張弘強(qiáng)

（綏化學(xué)院 電氣工程學(xué)院，黑龍江 綏化 152061）

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課是理工科學(xué)生低年級(jí)必修的一門獨(dú)立設(shè)置的實(shí)驗(yàn)課，它不僅可以加深對(duì)物理規(guī)律的理解，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、獨(dú)立分析問題及解決問題的能力，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)，在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)、興趣等方面都有無可替代的重要作用.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理可以定量的分析變量之間的關(guān)系，以便于進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出規(guī)律；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理可以判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確與否以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確程度；嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)處理還可以培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和良好的科學(xué)素養(yǎng).物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的常用方法有列表法、逐差法、圖解法、線性回歸、最小二乘法等，在數(shù)據(jù)計(jì)算中常采用計(jì)算器處理以及坐標(biāo)紙手工繪圖，是一項(xiàng)及其繁雜的工作，所需時(shí)間較長(zhǎng)且中間過程出現(xiàn)計(jì)算上的操作錯(cuò)誤不易查找.

綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院始建于1978年綏化師專物理系，2004年更名為物理與電子信息系，2009年更名為電子工程系，2012年3月更名為綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院.學(xué)院注重學(xué)生應(yīng)用能力培養(yǎng)，強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐能力，近幾年大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教師在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革方面做了大量積極探索.在作為信息時(shí)代標(biāo)志的計(jì)算機(jī)全面普及的今天，Microsoft Office已成為每個(gè)大學(xué)生都應(yīng)掌握的辦公軟件，Excel作為Office套裝中的一款電子表格軟件，為工程、統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)庫等領(lǐng)域提供了大量的專用函數(shù)，能夠用于各種專業(yè)的數(shù)據(jù)計(jì)算、分析和科學(xué)研究.本文結(jié)合我校低年級(jí)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程數(shù)據(jù)處理方法的改革實(shí)踐，探討Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的常用方法的可行性.

1 Excel軟件數(shù)據(jù)處理常用方法

Excel還具有強(qiáng)大的圖表分析功能，能夠便捷地制作出各種數(shù)據(jù)圖表，如折線圖、趨勢(shì)圖等.以下舉例中的數(shù)據(jù)均來自于學(xué)生實(shí)驗(yàn)中所得數(shù)據(jù).

1.1 繪制平滑線散點(diǎn)圖

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入Excel電子表格，在圖表向?qū)е羞x擇圖表類型，選擇平滑線散點(diǎn)圖或折線散點(diǎn)圖，進(jìn)行圖形繪制.在光電源電壓分別為4v、6v、8v時(shí)，光敏電阻在不同光照度下的光電流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表1所示，相應(yīng)平滑線散點(diǎn)圖如圖1所示.

圖1 光敏電阻光照特性曲線

表1 光敏電阻光照特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.2 添加趨勢(shì)線進(jìn)行曲線擬合

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入Excel電子表格，在圖表向?qū)е羞x擇圖表類型，選擇散點(diǎn)圖，進(jìn)行圖形繪制.選擇數(shù)據(jù)點(diǎn)，右鍵，選擇添加趨勢(shì)線，在選項(xiàng)欄目中勾選顯示公式.不同光照度下的光敏電阻伏安特性曲線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，相應(yīng)擬合直線及直線方程如圖2所示，擬合直線斜率即為光敏電阻阻值，即在750lux、412lux、225lux光照度下，光敏電阻的阻值分別為為2.848kΩ、1.226kΩ、0.690kΩ.

表2 光敏電阻伏安特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.3 繪制折線圖

圖2 光敏電阻伏安特性曲線

圖3 微安表改裝成電壓表的校準(zhǔn)曲線

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入Excel電子表格，在圖表向?qū)е羞x擇圖表類型，選擇折線圖，進(jìn)行圖形繪制.也可以利用數(shù)據(jù)系列格式直接繪制誤差線.100μA電流表改裝成1000mv的電壓表的校準(zhǔn)曲線如圖3所示.

1.4 計(jì)算不確定度

對(duì)于某一量x做等精度測(cè)量，得到一測(cè)量列x1,x2,x3,…,xn，標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算公式為：

以往指導(dǎo)學(xué)生用計(jì)算器來計(jì)算，要進(jìn)行以下8步，如下：1.mode-2(stat)-1(1-var)；2.xi，=；3.AC；4.shift-1-4；5.2(平均值），=；6.AC；7.shift-1-4-4；8.÷. 若用Excel電子表格實(shí)現(xiàn)，只需輸入數(shù)據(jù)后調(diào)用STDEV（）計(jì)算平均標(biāo)準(zhǔn)偏差，進(jìn)而計(jì)算STDEV（）/SQRT(n)，即為 a類不確定度.

2 Excel軟件在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)分析

2.1 可行性高

MATLAB軟件及Origin軟件等其它軟件亦可以用于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，但是Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理無需編程、易學(xué)易用、對(duì)計(jì)算機(jī)要求不高，對(duì)大一學(xué)生來說，稍加介紹就能掌握.實(shí)踐證明，利用原已熟悉的Excel軟件進(jìn)行大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理，可行性最高.

2.2 效率高

利用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)數(shù)據(jù)處理時(shí)間節(jié)省一半以上，將學(xué)生從繁復(fù)的數(shù)據(jù)處理中解脫出來，并可在實(shí)驗(yàn)室快速、定量地檢驗(yàn)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的優(yōu)劣；有助于學(xué)生把更多的精力投入到對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的討論及設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的綜合設(shè)計(jì)上；輸入數(shù)據(jù)直觀，計(jì)算流程可見，便于錯(cuò)誤查找，避免計(jì)算失誤.

2.3 學(xué)習(xí)熱情高

在學(xué)期初的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們要求學(xué)生用原始的數(shù)據(jù)處理方法，經(jīng)過兩輪計(jì)算器數(shù)據(jù)處理和坐標(biāo)紙繪圖，學(xué)生們學(xué)到了基本數(shù)據(jù)處理方法，也體會(huì)到了這種方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的繁復(fù).因此，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生們對(duì)Excel軟件數(shù)據(jù)處理學(xué)習(xí)的熱情空前高漲，帶動(dòng)了對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)熱情，同時(shí)也使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力得到全方位的提高.

2.4 時(shí)代性強(qiáng)

大數(shù)據(jù)時(shí)代，與計(jì)算機(jī)接軌已成為應(yīng)用性的標(biāo)志之一.用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理打開了理論分析、實(shí)驗(yàn)操作與信息時(shí)代的接口，開啟了數(shù)據(jù)思維和數(shù)據(jù)分析的新里程.利用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)代化水平，培養(yǎng)低年級(jí)學(xué)生的各學(xué)科知識(shí)的綜合能力，全面提高學(xué)生素質(zhì).

3 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法實(shí)踐的幾點(diǎn)思考

3.1 利用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理不利于對(duì)數(shù)據(jù)處理過程及數(shù)據(jù)處理意義的理解

利用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單化的同時(shí)也走入流程化.如坐標(biāo)軸上分度值的選取、坐標(biāo)原點(diǎn)選取、曲線擬合原則、擬合直線斜率計(jì)算等均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，容易在部分學(xué)生中滋生不求甚解的學(xué)習(xí)習(xí)慣.

3.2 在學(xué)生科學(xué)態(tài)度培養(yǎng)上，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法的作用不容忽視

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法更能夠培養(yǎng)學(xué)生孜孜以求、百折不撓、持之以恒的科學(xué)態(tài)度.坐標(biāo)紙繪圖原則、坐標(biāo)軸上分度值精度的選取、用計(jì)算器進(jìn)行不確定度的計(jì)算等這些基本數(shù)據(jù)處理原則及方法的掌握，對(duì)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)不容忽視.

3.3 提倡傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法與利用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理相結(jié)合，循序漸進(jìn)，因材施教

為加深理解，我們明確要求最初的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)必須采取傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理.當(dāng)學(xué)生具備一定的數(shù)據(jù)處理能力、基本掌握簡(jiǎn)單的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法后，才可采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.幾個(gè)實(shí)驗(yàn)過后，有能力的同學(xué)可以嘗試用Matlab和Origin軟件進(jìn)行較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理.

4 結(jié)束語

本文舉例介紹了用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的常用方法，并對(duì)用Excel軟件處理大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可行性進(jìn)行了分析.實(shí)踐表明，計(jì)算機(jī)進(jìn)行軟件處理方法和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法相結(jié)合應(yīng)用于低年級(jí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理是行之有效的.

〔1〕趙麗特,王喜建，等.數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2015（02）.

〔2〕祝丹.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)總結(jié)中計(jì)算機(jī)軟件運(yùn)用的利弊研究[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2015（03）.

〔3〕樊洋,姚陸峰.計(jì)算機(jī)輔助數(shù)據(jù)處理在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2013（06）.