中学生数字化科学探究移动实验室的研究进展

◆袁顺发　孙红娇　岑健林　黎远兴　王双喜

中学生数字化科学探究移动实验室的研究进展

◆袁顺发孙红娇岑健林黎远兴王双喜

随着我国教育事业的不断发展，人们对培养学生创新思维和动手能力的素质教育越来越重视，数字化科学探究实验教学在初级、中级教育中受到广泛关注。但受限于高昂的成本，数字化科学探究实验教学难以在全国范围内尤其是偏远地区大范围推广。数字化科学探究移动实验室通过区域内学校的互通互用，可以有效解决这一需求与经济基础的矛盾。介绍国内外移动实验室的种类，总结数字化科学探究移动实验室的发展现状，分析我国在数字化科学探究移动装备领域的不足，展望我国数字化科学探究移动实验室未来的开发重点。

移动实验室；数字化科学探究；实验教学；实验器材

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.16.004

1　前言

数字化科学探究实验教学是近年来兴起的一种全新教育模式，受到各个阶段学校和学生的广泛欢迎。数字化科学探究实验教学通过现场操作数字化实验设备，教学的整个过程生动、高效并且简单明了，使学生对于实验所展示的学习内容有更加深刻的理解与记忆。另外，与传统教学相比，数字化科学探究实验趣味性强，能够使学生积极主动地投入到实验探索过程中，对科学具有更强的求知欲望和探索热情。

但是，由于数字化科学探究实验课所用的实验器材昂贵，建立数字化科学探究实验室耗资比较大，使得数字化科学探究实验在偏远贫困地区难以普及。近年来，为了满足中小学对数字化科学探究的教学需求，人们相继开发了可流动的数字化科学探究实验车。一辆流动实验车就相当于一个可移动的实验室，可以让偏远地区的多个学校的学生分享现代数字化教学实验设备，进一步提供教育均衡发展的机会，带动偏远贫困地区的学生动手实践，自主地探索新知识，这对培养偏远地区的学生的科技素养和研究兴趣十分重要。

2　移动实验室的发展现状

移动实验室移动实验室是一种在一定区域内能够转移、拆卸、组装，且配置了检测、实验设备及通信设备，能快速准确地完成规定内容的实验的移动汽车。

1940年左右，西方国家开始开发并使用移动实验室，它们将其应用在一些化学武器、电磁波等对于军事方面的流动监测分析上。随着科技的发展，各个国家开发的移动实验室各有侧重，德美法等少数西方发达国家在移动实验室技术方面领先全球：德国的西门子公司已经拥有用于分析DNA和蛋白质的自动化移动式生物芯片实验室；美国开发出两个世界上最为先进的移动实验室，即化学移动实验室和微生物移动实验室；英国则开发出可进行现场珠宝鉴定服务的移动实验室；以色列莱舍夫公司研制出一种专供农业的移动实验室，能够对土壤状况进行综合分析，可对农药、化肥进行检测以及进行作物病虫害诊断、防治等；2015年，俄罗斯发射一款太空移动实验室，它既能与空间站对接，又能自由飞行。

移动实验室具有区域快速转移、现场迅速检测的优势。由于移动实验室具备多种多样的功能，除了发达国家，发展中国家也相继投入开发特种移动实验室。据报道［1］，泰国医疗科学局在2006年研发出一款能够在野外快速准确地检测出禽流感等病毒的移动实验室，通过该移动实验室，可在4小时内检测到禽流感、登革热、口蹄疫等病毒。

受到经济发展水平、技术以及人员等多个条件的限制，我国对于移动实验室的研究起步较晚，但近些年来，随着我国经济快速发展，国内环境、疾病、安全等各个领域突发事件频繁爆发，我国政府加强了对公共卫生安全、食品安全、环境安全等方面的监测，移动实验室建设在我国获得进一步的发展。

我国第一台投入使用的移动实验室是一款食品安全检测移动实验室，用于监测水体污染状况。移动实验室在北京奥运会期间对于供奥食品检测、汶川地震时对于食品安全检测、松花江污染中对水质检测以及协助非洲在埃博拉暴发期间的血样检测等重大事件或活动中发挥了重要作用。我国“十二五”计划指出：政府将逐步“加大力度建设社会公共安全，完善通报及反应机制体系，全力提高基层快速检测能力，使政府部门的监管更具公信力与有效性”。移动实验室的建设和推广正在逐步成为政府有关部门快速、准确、及时、有效地预防监控各类事件的有效手段。

移动实验室的功能改进随着社会经济的发展，移动实验室已经成为一个重要的新产业，从满足人们的需求的角度，近年来在设备稳定性、空间舒适性、功能多样性等方面做了很多尝试。

1）车体空间拓展。移动实验室最早是基于厢式汽车改造而来的，厢式车大部分是通过汽车二类底盘改装而成，典型的厢式车由三部分组成：底盘车、副车架和车厢。20世纪70年代，美国军方在确保厢式车机动能力的条件下，研制出可拓展式军用厢式车［2］。其可在现场展开，使车厢的空间得到进一步扩大，同时拓展、收拢的时间短，极大地方便了战时的前进及转移，是结合大空间和快巧灵于一体的军事装备机动载体，因此得到各国军方的高度重视，并陆续地研制出两侧车厢板掀顶伸缩式、两侧车厢板整体内伸缩式、两侧车厢板整体外伸缩式等多种拓展机构。与此同时，军用车厢拓展技术在民用市场上也产生非常大的影响，尤其最近几年在人防工程、电视转播、抢险救灾、旅游等方面广泛吸收箱体拓展技术。如宣传大篷车，采用的是两侧车厢板整体外伸缩式拓展技术，当扩展厢扩展打开时，两侧车厢就如两个大“抽屉”被推出。图1所示为大篷车车体伸缩状态［3］。

图1　大篷车车体伸缩结构示意图

2）太阳能动力。1978年，英国研制了世界上第一台太阳能汽车，车速高达13 km/h。2003年，在澳大利亚举办的太阳能汽车竞赛上，荷兰代表开发的“NunaⅡ”光伏汽车以30小时54分钟的成绩行驶了3010 km，获得该赛事冠军并且将太阳能汽车世界最高时速更新为170 km［4］。

车载太阳能系统由光伏电池及蓄电池组成，光伏电池通过收集太阳能发电，利用控制器为汽车上的负载提供部分或全部的电力，剩余的电力则会储存在蓄电池中。目前，奔驰、奥迪等部分车型已实现将太阳能作为全部或辅助动力。国内奇瑞汽车公司2010年就着手把流线型太阳能电池板安装在奇瑞车型顶部，推出自主知识产权的太阳能汽车［5］。

3）液压腿支撑实验室平台。液压支撑腿最早在汽车工业中获得应用。设置汽车起重机支撑腿是为了在不增加起重机自身宽度的条件下，为汽车起重机的实际操作提供更大的支承跨度，提高起重机的起重性能。汽车起重机支腿是设置在车厢支架上可收起外放以及伸缩的支承结构。涉及支撑腿的三个领域，即型式、结构以及控制。目前液压支腿在军用设备车、汽车起重机、混凝土泵车等众多特殊车种中都有使用，一些民用车辆，如移动式舞台［6］，其舞台平台的支承依靠的仍是液压腿，如图2所示。舞台演出车展开后，展开平台与原车内平台组合成舞台，下翼展内外板下部固定液压腿。顶栅升起后，栅翼前后两侧分别展开作为舞台顶栅，闭合后，整个车厢的外形为箱式半挂车。

4）车内LED照明。20世纪初，照明光源逐步被应用在汽车上。最开始，汽车上使用的照明光源是煤油灯和乙炔灯；直到1910年，汽车照明逐步应用电光源，先后经历了白炽灯、卤钨灯及高强度放电式气体灯；到了1985年，汽车照明开始引入LED技术。LED具有很多其他光源所不具备的优点：①寿命长且抗震性好；②节能环保；③响应速度快；④体积小。目前，奔驰、宝马、奥迪等各个知名品牌车为了提高汽车的观赏性，都逐渐推出配有多种多样LED内外饰的新款车型。得益于汽车LED照明技术，新一代的移动实验室基本采用了新的LED照明技术。

图2　移动式舞台的正面及侧面示意图

3　教学用移动实验室

国内教学用移动实验室的起源在20世纪八九十年代，部分地区的一些山村学校由于实验设备不足，无法进行实验教学，通过向一些学校租借一些仪器设备并通过改装一辆专用卡车，组装了一辆巡回的实验教学车。该实验车深入乡间学校进行理化实验教学，初步改变了“只能在黑板上教实验”的局面。

数字化科学探究流动实验《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》提出要改革创新现有的教育教学方法，激起学生对于科学知识的兴趣爱好，营造求思好学、开拓探索的学习氛围。教育部新的课程标准也明确要求：重视将信息技术应用到理化生实验，通过计算机实时测量实验数据来处理并且分析实验结果等。为了适应飞速发展的人才培养的需求，数字化实验系统（Digital Information System，简称DIS）正逐渐成为各地数字化校园建设的重点项目，各学校开展探究实验的选择对象也逐渐地从传统实验室转化为数字化探究型实验室。

由于数字化科学探究实验课所用的实验设备昂贵，使得数字化科学探究实验在偏远贫困地区难以普及。近年来，为了满足中小学对数字化科学探究的教学需求，人们相继开发可流动的数字化科学探究实验车。

2013年，佛山推出国内首台数字化科学探究流动实验室（图3），在当地政府的支持下，数字化科学探究流动实验室驶进高明、三水等地的偏远山区学校。数字化科学探究移动实验室是建立在移动实验室的基础之上，配备供水系统、通风系统以及车载橱柜系统等功能，并且载有多种科学探究实验所需的电子器材的一个数字化教学平台［7］。该流动实验室由大巴车改装而成，配备了触摸屏计算机、远程视频系统，可进行信息技术、科学、数学、物理、化学与生物等学科的数字化探究实验。实验室内的数字化科学探究仪器有显微镜、数据采集器、电流传感器、微电流传感器、声波传感器、力传感器、心率传感器、G-M传感器等，可以进行水果电池、显微观察、力的相互作用、声波三要素等实验。

图3　“探索号”数字化科学流动实验室

图4　宇通科学巴士

除了教学设备，数字化科学探究移动实验室还包含水位显示、电动控制、清水箱、污水箱、洗手池、洗眼器、变频空调、排气口、抽气泵等配套设施。另外，数字化科学探究移动实验室内安装有无线4G网络，将实验室内的学生用计算机与远方的计算机有效连接，再配合高清摄像系统，能实现师生间的远程互动，也可将课堂内容分享到实验室以外的显示屏上。车内安装有变频空调，能够应对寒冷及炎热两种极端天气；净水箱与污水箱，能够应对偏远地区的实验需求并防止对停放处的水源污染。数字化科学探究移动实验室可以在区域部分学校间调度使用，将数字化实验硬件分享到基层偏远山区，促进了教育公平、均衡发展。

与此类似，2014年5月，北京自然博物馆推出“中生代王者归来”流动科普车［8］。这是一台在大客车基础上改装的移动实验室，结合车内外空间，形成一个较大的展示舞台。该车可以流动展示一些恐龙的化石标本以及模型，另外设置有移动式球幕影院，通过多媒体内容，为学生提供一个了解远古恐龙科普知识的学习平台。

2014年9月，在全国科普日活动现场，郑州宇通推出一款纯电动客车改造而成的“科学巴士”［9］（图4）。巴士上配备了可穿戴智能设备、4G Wi-Fi和全景摄像头，展示了增强现实技术、3D打印技术等最新的数字化技术。车上装载手提电脑、可动机器人、传感器、导线等实验器材，供学生进行水果电池、机械配合等实验的操作及学习。相对上述几款流动教学实验室而言，宇通的“科学巴士”所含科学因素较为前端，其特有的纯电动动力系统更为绿色和谐，“科学巴士”以新技术吸引学生，更适合于科学普及教育。但其内部设置的基础科学实验仪器种类较少，橱柜储藏能力不足，难以满足学校教学的主要要求。

4　国内数字化科学探究移动实验车存在的问题

尽管数字化科学探究移动实验车已经在不同地区和领域获得应用，但由于发展时间短，国内数字化科学探究移动实验车仍然存在一些不足。

1）流动实验室的内部空间较为狭小。安装了储物柜系统之后，车上的可站立面积在原有基础上减少一半，这影响到实验教学的实施和教学效果。

2）实验室的流动性决定了它需要建立在一辆车上，而实验车一般停放在比较空旷的地方使用，如果通过外接交流电源支持实验用电，一方面，外接的电线对学生的安全存在一定的隐患；另一方面，对于偏远的地区来说，停电状况时有发生，影响教学实验的安排。另外，如果靠车载发电机供电，燃油烟气会污染固定放置的车厢及周边空气，对学生集中精力上课会产生消极影响。

5　展望

随着我国教育事业的不断发展，对于教育质量的要求越来越高，培养学生创新思维和动手能力的素质教育已经成为基础教育的重要内容。近年来，数字化科学探究实验教学在初级、中级教育中受到广泛关注，但受限于高昂的成本，数字化科学探究实验教学难以在全国范围内尤其是偏远地区大范围推广。虽然通过区域内学校的互通互用，数字化科学探究移动实验室可以有效提升贫困偏远地区的实验教学水平，但还有许多方面不能满足教学需求。

考虑到移动实验室的流动性、实用性要求，下一代数字化科学探究教学流动实验应该吸收 目前国内外移动实验室的优点，在如下领域开展进一步的研究：

1）参考国内外的汽车空间扩展技术，扩展数字化科学探究实验教学流动实验室内部空间；

2）参考国外已实现的车载太阳能方案，将太阳能作为数字化科学探究实验教学流动实验室内部用照明和实验设备的供能来源之一，提高数字化科学探究实验教学流动实验室的适应能力，以满足偏远落后地区的实验教学需求。

［1］Denise A. Thailand launches fast-reaction hi-tech bird fl u mo bile labs［N］.Flu Trackers News and Information，2006-8-23.

［2］韩林.国外专用汽车产业发展态势［J］.汽车与配件，2014（4）：39-43.

［3］杨艳，王登贵.一种大篷车车厢只能伸缩控制系统设计［J］.农业装备与车辆工程，2015，53（1）：60-63.

［4］Marks L. Solar Car Challenge： The History of Solar Car Racing［EB/OL］.http：//www.solarcarchallenge.org/challenge/ history.shtml.

［5］卢磊，陈效华，严伟，等.一种在汽车上应用太阳能技术的设计方案［J］.新材料产业，2010（1）：71-73.

［6］王钦普，吴占国.多功能移动舞台演出车的结构及功能装置［J］.专用汽车，2006（4）：45-46.

［7］饶良星，黄桂意.一款移动实验室的设计开发［J］.机电技术，2014（6）：128-129.

［8］史英周.北京自然博物馆“中生代王者归来”流动科普车展览启动［EB/OL］.［2014-05-13］.http：//www.bjast.ac.cn/ Html/Article/20140513/23390.html.

［9］吴佳.宇通科学巴士亮相第十一届全国科普日［N/OL］.［2014-09-30］.http：//www.cnautonews.com/syqc/kec/201409/ t20140929_327692.htm.

Development of Mobile Laboratory for Digital Experiment in Middle School

//YUAN Shunfa， SUN Hongjiao， CEN Jianlin， LI Yuanxing， WANG Shuangxi

With the development of education in China， training of creative thoughts and practical ability becomes more and more important for middle schools. At president， much attention has been paid on digital experiments of scientifi c inquiry education in primary and secondary school. However， due to the high cost of the digital equipment， it is difficult to promote digital experiments widely in the whole country， especially in the poverty and rural areas. The digital scientific inquiry mobile laboratory could be utilized one by one for multi schools in the rural region， which could eff ectively solve the contradiction between great demand and poor economic basis. In this paper， some kinds of mobile laboratory at home and abroad were introduced fi rstly. Then， the development of mobile laboratory for the digital experiment in middle school was summarized. Finally， through analysis about the existed mobile laboratories for the digital experiment in China， some main orientations about the next generation were prospected.

mobile laboratory； numeric scientific inquiry； experimental teaching； experiment equipment

G482

B

1671-489X（2016）16-0004-04

作者：袁顺发、黎远兴，汕头大学工学院；孙红娇、岑健林，广东雅嘉思科技有限公司（528000）；王双喜，汕头大学工学院教授（515063）。