第一部分  初中数字化探究实验室建设方案

一、概述

1.1 中学科学探究实验室建设的背景

我国近年实施的课程改革，对于科学教育（包括化学、化学、生物、科学等学科）提出了新的要求，更重视学生科学素养的培养，更强调学生实验、尤其是探究性实验的重要性，更突出了科学是实验学科、科学源于生活的特点。在此背景下，传统的中学物理、化学、生物、科学实验室已经不能满足新课程的教师教与学生学科学的需要，建设中学科学探究实验室（涵盖物理、化学、生物学科），已经成为实施中学科学教学、培养学生科学素养和探究能力的必要的配套措施。

探究实验室能为学生提供了必要的探究工具，是课程改革非常重要的组成部分，也是进一步深化改改革，切实推进素质教育的关键。有“软件”指引，“硬件”支持，从而，在真正意义上有力保证了中学实验教学从传统模式迈入数字化、信息化，与社会时代发展接轨。

数据采集系统的探究实验室引进现代先进测量技术，基于计算机平台使用，是一种融合传感技术、光机电一体化技术及软件技术，共同完成对化学、化学、生物、科学等学科的探究实验。该系统充分支持新课改下学生进行多方面探究学习的环境，创设一个面对真实事物进行探究的环境。探究实验可由教师提出探究问题或学生自我发现探究问题，学生自己设计实验步骤，通过实验得出结论。显然，探究实验室所进行的实验活动更能体现学生主体性，增加学生的参与度，既有利于学生基本知识技能的形成，又有利于培养学生的科学态度和精神。

基于数据采集系统的化学、化学、生物、科学等学科的探究实验室已在英国、美国、日本、香港、台湾等先进国家和地区推行十年以上，例如在英国、香港和新加坡，传感器已经列入理科国家课程标准。国内的上海，也早于2002年开始实施基于数据采集系统的化学、化学、生物等学科的探究实验室的建设，目前国内已经有超过15个省（市）发布了物理、化学、生物数字化探究实验室的配备标准。

1.2 科学数字化探究实验室的组成

科学探究实验室是在传统实验室的基础上，增加学生电脑、数据采集系统、计算机网络等设备，从而构建数字化、网络化的实验室，其中的核心部分是数据采集系统。数据采集系统由传感器、数据采集器、数据分析处理软件、实验教程构成的一套完成的系统，其中：

传感器(Sensors)：包括温度、声波、声级、光、气压、电压、电流、磁场、相对湿度、力、运动、光电门、pH值、电导率、氧气、二氧化碳、溶解氧、色度计、滴定计数器、心电图等20种以上涵盖中学化学、化学、生物大部分探究性实验所涉及的实验数据测量工具。

数据采集器（Data-logger)：数据采集器是一种电子仪器，用于采集在一段特定时间内，来自传感器对温度、光强、电压、气压等传感器测量数据的变化状况，经模数转换后将信号提交计算机处理，其采样频率通常可以根绝测量数据的要求的不同，从每小时采集1个数据到每小时采集4万个数据。

数据分析处理软件（Software)：用来处理、分析数据采集器采集到的实验数据，可形成曲线、数字表、表格、示波器等数据分析图形，用于学生对实验数据的整理、分析与应用。

实验教程（Worksheets）：与课程教材配套的实验指导或探究案例，方便教师组织开展基于新课标的化学、化学、生物等学科的探究实验或探究活动。

1.3 科学探究实验室的优势

基于数据采集系统的科学实验室有以下的优势：

1.3.1有利于培养学生的科学素养。（科学素养就是对个人决策、参与公共和文化事务以及经济生产所需要的科学概念和过程的知识和理解。具有科学素养的人能够提出、发现和解答与日常体验有关的问题。他们能够描述、解释和预言自然现象——《美国国家科学教育标准》）。

1.3.2有利于培养社会需要的善于学习、善于推理、思维具有创造性、具有良好问题解决能力的人。1.3.3有利于科学—技术—社会的紧密联系，有利于学生科学精神和人文精神的结合，形成正确的科学观和价值观。

1.3.4大大节省传统实验数据的记录、计算、分析的时间，使实验的重心落在问题的假设级探究活动上。

1.3.5提供比手工观察、记录实验数据高得多的数据精确性，保证实验的成功。

1.3.6为学生提供在玩中做实验的情境，有利于提高学生对于科学实验的兴趣，激发学生学习的内在动力，从而乐于探究、热爱科学。

1.3.7支持教师设计个性化的实验，有利于学校校本实验课程的建设。

1.3.8支持持续时间长的实验，支持户外实验，支持跨时间与地域的合作实验。

1.3.9教师可以在线评价学生的实验报告，学校可建立实验报告资源库，也方便学校实验教学的宣传。

1.3.10数据采集器和传感器是固化、成熟的产品，一般可以用多年而不易损坏，投资效益非常高。

二、方案设计原则及思路

2.1 方案设计遵循的原则

2.1.1实用性。能够满足高中化学新课程标准的实验教学要求，并能够和传统的化学实验仪器装置形成良好的配合，同时配有化学学科的探究实验教程。

2.1.2良好的测量精度和稳定性。由于探究实验设备实质上就是用于科学实验的测量仪器，其测量结果的精度和测量信号的稳定性非常重要，否则容易影响实验结果，从而影响教师和学生使用的积极性。而探究实验设备的核心部件传感器在测量时信号的飘移是难以解决的问题，蕴含比较高的技术成分，其精度往往和产品研发、生产的成本有直接关系，即高精度和高稳定性的传感器往往需要选择良好的元器件。同时，产品的精确度和稳定性往往需要经过多年市场和用户的检验。

2.1.3牢固性。由于探究实验设备除了教师教学演示用以外，学生自主探究实验的使用是重点，学生的误操作、不爱惜实验器材等特点要求配备的实验仪器牢固不易损坏，同时探究实验设备造价昂贵，所以选择的产品需做工良好，材料稳定牢固，接插口简单牢固，不易损坏，从而达到超过5年的使用寿命。

2.1.4易用性。由于探究实验室设备面向教师和各年级学生，产品的易用与否直接影响到设备的使用效率，选择连接简单，软件界面友好的产品有利于探究实验室设备真正应用到教学中，而有些国际知名品牌的产品虽然也很稳定、牢固、精确，但是存在软件功能过于强大而导致操作复杂、上手难的问题，所以这样的产品也不在我们的选择范围之内。

2.1.5易扩展性。由于探究实验室对于学校来讲是新生事物，教师和学生短时间内对设备的使用还不够精通，往往会影响使用效率，如果一下子配备整套的学科探究实验室，容易导致投资效益低下，国际上通用的配备测量都是分期配置传感器，首先配置最常用的传感器，等老师和学生都能够精通操作后，逐步配备其他的传感器。

2.1.6安全性。实验室仪器设备应尽量避免强电（220V）连接，选用低压12V以下的探究实验室设备有利于保证学生实验的安全。

2.1.7整体性。将数据采集器、传感器、数据分析软件及探究实验教程作为一个整体，采用统一的产品方案，有利于使用和维护。

2.1.8兼容性。数字化实验系统应该能够与传统实验装置配合使用。

2.2 方案设计思路

2.2.1给教师配备一套涵盖完整的数据采集系统，方便教师教学演示用。

2.2.2由于数字化探究实验设备需要连接电脑，所以操作电脑、连接传感器、操作传统实验装置等需要多人协作进行，所以方案设计4名学生一组探究实验设备，按照每个班级48名班额设计，共配备12套学生用探究设备，探究设备配备基础的常用的传感器。

2.2.3设计专门的能够支撑小组协同探究实验的实验桌，桌子上除开展实验的空间外，还设置放置多媒体电脑的显示器、机箱及键盘鼠标的位置。

2.3 产品选型

根据学校的探究教学需要，通过市场充分考察，我们认识到目前探究实验设备在国外已有超过10年的应用，形成了多个良好口碑的国际产品专业品牌，如PASCO、VERNIER、ADDEST、Data-Harvest等，都能够提供完善、专业的解决方案。其中来自新加坡的ADDEST（艾迪）产品价格适中，具有以下的优点：

2.3.1产品已经面世近10年，经过了严格的国际市场的考验；

2.3.2产品连接简单，软件操作界面友好，简单的鼠标右键即可完成绝大多数的操作；

2.3.3产品具有良好测量精度、牢固性和稳定性；

2.3.4该产品在新加坡的市场占有率达到90％以上，在日本，韩国、香港、中国大陆、台湾等国家和地区拥有大量的用户；

2.3.5多种传感器具备双量程或者多量程，能够减少学校购买传感器的数量，节约投资；

三、ADDEST化学探究实验室产品介绍和功能特点

3.1数据采集器aMixe Mini

A.   全球最小的4接口数据采集器，可直接连接电脑而无需USB线，方便连接超极本或笔记本电脑，构成移动数据采集器，比带屏幕的采集器更稳定、续航时间更长。从而支持户外使用。

B.   包括4个模拟/数字传感器输入口；实时数据采样率高达20,000 Hz；

C.   USB接口；可USB供电而无需外接电源

D.   可以与一些已确认厂商所生产的多种传感器兼容，包括但并不限于 PASCO、 Vernier传感器。

3.2数据分析软件

3.2.1数据显示方式：数字表、模拟表(指针式)、实时曲线；

3.2.2系统可以自动同时、连续、实时采集1-3组传感器的数据，也可以手动方式输入传感器无法读取的数据；

3.2.3三个频道所采集的数据可以通过屏幕以十三种方式显示；

3.2.4屏幕上的曲线图可以上下、左右滚动或者放大、缩小，自由选看所观察的部分；

3.2.5数据分析功能具有数据统计、曲线拟合等功能；

3.2.6能够对多种传感器在实验之前进行均衡校正；

3.2.7增益调谐功能用来调整信号接收的敏感度与曲线显示的精度；

3.2.8内建的波形信号发生器可以产生2组独立的正弦波或者脉冲波信号；
内建的谐波发生器可以设定基频，同时产生第二、三、四、五、六谐音输出及同步显示；

3.2.9数据与曲线经过编辑后可以输出到Excell表格数据。

3.3各学科配置传感器及对应的典型实验

3.3.1物理学科

温度传感器 【产品编号：ST001A】
量  程：－10℃——110℃    分辨率：0.01℃ 典型应用： 1、能量转换； 2、液体的蒸发、蒸馏； 3、水的沸点、冰点； 4、晶体与非晶体的熔化曲线； 5、冷却的速度和效率； 6、液体蒸发降温； 7、物质三态变化的吸热、放热；
光强传感器 【产品编号：SL004A】
2个量程： 量程1： 0-5,000Lux       分辨率：1 Lux 量程2： 1-130,000Lux     分辨率：35 Lux 典型应用： 1、不同光源光强的测量； 2、光强与距离的关系； 3、灯泡发光强度与电压的关系； 4、不同材料的透光性； 5、反射镜的反射效率；
电压传感器  【产品编号：SV001A】
2个量程： 量程1： ±1Ｖ             分辨率：0.1mＶ 量程2： ±6Ｖ　           分辨率：0.6mＶ 典型应用： 1、串、并联电路； 2、电压与电流的关系； 3、欧姆定律； 4、新旧电池的测量； 5、测量小灯泡的电功率； 6、发电机原理； 7、电流做功与哪些因素有关； 8、电流做功的快慢与哪些因素有关； 9、研究太阳能的转化；
电流传感器  【产品编号：SC001A】
2个量程： 量程1： ±0.3A             分辨率：0.1mA 量程2： ±1A               分辨率：0.5mA 典型应用： 1、串、并联电路； 2、电压与电流的关系； 3、欧姆定律； 4、新旧电池的测量； 5、测量小灯泡的电功率； 6、发电机原理； 7、电流做功与哪些因素有关； 8、电流做功的快慢与哪些因素有关； 9、研究太阳能的转化；的电动势和内阻。
磁感电动势传感器  【产品编号：DI002B】
量程：－0.5V－0.5V   配备线圈和可变磁场强度磁棒 内置采集电路，无需采集器可直接通过USB口连接电脑 典型应用： 1、电磁感应研究； 2、发电机发电原理；
磁场强度传感器  【产品编号：SMF001A】
３个量程： 量程： ±840高斯　         分辨率：1高斯 量程： ±84高斯　          分辨率：0.1高斯 量程： ±4.2 高斯           分辨率：0.01高斯  典型应用： 1、地球磁场； 2、不同条型磁铁的磁场； 3、磁场强度与距离的关系； 4、通电螺线管内部的磁场强度与电流的关系； 5、电磁铁研究； 6、直导线周围的磁场； 7、交流电下的磁场变化；
力传感器  【产品编号：SF001A】
2个量程： 量程1：±10N              分辨率：0.005N 量程2：±50N              分辨率：0.03N 典型应用： 1、静摩擦力与滑动摩擦力； 2、力的作用是相互的； 3、物理质量与重量关系； 4、杠杆、滑轮省力装置； 5、探究动滑轮与定滑轮； 6、探究浮力的大小、影响浮力大小的因素； 7、同一直线上的二力合成；
光门传感器  【产品编号：SPG001A】
输出：> 4.0V (封闭) < 1.0V (未封闭)  时间分辨率：0.002mS 典型应用： 1、平均运动速度的测量； 2、单摆的周期； 3、单摆法测量重力加速度；
运动传感器   【产品编号：SM002A】
２个量程： 量程：0.15m-1.6m         分辨率：0.5mm 量程：0.4m－10m           分辨率：1mm 典型应用： 1、距离与速度，平均速度、瞬时速度的测量； 2、匀速直线运动和变速直线运动； 3、测量物体运动的加速度；
声波传感器  【产品编号：GMAM002B】
量程：20-20,000Hz           灵敏度：-58dB±3dB 典型应用： 1、声波的图像； 2、声波的振幅、频率、响度； 3、声音的共鸣； 4、乐音与噪音的声波图像的比较； 5、声的干涉、衍射； 6、声速的测量；

3.3.2化学学科

3.3.3生物学科