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名家风采

冯容士: 数字化实验的掌门人

作者:LL     发布时间:2010-4-29 点击数:12476

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冯容士: 数字化实验的掌门人

 

引子
  当水珠第一次悄然滴落到岩石上的时候,连它自己都不知道接下来会怎样,更别说那块坚硬的岩石了。

  但是
……
  42年过去了,水珠仍在不紧不慢地滴着。透过水珠击穿的岩石孔洞,我们发现了一个新的世界。

敢教实验换新天

  2006511日,上海浦东新区东昌中学礼堂,上海市数字化实验系统(DIS)应用交流会正在进行。

  台下,是上海市教委的领导和来自各区县的物理实验教学专家。

  台上,随着投影画面的切换,《新课程与物理实验改革》报告拉开了帷幕。数据采集器、位移传感器、力传感器、专用软件、通用软件,作报告者如数家珍,听报告者目不暇接。

  超重失重、向心力、自由落体、单导线楞次定律、电磁波研究、安培力测量、磁传感器测转速、声的三要素、查理定律、波意尔定律、比热容、光的干涉衍射、放射性研究……一系列原来想做而做不出的实验、原来想做而做不好的实验,甚至原来想都没想过的实验,都有了完美的解决方案。听者痴醉,言者动情。

  随着动能大小比较变力作用下的动量定理变力作用下的动能定理等三个实验方案逐一呈现,会场气氛几近高潮——要知道,做出这几个实验是多少物理教师几十年的梦啊。

  台下,微笑浮上了上海市教委副主任瞿钧的脸庞。四年了,以数字化信息系统——DIS的开发应用为核心的上海市理科实验教学数字化改革终于成果圆满。而引领信息技术与古老的物理学科实验紧密结合的,居然是台上这位65岁的老教师!瞿主任的目光里既有赞许,又有钦佩。

  20024月至今,在冯容士的带领下,一种基于传感器、信号与系统、采集与控制等软硬件技术的全新的实验系统得以建立起来。经上海市教委前副主任、著名物理教学专家张民生的提议,该实验系统被命名为“DIS”——数字化信息系统。

  四年不间断的试用、反馈、升级、完善,使DIS与上海二期课改所倡导的实验教学改革日益融合,DIS也成了上海二期课改中学物理教材的支柱。

  从某种意义上讲,DIS不仅成为整个上海二期课改的品牌,而且带动了全国范围内信息技术与物理教学的整合。由DIS系统派生的、具有全部自主知识产权的高科技教学仪器产品,实现了培养信息技术环境下学生自主学习、自主探究能力的教学目标,结束了该领域进口产品一统天下的尴尬局面,并赢得了国际同行的尊重。

  我们的目光投向这位老教师——上海市中小学数字化实验系统研发中心主任,DIS的掌门人,物理特级教师冯容士。

                                 

  大屏幕教学示波器之父
  1964年,冯容士毕业于上海师范学院(现上海师范大学)物理系,分配到上海市塘沽中学。和那些同期毕业的大学生一样,刚教了八个月书的冯容士,就被下放到了松江农村。

  此时,自幼喜欢动手、大学期间又经过校航模队磨炼的冯容士已对物理实验教学产生了浓厚的兴趣。虽然暂时远离了心爱的讲坛,虽然周围不乏嗟叹之声,但他不为所动,而是把这段难得的农村经历用在了对物理实验的探索研究上。

  农家的一堵白墙,成了声学研究教具。夜深人静,冯容士一人量着步点,每走一步拍一下巴掌,由远及近,又由近及远,反复揣摩着不同距离的回声效果。

  稻田插秧,别人只觉得汗如雨下,冯容士却在脚踩稀泥的真切体会里,加深了对楞次定律的理解。从此,冯容士讲到楞次定律——“感生电流产生的磁场,反过来阻碍磁通量的变化时,就有了一个精彩的比喻: 就像稻田里的稀泥之于你的脚,你踩下去的时候不让你一下子踩到底,拔脚的时候又吸住你不放。

  当时,农民普遍采用浅水勤灌的方法,即早上四五点钟放浅浅的一层水到田里,晚上再放出来。做归做,没人讲得出道理。冯容士略加思考,即给出了物理学解释: 早上放水入田,实际上是利用水的比热容大的特点,令其吸收白天阳光的热量;晚上放水出田,即可把水所吸收的热量带走。这样就可以把稻田的环境温度控制在一个适当的范围内,防止灼热的阳光晒死稻苗。语惊四座,农民兄弟纷纷暗挑拇指: 这个小老师不简单!

  八个月的农村生活转瞬即逝,而这八个月间的感悟和思考,却成了冯容士钻研物理实验教学的起点。

  面对一块坚硬的岩石,第一滴水悄悄滴了下去。

  大约七十年代初,在塘沽中学校办厂进行复课闹革命的冯容士,就瞄准教学仪器设备的更新换代,开始了他的第一次创业

  从塘沽路到漕河泾,现在坐车去都嫌远,可那个时候,冯老师带着我们去拉器材,就一辆黄鱼车(三轮车),当天打来回。冯容士当年的学生,在塘沽中学校办厂打工多年的李泽民回忆道。李现任某外资企业总裁。

  一颗红心两只手,自力更生样样有。我们甚至捡来了一台点焊机!冯容士讲起这段经历,颇为自得。

  19739月,当时的上海市教学仪器供应社编印的《中学自制教具展品介绍》中,介绍了冯容士主持开发的电学多用示教板。该示教板可以完成玻璃导电电阻定律和电阻串并联以及欧姆定律等实验。

  冯容士很多实验教学理念就萌发自这个特殊的年代,其中包括一物多用思想,这一思想最终形成了他的一本著作——《一物多用做物理实验》。

  电学示教板小试牛刀后,冯容士的目光投向了示波器。在他眼里,示波器实在是一件好东西。万用表只能测量数据点,而示波器却能够呈现整个物理过程。但示波器也有缺点: 它的显示屏太小了。

  个人做实验没问题,可我想把示波器用在课堂上,三英寸的屏幕,有几个学生能看得见?那个时代,没有计算机,也没有投影仪、电子白板。受到电视机的启发,冯容士形成了大屏幕教学示波器的开发方案: 用电视机显像管代替电子示波管,整机电路由电子管改为晶体管。但迫于当时的政治环境,冯容士考虑了很久,才鼓足勇气公开了自己的想法。幸运的是,他获得了学校的支持。冯容士一头扎进了实验室。即便因患甲肝被隔离,冯容士仍在遥控指挥他的队伍。

  人能够做他想做的事,就是最大的幸福!冯容士回忆说。

  他用了近一年的时间完成了国内第一台大屏幕教学示波器的开发,又用了近一年的时间研制基于教学示波器的17项配套实验器材和20多种电子技术、声学、力学实验装置。

  197810月,《文汇报》以《为中学物理实验教学电子化勇创新路》为题,报道了冯容士的感人事迹。

  19799月,冯容士的第一本专著——30万字的《教学示波器》一书问世,很快被争购一空。此后,连海军某部都派人上门,学习大屏幕示波器的有关技术。

  时至今日,大屏幕教学示波器仍是某些教学仪器生产厂的主打产品,用的还是冯容士当年设计的电路。在那个尚无知识产权概念的年代,冯容士造就了一个行业。但正如当年一起搞研发的陈燮荣老师所说的: 冯容士可是没收到一分钱专利费啊!

  面对一片赞誉之声,冯容士心有不甘。当时我们用的器件太差了!没办法,如果器件有保证,我不会停下来。

  也许,正是这份埋藏在心底的遗憾,成了冯容士从校长位子上退下来之后,主持DIS开发的根本动力。

创造技法一十八
  进入八十年代,连续三次荣获上海市劳动模范称号的冯容士走上了塘沽中学的领导岗位,随后调任风华中学校长。
  在做好教学管理的同时,始终难以割舍物理实验的他,悄悄开始了第二次创业。
  翻开厚厚的剪报本,可见冯容士八九十年代发表的实验论文不下50篇,涉及的实验教学仪器设备革新超过百项。他先后参加《物理实验大全》、《中学物理教师手册》等书的编写,并出版了《一物多用做物理实验》、《制作、实验、思考》等实验教学专著。八十年代《文汇报》的一篇文章,已将冯容士誉为实验教学的活字典
  有了针对物理实验本身的理性思考,从实验的创新,他想到了科学的创造。冯容士敏锐地认识到: 实验教学承载着创造性bg平台官网 的重任,将实验教学中的创新予以归纳,上升到理论和技法的高度,反过来再用以指导实验的创新,其本质是学生思维品质的提升和科研素养的积累。而这,正是培养创造型人才的必需。
  想到就做到,这是冯容士的一贯风格。20万字的《物理实验创造技法和实验研究》诞生了。该书汇集了缺点列举法逆向法强化法组合法18种有代表性的创造技法,一改就事论事的思维方式,在全国物理实验教学界引起了轰动。该书被列入上海bg平台官网 丛书,时任市教委副主任的物理教学专家张民生亲自撰文推荐,盛赞冯容士与另一位作者陈燮荣的创造性成果。
  边做校长边搞研究,冯容士一手将上海市风华中学带进了名校行列,一手将实验教学的研究上升到了方法论的高度。2001年的冯容士也是双喜临门: 被授予全国bg平台官网 系统劳动模范荣誉称号,享受国务院特殊津贴,并被批准为上海市首批特级校长。

                      

  研发中心的掌门人
  就在2002年,年过六十的冯容士卸任风华中学校长职务,改任风范中学董事长。
  双喜临门之后功成身退?环顾书房里汗牛充栋的物理实验书籍,冯容士也一时有些迷茫。此时,一个偶然事件帮助冯容士做出了人生抉择。
  记得刚退下来不久,我去看一位老先生。这位先生93岁了,是我国著名的硫酸专家。一进他家,我都不敢相信自己的眼睛。你知道老先生在做什么?他正在喝着老酒,用英文给美国某化工杂志写关于中国硫酸工业发展状况的论文呢!说起此事,冯容士的语气中流露出难得一见的激动。我当时就想,我离93岁还差得远呢。我还得接着做!做自己喜欢做的事!
  想接着做事的冯容士,进入了想找人做事的上海市教委有关领导的视线。
  2001年,上海二期课改已经启动,而市教研室副主任徐淀芳却陷入了沉思。
  按照教材的编写惯例,都是把由成熟的器材完成的成熟的实验写进去。可几十年来,我们的教学仪器都是跟着教材走,教材里有什么,仪器厂才做什么。教材限制实验仪器,实验仪器制约教材,这不就成了死循环了吗?身为物理教师的徐淀芳多年来目睹国内物理实验教学因仪器落后导致的水平低下,不由得痛下决心: 干脆一起改——按照课改要求编教材并设计新实验,按照新实验要求研发新仪器,用新仪器来做教材中的新实验!
  徐淀芳设想的新仪器,就是后来面世的DIS
  当时,已有几家国外公司在上海推广基于传感器、计算机的实验数据采集处理系统,其产品轻巧灵便、智能高效。上海二期课改物理教材编写组的专家也看中了这种新颖的实验方式,有意依托其开发新型实验,充实新教材。但是,这些产品的设计均发端于国外的教学环境和实验要求,与我国的bg平台官网 理念多有不相容之处。
  于是,有关专家与这几家外国公司的代表进行了沟通,建议他们根据上海二期课改教材编制的新型实验要求进行产品改进。不料几家外国公司纷纷以公司的全球战略等理由予以回绝。其潜台词就是: 我们是国际大公司。就像其他国家一样,上海用我们的产品编教材不就行了嘛!
  让中国的教材跟着国外的实验仪器走?洋人的态度刺痛了上海市教委的决策者。他们意识到: 要在技术为课改服务的前提下自主研发新教材所需的DIS实验设备,以保证设备对bg平台官网 、教材的适用性和独立的知识产权。
  在这样一个大背景下,拥有两次光荣创业经历的冯容士,被市教委领导钦定DIS研发团队的掌门人。
  冯容士就这样接手了上海市中小学数字化实验系统研发中心,毅然开始了他人生中的第三次创业。
  DIS走入实验课堂
  20024月,由上海市教委教研室、上海风华中学和山东省远大网络多媒体有限责任公司三方联合组成的上海市中小学数字化实验系统研发中心开始运作。这个中心的建立本身就是中国bg平台官网 界的一个创举。冯容士出任研发中心主任。中国的教师,开始打造属于自己的数字化实验仪器——DIS
  上海物理教学界的领军人物、二期课改教材主编、物理特级教师张越,反复拉动着尚嫌粗糙的力传感器,看着计算机屏幕显示的上下波动的-时间图线,喃喃自语: 好啦,可以开发自己的实验了。教材组里两名熟谙国外数字化产品性能的青年才俊——复兴高中的倪闽景、交大附中的王铁桦刚看到由示波器显示的位移回波信号,就抑制不住自己的激动: 成功了!收发分体、抗干扰、无盲区,性能比国外的产品还好,终于可以用我们自己的东西了!
  凭借对物理实验教学的深入理解和准确把握,冯容士将两大关键物理量——力和位移的动态、实时测量作为研发突破口。经过近三个月的群策群力和废寝忘食,力传感器、位移传感器开发完成,多年以来困扰物理实验教学界的力和位移实时测量、连续记录、动态分析难题迎刃而解,上海二期课改物理教材编写组一片欢欣。
  此后一年间,微电流、磁感应强度、光强分布、G-M(盖革-缪勒计数器)等传感器纷纷问世,DIS形成了对中学物理力、热、声、光、电、磁和原子物理实验教学领域的全面覆盖。
  然而,此时的DIS还不是冯容士心目中的DIS。正如上海师大谢利民教授在DIS课程教学鉴定会上所评价的那样: 冯容士从来不是一个纯粹的技术专家,他搞技术是为了实验教学。40年的物理实验教学经验、20年的教学管理经验告诉冯容士,DIS还缺点儿什么。
  一天,他拿着一叠画得花花绿绿的软件界面草稿找到了软件工程师。这是我设计的DIS教学软件,能不能尽快做出来?看过冯容士的设计,软件工程师差点儿笑出声来。冯老师,这样的软件可从来没见过啊!”“对!我就是要搞一套你没见过,但是教学需要的软件。冯容士一脸严肃。
  作为基于传感器的数字化实验系统,DIS与传统物理实验教学仪器的最大区别,就是把仪表盘、数码管、示波器、计算器和坐标纸统统集成到计算机屏幕上。因此,软件已经成为实验教学过程中重要的人机交互窗口。
  在DIS研发初期,基本软件架构脱胎于国际主流工具软件: 采用统一的主界面、根据实验需要开设数据窗口或工作窗口、主界面中设置多种分析工具。当时不仅没人质疑其合理性,相反,有不少人,特别是软件工程师认为,与主流软件风格接轨才是DIS软件的发展方向,软件功能越多越好,甚至是越复杂越好。
  但是冯容士根据多年的教学经验及调查研究认识到: 对于广大中学生和中学教师而言,他们并没有太多使用国际主流工具软件的经验作铺垫。如果实验操作过程中软件使用过于复杂,不仅会占用课堂时间,增加教师负担,而且会将学生的注意力转移到物理教学之外。此外,冯容士深知,不同的实验对数据、过程和方法有不同要求。要将这些类别不同的数据要求统一起来不仅存在技术上的难度,也不利于在教学中突出物理现象的特点。
  因此,冯容士决心按照简单易用、分门别类、兼顾通用的原则,针对不同实验,对软件的界面风格、结构体系、功能设置进行不同处理,开发一套一键OK”的专用教学软件。软件工程师们用最快的速度把这套专用软件做了出来。
  连冯容士本人也没想到,几天之后(2002823)全上海市的首次DIS培训上,这套专用软件就显示了独特的作用。
  当时,冯容士听到有些上了年纪的物理教师对改用计算机做实验有畏惧心理,立马现身说法,专门找年龄大的教师和实验员亲手教他们使用专用软件。一经尝试,老教师们立即发觉了这套软件的甜头”——操作太简单了!而且全是中文菜单和图标,一看就明白,一学就会!有人立即总结道: 只要会用鼠标,就会用DIS做实验!这句话很快就成了广大教师的共识,并且进一步发展为只要会乘电梯,就会用DIS做实验!没多长时间,傻瓜软件的名称不胫而走。
  回想起来,正是傻瓜软件消除了广大教师对新技术的畏惧,DIS才能走入实验课堂。冯容士回忆道。
  就这样,冯容士带领的研发团队开启了国内实验教学的数字化时代。他本人也以60多岁的高龄,迎来了人生第三次创业的辉煌。2003年,冯容士被《上海bg平台官网 》评为十大年度人物。

DIS的目标——2010
  从2002年开始,上海19个区县的一百多所学校已经累计装备了1300多台DIS产品。其中浦东新区分两年为全区40所高中全部配备了DIS实验室。闸北、虹口、徐汇等区的装备也形成了规模。
  与此同时,DIS也走出了上海,走向全国。
  人民bg平台官网 出版社、广东bg平台官网 出版社、上海科技bg平台官网 出版社编写的新课标高中物理教材中,均大量引入了冯容士主持开发的DIS实验。北京四中、十一学校、首师大附中、北大附中等京城名校的DIS实验室建设与上海学校相比毫不逊色。南京师大附中、无锡bg平台官网 、华南师大附中、福州三中的DIS实验室更是在当地树立起了实验教学改革的榜样。

  随着用户的增多,DIS的掌门人反倒感觉到了前所未有的压力。
  要对教学负责任啊!冯容士这样说道。他已经连续在研发中心办公室度过了三个生日和四个春节。
  2005年夏,压力之下的冯容士又有惊人之举: 多用力学轨道、向心力实验器、力的合成分解实验器、机械能守恒实验器、高灵敏度环形线圈、匀强磁场螺线管等一系列与DIS配套使用的新型优质实验器材终于定型,并填补了多项国内空白。
  轨道是凹的,小车是晃的,铁架台是斜的,酒精灯是歪的,稳压电源输出的电是波动的……40多年了,我发现很难找到一个符合教学要求的向心力实验器。说起目前学校里常用的实验器材,凡事力求完美的冯容士备感失望。在这种实验条件下,DIS越精密,实验的误差越明显。不改不行啊。
  不改不行。要改,又何其难也。首先是设计,其次是工艺。
  多用力学轨道先后五次重大改动,轨道拉伸模具和小车注塑模具都要跟着改,小车轮子用的微型轴承由国产改进口。生产厂家实在吃不消了,央求冯容士能不能先凑合用。冯容士眼睛一翻: 我是这个产品的研发和监制方,你要想今后能卖得出去就得听我的。你这样凑合做,到学生手里怎么用?那些实验是凑合出来的吗?
  另一个厂家在开机械能守恒实验器模具的时候,对冯容士的设计做了擅自改动,结果被他一审枪毙。怎么办?自己做!冯容士亮出机加工的老本行,愣是率领山东远大一批刚出校门的大学生生产出了第一批机械能守恒实验器,产量1000台。其间,因为一个工程师的测绘错误,光电门挂臂的固定孔位出现了2mm的误差。冯容士二话没说,400米铝合金型材全部作废。
  认真的结果,就是对完美的接近。历经两年研发,前后修改了8个版本的向心力实验器定型后,面对着平稳转动的旋臂和计算机屏幕上力传感器和光电门测得的绵密的数据点,以及由此拟合出的优美的二次曲线,冯容士宣布: 这标志着无法进行圆周运动定量研究的时代终于结束了。
  DIS日渐成熟,配套实验器材相对完善,上海市数字化实验系统(DIS)应用交流会隆重召开,可冯容士没有满足。在一次全国物理教学会议上,冯容士在幻灯片中打出了几幅老旧的插图,让听众猜其中的实验仪器名称。结果十有八九的老师都认出了其中使用的仪器。冯容士随即打出了这些实验装置图所在书籍的封面,台下哗然: 这些实验装置图居然出自清朝光绪二十五年(1899)版的一本物理书——《形性学要》。

  为什么老师们都能认出插图里的实验仪器?因为其中大部分仪器还在用。在肯定这些仪器生命力顽强的同时,我们是不是也该反思一下: 我们的实验仪器是不是更新得太慢了?我们的实验教学是不是进步得太慢了?冯容士话音不高,却振聋发聩。
  DIS的掌门人看得很远,做得很早。仅列入2006年研发中心工作计划的就有平抛运动实验器、凸型桥实验器、远红外加热器、快速反应温度传感器、无线传感技术、组合式数据采集器等十几项重大改进。
  当被问及他心目中DIS发展的目标时,冯容士微微一笑: “2010……”
  2010年,上海世博会年。DIS的掌门人要把自己的作品摆到世博会上去,代表上海bg平台官网 ,代表中国bg平台官网 。
  我们祝福他。

记者手记
  徜徉在大上海的弄堂里,你很难找出比冯容士更貌不惊人的人了: 身材不高,穿着随意,少言寡语,一双眼睛通常眯着,但只要说起实验,这双眼睛就会睁得老大,还会放光。老人家不近烟酒,不爱喝茶。虽然生在宁波海滨,却连海鲜都不碰,令人匪夷所思。偶尔贪吃几块小点心,就算饱口福了。
  笔者问: 为何喜欢蹲在实验室里?答曰: 除了做实验,还能给小孙子修玩具。
  淡泊、随和、从容。这是冯容士给任何一位来访者的第一印象。
  然而,任何一位老朋友评价冯容士,都少不了称赞他那份坚忍和执著,以及创造的勇气。
  这些看似矛盾的品质在冯容士身上得到了完美的统一。
  42年来,冯容士就是这样一直在做着自己喜欢做的事,就像涓涓滴滴的水流,安静、平和但从不停息,于是石为之穿。

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