計算機輔助大學物理實驗的實踐與探索

王 暢,蔣禮林,王樂新,張欣艷,關(guān)曉燕

計算機輔助大學物理實驗的實踐與探索

王 暢1,蔣禮林2,王樂新1,張欣艷1,關(guān)曉燕1

1.黑龍江八一農(nóng)墾大學 文理學院,黑龍江 大慶 163319;

2.賀州學院 物理與電子信息工程系,廣西 賀州 542800

針對當前大學物理實驗數(shù)據(jù)處理的教學現(xiàn)狀,開展了計算機軟件處理實驗數(shù)據(jù)和輔助大學物理實驗課程的教學研究。通過教學實踐,總結(jié)了Excel、Origin、和MATLAB三種軟件在大學物理實驗實際教學中的特點、應(yīng)用效果和以及存在的問題。研究發(fā)現(xiàn),計算機輔助大學物理實驗有利于實驗教學,能夠激發(fā)學生的實驗興趣。

物理實驗;數(shù)據(jù)處理;實驗教學

1 引 言

大學物理實驗教學的價值在于培養(yǎng)和發(fā)展學生創(chuàng)造新知識的潛在能力和素質(zhì)[1]207-208。大學物理實驗是理工科大學生必修的一門基礎(chǔ)的重要科學實驗課程,其宗旨就是通過實驗使學生受到標準的、系統(tǒng)的實驗技能培訓,進一步掌握科學實驗的原理、方法和技術(shù),從而培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W思維和創(chuàng)新設(shè)計能力、理論聯(lián)系實際能力以及分析和解決實際問題的能力,為激發(fā)學生科技創(chuàng)潛能打下堅實的基礎(chǔ)[2]89-90。近年來,我國一些高校加大了對大學物理實驗教學的重視程度和資金的投入,實驗條件有了很大的改善。但物理實驗儀器大都昂貴,大部分高校并不具備隨時購進更新更先進的物理設(shè)備的能力。如何在現(xiàn)有的條件下,對實驗內(nèi)容進行創(chuàng)新,使學生受益,是很多高校都面臨的問題。

大學物理中的實驗數(shù)據(jù)處理是大學物理實驗教學的重要組成部分,在整個物理實驗中占有相當重要的地位,對于培養(yǎng)和提高學生能力起著至關(guān)重要的作用。用計算機輔助大學物理實驗,利用軟件處理大學物理實驗的實驗數(shù)據(jù)對學生知識結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、創(chuàng)新能力和素質(zhì)的培養(yǎng)、教學內(nèi)容的現(xiàn)代化都有十分重要的意義。

2 國內(nèi)外大學物理實驗數(shù)據(jù)處理教學現(xiàn)狀

目前,國內(nèi)各高校物理教師已經(jīng)在用計算機輔助處理物理實驗數(shù)據(jù)方面取得了進展。劉烈、朱麗玉等人研究了利用Excel軟件進行數(shù)據(jù)處理[3]127-128。黃春雄、陳海燕等人研究了MATLAB在大學物理實驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[4]47-48,牛原、肖霖、成正維等人對大學物理實驗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行了深入的研究[5]52-53。但是國內(nèi)大部分高校在大學物理實驗中的數(shù)據(jù)處理依然采用的是非常傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法,利用計算器計算、手工計算和手工制圖,很少用計算機來處理。

而在國外,許多著名的大學都非常重視實驗課程教學的信息化技術(shù)手段。在美國和加拿大著名大學的物理實驗室關(guān)于實驗數(shù)據(jù)處理教學有如下幾個特點[6]15-16:

2.1 計算機技術(shù)在數(shù)據(jù)處理中運用較為廣泛。在物理實驗中,已大量使用計算機采集處理數(shù)據(jù),各種數(shù)據(jù)分析軟件也廣泛地使用在對實驗結(jié)果的處理上。2

.2數(shù)據(jù)處理理論與實驗課緊密結(jié)合。學生在實驗課前學習過的有關(guān)數(shù)據(jù)處理的理論和方法,在實驗中,也要充分運用。

2.3 教師注重對學生數(shù)據(jù)處理技能的培養(yǎng)。這些學校的實驗技術(shù)人員十分注重學生在實驗操作中提高數(shù)據(jù)處理能力,教師在實驗中鼓勵學生進行實驗評價。

可以看出,國外在物理實驗的數(shù)據(jù)處理上比我國先進許多。因此需要我們對實驗的數(shù)據(jù)處理方法進行研究,研究各類計算軟件,找到適合我們的大學物理實驗數(shù)據(jù)處理的軟件和教法,來提高我國實驗中數(shù)據(jù)處理的教學水平。

3 大學物理實驗中各類軟件的應(yīng)用

目前用計算機輔助處理物理實驗數(shù)據(jù)主要應(yīng)用Excel、Origin、MATLAB等軟件處理實驗數(shù)據(jù)。我校在大學物理實驗課程的數(shù)據(jù)處理中引入了上述三種軟件,要求學生針對部分實驗的數(shù)據(jù)利用軟件進行處理。經(jīng)過教學實踐,三種軟件由于其不同的特點,各有利弊,就黑龍江八一農(nóng)墾大學的實際教學情況分析一下各類軟件在大學物理實驗中的應(yīng)用情況。

3.1 Excel在大學物理實驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用

1992年,微軟公司推出了 Excel。這款軟件可以處理數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進行分析、統(tǒng)計。是一款功能強大、操作簡單的軟件。我們將該軟件引入大學物理的實驗教學中。如在長度測量實驗中,我們要求學生使用Excel處理實驗數(shù)據(jù)。長度測量實驗中利用游標卡尺測量鋼管的外徑、內(nèi)徑和高,根據(jù)實驗數(shù)值算出鋼管體積的平均值和不確定度。該實驗操作簡單,但測量物理量個數(shù)和次數(shù)較多,數(shù)據(jù)處理比較費時,利用Excel處理實驗數(shù)據(jù),可以直接選中數(shù)據(jù),打開對話框AVERAGE函數(shù),單擊確定即可求出平均值。計算不確定度可以選擇SUMSQ和SQRT函數(shù)即可?？纱蟠蠊?jié)省計算效率,并提高了準確度。經(jīng)過教學實踐,發(fā)現(xiàn)Excel在大學物理實驗數(shù)據(jù)處理中有如下特點:

3.1.1 操作簡單,易于掌握。Excel提供了快捷菜單和工具欄,使得操作非常便捷,即使不具備計算機專業(yè)知識的人也能很快掌握使用它。大學物理實驗課程都是在學生大一時開設(shè),此時學生尚不具備很強的計算機應(yīng)用能力,但對于 Excel來說,只要會使用word等一些基本的office軟件操作,就能夠用它來處理數(shù)據(jù)。

3.1.2 功能強大,適用于大多數(shù)的大學物理實驗項目。Excel可以進行實驗數(shù)據(jù)曲線(直線)方程擬合、作圖、計算公式值和常用函數(shù)值、計算測量列平均值、標準偏差和不確定度等,因此可適用于多數(shù)的實驗項目。

3.1.3 可提高學生的學習興趣。由于Excel處理物理實驗數(shù)據(jù),簡便易學,容易掌握,而又不失對數(shù)據(jù)處理、誤差分析方法的了解與掌握,因此非常適合大一學生在數(shù)據(jù)處理中適用,不但培養(yǎng)了學生對所學知識的綜合運用素養(yǎng),在培養(yǎng)學生學習興趣和數(shù)據(jù)處理能力方面很有幫助[7]63-64。

3.2 Origin在大學物理實驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用

Origin是OriginLab公司出品的專業(yè)函數(shù)繪圖軟件。Origin具有兩大主要功能:數(shù)據(jù)分析和繪圖,既可以滿足一般用戶的制圖需要,也可以滿足高級用戶數(shù)據(jù)分析、函數(shù)擬合的需要。在霍爾效應(yīng)實驗中,我們要求學生使用Origin處理實驗數(shù)據(jù)?；魻栃?yīng)數(shù)據(jù)處理中要求繪制試樣的VH—Is和VH—IM曲線。如用筆繪制,學生需要在坐標紙上繪出相應(yīng)的點,然后連線。而在Origin軟件中,只需要選擇相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù),如以Is為X軸,以VH為 Y軸,然后選擇相應(yīng)的畫圖命令即可,并可直接輸入坐標軸說明文字。經(jīng)過實際教學觀察,Origin在大學物理實驗數(shù)據(jù)處理中有如下特點:

3.2.1 簡單易于操作。Origin的操作使用與 Excel相似,只要會使用Excel,參考軟件中的幫助菜單,都可以很快的掌握Origin,利用它來處理數(shù)據(jù)。

3.2.2 功能強大,適用于大多數(shù)的大學物理實驗項目。與 Excel相比,更具優(yōu)勢。雖然 Excel軟件也具有數(shù)據(jù)處理、曲線擬合功能,但對非線性數(shù)據(jù)處理擬合等方面不能提供很多相關(guān)信息以及參數(shù)。因此在實際操作中,對很多實驗數(shù)據(jù)分析具有一定的局限性。而Origin在這一問題上能夠提供迅速、準確的信息和參數(shù)以及圖形[8]4-5。

3.3 MATLAB在大學物理實驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用

MATLAB是由美國Mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。MATLAB和Excel、Origin相比,具有更強大的功能。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中,代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。在實際實踐中,我們選擇了數(shù)據(jù)處理比較簡單的實驗,如示波器、等勢線和等高線的描繪。并選擇具有編程基礎(chǔ)的同學,經(jīng)過簡單的培訓,要求學生使用MATLAB來處理實驗數(shù)據(jù)。經(jīng)過教學實踐,在大學物理實驗數(shù)據(jù)處理使用MATLAB中應(yīng)注意如下問題:

3.3.1 MATLAB不適合低年級學生使用。MATLAB中涉及到矩陣的相關(guān)知識,這些知識大一的學生還沒有接觸到,并且MATLAB需要一些編程的基礎(chǔ),很多大一的同學也不具備編程的基礎(chǔ),因此要學生自行使用MATLAB處理數(shù)據(jù),有一定得難度,需要對學生先進行培訓和說明,方可使用。

3.3.2 MATLAB可以開發(fā)出具有良好界面的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[9]32-33。教師可利用MATLAB的圖形用戶界面系統(tǒng)開發(fā)大學物理實驗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),供學生使用。學生只需要輸入數(shù)據(jù)即可得到結(jié)果。

上述提到的三種軟件都適用于大學物理實驗課程的數(shù)據(jù)處理。對于學生來講,最簡單最易于掌握的是Excel,其次是Origin。MATLAB不適合低年級學生使用,但實驗教師可利用MATLAB開發(fā)數(shù)據(jù)處理程序,供學生使用。因此,在實際教學中可考慮將三種軟件都應(yīng)用于大學物理實驗中數(shù)據(jù)處理中,由淺入深的讓學生使用不同的軟件進行數(shù)據(jù)處理。經(jīng)過教學實踐,我們將所有實驗分為三個層次,第一個層次是讓學生使用Excel自行處理數(shù)據(jù)。第二個層次是讓學生使用Origin自行處理數(shù)據(jù)。第三個層次是讓學生用MATLAB系統(tǒng)開發(fā)的大學物理實驗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),并選擇一部分計算機基礎(chǔ)好的同學學習使用MATLAB。

4 結(jié) 論

經(jīng)過教學實踐,通過計算機輔助大學物理實驗課程的設(shè)置,利用軟件處理大學物理實驗數(shù)據(jù),一方面可以消除學生在手工計算時認為引入的各種誤差,提高精確度;另一方面,可以在掌握手工計算的方法的同時避免了繁雜費時的數(shù)據(jù)處理過程,節(jié)省時間。因此,計算機輔助大學物理實驗課程強化了學生的計算機應(yīng)用能力,激發(fā)學生了對大學物理實驗的興趣。

[1]李玲.一個設(shè)計性實驗的選題與教學實踐[J].重慶科技學院學報,2009(4).

[2]王野,李海軍.淺談大學物理實驗教學[J].長春理工大學學報(社會科學版),2007(1).

[3]劉烈,朱麗玉,張楠等.Excel在大學物理實驗中的應(yīng)用[J].上海工程技術(shù)大學學報,2004(2).

[4]黃春雄,陳海燕等.基于Matlab的大學物理實驗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[J].荊門職業(yè)技術(shù)學院學報,2007(6).

[5]牛原,肖霖,成正維等.大學物理實驗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[J].大學物理實驗,2008(1).

[6]宋璐璐.大學物理實驗數(shù)據(jù)處理的教學問題研究[D].華中師范大學,2006.

[7]陳玉林,丁留貫,張磊.Excel在大學物理實驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索,2007(10).

[8]陳玉林,丁留貫,張磊.Origin軟件在大學物理實驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].寧波工程學院學報,2008(2).

[9]代紅權(quán),陳海燕.基于Matlab的大學物理實驗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[J].重慶工學院學報(自然科學版),2007(3).

Research on the Teaching of College Physical Experiment Assisted by Application Software

WANG Chang1,J IANGLi-lin2,WANGLe-xin1,ZHANG Xin-yan1,GUAN Xiao-yan1
1.College of Art and Science,Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing 163319;
2.Department of Physics and Electronics Information Engineering,Hezhou University,Hezhou Guangxi 542800

Research on the data processing of the physical experiment and teaching of college physical experiment assisted by some software has been carried out based on the actual state of the college physical experiment.The characteristic and practicability of some application software(such as Excel,Origin and Matlab)has been analyzed in the teaching practice of the college physical experiment.The investigation indicates that the physical experiment combined with application software can stimulate the interest of students,and therefore benefits the experimental teaching.

Physical experiment;Data processing;Experimental teaching

G642.423

A

1673-8861(2011)03-0140-03

2011-05-25

王暢 (1980-),女,黑龍江大慶人,賀州學院講師,碩士。主要研究方向:物理教學和研究。

賀州學院級重點立項課題(2008KY03)。