如何培養(yǎng)高中生物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力

方青松

【摘 要】物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，在中學(xué)物理教學(xué)中，通過物理實(shí)驗(yàn)不僅可以使學(xué)生獲得物理知識，而且能發(fā)揚(yáng)學(xué)科特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、創(chuàng)新意識。但是在“應(yīng)試教育”的影響下，不少學(xué)校不愿多花時間從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)得到的真實(shí)數(shù)據(jù)如何分析處理更是被忽視，使學(xué)生失去了培養(yǎng)能力的機(jī)會。本文介紹了常用的數(shù)據(jù)處理方法，還結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，把現(xiàn)在中學(xué)生在處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時存在的問題逐一分析，并找出幾種有效的方法引導(dǎo)學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的方法。如加強(qiáng)學(xué)生對誤差理論的理解；正確獲得原始數(shù)據(jù)；多種方法對比處理等。

【關(guān)鍵詞】中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)；數(shù)據(jù)處理方法；數(shù)據(jù)處理能力

【中圖分類號】G633.7【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】2095-3089（2018）24-0128-02

一、提高高中生物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力的必要性

在中學(xué)物理教學(xué)中，通過物理實(shí)驗(yàn)不僅可以使學(xué)生獲得物理知識，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)技能和素質(zhì)，而且能發(fā)揚(yáng)學(xué)科特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、創(chuàng)新意識。可是許多中學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，存在以下問題：一、對實(shí)驗(yàn)的重要性認(rèn)識不夠，缺乏對基礎(chǔ)設(shè)施的投入，認(rèn)為不做實(shí)驗(yàn)照樣可以考重點(diǎn)大學(xué)，致使物理教學(xué)缺乏開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動，把實(shí)驗(yàn)教學(xué)置于從屬地位。二、在“應(yīng)試教育”的影響下，不少學(xué)校不愿多花時間從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)，僅圍繞著必考實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操練，讓學(xué)生背實(shí)驗(yàn)步驟，死記實(shí)驗(yàn)原理和結(jié)果，特別是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，在限時的考試時很難體現(xiàn)出來，更容易被忽視。三、在有些實(shí)驗(yàn)條件很好的學(xué)校，也把學(xué)生實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)誤認(rèn)為是每個學(xué)生都要親自動手，只注重動手能力的培養(yǎng)，對學(xué)生只要求按教科書上的詳細(xì)步驟操作，在現(xiàn)成的表格里填數(shù)據(jù)，再把實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、公式、結(jié)構(gòu)抄一遍，即為實(shí)驗(yàn)報(bào)告，上交了事。學(xué)生對實(shí)驗(yàn)得到的真實(shí)數(shù)據(jù)如何分析處理往往被忽視，使學(xué)生失去了借以培養(yǎng)能力，挖掘內(nèi)在潛力的機(jī)會。

什么是數(shù)據(jù)處理？許多學(xué)生認(rèn)為所謂的數(shù)據(jù)處理不過是對實(shí)驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，最后得出一個實(shí)驗(yàn)結(jié)果而已。其實(shí)不然，數(shù)據(jù)處理不單純是實(shí)驗(yàn)后的數(shù)學(xué)運(yùn)算問題，而是滲透在每一個實(shí)驗(yàn)的從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的全過程之中，它是物理實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，也是對學(xué)生加強(qiáng)基礎(chǔ)訓(xùn)練的重點(diǎn)。比如在“伏安法測電阻實(shí)驗(yàn)”中，由學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮?，自己去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，確定實(shí)驗(yàn)方法、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置圖或電路圖等。在實(shí)驗(yàn)之前，要根據(jù)對實(shí)驗(yàn)的精確度要求，對實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)值或估計(jì)值進(jìn)行一系列的計(jì)算，并以此作為設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，選擇儀表和實(shí)驗(yàn)方案，這實(shí)際上就是先期的數(shù)據(jù)處理的過程。在實(shí)驗(yàn)操作過程中，還需要隨時分析和判斷測得的數(shù)據(jù)是否合理，適時的估算是必要的。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，要根據(jù)選定的數(shù)據(jù)處理方法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算測量結(jié)果和實(shí)驗(yàn)誤差，分析誤差存在的原理。最后，再回過頭來，去調(diào)整實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，修正實(shí)驗(yàn)方案，讓學(xué)生在設(shè)計(jì)操作到分析的過程中，去親自體會數(shù)據(jù)處理在整個實(shí)驗(yàn)中的作用。

綜上所述，我們可以看到，數(shù)據(jù)處理貫穿于整個實(shí)驗(yàn)的全過程之中。因此，加強(qiáng)對學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力的培養(yǎng)，將有助于提高學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，為學(xué)生今后從事專業(yè)實(shí)驗(yàn)，以及學(xué)生創(chuàng)造性思維的發(fā)展，打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本論文正是在這背景下，提出要培養(yǎng)中學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力。

二、高中生在處理數(shù)據(jù)時存在的一般問題及原因

高中生接觸到數(shù)據(jù)處理的理論和實(shí)際都比較少，對于剛接觸數(shù)據(jù)處理的高中生，往往在處理數(shù)據(jù)時存在很大的問題，下面以兩個實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理為例說明學(xué)生存在一些主要的問題。

例（一）：某小組在做加速度和力、質(zhì)量的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中，測得小車的加速度a和拉力F的數(shù)據(jù)如下表1所示：

要求解決的問題：

①根據(jù)表中的數(shù)據(jù)在圖1所示的坐標(biāo)中作出a-F圖象；

②圖象的斜率的物理意義；

③圖象（或延長線）與F軸的截距的物理意義；

④小車和砝碼的總質(zhì)量。

在該實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理中表現(xiàn)出來的主要問題有：

1.如圖2所示的案例一，不懂得用回歸直線，而是

把所有的點(diǎn)有的點(diǎn)用曲線直接相串連，而且坐標(biāo)也沒有

標(biāo)，這樣的學(xué)生在剛接觸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的學(xué)生里約占到

5%，屬于問題嚴(yán)重型。

2.如圖2所示的案例二，不懂得排除異常數(shù)據(jù)，而是把所有數(shù)據(jù)考慮進(jìn)來，如圖第四個點(diǎn)（0.5，0.48）有明顯的異常，偏離直線很遠(yuǎn)，屬于實(shí)驗(yàn)異常的點(diǎn)，可能由某種錯誤造成，在處理數(shù)據(jù)時應(yīng)將其去除不用考慮。不懂得去除的學(xué)生占的比例較大，約占到20%。

3.如圖3所示的案例三，坐標(biāo)標(biāo)度安排不合理。沒有充分利用到坐標(biāo)紙。既不美觀，也不能減少作圖誤差。

例（二）：在某實(shí)驗(yàn)中，測量一節(jié)舊電池的電動勢和內(nèi)阻，實(shí)驗(yàn)器材僅有一個電流表、一個電阻箱、一個開關(guān)和導(dǎo)線若干，有同學(xué)按如圖4所示電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了5次實(shí)驗(yàn)，測得的5組數(shù)據(jù)如下

R1=4.0Ω，I1=0.95A

R2=10.0Ω，I2=0.51A

R3=16.0Ω，I3=0.30A

R4=22.0Ω，I4=0.28A

R5=28.0Ω，I5=0.20A

在該實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理中表現(xiàn)出來的主要問題有：

1.有同學(xué)將記錄的數(shù)據(jù)制成表格如圖5案例四所示，制作表格不規(guī)范，沒有按要求物理量帶單位。這樣的學(xué)生也比較多，約占8%；

2.有同學(xué)利用圖象確定電池的電動勢和內(nèi)阻，作R-1I圖象如圖6案例五所示：作圖不規(guī)范，坐標(biāo)表示的物理量沒有單位。而且作圖時圖線與坐標(biāo)的交點(diǎn)沒有標(biāo)出來，不便于研究截距的物理意義。這樣的學(xué)生也比較多，約占6%。

存在這些問題的根本原因：（1）對誤差理論的認(rèn)識不足；（2）對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的目的認(rèn)識不足；（3）實(shí)驗(yàn)與科學(xué)素養(yǎng)的不足。

三、提高高中生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力的方法

1.加強(qiáng)誤差理論的學(xué)習(xí)與科學(xué)素養(yǎng)的提高。

誤差是評定測量精度的尺度，誤差越小表示精度越高。在測量中，誤差就是測量值與真值之差。若某物理量的測量值為y，真值為Y，則測量誤差dy=y-Y。雖然真值是客觀存在的，但實(shí)際應(yīng)用時它一般無從得知。我們首先要讓學(xué)生明白和接受誤差存在的客觀性。還要讓學(xué)生明白按照誤差的性質(zhì)，可分為偶然誤差、系統(tǒng)誤差和粗大誤差三類。偶然誤差是同一測量條件下，重復(fù)測量中以不可預(yù)知方式變化的測量誤差分量。偶然誤差一般可以通過多次測量進(jìn)行減少，但不能消除。通常，測量結(jié)果中除偶然誤差外，還包含一定的系統(tǒng)誤差，有時甚至系統(tǒng)誤差占據(jù)主要地位，因此應(yīng)對系統(tǒng)誤差給與足夠的重視。系統(tǒng)誤差是由固定不變的或按某種規(guī)律變化的因素造成的，這些誤差因素可能是由于測量裝置方面的原因，如儀器設(shè)計(jì)上的缺欠等。測量環(huán)境的原因，如測量過程中溫度、濕度等按一定的規(guī)律變化等。測量方法的原因，如采用近似的測量方法或近似的計(jì)算公式引起的誤差等。這種系統(tǒng)誤差在實(shí)驗(yàn)中比較常見，比如我們在驗(yàn)證牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)中讓沙桶的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于滑塊的質(zhì)量，從而認(rèn)為繩子對滑塊的拉力等于沙桶的總重力，這里的誤差就是由于采用近似的測量方法或近似的計(jì)算公式引起的誤差。系統(tǒng)誤差的特點(diǎn)是總是偏大或者總是偏小。這也是考試時經(jīng)常會考察到的。學(xué)生做實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時當(dāng)然也必須要考慮到。

2.認(rèn)真準(zhǔn)確獲取原始數(shù)據(jù)。

在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程中，無論選取哪種方法，我們都必須首先要保證原始數(shù)據(jù)的正確性，在實(shí)驗(yàn)操作過程中，應(yīng)認(rèn)真地記錄好原始數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)是對實(shí)驗(yàn)定量分析的依據(jù)，是探索、驗(yàn)證物理規(guī)律的第一手資料。而要正確獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，首先要了解測量儀器的量程、精度、使用注意事項(xiàng)，然后要學(xué)習(xí)測量儀器的使用和讀數(shù)方法。

（1）量程：這是保護(hù)測量儀器的一項(xiàng)重要參數(shù)，特別是天平、彈簧秤、溫度計(jì)、電流表、電壓表和多用電表等，超量程使用會損壞儀器，所以實(shí)驗(yàn)時要根據(jù)實(shí)驗(yàn)的具體情況選擇量程適當(dāng)?shù)膬x器。在使用電流表、電壓表時，選用量程過大的儀器，采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)過小，會造成相對誤差較大，應(yīng)選擇使測量值位于電表量程的1/3以上的電表；使用多用電表測電阻時，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)臋n位，使歐姆表的示數(shù)在電表的中值附近。

（2）精度：所選用儀器的精度直接影響著測量讀數(shù)的有效數(shù)字的位數(shù)，因此應(yīng)在使用前了解儀器的精度，即看清儀器的最小分度值。

（3）使用注意事項(xiàng)：一般不同的儀器在使用中都有其特殊的要求，要特別注意。

（4）讀數(shù)：一般來說，高中階段使用到的儀器可讀數(shù)以分為兩類：需要估讀的儀器和不需要估讀的儀器。需要估讀的儀器：在常用的測量儀器中，刻度尺、螺旋測微器、電流表、電壓表、天平、彈簧秤等讀數(shù)時都需要估讀。因?yàn)樽罱K的讀數(shù)要以有效數(shù)字的形式給出，而有效數(shù)字的最后一位數(shù)字為估計(jì)數(shù)字，應(yīng)和誤差所在位置一致，在實(shí)際操作中，究竟估讀到哪一位數(shù)字，應(yīng)由測量儀器的精度（即最小分度值）和實(shí)驗(yàn)誤差要求兩個因素共同決定。

3.列表、作圖法的基本規(guī)范。

因?yàn)榱斜碜鲌D是高中生使用最多的數(shù)據(jù)處理方法，嚴(yán)格要求學(xué)生做好列表和作圖的基本規(guī)范，就能有效提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力。

（1）列表法。

列表法就是將所獲得的數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)律以簡潔、準(zhǔn)確的方式記錄在表格中。表格的設(shè)計(jì)應(yīng)該能完整準(zhǔn)確地記錄原始數(shù)據(jù)。在絕大多數(shù)情況下，表格僅記錄原始數(shù)據(jù)，不作任何計(jì)算、轉(zhuǎn)換等。數(shù)據(jù)的處理留待實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行。表格必須準(zhǔn)確表明實(shí)驗(yàn)的條件、數(shù)據(jù)的單位，正確記錄數(shù)據(jù)的有效數(shù)字。

例如：

（2）作圖法。

作圖法是最常用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法之一，作圖必須選取適當(dāng)?shù)淖宰兞浚ㄟ^作圖可以找到或反映物理量之間的變化關(guān)系，并便于找出其中的規(guī)律，確定對應(yīng)量的函數(shù)關(guān)系。

作圖應(yīng)遵循的基本規(guī)則：

數(shù)據(jù)完整———數(shù)據(jù)完整要求將所有獲得的基礎(chǔ)或原始數(shù)據(jù)標(biāo)示清楚，不得遺漏或人為添加數(shù)據(jù)。

標(biāo)度準(zhǔn)確———圖的標(biāo)度或標(biāo)尺應(yīng)該與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效數(shù)字對應(yīng)，范圍應(yīng)包括所有必須的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，同時避免在作圖過程中引入誤差。

符號清晰———圖中各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的表示可以按照數(shù)據(jù)分組使用不同的符號、線形、色彩。經(jīng)過分析、計(jì)算等處理的數(shù)據(jù)應(yīng)盡可能地用帶有誤差分析結(jié)果的符號表示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

描繪圖象的基本要求：

根據(jù)測量的要求選定坐標(biāo)軸，一般以橫軸為自變量，縱軸為因變量。坐標(biāo)軸要標(biāo)明所代表的物理量的名稱及單位。坐標(biāo)軸標(biāo)度的選擇應(yīng)合適，使測量數(shù)據(jù)能在坐標(biāo)軸上得到準(zhǔn)確的反映。為避免圖紙上出現(xiàn)大片空白，坐標(biāo)原點(diǎn)可以是零，也可以不是零。坐標(biāo)軸的分度的估讀數(shù)，應(yīng)與測量值的相對應(yīng)。

4.多種方法共同使用加深對數(shù)據(jù)處理的理解。

以研究勻變速直線運(yùn)動為例：

用打點(diǎn)計(jì)時器記錄了被小車拖動的紙帶的運(yùn)動情況，在紙帶上確定出A、B、C、D、E、F、G共7個計(jì)數(shù)點(diǎn)，其相鄰點(diǎn)間的距離如圖7所示，每隔4個點(diǎn)取一個計(jì)數(shù)點(diǎn)，即兩個相鄰的計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的時間間隔為0.10s。

方法（1）用v-t圖法：即先根據(jù)vn=Sn+Sn+12T求出打第n點(diǎn)時紙帶的瞬時速度，后作出v-t圖線，圖線的斜率即為物體運(yùn)動的加速度。

vB=AB+BC2T=（3.62+4.38）×10-22×0.1m/s=0.400m/s

同理可得：vC=0.479 m/s，vD=0.560 m/s，vE=0.640 m/s，vF=0.721 m/s.

根據(jù)圖8的v-t圖線，求出小車運(yùn)動的加速度為0.80m/s2。

方法（2） 用“逐差法”求加速度：即根據(jù)s4-s1=s5-s2=s6-s3=3aT2（T為相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時間間隔）求出

a1=S4-S13T2、a2=S5-S23T2、a3=S6-S33T2，再算出a1、a2、a3的平均值即為物體運(yùn)動的加速度。

a=S6+S5+S4-S3-S2-S19T2=0.80m/s2

兩種方法處理得到的結(jié)果比較吻合。

我們知道在物理實(shí)驗(yàn)常用的數(shù)據(jù)處理方法中列表法是常用最基本的方法，也是其它數(shù)據(jù)處理方法的基礎(chǔ)，作圖法最大的特點(diǎn)是直觀，逐差法的優(yōu)越性是保持多次測量數(shù)據(jù)，它也是物理實(shí)驗(yàn)處理數(shù)據(jù)時常用的一種方法。如果幾種方法共同使，會加深學(xué)生對數(shù)據(jù)處理的體會。

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