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    中學(xué)物理實驗數(shù)據(jù)處理的可視化研究
    ——以PASCO數(shù)字化傳感器系統(tǒng)為例

    2022-08-13 09:08:02韓山師范學(xué)院教育科學(xué)學(xué)院521041劉茂軍薛勝蘭
    中小學(xué)實驗與裝備 2022年2期
    關(guān)鍵詞:支路數(shù)據(jù)處理圖表

    韓山師范學(xué)院教育科學(xué)學(xué)院(521041) 劉茂軍 薛勝蘭

    1 數(shù)據(jù)處理的重要性

    2013年美國發(fā)布《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》(Next Generation Science Standards:For States,By States,簡稱NGSS),將“科學(xué)實踐”作為首要的關(guān)鍵詞列入該標(biāo)準(zhǔn)中。科學(xué)實踐被細(xì)分為八個維度,數(shù)據(jù)(Data)及其處理對于科學(xué)實踐其他維度的實現(xiàn)具有重要的基礎(chǔ)性作用[1]。首先,數(shù)據(jù)處理作為數(shù)據(jù)分析的手段,是“分析與解釋數(shù)據(jù)”(Analyzing and interpreting data)的直接依據(jù)。同時,由于數(shù)據(jù)是定量科學(xué)實驗結(jié)果的主要表現(xiàn)形式,作為定量研究結(jié)果的主要證據(jù),數(shù)據(jù)也是“運(yùn)用數(shù)學(xué)和計算思維”(Using mathematics and computational thinking)、“建構(gòu)解釋和設(shè)計解決問題”(Constructing explanations and designing solutions),以及“通過證據(jù)進(jìn)行論證”(Engaging in argument from evidence)等科學(xué)實踐維度的基礎(chǔ)。因此,數(shù)據(jù)分析就成為NGSS科學(xué)實踐的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。我國在科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中也明確強(qiáng)調(diào)要重視數(shù)據(jù)的分析與處理,例如在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中提到“獲取和處理信息”“基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋”等,并在“課程內(nèi)容”中多次提到“數(shù)據(jù)”的收集與處理,如在“相互作用與運(yùn)動規(guī)律”模塊提到“會用基本的力學(xué)實驗器材獲取數(shù)據(jù),能用物理圖象描述實驗數(shù)據(jù),能根據(jù)數(shù)據(jù)得出實驗結(jié)論,知道實驗存在的誤差”。在“機(jī)械能及其守恒定律”部分的“活動建議”中提到“收集汽車剎車距離與車速關(guān)系的數(shù)據(jù),用動能定理進(jìn)行解釋”[3]。

    傳統(tǒng)的物理實驗教學(xué)缺乏精確定量化數(shù)據(jù)的支持,大多維持在現(xiàn)象觀察的水平,收集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、運(yùn)用數(shù)據(jù)進(jìn)行論證等環(huán)節(jié)嚴(yán)重缺失[4]。隨著社會的發(fā)展,高科技手段越來越多地應(yīng)用于科學(xué)教育以提升其品質(zhì),數(shù)字化實驗是典型代表。數(shù)字化實驗通過為物理實驗提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)和多元化的數(shù)據(jù)處理方式,為學(xué)生物理實驗的開展提供了理想的平臺[5]。下面,以PASCO數(shù)字化實驗為例來說明數(shù)據(jù)處理的基本方法。

    2 物理PASCO數(shù)字化實驗數(shù)據(jù)采集模式

    不同品牌的數(shù)字化實驗系統(tǒng)工作原理和工作方式類似。以PASCO數(shù)字化實驗系統(tǒng)(CA-6787)為例,它是由美國 PASCO公司生產(chǎn)的,由數(shù)字化傳感器、數(shù)據(jù)采集器(Interface)和數(shù)據(jù)軟件(DataStudio)3個部分組成。傳感器檢測到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器輸入計算機(jī),并通過數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、記錄和處理。基本工作原理如圖1所示。

    圖1 PASCO數(shù)字化實驗基本原理圖

    PASCO數(shù)字化實驗系統(tǒng)軟件除了具有“打開活動”“創(chuàng)建實驗”功能外,還具備“輸入數(shù)據(jù)”“圖表方程式”等功能。

    與其他3個功能相比,PASCO數(shù)字化實驗系統(tǒng)的“創(chuàng)建實驗”功能具備多重數(shù)據(jù)采集和分析方法,對數(shù)據(jù)的分析與解釋也最具代表性,本文著重分析它的數(shù)據(jù)處理功能,以期對數(shù)字化實驗中的數(shù)據(jù)處理提供參考。

    每次進(jìn)行新的實驗操作之前,都需要打開DataStudio軟件,進(jìn)入到系統(tǒng)界面的“創(chuàng)建實驗”功能區(qū)域,點擊進(jìn)入的界面如圖2所示。實驗組裝、設(shè)置完成后,點擊“啟動”按鈕開始數(shù)據(jù)記錄,實驗過程完成后點擊“停止”按鈕終止記錄。其中左側(cè)“摘要”欄為數(shù)據(jù)采集選項,不同的選項具有不同的功能,可以為不同的實驗提供不同類型的數(shù)據(jù)?!皥D表”選項中的數(shù)據(jù)可以用來分析整個實驗過程,有利于學(xué)生理解知識本質(zhì),因此,一般選擇“圖表”選項進(jìn)行數(shù)據(jù)的觀測、處理與分析。通過圖2右側(cè)的“圖表1”窗口,可以直接觀測實驗數(shù)據(jù)和實驗圖象。

    圖2 “創(chuàng)建實驗”窗口

    3 運(yùn)用PASCO數(shù)字化傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理可視化的基本方法

    下面,以PASCO數(shù)字化傳感器系統(tǒng)中DataStudio軟件的“圖表”選項為例來說明如何進(jìn)行數(shù)字化實驗的數(shù)據(jù)處理。

    3.1 分析數(shù)據(jù)的完整過程

    “圖表”窗口具有連續(xù)記錄功能,學(xué)生可以觀測實驗發(fā)生的動態(tài)過程,分析不同實驗的完整曲線。學(xué)生在這一環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)處理中需要注意的問題包括:數(shù)據(jù)采集時間要足夠長、從整體上分析圖象趨勢、測量關(guān)鍵數(shù)據(jù)等。

    以“單擺實驗”為例[6],“啟動”后運(yùn)動傳感器(Motion Sensor)采集到的數(shù)據(jù)點會沿著正弦曲線的軌跡不斷向前推進(jìn),如圖3所示,在圖表中可以清晰觀察到這一動態(tài)過程,同時記錄單擺擺動過程中位置、速度隨時間變化的數(shù)據(jù)關(guān)系,便于理解單擺周期、振幅等基本特征。同時,通過“正弦擬合”工具,可以直接測量關(guān)鍵變量的具體數(shù)值,如圖3所示,單擺周期為1.68 s,振幅為0.061 1 m。

    圖3 單擺“位置-時間”曲線

    3.2 聚焦物理數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵“節(jié)點”

    有些科學(xué)實驗現(xiàn)象是轉(zhuǎn)瞬即逝的,甚至部分實驗現(xiàn)象不明顯,如果學(xué)生觀測方法不當(dāng),則很容易錯過最佳時機(jī),無法觀測實驗現(xiàn)象。數(shù)字化實驗系統(tǒng)可以“捕捉”到關(guān)鍵節(jié)點的每個數(shù)據(jù),通過將數(shù)據(jù)“放大”處理,可以有效避免這一現(xiàn)象的發(fā)生。這一環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)處理,學(xué)生需要注意的關(guān)鍵問題包括:數(shù)據(jù)橫軸拉至足夠長、坐標(biāo)標(biāo)度足夠小、數(shù)據(jù)采樣率調(diào)至足夠大、改變實驗參量等。

    以“自感現(xiàn)象實驗”為例[7],分別用兩個電流傳感器(Current Sensor)測量兩個支路(電阻支路、電感支路)的電流變化并進(jìn)行比較,通電時電感支路的電流會受到自感線圈的“阻礙”作用,因此達(dá)到穩(wěn)定電流所需的時間較長,將時間標(biāo)度拉至足夠小就可以觀測到明顯的區(qū)別,如圖4所示;斷電時,同樣由于電感支路的“阻礙”作用,線圈支路的電流會“逐漸”減小、電阻支路會出現(xiàn)反向電流,從而出現(xiàn)圖5所示的情形。改變采樣頻率、更換自感線圈(改變自感系數(shù))或增加鐵芯,對電流達(dá)到穩(wěn)定值的時間、反向電流的大小等都會產(chǎn)生影響。通過數(shù)據(jù)分析和解釋,學(xué)生更容易理解自感現(xiàn)象的本質(zhì)。

    圖4 通電自感電流曲線

    圖5 斷電自感電流曲線

    3.3 數(shù)據(jù)定量計算獲得結(jié)論

    大量物理實驗規(guī)律的獲得都是通過定量數(shù)據(jù)計算得來的,定量數(shù)據(jù)是實現(xiàn)“數(shù)據(jù)處理”的重要手段。數(shù)字化實驗數(shù)據(jù)曲線上每一個點的數(shù)據(jù)大小都可以精確定量。這一環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)分析與處理,學(xué)生需要注意的關(guān)鍵問題包括:確定有效數(shù)據(jù)、排除誤差干擾、數(shù)據(jù)計算符合科學(xué)原理等。

    以“動量定理實驗”為例[8],由于合外力的大小很難恒定,常規(guī)實驗方法無法定量比較動量變化量大小與沖量的關(guān)系。運(yùn)用數(shù)字化實驗系統(tǒng)分別測量“速度—時間”“力—時間”關(guān)系曲線,并將兩個圖表拖拽到同一個時間軸內(nèi),有效解決兩個數(shù)據(jù)的同時性問題。如圖6所示,圖的上半部分標(biāo)注的A、B兩點(A、B為合外力作用前后的速度節(jié)點)的數(shù)據(jù)差即為速度大小的改變量,乘以質(zhì)量即是動量大小的變化量。圖的下半部分是與A、B兩點對應(yīng)時間段內(nèi)的力與時間的累積效果,也就是選中的力的數(shù)據(jù)值與時間的乘積(“區(qū)域”的數(shù)值),即為沖量的大小。比較這兩個數(shù)據(jù)即可探究出動量定理的基本規(guī)律。

    圖6 動量定理實驗曲線

    3.4 運(yùn)用系統(tǒng)工具實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析

    數(shù)字化實驗系統(tǒng)一般都帶有一定的處理工具,以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。PASCO數(shù)字化實驗系統(tǒng)的“圖表”窗口中有多個可用于數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)工具,包括“智能工具”“擬合工具”“計算工具”“求和工具”“斜率工具”“放大(縮小)工具”等。

    以“智能工具”為例,它可以用來精準(zhǔn)定位數(shù)據(jù)并顯示大小,同時也可以精確計算不同數(shù)據(jù)間的差值,如圖7所示“光的雙縫干涉實驗”曲線[9],可以選定n個(此實驗為4個)波峰之間的角度差(此實驗中差值為34.3°度),計算出相鄰波峰之間的距離,從而驗證光的雙縫干涉原理。再如使用“擬合工具”也可以有效進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理,科學(xué)實驗教學(xué)中常用的擬合工具包括正弦擬合、線性擬合、正比擬合等,“自由落體實驗”[10]用到這一功能,在運(yùn)動傳感器正下方釋放一個乒乓球,乒乓球做往復(fù)的自由落體運(yùn)動,“速度—時間”曲線如圖8所示,對任意一個完整的往復(fù)運(yùn)動曲線進(jìn)行“線性擬合”,斜率(此實驗斜率大小為9.79)即為重力加速度的值。

    圖7 光的雙縫干涉實驗曲線

    圖8 自由落體運(yùn)動“速度-時間”曲線

    4 結(jié)語

    實驗數(shù)據(jù)的分析與處理是科學(xué)家在實驗室開展科學(xué)研究的重要手段,更是建構(gòu)科學(xué)理論的基礎(chǔ)。利用PASCO數(shù)字化傳感器實現(xiàn)物理實驗數(shù)據(jù)的可視化處理,對數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)分析,有利于提升學(xué)生物理實驗數(shù)據(jù)處理的綜合能力。物理實驗教學(xué)中應(yīng)該鼓勵學(xué)生借助數(shù)字、圖表、圖象等數(shù)據(jù)工具建構(gòu)簡單的科學(xué)理論模型,引導(dǎo)他們基于可視化數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地進(jìn)行科學(xué)論證、辯論,用證據(jù)支撐自己的觀點。

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