誤差理論與數(shù)據(jù)處理在實驗教學(xué)中的應(yīng)用

劉桂林 盧玲珠 席曦 東為富 過榴曉 胡滿峰 王怡淼

[摘 要] 在高校實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，數(shù)據(jù)的處理與誤差分析始終存在，而學(xué)生在進行這些計算過程中往往存在概念不清晰、理解不透徹等問題，直接影響到學(xué)生對所學(xué)實驗課程原理、核心內(nèi)容的掌握;因此，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)誤差理論與數(shù)據(jù)處理是實驗課程的前期重要基礎(chǔ)，對本科生與研究生日后的科研、學(xué)習(xí)、工作都有極其重要的作用。

[關(guān)鍵詞] 誤差理論;數(shù)據(jù)處理;實驗教學(xué)

[中圖分類號] G642.3? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）41-0163-02? ? [收稿日期]? 2019-10-16

一、引言

高校本科實驗課程包括大學(xué)物理實驗、基礎(chǔ)化學(xué)實驗以及各專業(yè)開設(shè)的相應(yīng)專業(yè)基礎(chǔ)與專業(yè)實驗等一系列課程。學(xué)生在進行實驗操作的過程中，實驗數(shù)據(jù)由于環(huán)境因素、測試原理、儀器系統(tǒng)以及測量人員個人偏好等原因不可避免的會產(chǎn)生誤差，影響學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)的處理與分析，甚至有的粗大誤差[1]會誤導(dǎo)學(xué)生對實驗原理的理解（圖1），而相應(yīng)的問題排除對于實驗課程教學(xué)人員來說是耗時耗力的工作，在進行集體授課的過程中往往難以兼顧。因此，引導(dǎo)學(xué)生進行誤差理論與數(shù)據(jù)處理的學(xué)習(xí)十分重要。

誤差理論與數(shù)據(jù)處理[2]目前主要是自動化、控制等應(yīng)用型專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，受眾面較小，而且在實際授課過程中過于強調(diào)理論研究而缺乏與實際實踐之間的聯(lián)系;所以在實驗課程開設(shè)前期進行相應(yīng)的誤差理論與數(shù)據(jù)處理的訓(xùn)練顯得十分必要。

二、教學(xué)實踐改革實例

在誤差理論與數(shù)據(jù)處理實驗課程訓(xùn)練的過程中，應(yīng)當以誤差理論與數(shù)據(jù)處理中的核心內(nèi)容為載體。教學(xué)團隊應(yīng)當結(jié)合具體的實驗儀器、實驗內(nèi)容，建立由淺入深，由基礎(chǔ)到研究的理論知識體系，加深學(xué)生對所學(xué)實驗課程的理解。另一方面，實驗中的數(shù)據(jù)測試與結(jié)果評價是誤差理論與數(shù)據(jù)處理的出發(fā)點與目標，在實驗實施的過程中教學(xué)團隊需要正確引導(dǎo)學(xué)生進行合理可靠的數(shù)據(jù)處理。（圖2）

在實踐過程中，將課程內(nèi)容與實驗操作銜接始終是實驗課程的難點，教學(xué)團隊需要將實驗?zāi)康呐c實驗原理教授給學(xué)生;而學(xué)生在實驗操作與數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，將結(jié)果反饋給教學(xué)人員。教學(xué)人員利用引導(dǎo)式、啟發(fā)式的教學(xué)方法引導(dǎo)課堂教學(xué)。在研討教學(xué)的過程中，教學(xué)人員將實驗環(huán)節(jié)中的實驗?zāi)康呐c實驗原理作為問題與授課學(xué)生進行討論，引導(dǎo)學(xué)生獨立思考。（圖3）

以長度的測量為例，根據(jù)課程的實驗?zāi)康模龑?dǎo)學(xué)生思考測量儀器（游標卡尺與螺旋測微計）的原理，進而提出問題，討論長度測量中實驗儀器使用的測量方法。隨后在確定測量方法的基礎(chǔ)上討論測量過程中可能出現(xiàn)的誤差問題、誤差的形成與性質(zhì)，最后組織學(xué)生進行實驗測量工作。

1.基本理論環(huán)節(jié)。在授課過程中，課堂上教師通過提問引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生理解所學(xué)課程的基本概念、基本理論與方法，并在課程結(jié)束后根據(jù)實驗結(jié)果獨立進行數(shù)據(jù)擬合與對比，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。

2.研討環(huán)節(jié)。在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，通過研討教學(xué)將誤差理論與數(shù)據(jù)處理嵌入到實驗內(nèi)容當中，如測試中隨機誤差的性質(zhì)預(yù)處理方法;測量量具的系統(tǒng)誤差與修正方式;測量環(huán)境對實驗的影響等。利用對這些問題的討論鼓勵學(xué)生自行提出解決方案，既能激發(fā)學(xué)生在實驗過程中的研究興趣，也能加深學(xué)生對科研內(nèi)容的理解。

3.實驗環(huán)節(jié)。在明晰理論之后，讓學(xué)生根據(jù)對問題的理解，獨立開展科學(xué)實驗，利用實驗儀器在規(guī)定的操作方法下進行測量工作，并盡可能在測試中進行多次重復(fù)測試，加深學(xué)生對課本中書面文字的理解，同時通過實際操作加深對應(yīng)知識點的原理與內(nèi)涵的認識。

4.數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)處理的過程是實驗課程的重要組成部分，需要學(xué)生在實驗獲得數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上整理，運用誤差理論對粗大誤差進行剔除，修正數(shù)據(jù)中的系統(tǒng)誤差，減小其中的隨機誤差，并隨后合成標準不確定度與擴展不確定度，最終形成實驗報告，得出實驗結(jié)論。

在實驗課程中加入誤差理論與數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容，有助于“理論教學(xué)+實驗驗證”模式的推廣，引導(dǎo)學(xué)生樹立科學(xué)思維的意識，形成正確的科學(xué)觀念與科學(xué)方法，為學(xué)生后續(xù)在科研工作中形成良好的習(xí)慣奠定基礎(chǔ)。誤差理論的引入不僅能在本科實驗教學(xué)中實施，也可以在研究生科研工作開展前期針對課題進行系統(tǒng)的誤差理論與數(shù)據(jù)處理的訓(xùn)練。

三、課程模式評估

為了合理評估誤差理論與數(shù)據(jù)處理在實驗課程中設(shè)置的合理程度，實驗課程中評價體系需要針對實驗課程的獨特性引入基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育

（Outcomes-based Education，OBE）理念[3]，以預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出為中心來組織、實施和評價教育。對于實驗課程本身來說，不僅要通過實驗課程自身來進行評價，更要對后續(xù)的專業(yè)實驗、專業(yè)核心課程的成績綜合進行評估，并以此為反饋意見，進一步深化專業(yè)課程的授課內(nèi)容、教學(xué)大綱與教學(xué)模式。因此利用OBE理念結(jié)合實驗課程改革十分重要，課程體系將通過建立完善的學(xué)習(xí)產(chǎn)出定量化評價標準，進而完善實驗課程的結(jié)構(gòu)，促進學(xué)生能力的提升。

四、結(jié)語

對于高校實驗課程，傳統(tǒng)的教學(xué)方法是根據(jù)實驗?zāi)康募由顚W(xué)生對相應(yīng)理論課程的理解。而在教學(xué)過程中，實驗中的誤差會對學(xué)生理解知識產(chǎn)生影響，導(dǎo)致教學(xué)效果較差，最終使實驗課程變得枯燥，使學(xué)生失去學(xué)習(xí)實驗課程的興趣。將誤差理論與數(shù)據(jù)處理融入實驗課程，教師采用引導(dǎo)教學(xué)法，讓學(xué)生帶著問題思考實驗，既能激發(fā)學(xué)生在實驗過程中的研究興趣，也能加深學(xué)生對科研內(nèi)容的理解。

參考文獻

[1]張銳波.在物理實驗教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維與創(chuàng)造發(fā)明能力——以轉(zhuǎn)動定律驗證實驗為例[J].物理通報，2015（8）：26-28.

[2]羅清華，焉曉貞，彭宇，等.“誤差理論與測量數(shù)據(jù)處理”課程一體化的研究與探索[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2019（13）：1-4.

[3]何金萍.如何落實教學(xué)有效反饋的實效性[J].學(xué)周刊，2019（30）：109.