大學物理實驗數(shù)據(jù)處理方法改革的探索與實踐

張弘強

（綏化學院 電氣工程學院，黑龍江 綏化 152061）

大學物理實驗課是理工科學生低年級必修的一門獨立設置的實驗課，它不僅可以加深對物理規(guī)律的理解，更重要的是培養(yǎng)學生實踐動手能力、創(chuàng)新設計能力、獨立分析問題及解決問題的能力，為后續(xù)課程學習打下良好的基礎，在培養(yǎng)學生實驗素養(yǎng)、興趣等方面都有無可替代的重要作用.實驗數(shù)據(jù)處理可以定量的分析變量之間的關系，以便于進一步分析實驗現(xiàn)象，得出規(guī)律；實驗數(shù)據(jù)處理可以判斷實驗結果的正確與否以及實驗結果的精確程度；嚴格的實驗處理還可以培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和良好的科學素養(yǎng).物理實驗數(shù)據(jù)處理的常用方法有列表法、逐差法、圖解法、線性回歸、最小二乘法等，在數(shù)據(jù)計算中常采用計算器處理以及坐標紙手工繪圖，是一項及其繁雜的工作，所需時間較長且中間過程出現(xiàn)計算上的操作錯誤不易查找.

綏化學院電氣工程學院始建于1978年綏化師專物理系，2004年更名為物理與電子信息系，2009年更名為電子工程系，2012年3月更名為綏化學院電氣工程學院.學院注重學生應用能力培養(yǎng)，強化學生實踐能力，近幾年大學物理實驗教師在大學物理實驗課程教學改革方面做了大量積極探索.在作為信息時代標志的計算機全面普及的今天，Microsoft Office已成為每個大學生都應掌握的辦公軟件，Excel作為Office套裝中的一款電子表格軟件，為工程、統(tǒng)計、數(shù)據(jù)庫等領域提供了大量的專用函數(shù)，能夠用于各種專業(yè)的數(shù)據(jù)計算、分析和科學研究.本文結合我校低年級的大學物理實驗課程數(shù)據(jù)處理方法的改革實踐，探討Excel軟件進行數(shù)據(jù)處理的常用方法的可行性.

1 Excel軟件數(shù)據(jù)處理常用方法

Excel還具有強大的圖表分析功能，能夠便捷地制作出各種數(shù)據(jù)圖表，如折線圖、趨勢圖等.以下舉例中的數(shù)據(jù)均來自于學生實驗中所得數(shù)據(jù).

1.1 繪制平滑線散點圖

將實驗數(shù)據(jù)輸入Excel電子表格，在圖表向導中選擇圖表類型，選擇平滑線散點圖或折線散點圖，進行圖形繪制.在光電源電壓分別為4v、6v、8v時，光敏電阻在不同光照度下的光電流實驗數(shù)據(jù)如下表1所示，相應平滑線散點圖如圖1所示.

圖1 光敏電阻光照特性曲線

表1 光敏電阻光照特性實驗數(shù)據(jù)

1.2 添加趨勢線進行曲線擬合

將實驗數(shù)據(jù)輸入Excel電子表格，在圖表向導中選擇圖表類型，選擇散點圖，進行圖形繪制.選擇數(shù)據(jù)點，右鍵，選擇添加趨勢線，在選項欄目中勾選顯示公式.不同光照度下的光敏電阻伏安特性曲線實驗數(shù)據(jù)如表2所示，相應擬合直線及直線方程如圖2所示，擬合直線斜率即為光敏電阻阻值，即在750lux、412lux、225lux光照度下，光敏電阻的阻值分別為為2.848kΩ、1.226kΩ、0.690kΩ.

表2 光敏電阻伏安特性實驗數(shù)據(jù)

1.3 繪制折線圖

圖2 光敏電阻伏安特性曲線

圖3 微安表改裝成電壓表的校準曲線

將實驗數(shù)據(jù)輸入Excel電子表格，在圖表向導中選擇圖表類型，選擇折線圖，進行圖形繪制.也可以利用數(shù)據(jù)系列格式直接繪制誤差線.100μA電流表改裝成1000mv的電壓表的校準曲線如圖3所示.

1.4 計算不確定度

對于某一量x做等精度測量，得到一測量列x1,x2,x3,…,xn，標準偏差計算公式為：

以往指導學生用計算器來計算，要進行以下8步，如下：1.mode-2(stat)-1(1-var)；2.xi，=；3.AC；4.shift-1-4；5.2(平均值），=；6.AC；7.shift-1-4-4；8.÷. 若用Excel電子表格實現(xiàn)，只需輸入數(shù)據(jù)后調用STDEV（）計算平均標準偏差，進而計算STDEV（）/SQRT(n)，即為 a類不確定度.

2 Excel軟件在大學物理實驗數(shù)據(jù)處理中應用的優(yōu)勢分析

2.1 可行性高

MATLAB軟件及Origin軟件等其它軟件亦可以用于實驗數(shù)據(jù)處理，但是Excel軟件進行數(shù)據(jù)處理無需編程、易學易用、對計算機要求不高，對大一學生來說，稍加介紹就能掌握.實踐證明，利用原已熟悉的Excel軟件進行大學物理實驗的數(shù)據(jù)處理，可行性最高.

2.2 效率高

利用軟件進行數(shù)據(jù)處理時數(shù)據(jù)處理時間節(jié)省一半以上，將學生從繁復的數(shù)據(jù)處理中解脫出來，并可在實驗室快速、定量地檢驗出實驗數(shù)據(jù)的優(yōu)劣；有助于學生把更多的精力投入到對實驗內(nèi)容、實驗現(xiàn)象的討論及設計性實驗的綜合設計上；輸入數(shù)據(jù)直觀，計算流程可見，便于錯誤查找，避免計算失誤.

2.3 學習熱情高

在學期初的兩個實驗中，我們要求學生用原始的數(shù)據(jù)處理方法，經(jīng)過兩輪計算器數(shù)據(jù)處理和坐標紙繪圖，學生們學到了基本數(shù)據(jù)處理方法，也體會到了這種方法進行數(shù)據(jù)處理的繁復.因此，兩個實驗后，學生們對Excel軟件數(shù)據(jù)處理學習的熱情空前高漲，帶動了對大學物理實驗課程的學習熱情，同時也使學生的實驗數(shù)據(jù)處理能力得到全方位的提高.

2.4 時代性強

大數(shù)據(jù)時代，與計算機接軌已成為應用性的標志之一.用軟件進行數(shù)據(jù)處理打開了理論分析、實驗操作與信息時代的接口，開啟了數(shù)據(jù)思維和數(shù)據(jù)分析的新里程.利用軟件進行數(shù)據(jù)處理，可提高物理實驗教學的現(xiàn)代化水平，培養(yǎng)低年級學生的各學科知識的綜合能力，全面提高學生素質.

3 大學物理實驗數(shù)據(jù)處理方法實踐的幾點思考

3.1 利用軟件進行數(shù)據(jù)處理不利于對數(shù)據(jù)處理過程及數(shù)據(jù)處理意義的理解

利用軟件進行數(shù)據(jù)處理，使數(shù)據(jù)處理簡單化的同時也走入流程化.如坐標軸上分度值的選取、坐標原點選取、曲線擬合原則、擬合直線斜率計算等均由計算機自動完成，容易在部分學生中滋生不求甚解的學習習慣.

3.2 在學生科學態(tài)度培養(yǎng)上，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法的作用不容忽視

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法更能夠培養(yǎng)學生孜孜以求、百折不撓、持之以恒的科學態(tài)度.坐標紙繪圖原則、坐標軸上分度值精度的選取、用計算器進行不確定度的計算等這些基本數(shù)據(jù)處理原則及方法的掌握，對學生科學素養(yǎng)的培養(yǎng)不容忽視.

3.3 提倡傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法與利用軟件進行數(shù)據(jù)處理相結合，循序漸進，因材施教

為加深理解，我們明確要求最初的兩個實驗必須采取傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理.當學生具備一定的數(shù)據(jù)處理能力、基本掌握簡單的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法后，才可采用Excel軟件進行數(shù)據(jù)處理.幾個實驗過后，有能力的同學可以嘗試用Matlab和Origin軟件進行較為復雜的實驗數(shù)據(jù)處理.

4 結束語

本文舉例介紹了用Excel軟件進行數(shù)據(jù)處理的常用方法，并對用Excel軟件處理大學物理實驗數(shù)據(jù)的可行性進行了分析.實踐表明，計算機進行軟件處理方法和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法相結合應用于低年級實驗數(shù)據(jù)處理是行之有效的.

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