编者按
自本期开始，本公号将陆续推出《DIS，上海创造》之研发故事系列，借助对一个个DIS数字化实验产品诞生、定型、升级、换代的历程回顾，记录2002年以来上海市中小学数字化实验系统研发中心背负使命、知行合一、激荡思维、砥砺奋进的研发历史，讲述上海老中青三代教学、教研专家坚持独立自主、自力更生式教学仪器研发，不断超越自我、追求卓越的精彩人生。本期就是这个系列的第一篇——有关DIS轨道小车的故事。敬请各位持续关注本系列！再次感谢23年以来各位领导、专家和广大老师们对DIS数字化实验系统的厚爱！
●2005年，第一代DIS通用轨道小车
●2009年，第一代DIS智能轨道小车
●2011年，第二代DIS智能轨道小车——“π系统”
●2013年，第二代DIS通用轨道小车
●2024年，全新一代DIS智能运动学系统
如果您有机会到上海市中小学数字化实验系统研发中心展示室参观，你会发现在一个被称为“成功之母”的角落里，堆放着十几辆不同版本的轨道小车。其中包含上个世纪的铸铝小车，但更多的则是23年以来研发中心开发的历代DIS轨道小车的手板原型车。只有熟谙中学物理实验教学和DIS历史的人，才知道这些不同时代的轨道小车，承载着怎样的研发故事。
图1 2002年，首批DIS分体式位移传感器与木质轨道和小车的组合应用
轨道和小车，是中学物理运动学实验教学的基本装备。据统计，仅高中物理就有十余个实验必须借助轨道和小车完成。其中包括“测量瞬时速度和平均速度”、“牛顿第二定律”、“从v-t图求加速度”、“研究受迫振动”、“研究动能大小与何种因素相关”、“验证动量守恒”、“验证动量定律”、“机械能守恒研究”等。但长期以来，轨道和小车却一直是我国中学物理实验教学装备的序列里面的薄弱环节。轨道就是一块木板，小车则是顶针式无轴承结构。尽管都存在轮子运转不畅、下滑时常跑偏的情况，铸铝小车还算真材实料，注塑小车则经常偷工减料。因此，在1999年上海二期课改即将启动之时，上海教委的有识之士就针对包括轨道和小车在内的实验装备痛点下定决心：必须根据上海二期课改的总体要求重新设计数字化实验仪器等全系列实验装置，以新仪器武装新教材，用新教材推进新教法！（详见《面向21世纪中小学新课程方案和各学科教育改革行动纲领》）。
图2 面向21世纪中小学新课程方案和各学科教育改革行动纲领
2002年6月，上海市中小学数字化实验系统研发中心正式开始运行。随着一系列DIS传感器被开发出来，尤其是分体式位移传感器和光电门问世后，替代了传统的打点计时器和秒表，此时作为运动学基础实验装置的木质轨道和顶针式小车的精度问题被彻底暴露出来——传感器好比误差放大器，让老师们顿时有了开着奔驰车驶上泥砂路的感觉！轨道和小车，不改进不行了！
图3 2002年8月23日，冯容士主任（左）与王铁桦老师在简陋的木质轨道上调试当时统配的无轴承顶针式小车
●2005年，第一代DIS通用轨道小车
从2003年起，经过了两年的艰苦研发，第一代DIS通用轨道小车于2005年秋季问世。该小车采用精密轴承和托底式结构，确保了小车仅能在与之配套的轨道上行驶，避免了玩耍造成的损坏。轨道采用铝镁合金，轨道面上设置了研发中心主任冯容士精心设计的宽窄定位槽，配有完善的轨道附件系统，极大地改善了DIS中学物理运动学实验装备的整体水平，其精度和稳定性获得了全国用户的一致赞许。
图4 2005年3月24日，研发中心高级实验师陈开云在制作第一代DIS通用轨道小车的手板模型
图5 牛二定律实验装置：DIS轨道小车与轨道、分体式位移传感器、碰撞收纳器和滑轮
图6 2011年上海首次将DIS实验纳入高中学业水平考试。图为考试中使用的DIS轨道、小车及位移传感器（牛顿第二定律实验）
●2009年，第一代DIS智能轨道小车
2005版DIS通用轨道小车的成功并没有让研发中心驻足不前。2009年，冯容士主任归纳出当时国际范围内轨道小车的基本属性：小车本身只是轨道的附属物，实验中基本上都是借助外部装置——位移传感器、光电门等对小车运动状况展开测量。怎么让小车从机械变智能，让它能够像汽车一样自主测量自己的速度？研发中心工程师在冯容士主任的指导下，将二维码扫描技术与当时刚刚出现的蓝牙通讯技术结合起来，在轨道上敷设了黑白相间的等距条纹，在DIS轨道小车的底部装上了扫码器和蓝牙通讯模块，世界上第一款能够主动测量自身位移、速度和加速度的轨道小车——DIS光电数码小车诞生了！（详见《物理教学》2012年11月号之《DIS光电轨道系统》）
图7 2009年9月9日，冯容士主任测试基于扫码和蓝牙通讯技术的DIS智能轨道小车原型
图8 基于扫码和蓝牙通讯技术的第一代DIS智能轨道小车
该版DIS智能轨道小车在2011年完成研发，2012年取得国家专利。由于研发中心很快转向下一代产品研发，故该版小车并未在国内大规模推广。但该设计引起了国际关注并被一家在业内颇具影响的国外同行采用，构成了他们目前轨道小车系统的主干技术。对此，我们并不介意，而且深感自豪。
●2011年，第二代DIS智能轨道小车——“π系统”
第一代DIS智能轨道小车推出没多久，被原上海教委副主任张民生先生誉为“上海物理教师第一创客”的冯容士主任又瞄上了更新、更好的技术——高精密度光栅编码盘。发现该器件后，冯容士主任果断“喜新厌旧”，把第一代扫码智能小车搁置一旁，指导研发中心工程师开始了第二代DIS智能轨道小车的研发。通过把四轮的DIS轨道小车改成三轮，让唯一的前轮成为高精密度光栅编码盘的外延，前轮转动直接带动编码盘转动，从而实现了高精度位移测量。为此，研发中心特别设计了中心带有凹槽的精密铝镁合金轨道来匹配小车的改进。第二代填补国际空白的DIS智能轨道小车——DIS光电计时测距系统于2011年诞生了。因为该智能小车将连接光栅盘的旋转运动转换成了小车运动的直线距离，所以被研发中心副主任李鼎博士命名为“π系统”（详见《DIS，上海创造——数字化实验系统研发纪实》，上海教育出版社2018.12）。
图9 第二代DIS智能轨道小车——“π系统”手板
图10 第二代DIS智能轨道小车——“π系统”成品
“π系统”的设计，说明冯容士主任对他自创的物理实验创造技法中的“移用技法”的应用已臻化境。该系统的测距精度和稳定性均显著高于基于扫码技术的第一代DIS智能小车。一经推出，就受到了实验教学界的广泛关注。尤其当广大老师看到借助“π系统”得到的能显示两小车在各种情况下碰撞后动量交换的完美曲线之后，无不叹服激赏。
图11 2014年3月16日，冯容士主任（左一）向上海教委教委原副主任尹后庆（右二）等领导和专家介绍“π系统”
●2013年，第二代DIS通用轨道小车
2012年，在“π系统”启发下，研发中心将优美的流线造型设计引入了对第一代DIS通用轨道小车的改造中。2013年，设计精美、观感流畅的第二代DIS通用轨道小车正式定型。该版小车继承了第一代的全部功能，并在磁碰片、收纳器等多个方面实施了改进，目前已成为DIS通用力学轨道系统的核心设备。
图12 2013年版第二代DIS通用轨道小车的实验应用
●2024年，全新一代DIS智能运动学系统
2020年，研发中心启动了针对运动学实验系统的全面改造。凭借近20年来丰富的研发经验和技术储备，历经4年的不断修改完善，全新一代DIS智能运动学系统于2024年完成定型。
图13 2024年版第三代DIS智能化轨道小车（从属于“DIS智能运动学系统”）
之所以被称为“智能运动学系统”，在于该版DIS轨道小车自身已经发展成为了一个结构相对复杂、实验功能强大的智能设备。小车内置多种传感器，能够同时测量位移、加速度、力、角速度等物理量。通过蓝牙无线模块，与计算机、平板电脑或手机通讯。轨道小车内置弹射装置，可通过按键或软件启动，为小车提供三种初始速度。轨道小车设有多个模块连接接口，可连接风扇模块、弹射模块、驱动模块、矢量显示模块等，全面支持小车与教师自制教具的衔接组合。该系统配有专用软件，教师可借助该软件完成针对特定教学要求的参数设置和控制。该系统不仅可以与PC联用，还全面支持移动端APP应用，大幅拓展了应用场景，方便了初高中和高校实验教学的开展。
图14 2024年版第三代DIS智能运动学系统之轨道小车的部分实验场景
DIS智能运动学系统可完成的实验包括但不限于：
图15 实验目录表
图16 2024年版第三代DIS智能运动学系统实验场景
十年前，当上海市教委教研室组织拍摄纪录片《DIS创新实践的旅程》时，教研室原主任、研发中心副主任、物理特级教师陆伯鸿用为解说词增添了著名的金句——“DIS，永远在路上”。
上海市中小学数字化实验系统研发中心已成立23年，DIS的“造车”也已持续了23年。五代DIS轨道小车的背后，是研发中心全体成员乃至整个中国物理教学界对提升和完善实验教学的执着追求。23年来，我们不仅“造车”，而且“铺路”——五代DIS运动学系统不光有小车，更有精心设计的运动学轨道和丰富的配件系统。有车有路，广大物理教师的实验天地得以开阔，千万学子的科学探究得以深化，研发中心也践行了自己的使命：以教育研究引领教学研究，以教学研究带动实验研究，以实验研究指导仪器开发，以DIS创新仪器设备为中国乃至世界的科学教育发展贡献自己的力量！
我们说到做到。
上海市中小学数字化实验系统研发中心
2025年4月24日
