持鼠标不动，使运动物体的连接部分（如棉线）从鼠标的探头前通过，便可采集信息。利用鼠标做数字化实验的步骤：将鼠标简单改装，代替打点计时器等设备来获取物体运动实验数据，传入计算机进行处理；用 VB进行编程开发，通过调用Windows自带的API 函数，得到鼠标数据采集探头的一系列信息，生成文件后进行图形处理。也可将声音的信息输入电脑转为数字信号，利用免费的声音处理软件进行处理，如用软件GoldWave 或BiazeAudioRipEditBurn 可实现可视化。该方法可实施声音三大特征的演示实验、声音共鸣的实验、测定声音速度的实验、通过拍打西瓜鉴别音色和声调实验等。特别是在学生自制酒杯编钟课外活动中，我们应用虚拟仪器软件V0.94, 研究酒杯编钟音调高低影响因素，并通过用虚拟仪器，对各酒杯编钟进行纠正定音，得到一组能按律制的要求发出相应的完整音阶的音符，从而演奏出和谐的乐章。

　　策略四：教学的个性化开发。数字化实验设备带有多类型的传感器，能满足我们实验所需。如将自制简易电路一端连接在计算机声卡上，另一端连接在传感器上，就可以通过传感器测量物理量了。此外，还要自主创新开发个性化的传感器，满足物理实验需求。在声学实验中，我们下载安装虚拟仪器软件，就可以实现音频发声器、示波器、万用表、频率计等功能。如从互联网上下载安装免费的“虚拟仪器软件”AudioSCSI，就可以把一台电脑变成一台音频发声器。打开电脑的音箱并运行 AudioSCSI，在出现的界面上点击相关的按钮就方便地发出各频率的声音。当声音的频率不在20～20000Hz 范围内，学生听不见，但在波形窗口中依旧能看见它们的波形。

　　三、数字化实验的教学

　　学生能否适应当今知识和信息爆炸的社会，是否具备完整的信息处理能力尤为关键。以传感器为主的数字化实验仍应以学生的真实实验为基础，抓住信息处理的三个重要环节（采集、处理和表达），有效实现信息技术与物理学科的整合。

　　（一）传统实验与数字化实验相结合

　　数字化实验虽然有很大的优势，但我们不能一味地崇拜它。在物理实验教学中不能什么实验都用数字化方式，如果用传统实验能满足教学目标和学生的需要，就不要用数字化实验来完成。如测量橡皮筋的拉力大小，用弹簧秤远优于用力的传感器。特别是一些单一的实验数据的测量，用传统的器材比较方便。只有在传统实验不能满足实验教学的需要（数据采集不方便，现象不明显），或为了进一步研究而需要精确的数据，又或拓展实验内容时，我们才运用数字实验。

　　（二）数字实验与多种技术相结合

　　数字化实验系统一般由传感器、数据采集器、计算机及相关数据处理软件等构成。因此，我们在做数字化实验时，不能仅靠已有的技术，还要利用好生活中的数字技术来进行数据的采集。现在适合我们实验的日常用的数字产品有数字照相机、摄像机、手机、家用数字温度计、电子表等。

　　（三）要保证基本实验技能的训练

　　数字化实验，特别是自动化程度太高的数字化实验，不利于学生动手操作能力的培养。因此，在实验教学中，教师应让学生先学会常规仪器的使用，以保证学生必要的技能训练和必要的实验经历的体验。

　　总之，数字化实验还有待完善。如现有的传感器都是基于有线技术的，采集运动物体数据不方便、不精确；缺乏专门用于测量角度、面积、体积等常见量的仪器；与传感器对应的系统软件功能不强。各种传感器都有对应的软件，但不能很好地兼容使用。数字化实验与传统实验的有效整合是以后研究的重点。随着数字技术的发展和课堂教学的改革，相信数字化实验技术会以更加旺盛的生命力出现在平常的实验课堂教学中。

　　参考文献：

　　[1]欧剑雄.智能手机在多普勒效应实验中的应用[J].物理实验,2015（11）：13-16.

　　实验讲解

　　（作者王爱生、高名扬系吉林省前郭县蒙古族中学教师）

　　责任编辑：祝元志