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

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。