计算机辅助大学物理实验的实践与探索

王 畅,蒋礼林,王乐新,张欣艳,关晓燕

计算机辅助大学物理实验的实践与探索

王 畅1,蒋礼林2,王乐新1,张欣艳1,关晓燕1

1.黑龙江八一农垦大学 文理学院,黑龙江 大庆 163319;

2.贺州学院 物理与电子信息工程系,广西 贺州 542800

针对当前大学物理实验数据处理的教学现状,开展了计算机软件处理实验数据和辅助大学物理实验课程的教学研究。通过教学实践,总结了Excel、Origin、和MATLAB三种软件在大学物理实验实际教学中的特点、应用效果和以及存在的问题。研究发现,计算机辅助大学物理实验有利于实验教学,能够激发学生的实验兴趣。

物理实验;数据处理;实验教学

1 引 言

大学物理实验教学的价值在于培养和发展学生创造新知识的潜在能力和素质[1]207-208。大学物理实验是理工科大学生必修的一门基础的重要科学实验课程,其宗旨就是通过实验使学生受到标准的、系统的实验技能培训,进一步掌握科学实验的原理、方法和技术,从而培养学生严谨的科学思维和创新设计能力、理论联系实际能力以及分析和解决实际问题的能力,为激发学生科技创潜能打下坚实的基础[2]89-90。近年来,我国一些高校加大了对大学物理实验教学的重视程度和资金的投入,实验条件有了很大的改善。但物理实验仪器大都昂贵,大部分高校并不具备随时购进更新更先进的物理设备的能力。如何在现有的条件下,对实验内容进行创新,使学生受益,是很多高校都面临的问题。

大学物理中的实验数据处理是大学物理实验教学的重要组成部分,在整个物理实验中占有相当重要的地位,对于培养和提高学生能力起着至关重要的作用。用计算机辅助大学物理实验,利用软件处理大学物理实验的实验数据对学生知识结构的优化、创新能力和素质的培养、教学内容的现代化都有十分重要的意义。

2 国内外大学物理实验数据处理教学现状

目前,国内各高校物理教师已经在用计算机辅助处理物理实验数据方面取得了进展。刘烈、朱丽玉等人研究了利用Excel软件进行数据处理[3]127-128。黄春雄、陈海燕等人研究了MATLAB在大学物理实验数据处理中的应用[4]47-48,牛原、肖霖、成正维等人对大学物理实验数据处理系统进行了深入的研究[5]52-53。但是国内大部分高校在大学物理实验中的数据处理依然采用的是非常传统的数据处理方法,利用计算器计算、手工计算和手工制图,很少用计算机来处理。

而在国外,许多著名的大学都非常重视实验课程教学的信息化技术手段。在美国和加拿大著名大学的物理实验室关于实验数据处理教学有如下几个特点[6]15-16:

2.1 计算机技术在数据处理中运用较为广泛。在物理实验中,已大量使用计算机采集处理数据,各种数据分析软件也广泛地使用在对实验结果的处理上。2

.2数据处理理论与实验课紧密结合。学生在实验课前学习过的有关数据处理的理论和方法,在实验中,也要充分运用。

2.3 教师注重对学生数据处理技能的培养。这些学校的实验技术人员十分注重学生在实验操作中提高数据处理能力,教师在实验中鼓励学生进行实验评价。

可以看出,国外在物理实验的数据处理上比我国先进许多。因此需要我们对实验的数据处理方法进行研究,研究各类计算软件,找到适合我们的大学物理实验数据处理的软件和教法,来提高我国实验中数据处理的教学水平。

3 大学物理实验中各类软件的应用

目前用计算机辅助处理物理实验数据主要应用Excel、Origin、MATLAB等软件处理实验数据。我校在大学物理实验课程的数据处理中引入了上述三种软件,要求学生针对部分实验的数据利用软件进行处理。经过教学实践,三种软件由于其不同的特点,各有利弊,就黑龙江八一农垦大学的实际教学情况分析一下各类软件在大学物理实验中的应用情况。

3.1 Excel在大学物理实验数据处理中的应用

1992年,微软公司推出了 Excel。这款软件可以处理数据,并对数据进行分析、统计。是一款功能强大、操作简单的软件。我们将该软件引入大学物理的实验教学中。如在长度测量实验中,我们要求学生使用Excel处理实验数据。长度测量实验中利用游标卡尺测量钢管的外径、内径和高,根据实验数值算出钢管体积的平均值和不确定度。该实验操作简单,但测量物理量个数和次数较多,数据处理比较费时,利用Excel处理实验数据,可以直接选中数据,打开对话框AVERAGE函数,单击确定即可求出平均值。计算不确定度可以选择SUMSQ和SQRT函数即可。可大大节省计算效率,并提高了准确度。经过教学实践,发现Excel在大学物理实验数据处理中有如下特点:

3.1.1 操作简单,易于掌握。Excel提供了快捷菜单和工具栏,使得操作非常便捷,即使不具备计算机专业知识的人也能很快掌握使用它。大学物理实验课程都是在学生大一时开设,此时学生尚不具备很强的计算机应用能力,但对于 Excel来说,只要会使用word等一些基本的office软件操作,就能够用它来处理数据。

3.1.2 功能强大,适用于大多数的大学物理实验项目。Excel可以进行实验数据曲线(直线)方程拟合、作图、计算公式值和常用函数值、计算测量列平均值、标准偏差和不确定度等,因此可适用于多数的实验项目。

3.1.3 可提高学生的学习兴趣。由于Excel处理物理实验数据,简便易学,容易掌握,而又不失对数据处理、误差分析方法的了解与掌握,因此非常适合大一学生在数据处理中适用,不但培养了学生对所学知识的综合运用素养,在培养学生学习兴趣和数据处理能力方面很有帮助[7]63-64。

3.2 Origin在大学物理实验数据处理中的应用

Origin是OriginLab公司出品的专业函数绘图软件。Origin具有两大主要功能:数据分析和绘图,既可以满足一般用户的制图需要,也可以满足高级用户数据分析、函数拟合的需要。在霍尔效应实验中,我们要求学生使用Origin处理实验数据。霍尔效应数据处理中要求绘制试样的VH—Is和VH—IM曲线。如用笔绘制,学生需要在坐标纸上绘出相应的点,然后连线。而在Origin软件中,只需要选择相应的实验数据,如以Is为X轴,以VH为 Y轴,然后选择相应的画图命令即可,并可直接输入坐标轴说明文字。经过实际教学观察,Origin在大学物理实验数据处理中有如下特点:

3.2.1 简单易于操作。Origin的操作使用与 Excel相似,只要会使用Excel,参考软件中的帮助菜单,都可以很快的掌握Origin,利用它来处理数据。

3.2.2 功能强大,适用于大多数的大学物理实验项目。与 Excel相比,更具优势。虽然 Excel软件也具有数据处理、曲线拟合功能,但对非线性数据处理拟合等方面不能提供很多相关信息以及参数。因此在实际操作中,对很多实验数据分析具有一定的局限性。而Origin在这一问题上能够提供迅速、准确的信息和参数以及图形[8]4-5。

3.3 MATLAB在大学物理实验数据处理中的应用

MATLAB是由美国Mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。MATLAB和Excel、Origin相比,具有更强大的功能。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中,代表了当今国际科学计算软件的先进水平。在实际实践中,我们选择了数据处理比较简单的实验,如示波器、等势线和等高线的描绘。并选择具有编程基础的同学,经过简单的培训,要求学生使用MATLAB来处理实验数据。经过教学实践,在大学物理实验数据处理使用MATLAB中应注意如下问题:

3.3.1 MATLAB不适合低年级学生使用。MATLAB中涉及到矩阵的相关知识,这些知识大一的学生还没有接触到,并且MATLAB需要一些编程的基础,很多大一的同学也不具备编程的基础,因此要学生自行使用MATLAB处理数据,有一定得难度,需要对学生先进行培训和说明,方可使用。

3.3.2 MATLAB可以开发出具有良好界面的数据处理系统[9]32-33。教师可利用MATLAB的图形用户界面系统开发大学物理实验数据处理系统,供学生使用。学生只需要输入数据即可得到结果。

上述提到的三种软件都适用于大学物理实验课程的数据处理。对于学生来讲,最简单最易于掌握的是Excel,其次是Origin。MATLAB不适合低年级学生使用,但实验教师可利用MATLAB开发数据处理程序,供学生使用。因此,在实际教学中可考虑将三种软件都应用于大学物理实验中数据处理中,由浅入深的让学生使用不同的软件进行数据处理。经过教学实践,我们将所有实验分为三个层次,第一个层次是让学生使用Excel自行处理数据。第二个层次是让学生使用Origin自行处理数据。第三个层次是让学生用MATLAB系统开发的大学物理实验数据处理系统,并选择一部分计算机基础好的同学学习使用MATLAB。

4 结 论

经过教学实践,通过计算机辅助大学物理实验课程的设置,利用软件处理大学物理实验数据,一方面可以消除学生在手工计算时认为引入的各种误差,提高精确度;另一方面,可以在掌握手工计算的方法的同时避免了繁杂费时的数据处理过程,节省时间。因此,计算机辅助大学物理实验课程强化了学生的计算机应用能力,激发学生了对大学物理实验的兴趣。

[1]李玲.一个设计性实验的选题与教学实践[J].重庆科技学院学报,2009(4).

[2]王野,李海军.浅谈大学物理实验教学[J].长春理工大学学报(社会科学版),2007(1).

[3]刘烈,朱丽玉,张楠等.Excel在大学物理实验中的应用[J].上海工程技术大学学报,2004(2).

[4]黄春雄,陈海燕等.基于Matlab的大学物理实验数据处理系统[J].荆门职业技术学院学报,2007(6).

[5]牛原,肖霖,成正维等.大学物理实验数据处理系统[J].大学物理实验,2008(1).

[6]宋璐璐.大学物理实验数据处理的教学问题研究[D].华中师范大学,2006.

[7]陈玉林,丁留贯,张磊.Excel在大学物理实验数据处理中的应用[J].实验室研究与探索,2007(10).

[8]陈玉林,丁留贯,张磊.Origin软件在大学物理实验数据处理中的应用[J].宁波工程学院学报,2008(2).

[9]代红权,陈海燕.基于Matlab的大学物理实验数据处理系统[J].重庆工学院学报(自然科学版),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

王畅 (1980-),女,黑龙江大庆人,贺州学院讲师,硕士。主要研究方向:物理教学和研究。

贺州学院级重点立项课题(2008KY03)。