误差理论与数据处理在实验教学中的应用

刘桂林 卢玲珠 席曦 东为富 过榴晓 胡满峰 王怡淼

[摘 要] 在高校实验教学环节中，数据的处理与误差分析始终存在，而学生在进行这些计算过程中往往存在概念不清晰、理解不透彻等问题，直接影响到学生对所学实验课程原理、核心内容的掌握;因此，引导学生学习误差理论与数据处理是实验课程的前期重要基础，对本科生与研究生日后的科研、学习、工作都有极其重要的作用。

[关键词] 误差理论;数据处理;实验教学

[中图分类号] G642.3    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）41-0163-02    [收稿日期]  2019-10-16

一、引言

高校本科实验课程包括大学物理实验、基础化学实验以及各专业开设的相应专业基础与专业实验等一系列课程。学生在进行实验操作的过程中，实验数据由于环境因素、测试原理、仪器系统以及测量人员个人偏好等原因不可避免的会产生误差，影响学生对实验数据的处理与分析，甚至有的粗大误差[1]会误导学生对实验原理的理解（图1），而相应的问题排除对于实验课程教学人员来说是耗时耗力的工作，在进行集体授课的过程中往往难以兼顾。因此，引导学生进行误差理论与数据处理的学习十分重要。

误差理论与数据处理[2]目前主要是自动化、控制等应用型专业的专业基础课程，受众面较小，而且在实际授课过程中过于强调理论研究而缺乏与实际实践之间的联系;所以在实验课程开设前期进行相应的误差理论与数据处理的训练显得十分必要。

二、教学实践改革实例

在误差理论与数据处理实验课程训练的过程中，应当以误差理论与数据处理中的核心内容为载体。教学团队应当结合具体的实验仪器、实验内容，建立由浅入深，由基础到研究的理论知识体系，加深学生对所学实验课程的理解。另一方面，实验中的数据测试与结果评价是误差理论与数据处理的出发点与目标，在实验实施的过程中教学团队需要正确引导学生进行合理可靠的数据处理。（图2）

在实践过程中，将课程内容与实验操作衔接始终是实验课程的难点，教学团队需要将实验目的与实验原理教授给学生;而学生在实验操作与数据处理的基础上，将结果反馈给教学人员。教学人员利用引导式、启发式的教学方法引导课堂教学。在研讨教学的过程中，教学人员将实验环节中的实验目的与实验原理作为问题与授课学生进行讨论，引导学生独立思考。（图3）

以长度的测量为例，根据课程的实验目的，引导学生思考测量仪器（游标卡尺与螺旋测微计）的原理，进而提出问题，讨论长度测量中实验仪器使用的测量方法。随后在确定测量方法的基础上讨论测量过程中可能出现的误差问题、误差的形成与性质，最后组织学生进行实验测量工作。

1.基本理论环节。在授课过程中，课堂上教师通过提问引导和启发学生理解所学课程的基本概念、基本理论与方法，并在课程结束后根据实验结果独立进行数据拟合与对比，培养学生的学习能力。

2.研讨环节。在理论学习的基础上，通过研讨教学将误差理论与数据处理嵌入到实验内容当中，如测试中随机误差的性质预处理方法;测量量具的系统误差与修正方式;测量环境对实验的影响等。利用对这些问题的讨论鼓励学生自行提出解决方案，既能激发学生在实验过程中的研究兴趣，也能加深学生对科研内容的理解。

3.实验环节。在明晰理论之后，让学生根据对问题的理解，独立开展科学实验，利用实验仪器在规定的操作方法下进行测量工作，并尽可能在测试中进行多次重复测试，加深学生对课本中书面文字的理解，同时通过实际操作加深对应知识点的原理与内涵的认识。

4.数据处理环节。数据处理的过程是实验课程的重要组成部分，需要学生在实验获得数据的基础上整理，运用误差理论对粗大误差进行剔除，修正数据中的系统误差，减小其中的随机误差，并随后合成标准不确定度与扩展不确定度，最终形成实验报告，得出实验结论。

在实验课程中加入误差理论与数据处理的内容，有助于“理论教学+实验验证”模式的推广，引导学生树立科学思维的意识，形成正确的科学观念与科学方法，为学生后续在科研工作中形成良好的习惯奠定基础。误差理论的引入不仅能在本科实验教学中实施，也可以在研究生科研工作开展前期针对课题进行系统的误差理论与数据处理的训练。

三、课程模式评估

为了合理评估误差理论与数据处理在实验课程中设置的合理程度，实验课程中评价体系需要针对实验课程的独特性引入基于学习产出的教育

（Outcomes-based Education，OBE）理念[3]，以預期学习产出为中心来组织、实施和评价教育。对于实验课程本身来说，不仅要通过实验课程自身来进行评价，更要对后续的专业实验、专业核心课程的成绩综合进行评估，并以此为反馈意见，进一步深化专业课程的授课内容、教学大纲与教学模式。因此利用OBE理念结合实验课程改革十分重要，课程体系将通过建立完善的学习产出定量化评价标准，进而完善实验课程的结构，促进学生能力的提升。

四、结语

对于高校实验课程，传统的教学方法是根据实验目的加深学生对相应理论课程的理解。而在教学过程中，实验中的误差会对学生理解知识产生影响，导致教学效果较差，最终使实验课程变得枯燥，使学生失去学习实验课程的兴趣。将误差理论与数据处理融入实验课程，教师采用引导教学法，让学生带着问题思考实验，既能激发学生在实验过程中的研究兴趣，也能加深学生对科研内容的理解。

参考文献

[1]张锐波.在物理实验教学中培养学生创新思维与创造发明能力——以转动定律验证实验为例[J].物理通报，2015（8）：26-28.

[2]罗清华，焉晓贞，彭宇，等.“误差理论与测量数据处理”课程一体化的研究与探索[J].实验科学与技术，2019（13）：1-4.

[3]何金萍.如何落实教学有效反馈的实效性[J].学周刊，2019（30）：109.