王雅君 張佳穎 姜桂元 李宇明 崔國慶

[摘? ? ? ? ? ?要]? Origin軟件能夠精準高效地分析處理實驗數(shù)據(jù)，現(xiàn)多用于物理、化學實驗中。以溶液表面張力的測定為例，對Origin軟件在物理、化學實驗中的應用進行介紹。經(jīng)實踐表明，Origin軟件的數(shù)據(jù)處理具有便捷、簡單、準確率高等優(yōu)勢，同時適用性較強，能有效提升學生學習效率和對相關知識的綜合應用能力。

[關? ? 鍵? ?詞]? Origin軟件;物理、化學實驗;表面張力

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2021）36-0106-03

教育部高等教育司《關于開展新工科研究與實踐的通知》出臺以來，在全國范圍內(nèi)的新工科教育研究熱潮迅速興起，成為教育行業(yè)所關注的新熱點。在加快建設新工科教育體系的時代背景下，物理、化學實驗作為物理和化學課程的重要組成部分，其關注度不斷增高，成為實踐教育的重要組成部分，是連接實驗教育和理論教學的橋梁，也是連接基礎實驗與專業(yè)實驗的橋梁。物理、化學實驗能發(fā)揮學生的主動性和創(chuàng)造性，學生在實驗探究中獲得的樂趣是任何獎勵所無法比擬的。物理、化學實驗是傳遞物理化學知識、培養(yǎng)實踐能力、形成正確價值觀的最好載體之一，在培養(yǎng)學生構建良好的理論知識體系和提高學生實踐操作能力的過程中，注重兩者之間的聯(lián)系至關重要，更是物理、化學等工科學習的基礎和關鍵;在培養(yǎng)學生的實驗操作技能和理論聯(lián)系實際能力方面具有舉足輕重的作用，是化工專業(yè)重要的基礎實驗課程。由此可見，在現(xiàn)代教育教學體系中，必須要立足于新工科教育和建設的理念及要求，注重養(yǎng)成具備專業(yè)知識和實踐操作能力的創(chuàng)新性應用技術人才。在工科課程教育中，要主動且積極引入全新的教育手段和教育模式。所以，結合新工科建設的要求，為培養(yǎng)應用創(chuàng)新型化工專業(yè)人才，我們應對物理、化學實驗教學引起高度重視，并引入新的教學方法和手段。在物理、化學實驗中引入Origin數(shù)據(jù)處理軟件，鼓勵學生在學習過程中強化專業(yè)知識與實踐活動之間的聯(lián)系，既要充分掌握工科實驗的各項技能，還要強化自身選取、處理與分析各項數(shù)據(jù)信息的能力，養(yǎng)成學生在實驗中的認真態(tài)度和嚴謹作風。讓學生通過理論聯(lián)系實際，既要學習實驗技能，又能提高學生對數(shù)據(jù)選取、處理及分析的能力。然而，通過大數(shù)據(jù)的調(diào)查結果顯示，大多數(shù)學生表明只會通過詳細的實驗步驟進行實驗操作，再通過實驗儀器的操作得到實驗數(shù)據(jù)，怎么從已知數(shù)據(jù)中進一步處理分析得到樣品信息的這一步驟卻無從下手。所以，需要學生了解Origin數(shù)據(jù)處理軟件的功能和優(yōu)勢所在以及在物理、化學實驗中應用和軟件使用操作，借此工具解決實驗數(shù)據(jù)分析的一大難題。該軟件的使用已逐漸滲透到教學、科研等領域。本論文基于Origin軟件，進行了物理、化學課程中數(shù)據(jù)處理分析，并在案例中介紹了軟件數(shù)據(jù)處理的操作方法。

一、Origin軟件基本介紹及其在物理、化學實驗中的應用

計算機軟件隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，已經(jīng)被廣泛應用在各個行業(yè)發(fā)展與建設中，教育工作與現(xiàn)代科學技術的結合，是推動教育質(zhì)量提升的新途徑。計算機輔助教學軟件在教育工作中所發(fā)揮的積極作用正在不斷被關注。隨著科技的發(fā)展，計算軟件輔助教學的優(yōu)越性越來越引起人們的廣泛關注。目前應用于實驗教學的軟件有Excel、MATLAB、SAS、Origin等，在這些數(shù)據(jù)處理軟件中，當屬Origin軟件具有較廣的應用范圍，正是因為該軟件操作步驟十分簡單，并且在處理數(shù)據(jù)的時候獲得的結果較為精準，所以受到青睞。

Origin軟件是目前應用范圍較廣、操作較為簡單的數(shù)據(jù)處理軟件之一。Origin Lab公司，最初于1992年開發(fā)了Origin數(shù)據(jù)處理軟件，可用于數(shù)據(jù)2D/3D作圖、擬合以及分析等，快速讀取ASCII、Excel以及SPC等多種格式數(shù)據(jù)，且可以直接對圖像中的數(shù)據(jù)進行提取。Origin的兩大突出功能是數(shù)據(jù)分析和繪制圖表，其軟件界面有直觀的窗口菜單和操作工具欄，在數(shù)據(jù)處理和繪圖過程中不需編寫程序代碼，使用時非常方便，可結合各種類型插件以充分滿足大部分實驗數(shù)據(jù)處理、分析及擬合的要求。由于軟件操作簡便、功能眾多，很快成為大眾認可的快捷、易學、實用的數(shù)據(jù)分析工具。例如，趙艷等人[1]探究了在大學化學實驗活動中，Origin軟件線性擬合性能和繪制相圖的性能。孟衛(wèi)[2]在化學實驗中利用Origin軟件，通過實驗分析的比較可靠的實驗結果，同時也將處理數(shù)據(jù)信息的質(zhì)量得以提升。王忠巍等人[3]在化學實驗中使用Origin軟件分析精餾實驗數(shù)據(jù)，展開分段擬合分析。趙波等人[4]在化工原理離心泵實驗教學期間，將Origin軟件應用其中，驗證了化學實驗結果的精準度。張紅醫(yī)[5]等人在酸堿溶液氫離子平衡濃度計算中，使用Origin軟件的求根公式完成，不僅節(jié)省了時間，還提高了計算結果精準度。另外，以量化實驗結果為依據(jù)的實驗教學，使得教師在評價學生實驗水平和實驗質(zhì)量的時候，更加具有客觀性和公正性。在新課程教育改革的時代背景之下，教師要積極創(chuàng)新教學手段，完善教學方法，在處理物理、化學實驗數(shù)據(jù)信息的時候，要靈活地使用Origin軟件，并且提高軟件使用的熟練度。所以，本文將通過物理、化學實驗中測定溶液表面張力為案例，串聯(lián)起物理、化學實驗中Origin軟件提取數(shù)據(jù)信息、處理數(shù)據(jù)信息和分析數(shù)據(jù)信息的各個環(huán)節(jié)，生動且形象地處理教學內(nèi)容。

二、溶液表面張力測定實驗基本概述

本實驗目的在于使用最大氣泡法測定表面張力，再以吉布斯公式為依據(jù)，完成多種不同濃度溶液的飽和吸附量計算和表面吸附量計算。凡作用于液體表面，使液體表面積縮小的力，便被稱作為表面張力。當溶液處于一定的壓力影響和溫度影響下，其表面張力、濃度以及表面吸附量三者之間所形成的關系如下所示：稱其為表面張力。在一定溫度和壓力下，溶液的表面張力、溶液的表面吸附量、溶液的濃度三者有如下關系式：

式中：Γ表示的含義為表面吸附量（mol·m-2），γ表示的含義為表面張力（N·m-1），c表示的含義為溶液的濃度（mol·L-1）。

首先，將待測液轉移至試管中，毛細管豎直放置在試管液面上，確保液面和端面位置呈相切的狀態(tài)，此時液面將會沿著毛細管壁緩緩上升。

之后再將抽氣瓶的活塞打開，使水滴慢慢落下，毛細管內(nèi)外液面形成壓差，氣泡于毛細管口內(nèi)壁逐漸形成。當毛細管內(nèi)氣體將氣泡壓出且剛好是半球狀時，壓力差達到最大值，由U形壓力計讀出△p。根據(jù)Yonug-Laplace方程可計算得到表面張力γ：

式中：r為毛細管的內(nèi)半徑（m）。

首先，在制作γ-c曲線圖時，要合理使用表面張力數(shù)據(jù)和溶液濃度數(shù)據(jù)，根據(jù)作圖法的原理和實際含義，將不同濃度溶液表面位置的濃度求解出來。在γ-c曲線上選取點a。

其次，利用表面張力γ數(shù)據(jù)與溶液濃度c作圖，得到γ-c曲線圖象，用作圖法可求出不同濃度溶液的表面吸附量。在曲線上取某點a，過a點作切線及平行于橫坐標的直線分別交縱坐標軸于b、b′兩點，令bb′=Z，則Z=-c（）TP，帶入（1）式，得到Γ=關系式，可求得不同濃度溶液的表面吸附量Γ，見圖1。

最后，利用通過c/Γ與c數(shù)據(jù)，求溶液的飽和吸附量Г∞。當條件達到規(guī)定標準的時候，溶液濃度與表面吸附量之間的關系如下所示，一定條件下，表面吸附量與溶液的濃度有如下關系：

式中：Г∞表示的含義為飽和吸附量，k表示的含義為常數(shù)。將公式（3）可以更改為上式，可以改寫為一元一次方程形式：

根據(jù)c/Γ與c數(shù)據(jù)，作出c/Γ-c直線圖象，其斜率的倒數(shù)為飽和吸附量Г∞。

三、Origin對溶液表面張力測試實驗數(shù)據(jù)的提取與處理

（一）實驗數(shù)據(jù)的提取

在實驗過程中，進行溶液濃度和表面張力數(shù)據(jù)記錄，列于下表的第一、二列。使用Origin軟件中的數(shù)據(jù)導入功能，將實驗數(shù)據(jù)導入至列表中。導入數(shù)據(jù)成功后，實現(xiàn)Origin對數(shù)據(jù)的辨認，可完成實驗數(shù)據(jù)的提取工作。

（二）實驗數(shù)據(jù)的處理與分析

利用軟件界面左下角位置的工具，與獲得數(shù)據(jù)相結合，繪制完成相應的圖形，根據(jù)實際需求選擇合適的圖表類型。以c為x軸、γ為y軸，作出γ-c圖象，如圖2（a）所示。通過對γ-c圖象作切線，計算不同濃度下表面吸附量Г與c/Г值，列于上表的第三、四列，作出c/Г-c圖。以c為x軸、c/Γ為y軸，點擊分析-擬合-線性擬合選項，作出c/Γ-c作圖，如圖2（b）所示。再雙擊x軸或y軸，在彈出的窗口中，對相應坐標軸的刻度大小和格式進行設定，可得到美觀的標準曲線圖。最后計算斜率，可得到飽和吸附量Г∞=1/K=1/0.15085=6.63×10-6 mol·m-2。

四、結論

從上述實例可得出，在物理、化學實驗中引入Origin軟件處理各類數(shù)據(jù)信息，可以提高物理化學實驗的質(zhì)量，更能體現(xiàn)出實驗結果的合理性和可靠性。將Origin軟件數(shù)據(jù)處理引入物理、化學實驗方便、快捷，并且可大大提高實驗結果的準確度和精確度，能保證結果的科學性、客觀性和直觀性。通過利用計算機軟件教學，能夠幫助學生養(yǎng)成良好的實驗學習習慣，并且有助于實驗教學質(zhì)量提升。同時，在教改背景下，將Origin軟件應用于物理、化學實驗數(shù)據(jù)處理中的這一實驗教學方法可使教師在批閱學生的實驗報告時基于量化的實驗結果評價更公正和客觀。因此，此教學方法被越來越多的學校及教師們使用，已成為實驗教學中的主流趨勢。

參考文獻：

[1]趙艷，楊姝，秦向東.Origin軟件在大學化學實驗數(shù)據(jù)分析中的應用[J].廣州化工，2015（2）：153-154.

[2]孟衛(wèi)，胡芳.Origin8.0在物理化學實驗中的應用[J].廣東化工，2012（39）：184-185.

[3]王忠巍，宋莎，王艷力.Origin8.0的精餾實驗數(shù)據(jù)處理實例[J].化學教育，2017（38）：61-65.

[4]趙波.Origin軟件在化工原理離心泵實驗教學中的應用[J].廣州化工，2016（13）：215-217.

[5]張紅醫(yī)，田立楠，石志紅.Origin軟件在計算氫離子平衡濃度方面的應用[J].化學教育，2015（10）：65-69.

◎編輯 司 楠