編者按

自本期開始，本公(gōng)号将陸續推出《DIS，上海創造》之研發故事系列，借助對一個個DIS數字化實驗産(chǎn)品誕生、定型、升級、換代的曆程回顧，記錄2002年以來上海市中(zhōng)小(xiǎo)學(xué)數字化實驗系統研發中(zhōng)心背負使命、知行合一、激蕩思維、砥砺奮進的研發曆史，講述上海老中(zhōng)青三代教學(xué)、教研專家堅持獨立自主、自力更生式教學(xué)儀器研發，不斷超越自我、追求卓越的精(jīng)彩人生。本期就是這個系列的第一篇——有(yǒu)關DIS軌道小(xiǎo)車(chē)的故事。敬請各位持續關注本系列！再次感謝(xiè)23年以來各位領導、專家和廣大老師們對DIS數字化實驗系統的厚愛！

●2005年，第一代DIS通用(yòng)軌道小(xiǎo)車(chē)

●2009年，第一代DIS智能(néng)軌道小(xiǎo)車(chē)

●2011年，第二代DIS智能(néng)軌道小(xiǎo)車(chē)——“π系統”

●2013年，第二代DIS通用(yòng)軌道小(xiǎo)車(chē)

●2024年，全新(xīn)一代DIS智能(néng)運動學(xué)系統

如果您有(yǒu)機會到上海市中(zhōng)小(xiǎo)學(xué)數字化實驗系統研發中(zhōng)心展示室參觀，你會發現在一個被稱為(wèi)“成功之母”的角落裏，堆放着十幾輛不同版本的軌道小(xiǎo)車(chē)。其中(zhōng)包含上個世紀的鑄鋁小(xiǎo)車(chē)，但更多(duō)的則是23年以來研發中(zhōng)心開發的曆代DIS軌道小(xiǎo)車(chē)的手闆原型車(chē)。隻有(yǒu)熟谙中(zhōng)學(xué)物(wù)理(lǐ)實驗教學(xué)和DIS曆史的人，才知道這些不同時代的軌道小(xiǎo)車(chē)，承載着怎樣的研發故事。

圖1  2002年，首批DIS分(fēn)體(tǐ)式位移傳感器與木(mù)質(zhì)軌道和小(xiǎo)車(chē)的組合應用(yòng)

軌道和小(xiǎo)車(chē)，是中(zhōng)學(xué)物(wù)理(lǐ)運動學(xué)實驗教學(xué)的基本裝(zhuāng)備。據統計，僅高中(zhōng)物(wù)理(lǐ)就有(yǒu)十餘個實驗必須借助軌道和小(xiǎo)車(chē)完成。其中(zhōng)包括“測量瞬時速度和平均速度”、“牛頓第二定律”、“從v-t圖求加速度”、“研究受迫振動”、“研究動能(néng)大小(xiǎo)與何種因素相關”、“驗證動量守恒”、“驗證動量定律”、“機械能(néng)守恒研究”等。但長(cháng)期以來，軌道和小(xiǎo)車(chē)卻一直是我國(guó)中(zhōng)學(xué)物(wù)理(lǐ)實驗教學(xué)裝(zhuāng)備的序列裏面的薄弱環節。軌道就是一塊木(mù)闆，小(xiǎo)車(chē)則是頂針式無軸承結構。盡管都存在輪子運轉不暢、下滑時常跑偏的情況，鑄鋁小(xiǎo)車(chē)還算真材實料，注塑小(xiǎo)車(chē)則經常偷工(gōng)減料。因此，在1999年上海二期課改即将啓動之時，上海教委的有(yǒu)識之士就針對包括軌道和小(xiǎo)車(chē)在内的實驗裝(zhuāng)備痛點下定決心：必須根據上海二期課改的總體(tǐ)要求重新(xīn)設計數字化實驗儀器等全系列實驗裝(zhuāng)置，以新(xīn)儀器武裝(zhuāng)新(xīn)教材，用(yòng)新(xīn)教材推進新(xīn)教法！（詳見《面向21世紀中(zhōng)小(xiǎo)學(xué)新(xīn)課程方案和各學(xué)科(kē)教育改革行動綱領》）。

圖2  面向21世紀中(zhōng)小(xiǎo)學(xué)新(xīn)課程方案和各學(xué)科(kē)教育改革行動綱領

2002年6月，上海市中(zhōng)小(xiǎo)學(xué)數字化實驗系統研發中(zhōng)心正式開始運行。随着一系列DIS傳感器被開發出來，尤其是分(fēn)體(tǐ)式位移傳感器和光電(diàn)門問世後，替代了傳統的打點計時器和秒(miǎo)表，此時作(zuò)為(wèi)運動學(xué)基礎實驗裝(zhuāng)置的木(mù)質(zhì)軌道和頂針式小(xiǎo)車(chē)的精(jīng)度問題被徹底暴露出來——傳感器好比誤差放大器，讓老師們頓時有(yǒu)了開着奔馳車(chē)駛上泥砂路的感覺！軌道和小(xiǎo)車(chē)，不改進不行了！

圖3  2002年8月23日，馮容士主任（左）與王鐵桦老師在簡陋的木(mù)質(zhì)軌道上調試當時統配的無軸承頂針式小(xiǎo)車(chē)

●2005年，第一代DIS通用(yòng)軌道小(xiǎo)車(chē)

從2003年起，經過了兩年的艱苦研發，第一代DIS通用(yòng)軌道小(xiǎo)車(chē)于2005年秋季問世。該小(xiǎo)車(chē)采用(yòng)精(jīng)密軸承和托底式結構，确保了小(xiǎo)車(chē)僅能(néng)在與之配套的軌道上行駛，避免了玩耍造成的損壞。軌道采用(yòng)鋁鎂合金，軌道面上設置了研發中(zhōng)心主任馮容士精(jīng)心設計的寬窄定位槽，配有(yǒu)完善的軌道附件系統，極大地改善了DIS中(zhōng)學(xué)物(wù)理(lǐ)運動學(xué)實驗裝(zhuāng)備的整體(tǐ)水平，其精(jīng)度和穩定性獲得了全國(guó)用(yòng)戶的一緻贊許。

圖4  2005年3月24日，研發中(zhōng)心高級實驗師陳開雲在制作(zuò)第一代DIS通用(yòng)軌道小(xiǎo)車(chē)的手闆模型

圖5  牛二定律實驗裝(zhuāng)置：DIS軌道小(xiǎo)車(chē)與軌道、分(fēn)體(tǐ)式位移傳感器、碰撞收納器和滑輪

圖6  2011年上海首次将DIS實驗納入高中(zhōng)學(xué)業水平考試。圖為(wèi)考試中(zhōng)使用(yòng)的DIS軌道、小(xiǎo)車(chē)及位移傳感器（牛頓第二定律實驗）

●2009年，第一代DIS智能(néng)軌道小(xiǎo)車(chē)

2005版DIS通用(yòng)軌道小(xiǎo)車(chē)的成功并沒有(yǒu)讓研發中(zhōng)心駐足不前。2009年，馮容士主任歸納出當時國(guó)際範圍内軌道小(xiǎo)車(chē)的基本屬性：小(xiǎo)車(chē)本身隻是軌道的附屬物(wù)，實驗中(zhōng)基本上都是借助外部裝(zhuāng)置——位移傳感器、光電(diàn)門等對小(xiǎo)車(chē)運動狀況展開測量。怎麽讓小(xiǎo)車(chē)從機械變智能(néng)，讓它能(néng)夠像汽車(chē)一樣自主測量自己的速度？研發中(zhōng)心工(gōng)程師在馮容士主任的指導下，将二維碼掃描技(jì )術與當時剛剛出現的藍牙通訊技(jì )術結合起來，在軌道上敷設了黑白相間的等距條紋，在DIS軌道小(xiǎo)車(chē)的底部裝(zhuāng)上了掃碼器和藍牙通訊模塊，世界上第一款能(néng)夠主動測量自身位移、速度和加速度的軌道小(xiǎo)車(chē)——DIS光電(diàn)數碼小(xiǎo)車(chē)誕生了！（詳見《物(wù)理(lǐ)教學(xué)》2012年11月号之《DIS光電(diàn)軌道系統》）

圖7  2009年9月9日，馮容士主任測試基于掃碼和藍牙通訊技(jì )術的DIS智能(néng)軌道小(xiǎo)車(chē)原型

圖8  基于掃碼和藍牙通訊技(jì )術的第一代DIS智能(néng)軌道小(xiǎo)車(chē)

該版DIS智能(néng)軌道小(xiǎo)車(chē)在2011年完成研發，2012年取得國(guó)家專利。由于研發中(zhōng)心很(hěn)快轉向下一代産(chǎn)品研發，故該版小(xiǎo)車(chē)并未在國(guó)内大規模推廣。但該設計引起了國(guó)際關注并被一家在業内頗具(jù)影響的國(guó)外同行采用(yòng)，構成了他(tā)們目前軌道小(xiǎo)車(chē)系統的主幹技(jì )術。對此，我們并不介意，而且深感自豪。

●2011年，第二代DIS智能(néng)軌道小(xiǎo)車(chē)——“π系統”

第一代DIS智能(néng)軌道小(xiǎo)車(chē)推出沒多(duō)久，被原上海教委副主任張民(mín)生先生譽為(wèi)“上海物(wù)理(lǐ)教師第一創客”的馮容士主任又(yòu)瞄上了更新(xīn)、更好的技(jì )術——高精(jīng)密度光栅編碼盤。發現該器件後，馮容士主任果斷“喜新(xīn)厭舊”，把第一代掃碼智能(néng)小(xiǎo)車(chē)擱置一旁，指導研發中(zhōng)心工(gōng)程師開始了第二代DIS智能(néng)軌道小(xiǎo)車(chē)的研發。通過把四輪的DIS軌道小(xiǎo)車(chē)改成三輪，讓唯一的前輪成為(wèi)高精(jīng)密度光栅編碼盤的外延，前輪轉動直接帶動編碼盤轉動，從而實現了高精(jīng)度位移測量。為(wèi)此，研發中(zhōng)心特别設計了中(zhōng)心帶有(yǒu)凹槽的精(jīng)密鋁鎂合金軌道來匹配小(xiǎo)車(chē)的改進。第二代填補國(guó)際空白的DIS智能(néng)軌道小(xiǎo)車(chē)——DIS光電(diàn)計時測距系統于2011年誕生了。因為(wèi)該智能(néng)小(xiǎo)車(chē)将連接光栅盤的旋轉運動轉換成了小(xiǎo)車(chē)運動的直線(xiàn)距離，所以被研發中(zhōng)心副主任李鼎博士命名(míng)為(wèi)“π系統”（詳見《DIS，上海創造——數字化實驗系統研發紀實》，上海教育出版社2018.12）。

圖9  第二代DIS智能(néng)軌道小(xiǎo)車(chē)——“π系統”手闆

圖10  第二代DIS智能(néng)軌道小(xiǎo)車(chē)——“π系統”成品

“π系統”的設計，說明馮容士主任對他(tā)自創的物(wù)理(lǐ)實驗創造技(jì )法中(zhōng)的“移用(yòng)技(jì )法”的應用(yòng)已臻化境。該系統的測距精(jīng)度和穩定性均顯著高于基于掃碼技(jì )術的第一代DIS智能(néng)小(xiǎo)車(chē)。一經推出，就受到了實驗教學(xué)界的廣泛關注。尤其當廣大老師看到借助“π系統”得到的能(néng)顯示兩小(xiǎo)車(chē)在各種情況下碰撞後動量交換的完美曲線(xiàn)之後，無不歎服激賞。

圖11  2014年3月16日，馮容士主任（左一）向上海教委教委原副主任尹後慶（右二）等領導和專家介紹“π系統”

●2013年，第二代DIS通用(yòng)軌道小(xiǎo)車(chē)

2012年，在“π系統”啓發下，研發中(zhōng)心将優美的流線(xiàn)造型設計引入了對第一代DIS通用(yòng)軌道小(xiǎo)車(chē)的改造中(zhōng)。2013年，設計精(jīng)美、觀感流暢的第二代DIS通用(yòng)軌道小(xiǎo)車(chē)正式定型。該版小(xiǎo)車(chē)繼承了第一代的全部功能(néng)，并在磁碰片、收納器等多(duō)個方面實施了改進，目前已成為(wèi)DIS通用(yòng)力學(xué)軌道系統的核心設備。

圖12  2013年版第二代DIS通用(yòng)軌道小(xiǎo)車(chē)的實驗應用(yòng)

●2024年，全新(xīn)一代DIS智能(néng)運動學(xué)系統

2020年，研發中(zhōng)心啓動了針對運動學(xué)實驗系統的全面改造。憑借近20年來豐富的研發經驗和技(jì )術儲備，曆經4年的不斷修改完善，全新(xīn)一代DIS智能(néng)運動學(xué)系統于2024年完成定型。

圖13  2024年版第三代DIS智能(néng)化軌道小(xiǎo)車(chē)（從屬于“DIS智能(néng)運動學(xué)系統”）

之所以被稱為(wèi)“智能(néng)運動學(xué)系統”，在于該版DIS軌道小(xiǎo)車(chē)自身已經發展成為(wèi)了一個結構相對複雜、實驗功能(néng)強大的智能(néng)設備。小(xiǎo)車(chē)内置多(duō)種傳感器，能(néng)夠同時測量位移、加速度、力、角速度等物(wù)理(lǐ)量。通過藍牙無線(xiàn)模塊，與計算機、平闆電(diàn)腦或手機通訊。軌道小(xiǎo)車(chē)内置彈射裝(zhuāng)置，可(kě)通過按鍵或軟件啓動，為(wèi)小(xiǎo)車(chē)提供三種初始速度。軌道小(xiǎo)車(chē)設有(yǒu)多(duō)個模塊連接接口，可(kě)連接風扇模塊、彈射模塊、驅動模塊、矢量顯示模塊等，全面支持小(xiǎo)車(chē)與教師自制教具(jù)的銜接組合。該系統配有(yǒu)專用(yòng)軟件，教師可(kě)借助該軟件完成針對特定教學(xué)要求的參數設置和控制。該系統不僅可(kě)以與PC聯用(yòng)，還全面支持移動端APP應用(yòng)，大幅拓展了應用(yòng)場景，方便了初高中(zhōng)和高校實驗教學(xué)的開展。

圖14  2024年版第三代DIS智能(néng)運動學(xué)系統之軌道小(xiǎo)車(chē)的部分(fēn)實驗場景

DIS智能(néng)運動學(xué)系統可(kě)完成的實驗包括但不限于：

圖15  實驗目錄表

圖16  2024年版第三代DIS智能(néng)運動學(xué)系統實驗場景

十年前，當上海市教委教研室組織拍攝紀錄片《DIS創新(xīn)實踐的旅程》時，教研室原主任、研發中(zhōng)心副主任、物(wù)理(lǐ)特級教師陸伯鴻用(yòng)為(wèi)解說詞增添了著名(míng)的金句——“DIS，永遠(yuǎn)在路上”。

上海市中(zhōng)小(xiǎo)學(xué)數字化實驗系統研發中(zhōng)心已成立23年，DIS的“造車(chē)”也已持續了23年。五代DIS軌道小(xiǎo)車(chē)的背後，是研發中(zhōng)心全體(tǐ)成員乃至整個中(zhōng)國(guó)物(wù)理(lǐ)教學(xué)界對提升和完善實驗教學(xué)的執着追求。23年來，我們不僅“造車(chē)”，而且“鋪路”——五代DIS運動學(xué)系統不光有(yǒu)小(xiǎo)車(chē)，更有(yǒu)精(jīng)心設計的運動學(xué)軌道和豐富的配件系統。有(yǒu)車(chē)有(yǒu)路，廣大物(wù)理(lǐ)教師的實驗天地得以開闊，千萬學(xué)子的科(kē)學(xué)探究得以深化，研發中(zhōng)心也踐行了自己的使命：以教育研究引領教學(xué)研究，以教學(xué)研究帶動實驗研究，以實驗研究指導儀器開發，以DIS創新(xīn)儀器設備為(wèi)中(zhōng)國(guó)乃至世界的科(kē)學(xué)教育發展貢獻自己的力量！

我們說到做到。 

上海市中(zhōng)小(xiǎo)學(xué)數字化實驗系統研發中(zhōng)心

2025年4月24日