中学物理实验数据处理的可视化研究——以PASCO数字化传感器系统为例

韩山师范学院教育科学学院(521041) 刘茂军 薛胜兰

1 数据处理的重要性

2013年美国发布《下一代科学教育标准》(Next Generation Science Standards：For States，By States，简称NGSS)，将“科学实践”作为首要的关键词列入该标准中。科学实践被细分为八个维度，数据(Data)及其处理对于科学实践其他维度的实现具有重要的基础性作用[1]。首先，数据处理作为数据分析的手段，是“分析与解释数据”(Analyzing and interpreting data)的直接依据。同时，由于数据是定量科学实验结果的主要表现形式，作为定量研究结果的主要证据，数据也是“运用数学和计算思维”(Using mathematics and computational thinking)、“建构解释和设计解决问题”(Constructing explanations and designing solutions)，以及“通过证据进行论证”(Engaging in argument from evidence)等科学实践维度的基础。因此，数据分析就成为NGSS科学实践的关键环节[2]。我国在科学课程标准中也明确强调要重视数据的分析与处理，例如在《普通高中物理课程标准(2017年版)》中提到“获取和处理信息”“基于证据得出结论并作出解释”等，并在“课程内容”中多次提到“数据”的收集与处理，如在“相互作用与运动规律”模块提到“会用基本的力学实验器材获取数据，能用物理图象描述实验数据，能根据数据得出实验结论，知道实验存在的误差”。在“机械能及其守恒定律”部分的“活动建议”中提到“收集汽车刹车距离与车速关系的数据，用动能定理进行解释”[3]。

传统的物理实验教学缺乏精确定量化数据的支持，大多维持在现象观察的水平，收集数据、处理数据、运用数据进行论证等环节严重缺失[4]。随着社会的发展，高科技手段越来越多地应用于科学教育以提升其品质，数字化实验是典型代表。数字化实验通过为物理实验提供精准的数据和多元化的数据处理方式，为学生物理实验的开展提供了理想的平台[5]。下面，以PASCO数字化实验为例来说明数据处理的基本方法。

2 物理PASCO数字化实验数据采集模式

不同品牌的数字化实验系统工作原理和工作方式类似。以PASCO数字化实验系统(CA-6787)为例，它是由美国 PASCO公司生产的，由数字化传感器、数据采集器(Interface)和数据软件(DataStudio)3个部分组成。传感器检测到的数据通过数据采集器输入计算机，并通过数据处理软件进行数据读取、记录和处理。基本工作原理如图1所示。

图1 PASCO数字化实验基本原理图

PASCO数字化实验系统软件除了具有“打开活动”“创建实验”功能外，还具备“输入数据”“图表方程式”等功能。

与其他3个功能相比，PASCO数字化实验系统的“创建实验”功能具备多重数据采集和分析方法，对数据的分析与解释也最具代表性，本文着重分析它的数据处理功能，以期对数字化实验中的数据处理提供参考。

每次进行新的实验操作之前，都需要打开DataStudio软件，进入到系统界面的“创建实验”功能区域，点击进入的界面如图2所示。实验组装、设置完成后，点击“启动”按钮开始数据记录，实验过程完成后点击“停止”按钮终止记录。其中左侧“摘要”栏为数据采集选项，不同的选项具有不同的功能，可以为不同的实验提供不同类型的数据。“图表”选项中的数据可以用来分析整个实验过程，有利于学生理解知识本质，因此，一般选择“图表”选项进行数据的观测、处理与分析。通过图2右侧的“图表1”窗口，可以直接观测实验数据和实验图象。

图2 “创建实验”窗口

3 运用PASCO数字化传感器实现数据处理可视化的基本方法

下面，以PASCO数字化传感器系统中DataStudio软件的“图表”选项为例来说明如何进行数字化实验的数据处理。

3.1 分析数据的完整过程

“图表”窗口具有连续记录功能，学生可以观测实验发生的动态过程，分析不同实验的完整曲线。学生在这一环节的数据处理中需要注意的问题包括：数据采集时间要足够长、从整体上分析图象趋势、测量关键数据等。

以“单摆实验”为例[6]，“启动”后运动传感器(Motion Sensor)采集到的数据点会沿着正弦曲线的轨迹不断向前推进，如图3所示，在图表中可以清晰观察到这一动态过程，同时记录单摆摆动过程中位置、速度随时间变化的数据关系，便于理解单摆周期、振幅等基本特征。同时，通过“正弦拟合”工具，可以直接测量关键变量的具体数值，如图3所示，单摆周期为1.68 s，振幅为0.061 1 m。

图3 单摆“位置-时间”曲线

3.2 聚焦物理数据中的关键“节点”

有些科学实验现象是转瞬即逝的，甚至部分实验现象不明显，如果学生观测方法不当，则很容易错过最佳时机，无法观测实验现象。数字化实验系统可以“捕捉”到关键节点的每个数据，通过将数据“放大”处理，可以有效避免这一现象的发生。这一环节的数据处理，学生需要注意的关键问题包括：数据横轴拉至足够长、坐标标度足够小、数据采样率调至足够大、改变实验参量等。

以“自感现象实验”为例[7]，分别用两个电流传感器(Current Sensor)测量两个支路(电阻支路、电感支路)的电流变化并进行比较，通电时电感支路的电流会受到自感线圈的“阻碍”作用，因此达到稳定电流所需的时间较长，将时间标度拉至足够小就可以观测到明显的区别，如图4所示；断电时，同样由于电感支路的“阻碍”作用，线圈支路的电流会“逐渐”减小、电阻支路会出现反向电流，从而出现图5所示的情形。改变采样频率、更换自感线圈(改变自感系数)或增加铁芯，对电流达到稳定值的时间、反向电流的大小等都会产生影响。通过数据分析和解释，学生更容易理解自感现象的本质。

图4 通电自感电流曲线

图5 断电自感电流曲线

3.3 数据定量计算获得结论

大量物理实验规律的获得都是通过定量数据计算得来的，定量数据是实现“数据处理”的重要手段。数字化实验数据曲线上每一个点的数据大小都可以精确定量。这一环节的数据分析与处理，学生需要注意的关键问题包括：确定有效数据、排除误差干扰、数据计算符合科学原理等。

以“动量定理实验”为例[8]，由于合外力的大小很难恒定，常规实验方法无法定量比较动量变化量大小与冲量的关系。运用数字化实验系统分别测量“速度—时间”“力—时间”关系曲线，并将两个图表拖拽到同一个时间轴内，有效解决两个数据的同时性问题。如图6所示，图的上半部分标注的A、B两点(A、B为合外力作用前后的速度节点)的数据差即为速度大小的改变量，乘以质量即是动量大小的变化量。图的下半部分是与A、B两点对应时间段内的力与时间的累积效果，也就是选中的力的数据值与时间的乘积(“区域”的数值)，即为冲量的大小。比较这两个数据即可探究出动量定理的基本规律。

图6 动量定理实验曲线

3.4 运用系统工具实现数据分析

数字化实验系统一般都带有一定的处理工具，以便进行数据分析。PASCO数字化实验系统的“图表”窗口中有多个可用于数据处理的系统工具，包括“智能工具”“拟合工具”“计算工具”“求和工具”“斜率工具”“放大(缩小)工具”等。

以“智能工具”为例，它可以用来精准定位数据并显示大小，同时也可以精确计算不同数据间的差值，如图7所示“光的双缝干涉实验”曲线[9]，可以选定n个(此实验为4个)波峰之间的角度差(此实验中差值为34.3°度)，计算出相邻波峰之间的距离，从而验证光的双缝干涉原理。再如使用“拟合工具”也可以有效进行数据分析与处理，科学实验教学中常用的拟合工具包括正弦拟合、线性拟合、正比拟合等，“自由落体实验”[10]用到这一功能，在运动传感器正下方释放一个乒乓球，乒乓球做往复的自由落体运动，“速度—时间”曲线如图8所示，对任意一个完整的往复运动曲线进行“线性拟合”，斜率(此实验斜率大小为9.79)即为重力加速度的值。

图7 光的双缝干涉实验曲线

图8 自由落体运动“速度-时间”曲线

4 结语

实验数据的分析与处理是科学家在实验室开展科学研究的重要手段，更是建构科学理论的基础。利用PASCO数字化传感器实现物理实验数据的可视化处理，对数据进行精准分析，有利于提升学生物理实验数据处理的综合能力。物理实验教学中应该鼓励学生借助数字、图表、图象等数据工具建构简单的科学理论模型，引导他们基于可视化数据准确地进行科学论证、辩论，用证据支撑自己的观点。