孫二平,劉維慧,張進(jìn)娟,李忠麗,賈正茂,范 迪,王卓鵬,苗永平
(山東科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,山東 青島 266590)
隨著社會和科技的發(fā)展,以及人類各種活動的網(wǎng)絡(luò)化、信息化,數(shù)據(jù)在解決國家安全、科學(xué)創(chuàng)新、企業(yè)生產(chǎn)、個人衣食住行等方面發(fā)揮著越來越重要的作用,已經(jīng)成為各行各業(yè)分析、規(guī)范、調(diào)整的基礎(chǔ)和重要依據(jù)[1]。在21世紀(jì)人才競爭高度激烈的社會背景下,通過在校期間的理論知識學(xué)習(xí)和實踐訓(xùn)練,培養(yǎng)本科學(xué)生基本的數(shù)據(jù)處理能力,具有重要意義。
物理實驗是學(xué)生進(jìn)入高校后開展科學(xué)實踐訓(xùn)練的第一門實驗課程,包含了大多數(shù)實驗課程在實驗思想、實驗方法以及實驗手段等方面的共性,是培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力的重要課程[2]。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,課程在培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力方面所取得的實際效果不容樂觀。據(jù)此,本文對數(shù)據(jù)處理能力培養(yǎng)現(xiàn)狀做了調(diào)研統(tǒng)計,多維度分析了問題及原因,從思想認(rèn)識、知識框架構(gòu)建和教材編排、試驗資源優(yōu)化等方面提出了針對性的改進(jìn)措施,并開展教學(xué)實踐,取得了比較明顯的效果。
對于本科學(xué)生而言,數(shù)據(jù)處理能力需要通過數(shù)據(jù)獲取、記錄、篩選、分析加工等一系列學(xué)習(xí)活動培養(yǎng),并集中而客觀地在實驗報告中得到體現(xiàn)。為全面掌握學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力現(xiàn)狀,從我校2019級3 000多名學(xué)生所提交的《質(zhì)量與密度測量實驗》和《弦振動與駐波》兩個實驗的報告中隨機(jī)抽取300份作為樣本,從有效數(shù)字取舍、相對誤差計算、誤差分析、實驗結(jié)論四個方面統(tǒng)計分析,如圖1所示。
圖1 大學(xué)物理實驗數(shù)據(jù)處理情況統(tǒng)計圖
從圖1中可以看出,只有少數(shù)同學(xué)能夠分析誤差并形成有效結(jié)論。也就是說,絕大部分一年級本科學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力僅停留在根據(jù)公式對測量結(jié)果簡單計算水平上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到深入分析、科學(xué)評價和有效總結(jié)的層次。
管窺全豹,葉落知秋。上述統(tǒng)計結(jié)果所呈現(xiàn)的問題具有相當(dāng)?shù)钠毡樾院蛷V泛性。因此,對現(xiàn)狀展開深入分析和研究,找到根本原因并解決它,具有很強(qiáng)的實踐價值和現(xiàn)實意義。
教材是為學(xué)生上課和復(fù)習(xí)使用專門編寫的教學(xué)材料,是一切教育教學(xué)活動的基本依據(jù),是育人的根本載體[3]。調(diào)研發(fā)現(xiàn),絕大多數(shù)教材將測量誤差和數(shù)據(jù)處理做為兩部分內(nèi)容獨立編排,鮮有對數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)論述,相關(guān)知識點呈現(xiàn)高度的離散性,沒有主線串聯(lián),章節(jié)之間缺乏銜接。典型地,以我校在用的高等教育“十三五”規(guī)劃教材為例,數(shù)據(jù)處理的理論知識單獨一章“測量誤差與數(shù)據(jù)處理的基本知識”編排并分為六節(jié),分別是:測量與誤差、隨機(jī)誤差的處理、測量不確定及其估算、有效數(shù)字及其運算法則、實驗數(shù)據(jù)處理基本方法、用Excel軟件進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)處理。從目錄及內(nèi)容可以看出,教材編排的系統(tǒng)性、邏輯性、層次性存在明顯不足。
根據(jù)調(diào)研,有相當(dāng)一部分實驗教師沒有把數(shù)據(jù)處理能力培養(yǎng)作為一項重要工作對待,或者更重視讓學(xué)生在具體實驗項目中訓(xùn)練數(shù)據(jù)處理能力,忽視了在緒論課上為學(xué)生建立系統(tǒng)的理論框架和流程。
針對我校學(xué)生的另外一項調(diào)查結(jié)果顯示,超過50%的學(xué)生認(rèn)為大學(xué)物理實驗以驗證性為主,其實驗內(nèi)容、方法和步驟已事先設(shè)計好,實驗設(shè)備也是固定的,通過測量得到結(jié)果、記錄并根據(jù)公式計算就完成了數(shù)據(jù)處理工作,沒有必要做更多處理。
根據(jù)上述分析,本文從思想認(rèn)識、知識框架梳理和教材編排、實驗資源優(yōu)化三個方面提出解決措施。
在基礎(chǔ)課程教學(xué)中,授課對象多是低年級的學(xué)生,沒有經(jīng)過科學(xué)系統(tǒng)的實驗訓(xùn)練,尚不具備基礎(chǔ)的實驗?zāi)芰蛧?yán)謹(jǐn)規(guī)范的實驗素養(yǎng),這就要求實驗教師必須深入研究教材、研究實驗、梳理知識,形成科學(xué)的教學(xué)方案;還要以正確的教育思想和理念指導(dǎo)教學(xué),合理選擇教法和教具以激發(fā)學(xué)生興趣和熱情,應(yīng)用教學(xué)規(guī)律提高教學(xué)效果,啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會自己吸取營養(yǎng)[4]。
首先,培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力是物理實驗課程的基本任務(wù)。根據(jù)《理工科類大學(xué)物理實驗課程教學(xué)基本要求》“二、教學(xué)內(nèi)容基本要求”一節(jié)的闡述,大學(xué)物理實驗課程有關(guān)誤差和數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容包括:1)掌握測量誤差的基本知識,具有正確處理實驗數(shù)據(jù)的基本能力;2)掌握基本物理量的測量方法;3)了解常用的物理實驗方法,并逐步學(xué)會使用;4)掌握實驗室常用儀器的性能,并能夠正確使用。這些內(nèi)容基本包括了數(shù)據(jù)處理的全過程,也清晰地說明培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力是大學(xué)物理實驗課程的基本任務(wù)。
其次,物理實驗課程是培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力的絕佳載體。物理實驗課程由緒論課和諸多實驗項目組成,誤差與數(shù)據(jù)處理是緒論課的重要內(nèi)容,實驗項目涵蓋力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)等物理領(lǐng)域,涉及質(zhì)量、長度、時間、速度、密度、模量、電壓/電流、電阻、頻率等多種基本物理量以及各種材料特性的測量,包含了多種測量工具、測量方法。因此,數(shù)據(jù)處理貫穿于整個課程中,物理實驗課程在培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力方面具有其他課程無法替代的優(yōu)勢。
再次,數(shù)據(jù)處理并非單純的數(shù)學(xué)運算,而是多個包含濃厚物理意義的、相對獨立而又緊密聯(lián)系的活動的綜合。比如,數(shù)據(jù)的測量涉及了被測物理量、測量工具、測量方法、讀取方法等內(nèi)容,數(shù)據(jù)記錄涉及原始數(shù)據(jù)的記錄要求和規(guī)則,數(shù)據(jù)加工、分析及結(jié)論等更是囊括了眾多科學(xué)方法、工程工具的合理使用,并全方位體現(xiàn)一個人的綜合能力。因此,數(shù)據(jù)處理訓(xùn)練是培養(yǎng)學(xué)生基本實驗?zāi)芰?、基本科學(xué)素養(yǎng)的手段,是達(dá)成課程目標(biāo)的有效抓手[5]。
最后,數(shù)據(jù)處理是理工科學(xué)生將來從事科學(xué)研究和工程技術(shù)工作的一項基本的能力,對未來職業(yè)發(fā)展有重要作用。實驗教師必須從立德樹人的高度正確認(rèn)知數(shù)據(jù)處理,思想上高度重視,產(chǎn)生強(qiáng)烈的責(zé)任感,并有效傳遞給學(xué)生;在教學(xué)活動中充分發(fā)揮教師主導(dǎo)作用,積極研究學(xué)情、教情,探索行之有效的教學(xué)方法,促進(jìn)學(xué)生對理論知識的吸收和實踐能力訓(xùn)練,切實提高育人能力。
“舉一綱而萬目張,解一卷而眾篇明”、“提綱而眾目張,振領(lǐng)而群毛理”,這些古代文學(xué)精粹淺顯易懂,卻又巧妙地揭示了知識體系化、系統(tǒng)化在學(xué)習(xí)中的重要作用,提供了非常好的學(xué)習(xí)方法。
根據(jù)奧蘇伯爾的有意義學(xué)習(xí)理論,有邏輯組織的學(xué)習(xí)材料有利于學(xué)生理解、保持和應(yīng)用。教師應(yīng)該通過教學(xué)研究給學(xué)生呈現(xiàn)有邏輯的學(xué)習(xí)材料,促進(jìn)陳述性知識向程序性知識的轉(zhuǎn)化;通過綱要策略把信息組合成具有一定意義的整體,以層次網(wǎng)絡(luò)和流程圖的形式串聯(lián)各知識要素的內(nèi)在聯(lián)系和時序性,幫助學(xué)生捕捉中心和主線,形成整體知識結(jié)構(gòu)。根據(jù)奧蘇伯爾認(rèn)知結(jié)構(gòu)遷移理論,教材的呈現(xiàn)應(yīng)該體現(xiàn)有序性和概括性,科學(xué)地編排和呈現(xiàn)教材,能夠促進(jìn)學(xué)生形成良好的認(rèn)知結(jié)構(gòu)[6]。
據(jù)此,對本章內(nèi)容進(jìn)行了知識體系重構(gòu)。首先從系統(tǒng)性角度將誤差處理作為數(shù)據(jù)處理的一個內(nèi)部環(huán)節(jié);然后按照工作順序?qū)y量、記錄、加工、分析和總結(jié)編排為一個流,串聯(lián)各項內(nèi)容;最后,梳理相關(guān)知識點并歸納至對應(yīng)環(huán)節(jié)下。新的知識框架如圖2所示。
圖2 數(shù)據(jù)處理知識框架圖
測量與記錄環(huán)節(jié)包括測量工具、測量方法、數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)記錄。要求學(xué)生能夠了解基本物理量的測量工具有哪些、不同測量工具對測量結(jié)果的影響、測量工具的計量對測量結(jié)果可信度的影響;了解常見的測量方法并恰當(dāng)選擇;掌握準(zhǔn)確讀取數(shù)據(jù)的方法以及記錄原始數(shù)據(jù)的規(guī)則。此環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)作風(fēng)和嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。
數(shù)據(jù)加工環(huán)節(jié)的首要任務(wù)是分析測量數(shù)據(jù)的誤差,并按照科學(xué)方法篩選,生成有效數(shù)據(jù),特別謹(jǐn)慎地對待異常數(shù)據(jù)。要求學(xué)生了解誤差的定義、分類和來源,掌握各種誤差的處理方法。通過學(xué)習(xí),學(xué)生應(yīng)達(dá)到這樣的能力:①通過對實驗結(jié)果的誤差計算和分析,判斷實驗所選用儀器是否合理;②能夠分析實驗中存在哪些系統(tǒng)誤差及消減方法;③掌握誤差計算和簡化方法;④分析各變量對結(jié)果誤差的貢獻(xiàn),并找出提高實驗精度的方向[7]。在此環(huán)節(jié)需要特別注意對異常數(shù)據(jù)的處理,一定要根據(jù)科學(xué)的方法和準(zhǔn)則,如拉依達(dá)法則,慎重地地予以剔除或者重新驗證。一方面有利于獲得更加有效的實驗結(jié)論,另一方面有利于培養(yǎng)學(xué)生培養(yǎng)認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度[8-10]。
誤差分析完成后,還要進(jìn)行測量不確定度的分析,即評估測量值的不確定程度。合理地、正確地計算不確定度不僅是大學(xué)物理實驗中具備的能力,而且在學(xué)生未來的科研、工程技術(shù)、計量和產(chǎn)品質(zhì)量管理等工作中都是必不可少缺少的能力[11]。本環(huán)節(jié)要求學(xué)生了解不確定度評價的意義、掌握具體的分析方法。
數(shù)據(jù)分析是運用適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計分析方法對實驗數(shù)據(jù)加以匯總和理解并消化,以求最大化地開發(fā)數(shù)據(jù)的功能,發(fā)揮數(shù)據(jù)的作用。其目的是為了提取有用信息和形成結(jié)論而對數(shù)據(jù)加以詳細(xì)研究和總結(jié)概括的過程[12]。此環(huán)節(jié)要求學(xué)生能夠掌握常用的數(shù)據(jù)分析方法,如列表法、作圖法、最小二乘法、零偏差法、回歸法等,并根據(jù)學(xué)情引入科學(xué)合理的分析工具,如通用數(shù)據(jù)處理軟件Excel/Origin、專用數(shù)學(xué)軟件MATLAB/Mathematica/Maple以及編程語言工具。
實驗結(jié)論是從計算結(jié)果出發(fā),結(jié)合已學(xué)到的理論知識,歸納總結(jié)而得到的概括性的判斷,應(yīng)和實驗?zāi)康南鄬?yīng)[13]。對驗證性和設(shè)計性實驗,實驗結(jié)論是指數(shù)據(jù)分析結(jié)果與實驗原理、規(guī)律和公式之間的匹配程度;對研究性實驗,實驗結(jié)論則是指數(shù)據(jù)分析結(jié)果所體現(xiàn)的物理量的變化規(guī)律或者物理量之間的變化關(guān)系,可以是定性的,也可以是定量的。通過實驗結(jié)論的撰寫,培養(yǎng)學(xué)生通過理論知識歸納、總結(jié)、分析、判斷物理現(xiàn)象和物理規(guī)律的能力。
新的知識框架以流程為主線厘清了知識脈絡(luò),知識點分布有序,各環(huán)節(jié)功能清晰、輸出明確,具有良好的條理性、層次性和高度概括性,有助于學(xué)生構(gòu)建系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理知識網(wǎng)絡(luò),提升教學(xué)質(zhì)量。
實驗項目訓(xùn)練是培養(yǎng)學(xué)生能力的基本載體,包括基本物理量的測量、多種測量工具和測量方法等,為學(xué)生提供了豐富的實踐場景和機(jī)會。因此,明確物理實驗課程在培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力方面的總體目標(biāo),根據(jù)每個實驗的性質(zhì)和特點合理分解目標(biāo),賦予其不同的職責(zé),實驗內(nèi)容之間相互獨立又各有側(cè)重,形成一個有機(jī)整體,共同支撐目標(biāo)達(dá)成,這是十分有必要且有意義的。
對我校物理實驗課程從數(shù)據(jù)處理能力培養(yǎng)角度予以挖掘與優(yōu)化,精煉為30個相對獨立而又相互支撐的實驗項目,為學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力訓(xùn)練提供強(qiáng)了有力的支撐,包括:1)可以開展時間、長度、質(zhì)量、溫度等29個基礎(chǔ)物理量的測量;2)多種數(shù)據(jù)處理方法和工具,如列表法、圖解法、最小二乘法、逐差法等常用的數(shù)據(jù)處理方法以及Excel、Origin等新的處理工具;3)有25個實驗可以開展全流程數(shù)據(jù)處理訓(xùn)練。
圖3 數(shù)據(jù)處理能力培養(yǎng)策略圖示
以上,如圖3所示。根據(jù)綱要策略對各獨立的陳述性知識點予以梳理,形成流程化、網(wǎng)絡(luò)化的理論知識框架,有助于學(xué)生構(gòu)建系統(tǒng)有機(jī)的認(rèn)知體系;再通過典型案例的講解和習(xí)題訓(xùn)練以及生動的實驗項目訓(xùn)練,能夠?qū)㈥愂鲂灾R轉(zhuǎn)變?yōu)槌绦蛐灾R,形成運用理論知識解決問題、探尋深層意義的認(rèn)知策略,具備將數(shù)據(jù)處理流程和方法運用于實際情境并順利完成任務(wù)的智慧技能,培養(yǎng)懂原理、講實效的數(shù)據(jù)處理能力。
為了驗證上述改進(jìn)措施的有效性,并客觀準(zhǔn)確地評價實施效果,選取我校2020級土木類專業(yè)的10個班級作為樣本,采用對比法開展教學(xué)實踐。將10個班級分為兩組,其中5個班級為對照組,仍然采用原有授課方式;另外5個班級為實驗組,采用新的授課方式。同一年級同一專業(yè)的學(xué)生,可以認(rèn)為其理論水平和實踐能力是一樣的,保證了教學(xué)前的數(shù)據(jù)處理能力為同一水準(zhǔn)。教學(xué)實踐的有關(guān)內(nèi)容概述如下。
第一,線上線下結(jié)合,提高學(xué)習(xí)效率。將一部分有關(guān)課程規(guī)則性質(zhì)的內(nèi)容編寫為單獨的文件,將一些容易理解的知識點制作成微課件,比如誤差的基本分類和來源、有效數(shù)字、基本測量儀器的使用方法等,放在超星平臺上,供學(xué)生自主學(xué)習(xí),減少占用課堂教學(xué)時間;較難理解的知識點則在課堂上重點講解,提高課堂效率。
第二,融入課程思政元素
思政教育元素與物理實驗課程建設(shè)相互融合,是課程教學(xué)落實立德樹人理念的重要基礎(chǔ),也是促進(jìn)物理實驗教學(xué)的重要手段和方法。數(shù)據(jù)處理包含了從數(shù)據(jù)測量到實驗結(jié)論這樣一個長長的、完整而系統(tǒng)的鏈條,幾乎貫穿了所有自然科學(xué)的發(fā)展歷史,與人類進(jìn)步緊密相連。在授課時將珠峰測高、深海蛟龍海底探測等我國在前沿科技方面取得的最新成果引入課堂,讓學(xué)生對測量有關(guān)的內(nèi)容產(chǎn)生更深刻的認(rèn)知以引導(dǎo)其價值觀的形成,不但可以有效增強(qiáng)其學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力,還能激發(fā)民族自豪感,達(dá)到實驗教學(xué)立德樹人的本質(zhì)目標(biāo)[14]。
第三,采用樣例教學(xué)。樣例教學(xué)是利用樣例促進(jìn)學(xué)生問題解決圖式形成的一種有效教學(xué)策略,能夠提高教學(xué)效率,還有利于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力[6]。在教學(xué)時選取《密度測量》實驗作為數(shù)據(jù)處理案例,融入講課過程;還提供一個綜合性的習(xí)題,供學(xué)生課下實踐練習(xí),及時鞏固課堂學(xué)習(xí)成果。
選取了《旋轉(zhuǎn)液體綜合實驗》實施教學(xué)實踐?!缎D(zhuǎn)液體綜合實驗》通過電機(jī)帶動容器中液體旋轉(zhuǎn)形成拋物面,模擬為光學(xué)透鏡模型計算重力加速度,并可驗證透鏡焦距與旋轉(zhuǎn)周期的關(guān)系,還可以探究凹面鏡成像特征與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。實驗中既有經(jīng)典的重力加速度、透鏡成像等物理原理,還引入了霍爾傳感器測速、半導(dǎo)體激光器定標(biāo)等先進(jìn)技術(shù),是一個既經(jīng)典又現(xiàn)代的實驗。
該實驗幾乎涵蓋了所有數(shù)據(jù)處理有關(guān)的理論知識和方法,具有豐富的實驗題材和資源,是培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力的理想載體。在物理量的測量方面,既包含了直徑、高度、焦距、周期等物理量的直接測量,體積、重力加速度等間接測量,還包括多種測量工具,多次測量求平均值、目視估讀、參照標(biāo)定等測量方法;在數(shù)據(jù)分析方法上,既可以采用傳統(tǒng)的列表法計算重力加速度,還可以用最小二乘法借助Excel工具擬合斜率計算重力加速度、探究焦距與旋轉(zhuǎn)周期之間的關(guān)系等。
根據(jù)學(xué)生課堂上實驗情況和課后實驗報告,對實驗組和對照組從五個方面統(tǒng)計數(shù)據(jù)并對比分析,結(jié)果如圖4所示。
圖4 教學(xué)實踐數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖
第①個方面為長度的測量和計算中能否正確的保留有效數(shù)字,第②個方面是在測量重力加速度中能否正確的計算誤差。從數(shù)據(jù)看,實驗組和對照組的結(jié)果基本相當(dāng),掌握情況都相對比較理想。
第③個方面是能否合理分析誤差產(chǎn)生的原因。從數(shù)據(jù)看,實驗組有68%的同學(xué)能夠正確分析誤差原因,對照組則只有32.5%。兩組結(jié)果都不理想,但實驗組相比對照組有非常明顯的改善。
第④個方面是能否在數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上形成有效結(jié)論。實驗組有71%的同學(xué)能夠通過數(shù)據(jù)歸納總結(jié)形成有效結(jié)論,而對照組則僅有11.2%。數(shù)據(jù)清晰地表明了對策的有效性。
第⑤個方面是能否合理且正確的使用數(shù)據(jù)處理方法如作圖法、列表法和最小二乘法。數(shù)據(jù)表明實驗組有接近90%的同學(xué)能夠達(dá)成目標(biāo),而對照組則不足70%,進(jìn)一步說明了改善效果。
另外一項數(shù)據(jù)顯示,實驗組有十多位同學(xué)提出了提高測量高低液面差精度的思路,甚至有同學(xué)給出了較為詳細(xì)的方法,而對照組則沒有這種現(xiàn)象。這充分說明在新教學(xué)方式的啟發(fā)下,實驗組同學(xué)不但掌握了誤差分析的基本理論和方法,還能夠應(yīng)用到具體問題解決中,表現(xiàn)出明顯的“學(xué)以致用”這一科學(xué)素養(yǎng)的初步形成,值得深入挖掘和研究。
本文對大學(xué)物理實驗課程中數(shù)據(jù)處理能力現(xiàn)狀展開調(diào)研和分析,指出思想認(rèn)識轉(zhuǎn)變是解決問題的前提,并基于學(xué)習(xí)策略和認(rèn)知策略對相關(guān)理論知識予以梳理,形成了具有良好的條理性、層次性和高度概括性的知識框架,還優(yōu)化了實驗資源。為了驗證改善對策的有效性,選取了10個班級作為樣本在理論課和實驗課上進(jìn)行了教學(xué)實踐。實踐數(shù)據(jù)表明,新的教學(xué)方案能夠讓學(xué)生形成數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)思維,并在分析誤差原因、數(shù)據(jù)處理方法以及形成有效結(jié)論等方面有明顯的改善效果。