黃澤璇 張軍朋

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

Origin軟件是美國Origin Lab公司開發(fā)的具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)分析與科技繪圖功能的軟件，該軟件快速、靈活、易學(xué)，已廣泛應(yīng)用于科研領(lǐng)域.目前已有相關(guān)的研究將Origin軟件引進(jìn)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，如自由落體實(shí)驗(yàn)[1]、測量電源電動勢及內(nèi)阻[2]、功與速度變化的關(guān)系[3]等，學(xué)生在進(jìn)行這類實(shí)驗(yàn)前能根據(jù)先前理論知識的學(xué)習(xí)，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測，在此基礎(chǔ)上利用Origin軟件的直線擬合或多項(xiàng)式擬合功能分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有效利用了該軟件在圖像擬合上方便、快捷的特點(diǎn).

課題研究是《普通高中課程方案》中研究性學(xué)習(xí)的重要組成部分[4]，與常規(guī)實(shí)驗(yàn)不同的是，它研究的問題主要來源于生活實(shí)際，且變量之間的關(guān)系往往是未知的.而Origin軟件強(qiáng)大的自定義函數(shù)擬合功能及數(shù)據(jù)分析功能，可幫助學(xué)生在未知變量具體關(guān)系的前提下，快速尋求變量之間的函數(shù)關(guān)系并進(jìn)一步挖掘相關(guān)信息，有效促進(jìn)課題研究的開展.本文以“半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器特性的實(shí)驗(yàn)研究”課題為例，介紹Origin軟件在高中物理課題研究中的具體應(yīng)用.

1 高中物理課題研究案例

“半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器特性的實(shí)驗(yàn)研究” 是人教版選擇性必修第二冊提供的研究案例，實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑椤傲私獍雽?dǎo)體薄膜壓力傳感器在受到不同壓力作用時其電阻是如何變化的以及這種變化的規(guī)律，并了解該規(guī)律在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用”.實(shí)驗(yàn)需用到RFP602型半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器、鐵架臺、聚氨酯橡膠墊片、U型金屬框、鉤碼、數(shù)字多用電表等，裝置如圖1所示.通過改變傳感器下方鉤碼的數(shù)量來改變傳感器所受壓力的大小，數(shù)字多用電表的歐姆擋與傳感器的兩根引線相連直接測得不同壓力下傳感器的電阻值，以此來研究傳感器的電阻隨壓力變化的規(guī)律.

圖1 半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器特性的實(shí)驗(yàn)研究裝置圖

2 利用Origin軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)如表1所示.教材采用的是一般的數(shù)據(jù)處理方法，即列表、描點(diǎn)、連線，并通過作切線的方法根據(jù)截距求得具體的斜率大小.采用手工繪圖的方法不僅操作繁雜、誤差大且無法通過圖像確定函數(shù)表達(dá)式來表示變量間的具體關(guān)系.

表1 半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器在不同壓力下的電阻

利用Origin軟件可以很好地解決這一問題，以O(shè)rigin2017中文版為例介紹其具體應(yīng)用.

2.1 利用非線性曲線擬合功能繪制R-F圖像

打開Origin軟件，A(X)表示坐標(biāo)軸的橫軸，B(Y)表示坐標(biāo)軸的縱軸.分別填入橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的名稱，注釋及F(x)項(xiàng)可不填.由于該實(shí)驗(yàn)探究的是壓力傳感器的電阻隨壓力變化的規(guī)律，故令橫軸為壓力F，單位為N，縱軸為電阻值R，單位為kΩ，并將表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入數(shù)據(jù)表中，如圖2所示.接著選中A(X)和B(Y)兩列，直接點(diǎn)擊頁面左下方的散點(diǎn)圖按鈕.出現(xiàn)散點(diǎn)圖后點(diǎn)擊菜單欄的“分析-擬合-非線性曲線擬合-打開對話框”，彈出的對話框如圖3所示，軟件提供了多個類別下的多種函數(shù)，可以逐一選擇Origin軟件提供的函數(shù)類型進(jìn)行擬合，通過對比擬合結(jié)果(相關(guān)系數(shù)最大、殘差平方和最小)選出最佳的擬合曲線，也可根據(jù)散點(diǎn)圖的大致趨勢在具體的函數(shù)類型中進(jìn)行選擇.在該實(shí)驗(yàn)中，通過對比不同函數(shù)的擬合效果，得到R-F圖像如圖4所示.由圖4可知R與F滿足關(guān)系式

圖2 Origin軟件的壓力與電阻數(shù)據(jù)

圖3 自定義函數(shù)選擇

即R與F成指數(shù)型負(fù)相關(guān)關(guān)系，具體參數(shù)可見圖4中的擬合結(jié)果.

圖4 R-F圖像及函數(shù)關(guān)系

2.2 微分求導(dǎo) 繪制圖像

圖圖像

2.3 坐標(biāo)讀取 基于證據(jù)得出結(jié)論

如圖6所示，當(dāng)壓力為1 N時傳感器的靈敏度為28.35 kΩ/N,壓力為5 N時傳感器的靈敏度為1.32 kΩ/N，而教材通過手工作切線求得曲線在1 N和5 N處的斜率值分別為24 kΩ/N和1.9 kΩ/N，利用Origin有效提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)論的準(zhǔn)確度.通過圖6所示不同壓力下傳感器靈敏度的對比，可發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓力小于1.5 N時，傳感器的靈敏度較高.于是我們可以基于數(shù)據(jù)得出結(jié)論：為了使傳感器工作比較靈敏，作用在傳感器上的壓力應(yīng)小于1.5 N，因此在實(shí)際應(yīng)用情境中可根據(jù)實(shí)際對壓力進(jìn)行一定的放大或縮小，使作用在傳感器上的壓力小于1.5 N.

圖6 不同壓力下傳感器靈敏度的比較

3 將Origin軟件引進(jìn)課題研究的價(jià)值探討

通過以上案例的分析，可發(fā)現(xiàn)利用Origin軟件輔助高中物理課題研究具有以下價(jià)值.

(1)拓寬學(xué)生研究的空間，培養(yǎng)科學(xué)研究的基本能力

課題研究與通常的學(xué)生實(shí)驗(yàn)有很大的不同，其研究問題的解決需要學(xué)生經(jīng)歷真正的探究過程.在未知變量間關(guān)系的前提下，利用列表、描點(diǎn)、連線等傳統(tǒng)方法處理數(shù)據(jù)不僅操作繁雜、誤差大，學(xué)生也難以根據(jù)圖像確定變量間的具體函數(shù)關(guān)系.而Origin軟件強(qiáng)大的自定義函數(shù)擬合和數(shù)據(jù)分析功能，有助于學(xué)生快速確定變量間的函數(shù)關(guān)系并可利用微分、積分、峰值分析等功能進(jìn)一步挖掘相關(guān)信息，將學(xué)生從繁雜的數(shù)學(xué)分析中解放出來并拓寬研究的空間，提高了物理學(xué)習(xí)的有效性.此外，通過在課題研究中讓學(xué)生應(yīng)用相關(guān)的數(shù)據(jù)分析軟件，可以鍛煉學(xué)生科學(xué)研究的基本方法與技能.

(2)養(yǎng)成證據(jù)意識，發(fā)展核心素養(yǎng)

科學(xué)處理、分析與評估實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)意識的重要途徑，利用Origin軟件對課題研究中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致分析，有助于培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識并促進(jìn)核心素養(yǎng)的發(fā)展，體現(xiàn)在：

1)通過函數(shù)擬合功能引導(dǎo)學(xué)生從物理學(xué)的視角認(rèn)識事物的內(nèi)在規(guī)律和相互關(guān)系，促進(jìn)科學(xué)思維的發(fā)展；

2)利用不同的方法和手段分析和處理數(shù)據(jù)，使學(xué)生能描述與解釋探究結(jié)果和變化趨勢，并準(zhǔn)確表述、評估探究過程和結(jié)果，增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)探究能力；

3)通過Origin軟件引導(dǎo)學(xué)生基于證據(jù)和邏輯發(fā)表自己的見解，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究態(tài)度并正確認(rèn)識科學(xué)本質(zhì).