韓山師范學(xué)院教育科學(xué)學(xué)院(521041) 劉茂軍 薛勝蘭

1 數(shù)據(jù)處理的重要性

2013年美國(guó)發(fā)布《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》(Next Generation Science Standards：For States，By States，簡(jiǎn)稱NGSS)，將“科學(xué)實(shí)踐”作為首要的關(guān)鍵詞列入該標(biāo)準(zhǔn)中?？茖W(xué)實(shí)踐被細(xì)分為八個(gè)維度，數(shù)據(jù)(Data)及其處理對(duì)于科學(xué)實(shí)踐其他維度的實(shí)現(xiàn)具有重要的基礎(chǔ)性作用[1]。首先，數(shù)據(jù)處理作為數(shù)據(jù)分析的手段，是“分析與解釋數(shù)據(jù)”(Analyzing and interpreting data)的直接依據(jù)。同時(shí)，由于數(shù)據(jù)是定量科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的主要表現(xiàn)形式，作為定量研究結(jié)果的主要證據(jù)，數(shù)據(jù)也是“運(yùn)用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維”(Using mathematics and computational thinking)、“建構(gòu)解釋和設(shè)計(jì)解決問題”(Constructing explanations and designing solutions)，以及“通過證據(jù)進(jìn)行論證”(Engaging in argument from evidence)等科學(xué)實(shí)踐維度的基礎(chǔ)。因此，數(shù)據(jù)分析就成為NGSS科學(xué)實(shí)踐的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。我國(guó)在科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中也明確強(qiáng)調(diào)要重視數(shù)據(jù)的分析與處理，例如在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中提到“獲取和處理信息”“基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋”等，并在“課程內(nèi)容”中多次提到“數(shù)據(jù)”的收集與處理，如在“相互作用與運(yùn)動(dòng)規(guī)律”模塊提到“會(huì)用基本的力學(xué)實(shí)驗(yàn)器材獲取數(shù)據(jù)，能用物理圖象描述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能根據(jù)數(shù)據(jù)得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，知道實(shí)驗(yàn)存在的誤差”。在“機(jī)械能及其守恒定律”部分的“活動(dòng)建議”中提到“收集汽車剎車距離與車速關(guān)系的數(shù)據(jù)，用動(dòng)能定理進(jìn)行解釋”[3]。

傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺乏精確定量化數(shù)據(jù)的支持，大多維持在現(xiàn)象觀察的水平，收集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、運(yùn)用數(shù)據(jù)進(jìn)行論證等環(huán)節(jié)嚴(yán)重缺失[4]。隨著社會(huì)的發(fā)展，高科技手段越來越多地應(yīng)用于科學(xué)教育以提升其品質(zhì)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是典型代表。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)通過為物理實(shí)驗(yàn)提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)和多元化的數(shù)據(jù)處理方式，為學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)的開展提供了理想的平臺(tái)[5]。下面，以PASCO數(shù)字化實(shí)驗(yàn)為例來說明數(shù)據(jù)處理的基本方法。

2 物理PASCO數(shù)字化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集模式

不同品牌的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作原理和工作方式類似。以PASCO數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(CA-6787)為例，它是由美國(guó) PASCO公司生產(chǎn)的，由數(shù)字化傳感器、數(shù)據(jù)采集器(Interface)和數(shù)據(jù)軟件(DataStudio)3個(gè)部分組成。傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器輸入計(jì)算機(jī)，并通過數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、記錄和處理。基本工作原理如圖1所示。

圖1 PASCO數(shù)字化實(shí)驗(yàn)基本原理圖

PASCO數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件除了具有“打開活動(dòng)”“創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)”功能外，還具備“輸入數(shù)據(jù)”“圖表方程式”等功能。

與其他3個(gè)功能相比，PASCO數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的“創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)”功能具備多重?cái)?shù)據(jù)采集和分析方法，對(duì)數(shù)據(jù)的分析與解釋也最具代表性，本文著重分析它的數(shù)據(jù)處理功能，以期對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)處理提供參考。

每次進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)操作之前，都需要打開DataStudio軟件，進(jìn)入到系統(tǒng)界面的“創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)”功能區(qū)域，點(diǎn)擊進(jìn)入的界面如圖2所示。實(shí)驗(yàn)組裝、設(shè)置完成后，點(diǎn)擊“啟動(dòng)”按鈕開始數(shù)據(jù)記錄，實(shí)驗(yàn)過程完成后點(diǎn)擊“停止”按鈕終止記錄。其中左側(cè)“摘要”欄為數(shù)據(jù)采集選項(xiàng)，不同的選項(xiàng)具有不同的功能，可以為不同的實(shí)驗(yàn)提供不同類型的數(shù)據(jù)?！皥D表”選項(xiàng)中的數(shù)據(jù)可以用來分析整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，有利于學(xué)生理解知識(shí)本質(zhì)，因此，一般選擇“圖表”選項(xiàng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的觀測(cè)、處理與分析。通過圖2右側(cè)的“圖表1”窗口，可以直接觀測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)圖象。

圖2 “創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)”窗口

3 運(yùn)用PASCO數(shù)字化傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理可視化的基本方法

下面，以PASCO數(shù)字化傳感器系統(tǒng)中DataStudio軟件的“圖表”選項(xiàng)為例來說明如何進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理。

3.1 分析數(shù)據(jù)的完整過程

“圖表”窗口具有連續(xù)記錄功能，學(xué)生可以觀測(cè)實(shí)驗(yàn)發(fā)生的動(dòng)態(tài)過程，分析不同實(shí)驗(yàn)的完整曲線。學(xué)生在這一環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)處理中需要注意的問題包括：數(shù)據(jù)采集時(shí)間要足夠長(zhǎng)、從整體上分析圖象趨勢(shì)、測(cè)量關(guān)鍵數(shù)據(jù)等。

以“單擺實(shí)驗(yàn)”為例[6]，“啟動(dòng)”后運(yùn)動(dòng)傳感器(Motion Sensor)采集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)會(huì)沿著正弦曲線的軌跡不斷向前推進(jìn)，如圖3所示，在圖表中可以清晰觀察到這一動(dòng)態(tài)過程，同時(shí)記錄單擺擺動(dòng)過程中位置、速度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)關(guān)系，便于理解單擺周期、振幅等基本特征。同時(shí)，通過“正弦擬合”工具，可以直接測(cè)量關(guān)鍵變量的具體數(shù)值，如圖3所示，單擺周期為1.68 s，振幅為0.061 1 m。

圖3 單擺“位置-時(shí)間”曲線

3.2 聚焦物理數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵“節(jié)點(diǎn)”

有些科學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是轉(zhuǎn)瞬即逝的，甚至部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，如果學(xué)生觀測(cè)方法不當(dāng)，則很容易錯(cuò)過最佳時(shí)機(jī)，無(wú)法觀測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以“捕捉”到關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的每個(gè)數(shù)據(jù)，通過將數(shù)據(jù)“放大”處理，可以有效避免這一現(xiàn)象的發(fā)生。這一環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)處理，學(xué)生需要注意的關(guān)鍵問題包括：數(shù)據(jù)橫軸拉至足夠長(zhǎng)、坐標(biāo)標(biāo)度足夠小、數(shù)據(jù)采樣率調(diào)至足夠大、改變實(shí)驗(yàn)參量等。

以“自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)”為例[7]，分別用兩個(gè)電流傳感器(Current Sensor)測(cè)量?jī)蓚€(gè)支路(電阻支路、電感支路)的電流變化并進(jìn)行比較，通電時(shí)電感支路的電流會(huì)受到自感線圈的“阻礙”作用，因此達(dá)到穩(wěn)定電流所需的時(shí)間較長(zhǎng)，將時(shí)間標(biāo)度拉至足夠小就可以觀測(cè)到明顯的區(qū)別，如圖4所示；斷電時(shí)，同樣由于電感支路的“阻礙”作用，線圈支路的電流會(huì)“逐漸”減小、電阻支路會(huì)出現(xiàn)反向電流，從而出現(xiàn)圖5所示的情形。改變采樣頻率、更換自感線圈(改變自感系數(shù))或增加鐵芯，對(duì)電流達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)間、反向電流的大小等都會(huì)產(chǎn)生影響。通過數(shù)據(jù)分析和解釋，學(xué)生更容易理解自感現(xiàn)象的本質(zhì)。

圖4 通電自感電流曲線

圖5 斷電自感電流曲線

3.3 數(shù)據(jù)定量計(jì)算獲得結(jié)論

大量物理實(shí)驗(yàn)規(guī)律的獲得都是通過定量數(shù)據(jù)計(jì)算得來的，定量數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)處理”的重要手段。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線上每一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)大小都可以精確定量。這一環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)分析與處理，學(xué)生需要注意的關(guān)鍵問題包括：確定有效數(shù)據(jù)、排除誤差干擾、數(shù)據(jù)計(jì)算符合科學(xué)原理等。

以“動(dòng)量定理實(shí)驗(yàn)”為例[8]，由于合外力的大小很難恒定，常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法無(wú)法定量比較動(dòng)量變化量大小與沖量的關(guān)系。運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分別測(cè)量“速度—時(shí)間”“力—時(shí)間”關(guān)系曲線，并將兩個(gè)圖表拖拽到同一個(gè)時(shí)間軸內(nèi)，有效解決兩個(gè)數(shù)據(jù)的同時(shí)性問題。如圖6所示，圖的上半部分標(biāo)注的A、B兩點(diǎn)(A、B為合外力作用前后的速度節(jié)點(diǎn))的數(shù)據(jù)差即為速度大小的改變量，乘以質(zhì)量即是動(dòng)量大小的變化量。圖的下半部分是與A、B兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的力與時(shí)間的累積效果，也就是選中的力的數(shù)據(jù)值與時(shí)間的乘積(“區(qū)域”的數(shù)值)，即為沖量的大小。比較這兩個(gè)數(shù)據(jù)即可探究出動(dòng)量定理的基本規(guī)律。

圖6 動(dòng)量定理實(shí)驗(yàn)曲線

3.4 運(yùn)用系統(tǒng)工具實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一般都帶有一定的處理工具，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。PASCO數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的“圖表”窗口中有多個(gè)可用于數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)工具，包括“智能工具”“擬合工具”“計(jì)算工具”“求和工具”“斜率工具”“放大(縮小)工具”等。

以“智能工具”為例，它可以用來精準(zhǔn)定位數(shù)據(jù)并顯示大小，同時(shí)也可以精確計(jì)算不同數(shù)據(jù)間的差值，如圖7所示“光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)”曲線[9]，可以選定n個(gè)(此實(shí)驗(yàn)為4個(gè))波峰之間的角度差(此實(shí)驗(yàn)中差值為34.3°度)，計(jì)算出相鄰波峰之間的距離，從而驗(yàn)證光的雙縫干涉原理。再如使用“擬合工具”也可以有效進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常用的擬合工具包括正弦擬合、線性擬合、正比擬合等，“自由落體實(shí)驗(yàn)”[10]用到這一功能，在運(yùn)動(dòng)傳感器正下方釋放一個(gè)乒乓球，乒乓球做往復(fù)的自由落體運(yùn)動(dòng)，“速度—時(shí)間”曲線如圖8所示，對(duì)任意一個(gè)完整的往復(fù)運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行“線性擬合”，斜率(此實(shí)驗(yàn)斜率大小為9.79)即為重力加速度的值。

圖7 光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)曲線

圖8 自由落體運(yùn)動(dòng)“速度-時(shí)間”曲線

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與處理是科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室開展科學(xué)研究的重要手段，更是建構(gòu)科學(xué)理論的基礎(chǔ)。利用PASCO數(shù)字化傳感器實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可視化處理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)分析，有利于提升學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的綜合能力。物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生借助數(shù)字、圖表、圖象等數(shù)據(jù)工具建構(gòu)簡(jiǎn)單的科學(xué)理論模型，引導(dǎo)他們基于可視化數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地進(jìn)行科學(xué)論證、辯論，用證據(jù)支撐自己的觀點(diǎn)。