編者按
自本期開始，本公號將陸續推出《DIS，上海創造》之研發故事系列，借助對一個個DIS數字化實驗產品誕生、定型、升級、換代的歷程回顧，記錄2002年以來上海市中小學數字化實驗系統研發中心背負使命、知行合一、激蕩思維、砥礪奮進的研發歷史，講述上海老中青三代教學、教研專家堅持獨立自主、自力更生式教學儀器研發，不斷超越自我、追求卓越的精彩人生。本期就是這個系列的第一篇——有關DIS軌道小車的故事。敬請各位持續關注本系列！再次感謝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通用軌道小車
●2009年，第一代DIS智能軌道小車
●2011年，第二代DIS智能軌道小車——“π系統”
●2013年，第二代DIS通用軌道小車
●2024年，全新一代DIS智能運動學系統
如果您有機會到上海市中小學數字化實驗系統研發中心展示室參觀，你會發現在一個被稱為“成功之母”的角落里，堆放著十幾輛不同版本的軌道小車。其中包含上個世紀的鑄鋁小車，但更多的則是23年以來研發中心開發的歷代DIS軌道小車的手板原型車。只有熟諳中學物理實驗教學和DIS歷史的人，才知道這些不同時代的軌道小車，承載著怎樣的研發故事。
圖1 2002年，首批DIS分體式位移傳感器與木質軌道和小車的組合應用
軌道和小車，是中學物理運動學實驗教學的基本裝備。據統計，僅高中物理就有十余個實驗必須借助軌道和小車完成。其中包括“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”、“研究動能大小與何種因素相關”、“驗證動量守恒”、“驗證動量定律”、“機械能守恒研究”等。但長期以來，軌道和小車卻一直是我國中學物理實驗教學裝備的序列里面的薄弱環節。軌道就是一塊木板，小車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，鑄鋁小車還算真材實料，注塑小車則經常偷工減料。因此，在1999年上海二期課改即將啟動之時，上海教委的有識之士就針對包括軌道和小車在內的實驗裝備痛點下定決心：必須根據上海二期課改的總體要求重新設計數字化實驗儀器等全系列實驗裝置，以新儀器武裝新教材，用新教材推進新教法！（詳見《面向21世紀中小學新課程方案和各學科教育改革行動綱領》）。
圖2 面向21世紀中小學新課程方案和各學科教育改革行動綱領
2002年6月，上海市中小學數字化實驗系統研發中心正式開始運行。隨著一系列DIS傳感器被開發出來，尤其是分體式位移傳感器和光電門問世后，替代了傳統的打點計時器和秒表，此時作為運動學基礎實驗裝置的木質軌道和頂針式小車的精度問題被徹底暴露出來——傳感器好比誤差放大器，讓老師們頓時有了開著奔馳車駛上泥砂路的感覺！軌道和小車，不改進不行了！
圖3 2002年8月23日，馮容士主任（左）與王鐵樺老師在簡陋的木質軌道上調試當時統配的無軸承頂針式小車
●2005年，第一代DIS通用軌道小車
從2003年起，經過了兩年的艱苦研發，第一代DIS通用軌道小車于2005年秋季問世。該小車采用精密軸承和托底式結構，確保了小車僅能在與之配套的軌道上行駛，避免了玩耍造成的損壞。軌道采用鋁鎂合金，軌道面上設置了研發中心主任馮容士精心設計的寬窄定位槽，配有完善的軌道附件系統，極大地改善了DIS中學物理運動學實驗裝備的整體水平，其精度和穩定性獲得了全國用戶的一致贊許。
圖4 2005年3月24日，研發中心高級實驗師陳開云在制作第一代DIS通用軌道小車的手板模型
圖5 牛二定律實驗裝置：DIS軌道小車與軌道、分體式位移傳感器、碰撞收納器和滑輪
圖6 2011年上海首次將DIS實驗納入高中學業水平考試。圖為考試中使用的DIS軌道、小車及位移傳感器（牛頓第二定律實驗）
●2009年，第一代DIS智能軌道小車
2005版DIS通用軌道小車的成功并沒有讓研發中心駐足不前。2009年，馮容士主任歸納出當時國際范圍內軌道小車的基本屬性：小車本身只是軌道的附屬物，實驗中基本上都是借助外部裝置——位移傳感器、光電門等對小車運動狀況展開測量。怎么讓小車從機械變智能，讓它能夠像汽車一樣自主測量自己的速度？研發中心工程師在馮容士主任的指導下，將二維碼掃描技術與當時剛剛出現的藍牙通訊技術結合起來，在軌道上敷設了黑白相間的等距條紋，在DIS軌道小車的底部裝上了掃碼器和藍牙通訊模塊，世界上第一款能夠主動測量自身位移、速度和加速度的軌道小車——DIS光電數碼小車誕生了！（詳見《物理教學》2012年11月號之《DIS光電軌道系統》）
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術的DIS智能軌道小車原型
圖8 基于掃碼和藍牙通訊技術的第一代DIS智能軌道小車
該版DIS智能軌道小車在2011年完成研發，2012年取得國家專利。由于研發中心很快轉向下一代產品研發，故該版小車并未在國內大規模推廣。但該設計引起了國際關注并被一家在業內頗具影響的國外同行采用，構成了他們目前軌道小車系統的主干技術。對此，我們并不介意，而且深感自豪。
●2011年，第二代DIS智能軌道小車——“π系統”
第一代DIS智能軌道小車推出沒多久，被原上海教委副主任張民生先生譽為“上海物理教師第一創客”的馮容士主任又瞄上了更新、更好的技術——高精密度光柵編碼盤。發現該器件后，馮容士主任果斷“喜新厭舊”，把第一代掃碼智能小車擱置一旁，指導研發中心工程師開始了第二代DIS智能軌道小車的研發。通過把四輪的DIS軌道小車改成三輪，讓唯一的前輪成為高精密度光柵編碼盤的外延，前輪轉動直接帶動編碼盤轉動，從而實現了高精度位移測量。為此，研發中心特別設計了中心帶有凹槽的精密鋁鎂合金軌道來匹配小車的改進。第二代填補國際空白的DIS智能軌道小車——DIS光電計時測距系統于2011年誕生了。因為該智能小車將連接光柵盤的旋轉運動轉換成了小車運動的直線距離，所以被研發中心副主任李鼎博士命名為“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智能軌道小車——“π系統”手板
圖10 第二代DIS智能軌道小車——“π系統”成品
“π系統”的設計，說明馮容士主任對他自創的物理實驗創造技法中的“移用技法”的應用已臻化境。該系統的測距精度和穩定性均顯著高于基于掃碼技術的第一代DIS智能小車。一經推出，就受到了實驗教學界的廣泛關注。尤其當廣大老師看到借助“π系統”得到的能顯示兩小車在各種情況下碰撞后動量交換的完美曲線之后，無不嘆服激賞。
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后慶（右二）等領導和專家介紹“π系統”
●2013年，第二代DIS通用軌道小車
2012年，在“π系統”啟發下，研發中心將優美的流線造型設計引入了對第一代DIS通用軌道小車的改造中。2013年，設計精美、觀感流暢的第二代DIS通用軌道小車正式定型。該版小車繼承了第一代的全部功能，并在磁碰片、收納器等多個方面實施了改進，目前已成為DIS通用力學軌道系統的核心設備。
圖12 2013年版第二代DIS通用軌道小車的實驗應用
●2024年，全新一代DIS智能運動學系統
2020年，研發中心啟動了針對運動學實驗系統的全面改造。憑借近20年來豐富的研發經驗和技術儲備，歷經4年的不斷修改完善，全新一代DIS智能運動學系統于2024年完成定型。
圖13 2024年版第三代DIS智能化軌道小車（從屬于“DIS智能運動學系統”）
之所以被稱為“智能運動學系統”，在于該版DIS軌道小車自身已經發展成為了一個結構相對復雜、實驗功能強大的智能設備。小車內置多種傳感器，能夠同時測量位移、加速度、力、角速度等物理量。通過藍牙無線模塊，與計算機、平板電腦或手機通訊。軌道小車內置彈射裝置，可通過按鍵或軟件啟動，為小車提供三種初始速度。軌道小車設有多個模塊連接接口，可連接風扇模塊、彈射模塊、驅動模塊、矢量顯示模塊等，全面支持小車與教師自制教具的銜接組合。該系統配有專用軟件，教師可借助該軟件完成針對特定教學要求的參數設置和控制。該系統不僅可以與PC聯用，還全面支持移動端APP應用，大幅拓展了應用場景，方便了初高中和高校實驗教學的開展。
圖14 2024年版第三代DIS智能運動學系統之軌道小車的部分實驗場景
DIS智能運動學系統可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智能運動學系統實驗場景
十年前，當上海市教委教研室組織拍攝紀錄片《DIS創新實踐的旅程》時，教研室原主任、研發中心副主任、物理特級教師陸伯鴻用為解說詞增添了著名的金句——“DIS，永遠在路上”。
上海市中小學數字化實驗系統研發中心已成立23年，DIS的“造車”也已持續了23年。五代DIS軌道小車的背后，是研發中心全體成員乃至整個中國物理教學界對提升和完善實驗教學的執著追求。23年來，我們不僅“造車”，而且“鋪路”——五代DIS運動學系統不光有小車，更有精心設計的運動學軌道和豐富的配件系統。有車有路，廣大物理教師的實驗天地得以開闊，千萬學子的科學探究得以深化，研發中心也踐行了自己的使命：以教育研究引領教學研究，以教學研究帶動實驗研究，以實驗研究指導儀器開發，以DIS創新儀器設備為中國乃至世界的科學教育發展貢獻自己的力量！
我們說到做到。
上海市中小學數字化實驗系統研發中心
2025年4月24日
