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探究型数字实验室

  简介
新一轮课程改革就物理、化学、生物学科而言,都紧紧地联系着实验。数字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,也是传统实验模式的有效延伸和补充,是切实推进素质教育的关键。
建设中学数字化探究实验室(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配套措施,数字化探究实验室已被列为中学教育信息化示范校建设的硬件指标之一。

  适用场景――适用于理科课堂演示实验教学及学生分组实验教学

一、课堂演示实验
通过数据采集,能帮助教师获得以前传统实验装置不能或不容易获得的数据;让演示实验效果更理想。
二、学生分组实验
采集变得更加简单、精确,单一重复的数据处理变得方便、有效,大大地节省了学生操作实验的时间,让每一个学生都有机会亲自操作实验,加深对实验的了解。

n 功能――满足精确实时测量及个性化探究的实验教学工具
数字化探究实验室产品是一种数字化的中学理化生实验室新产品。它通过采用传感器实验设备将实验数据转入电脑,进行实验分析与探究。
数字化探究实验室产品由“信号源+传感器+数据采集器+计算机+处理软件”组成,可根据不同学科,不同实验选择不同传感器。
一、实验测量及数据采集功能
1. 开放式常规实验

                     开放式常规实验流程
实验中产生的声、光、热、电、力等信号被数字传感器实时记录采集,同时转化为数字信号,传到数字采集器进行信号汇总,再传到电脑利用软件进行分析,得出数据、图形以及关系表达式等结果。
2. 闭环式探究实验

                     闭环式探究实验流程
利用数字采集器对信号源设备(如数控功率电阻、信号发生器、控制开关等)信号发生器进行供电及控制,使信号源设备按照实验要求发出可控的信号,信号经待探究的实验环节处理,再被数字传感器重新采集捕获,通过软件分析信号经过待探究的实验环节后发生的变化,从而深入地了解探究过程及原理。
二、数据处理及分析功能
见“数字实验室多功能教学辅助系统”。

附:实验设备功能介绍
1. 数据采集器

                    数据采集器
数据采集器是连接传感器与电脑的设备。数据采集器将传感器测量记录的数据传输到电脑中进行分析;同时,通过数据采集器,亦能对传感器的数据测量及信号源传感器的信号发出实现控制。数据采集器提供4个高速双向通道,可同时连接4个传感器/信号源,每一通道均为独立工作设计,确保设备同时使用不相互干扰。


2. 理化生学科常用传感器设备
①光电门传感器――用于测量时间

  光电门传感器
【实验应用】(物理)光栅尺测量自由落体加速度,牛顿第二定律,动量定理,测量单摆周期……
②位移传感器――用于测量位移变化

     位移传感器
【实验应用】(物理)探究匀变速直线运动,自由落体,探究弹簧振子的振动过程……
③拉压力传感器――用于测量力大小变化

      拉压力传感器
【实验应用】(物理)力的分解与合成,探究摩擦力,杠杆平衡,滑轮性质……
④用于测量电压大小变化――电压传感器

   电压传感器
【实验应用】(物理)串并联电路电压规律,验证欧姆定律,伏安法测电源电动势及电阻,小灯泡的伏安特性曲线;(化学)测量原电池电压大小……
⑤电流传感器――用于测量电流大小变化

电流传感器
【实验应用】(物理)串并联电路电流规律,验证欧姆定律,伏安法测电源电动势及电阻,小灯泡的伏安特性曲线……
⑥微电流传感器――用于测量微弱感应电流大小

微电流传感器
【实验应用】(物理)直导线切割磁感线产生感应电动势;(生物)探究人体的生物电信号……
⑦磁感应传感器――用于测量磁感应强度

磁感应传感器
【实验应用】(物理)测量地球的磁场,探究通电螺线管电流大小与磁场的关系……
⑧压强传感器――用于测量压强大小变化

压强传感器
【实验应用】(物理)测量液体的压强;(化学)验证波意尔定律;(生物)验证蒸腾现象……

⑨温度传感器――用于测量温度大小变化

温度传感器
【实验应用】(物理)验证查理定律;(化学)探究化学反应热;(生物)探究温度对植物生理现象的影响……
⑨声音传感器――用于测量声音强弱及波形

声音传感器
【实验应用】(物理)探究声音的波形,声音的共鸣……
⑩光强传感器――用于测量光强大小变化


光强传感器
【实验应用】(物理)探究光强与距离的关系;(生物)探究光强对植物光合作用的影响……
○11pH传感器――用于测量溶液酸碱度

pH传感器
【实验应用】(化学)酸碱滴定中和反应,探究酸雨的形成及危害;(生物)pH对植物生长的影响……


○12电导率传感器――用于测量溶液导电情况


电导率传感器
【实验应用】(化学)探究复分解反应过程中溶液的电导率变化……
○13色度传感器――用于测量溶液浓度

色度传感器
【实验应用】(生物)硝酸根离子的检测,比色法测量液体的浓度……
○14湿度传感器――用于测量环境湿度变化

湿度传感器
【实验应用】(生物)探究湿度对光合作用的影响,探究植物的蒸腾作用……
○15溶解氧传感器――用于测量溶液氧含量

溶解氧传感器
【实验应用】(生物)光合作用……
○16二氧化碳传感器――用于测量气体二氧化碳含量

二氧化碳传感器
【实验应用】(生物)探究光合作用中的二氧化碳吸收过程,探究种子萌发过程中的呼吸作用……
3. 闭环式实验探究信号源设备
○1控制开关――程控辅助设备

控制开关
【实验应用】(物理)程控电路……
○2数控功率电阻――电阻输出设备

数控功率电阻
【实验应用】(物理)电阻的串联与并联……
○3信号发生器――电信号发生装置

信号发生器
【实验应用】(物理)半波整流滤波,全波整流滤波,三极管放大……
4.实验教具设备
○1多功能动力学组合导轨――运动力学实验模型搭建

多功能动力学组合导轨
JOC动力学组合导轨配套产品是独有的,可以任意组合连接,组合成各种实验模型,完成所有中学力学、运动学、动力学实验。教具的富用性还有利于学生自己构建探究或创新实验模型,提高学习兴趣,培养创造技能。
【实验应用】探究匀变速直线运动,验证胡克定律,力的分解与合成,探究牛顿第二定律,探究匀速圆周运动与向心力,探究弹簧振子的简谐振动,探究动量定理……
○2电学实验电路板――电学实验教具

电学实验电路板
在电学实验平台方面,JOC教具系统直接采用数据采集器对电路板教具独立供电,同时对电路板也采用了整合的应用方式。
【实验应用】通过采集器进行供电,可完成电容冲放电及串并联、描绘灯泡特征曲线、伏安法测电阻、简单门电路、二级管特性、三极管特性、LC震荡、自感、测量电池电动势和内阻等物理电学实验。

n 安装――便捷、科学合理、复用性强
一、设备连接
USB线连接采集器与电脑,数据线连接传感器与数据采集器,实现数据的高速双通道传输。
二、组合导轨安装应用
动力学组合导轨可以通过配件实现任意组合连接,组合成各种实验模型,完成所有中学力学、运动学、动力学实验。
实验模型样例:

探究匀变速直线运动
使用教具:组合导轨,运动小车,支竿,连接片,万向连接器,螺钉。
使用传感器:位移传感器。

2. 验证胡克定律

1. 探究匀变速直线运动

验证胡克定律
使用教具:组合导轨,运动小车,支竿,连接片,万向连接器,弹簧,挡片,螺钉。
使用传感器:位移传感器,拉压力传感器。

3. 力的分解与合成

力的分解与合成
使用教具:组合导轨,支竿,万向连接器,细绳,钩码,宇宙环,量角器,螺钉。
使用传感器:拉压力传感器。
4. 探究牛顿第二定律

探究牛顿第二定律
使用教具:组合导轨,支竿,连接片,万向连接器,滑轮,细绳,钩码,挡片,运动小车,挡光片,螺钉。
使用传感器:光电门传感器。

 

5. 探究匀速圆周运动与向心力

探究匀速圆周运动与向心力
使用教具:组合导轨,支竿,连接片,万向连接器,挡光片,向心力转轴,重物托,滑轮,钩码,螺钉。
使用传感器:光电门传感器,拉压力传感器。
6. 探究弹簧振子的简谐振动

探究弹簧振子的简谐振动
使用教具:组合导轨,支竿,连接片,万向连接器,卡簧,螺钉。
使用传感器:位移传感器,拉压力传感器。

7. 探究动量定理

探究动量定理
使用教具:组合导轨,连接片,运动小车,挡光片,螺钉。
使用传感器:光电门传感器。
三、实验电路板连接应用
实验电路板采用整合式设计,将若干相关电路整合到一块电路板中。在一些需要外接低压学生电源的电学实验中,只需要将电源连接线接到数据采集器的9V直流电输出接口,再通过跳线将电引入实验电路中即可。
电学实验样例:

1. 小灯泡的伏安特性曲线


小灯泡的伏安特性曲线
使用教具:实验电路板,变阻器、小灯泡、连接线。
使用传感器:电流传感器、电压传感器。
2. 伏安法测量电池电动势和内阻

伏安法测量电池电动势和内阻
使用教具:实验电路板,变阻器、电池、连接线。
使用传感器:电流传感器、电压传感器。
四、与传统实验设备结合应用
数字实验室设备同时可作为一般测量工具,与传统实验装置连接,进行实验数据测量记录。

酸碱中和滴定
使用传感器:pH传感器。

n 应用――提升实验教学与实验探究的效能
一、实验演示教学
1)快速呈现实验结果,精度高;
2)将定性观察变为定量记录,提高认识水平;
3)多种不同的变化过程中的物理量同步实时测量,解决传统实验盲区。
二、学生分组实验
1)简化实验记录,缩短实验时间,增加反复实验探究的机会;
2)随意搭建模型,改变实验变量,多角度探究实验内在原理。

n 维护――简单便捷,随意升级
一、新传感器更新升级
每一个JOC数字传感器均为全数字化技术设计,传感器电路内置A/D转化芯片,实现信号采集及信号转化的一体化功能。从数字传感器输出到数据采集器的信号为全数字化信号,数据采集器中不实现信号转化功能,仅为简单信号汇聚及低压供电作用。由此技术而设计的数字化实验系统,保证了每一个数字传感器的相对独立性,随意增加数字传感器而不需要更新数据采集器。在应用上,可随意增加多种信号源传感器,任意设定发送的信号种类、强度以及信号特性,以满足不同探究实验的要求;内置A/D转化芯片保证了采集分析软件能自动地、有效地识别传感器,简化使用操作。
二、传感器使用维护
JOC传感器均设有过载保护,一旦出现测量超出量程范围,自动停止数据记录,并在软件显示中弹出提示信息。此时请及时停止实验,避免设备损坏。
在具备多量程的传感器设备使用过程中,请注意量程的选择,以免因选错量程而发生测量过载。
三、信号源传感器使用维护
数控功率电阻信号源的使用与一般可调电阻使用相似,在测量开始前,应将电阻值调至最大,再接通电路进行测量,以保护电路及设备的安全。

n 型号――多样,满足不同学科实验应用需要

  • 中学物理数字实验室配置(单组配置)
    编号
    名称
    型号
    数量
    备注
    1
    数据采集器
    SLab-CJQ
    1个
     
    2
    数据分析软件
    SLab4.2
    1套
     
    3
    光电门传感器
    SLab-GDM
    2个
     
    4
    位移传感器
    SLab-WY
    1套
     
    5
    拉压力传感器
    SLab-LYL
    2个
     
    6
    电压传感器
    SLab-DY
    1个
     
    7
    电流传感器
    SLab-DL
    1个
     
    8
    微电流传感器
    SLab-WDL
    1个
     
    9
    磁感应传感器
    SLab-CGY
    1个
     
    10
    声音传感器
    SLab-SY
    1个
     
    11
    光强传感器
    SLab-GQ
    1个
     
    12
    温度传感器
    SLab-WD
    1个
     
    13
    压强传感器
    SLab-YQ
    1个
     
    14
    信号发生器
    SLab-XHFS
    1个
    选配
    15
    数控功率电阻
    SLab-SKDZ
    1个
    选配
    16
    控制开关
    SLab-KZKG
    1个
    选配
    17
    动力学组合导轨
     
    1套
    选配
    18
    电学实验平台
     
    1套
    选配
    中学化学数字实验室配置(单组配置)
    编号
    名称
    型号
    数量
    备注
    1
    数据采集器
    SLab-CJQ
    1个
     
    2
    数据分析软件
    SLab4.2
    1套
     
    3
    电压传感器
    SSLab-DY
    1个
     
    4
    电流传感器
    SLab-DL
    1个
     
    5
    温度传感器
    SLab-WD
    1个
     
    6
    压强传感器
    SLab-YQ
    1个
     
    7
    pH传感器
    SLab-pH
    1个
     
    8
    色度传感器
    SLab-SeD
    1个
     
    9
    电导率传感器
    SLab-DDL
    1个
     
    10
    光强传感器
    SLab-GQ
    1个
    选配
    11
    溶解氧传感器
    SLab-RJY
    1个
    选配
    12
    二氧化碳传感器
    SLab-CO2
    1个
    选配
    13
    湿度传感器
    SLab-SD
    1个
    选配
    中学生物数字实验室配置(单组配置)
    编号
    名称
    型号
    数量
    备注
    1
    数据采集器
    SLab-CJQ
    1个
     
    2
    数据分析软件
    SLab4.2
    1套
     
    3
    微电流传感器
    SLab-WDL
    1个
     
    4
    光强传感器
    SLab-GQ
    1个
     
    5
    温度传感器
    SLab-WD
    1个
     
    6
    压强传感器
    SLab-YQ
    1个
     
    7
    pH传感器
    SLab-pH
    1个
     
    8
    色度传感器
    SLab-SeD
    1个
     
    9
    湿度传感器
    SLab-SD
    1个
     
    10
    溶解氧传感器
    SLab-RJY
    1个
     
    11
    二氧化碳传感器
    SLab-CO2
    1个
     
  •  


     

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