Компьютерная обработка данных натурного эксперимента как

М.И. Старовиков
ФГБОУ ВПО «Алтайская государственная академия образования имени
В.М Шукшина»
УДК 372.853
Компьютерная обработка результатов измерений
в лабораторном практикуме по физике
Аннотация. В статье представлена методика организации лабораторного
практикума по физике с применением ПК как средства обработки данных, полученных в натурном эксперименте. Методика предусматривает оформление
студентами «бумажной» и «электронной» частей отчета о выполнении лабораторной работы. Электронная часть отчета в среде MS Excel предъявляется преподавателю для проверки и обсуждения непосредственно на экране монитора.
В совокупности результаты измерений, вычислений, графических построений
можно рассматривать как эмпирическую модель исследуемого явления. Модель
является интерактивной. Варьируя записанные в ячейках численные значения
параметров, данную модель можно исследовать так же, как и любую другую.
Отметка о выполнении работы выставляется студентам по результатам исследования этой модели.
Ключевые слова: компьютер в учебной физической лаборатории, компьютерная обработка данных натурного эксперимента.
Персональный компьютер (ПК) является инструментом для реализации
самых совершенных в математическом отношении методов обработки данных.
Благодаря использованию компьютера многие сложные и трудоемкие статистические, графические, численные методы, ранее доступные лишь узкому кругу специалистов, стали доступны широкому кругу пользователей ПК, в том
числе, студентам и даже школьникам. Эти методы в совокупности с компьютерными технологиями их реализации должны быть представлены в учебном
процессе по различным предметным дисциплинам, в том числе, в лабораторных
практикумах по физике.
Необходимым условием успешного внедрения в учебный процесс ком-
пьютерных технологий обработки данных натурного эксперимента является
разработка соответствующего методического обеспечения. При этом разработке и существенному преобразованию в той или иной степени подлежат практически все компоненты физического практикума, его содержательная и процессуальная стороны: тематика и содержание лабораторных работ, методики планирования эксперимента и обработки результатов измерений, порядок и форма
отчета, способы контроля результатов обучения и т.д.
Обзор методической и учебной литературы, а также учебных планов и
программ, публикуемых вузами в сети Интернет, показывает следующее. В
настоящее время практически по всем специальностям и профилям в учебные
планы включены дисциплины, направленные на обучение студентов методам
математической обработки данных, в том числе, с применением ПК. Вместе с
тем, содержание этих дисциплин в целом не ориентировано на освоение студентами тех методов, которые используются при выполнении лабораторных
работ в физическом практикуме. Значительная часть их содержания (например,
методы проверки статистических гипотез относительно вида функции распределения случайной величины, ряд вопросов дисперсионного, корреляционного
анализа и т.д.) в практикумах по общей и экспериментальной физике в настоящее время не находит применения. Необходимо отметить также, что в учебной
и методической литературе можно найти лишь единичные примеры описаний
лабораторных работ по физике с рекомендациями по обработке данных на компьютере.
Таким образом, по нашей оценке, является актуальной задача разработки
методик проведения лабораторных практикумов по различным разделам курса
физики, предусматривающих регулярное использование компьютера как средства обработки результатов измерений.
Нами разработаны варианты такого рода методик, предусматривающие
как фронтальное выполнение работ, так и выполнение работ «по кругу». Фронтальное выполнение работ используется преимущественно для первоначального ознакомления студентов с методиками компьютерной обработки экспери-
ментальных данных. Нами выделено пять видов натурного учебного эксперимента, различающихся составом средств их выполнения1. Данная классификация позволяет организовать поэтапное, развернутое во времени обучение методам обработки результатов измерений.
Рассмотрим сюжет занятия с фронтальным выполнением работы. При таком способе выполнения работ тексты с рекомендациями, как правило, использовать нет необходимости. Задание к работе формулирует преподаватель. Студенты записывают задание в тетрадь, тем самым они начинают оформление
«бумажной» части отчета. Далее деятельность студентов организуется в соответствии с планом, являющимся инвариантным для всех видов эксперимента.
В обобщенном плане (модели) деятельности студентов по выполнению
учебного эксперимента выделяем три этапа: 1) планирования, 2) получения
первичных данных, 3) их обработки и интерпретации. На этапе планирования
эксперимента основная задача состоит в разработке метода (методики) исследования, поэтому данная часть отчета снабжается заголовком «Разработка метода». Преподаватель организует коллективную деятельность по актуализации
уже изученного и усвоению новых элементов знания об исследуемом явлении.
Результатом этой деятельности является получение расчетной формулы (формул), определение состава контролируемых величин и способа их определения.
Положения теории, лежащей в основе эксперимента, и полученная расчетная
формула заносятся в отчет под заголовком «Актуализация теоретических знаний, вывод расчетной формулы».
Далее, с использованием расчетной формулы осуществляется анализ точности и достоверности определения контролируемых величин. В отчет результаты этого анализа включаются под заголовком «Предварительная оценка погрешностей измерений».
После выявления источников погрешностей измерений планируются меры по их минимизации. Это достигается изоляцией исследуемого явления, выбором оптимальных диапазонов измерений, увеличением числа измерений и
т.п. В отчете эта часть разработки плана отражается под заголовком «Условия
проведения измерений».
Этап планирования завершается разработкой формы таблицы для записи
первичных экспериментальных данных. Форма таблицы, а также объем измерений, способ нахождения искомой величины и оценки точности ее определения планируются с учетом выполнения обработки данных на компьютере.
На следующем этапе занятия, этапе получения первичных данных, осуществляется сборка, наладка и тестирование экспериментальной установки,
подготовка образцов, выполнение измерений и наблюдений, фиксирование их
результатов. Эти действия, как правило, осуществляется микрогруппами студентов по два человека.
Как видно, присутствие компьютеров в лаборатории и учет возможности
их использования при обработке результатов измерений не приводит к исключению тех действий, которые являются инвариантными для всякого натурного
эксперимента, как научного, так и учебного.
Методические особенности проведения практикума с применением ПК
как средства обработки результатов измерений в наибольшей степени проявляются на этапе обработки и интерпретации результатов измерений и наблюдений. На данном этапе оформляется «электронная» часть отчета о выполнении
лабораторной работы. Отметим, что ПК размещаются непосредственно в физической лаборатории, их количество соответствует числу микрогрупп студентов.
В качестве программной среды нами используется табличный процессор MS
Excel.
Электронная часть отчета включает: 1) название работы; 2) результаты
прямых измерений и вычислений искомых величин, представляемых, как правило, в виде таблиц; 3) графики; 4) исходные данные для оценки погрешностей
прямых, косвенных, совместных измерений и результаты этих оценок.
В совокупности все эти данные на листе Excel можно рассматривать как
эмпирическую модель исследуемого явления. Модель является интерактивной.
Варьируя записанные в ячейках численные значения параметров, данную модель можно исследовать так же, как и любую другую. Отметим возможность
осуществления с моделью следующих действий:

оценка доверительных интервалов косвенно определяемых величин пу-
тем варьирования результатов прямых измерений в пределах их погрешностей;

построение и анализ точечных графиков с использованием различных
функциональных масштабов, построение аппроксимирующих кривых различными методами, нахождение вида аппроксимирующих функций и их параметров с применением регрессионного анализа, оценка статистической неопределенности искомых величин;

в тех случаях, когда это возможно, построение теоретической модели
изучаемого явления, сопоставление этой модели с эмпирической, построенной
по результатам измерений. Определение условий и границ применимости используемой теории для описания исследуемого явления.
Итоги выполнения каждой работы, выполняемой фронтально, обсуждаются. При этом сопоставляются результаты, полученные разными микрогруппами студентов, рефлексируются все существенные моменты работы. Отметка
о выполнении работы выставляется студентам по результатам этого обсуждения.
Фронтальное выполнение лабораторных работ в физическом практикуме
дополняется выполнением экспериментов «по кругу». В этом случае учебная
деятельность студентов организуется с использованием описаний лабораторных работ, которые предъявляются на «твердом» или «электронном» носителе.
На основе этих описаний студентами более или менее самостоятельно планируется и реализуется эксперимент, осуществляется компьютерная обработка полученных данных. Электронная часть отчета предъявляется преподавателю для
проверки и обсуждения непосредственно на экране монитора. При этом всегда
находится повод для индивидуальной беседы, в ходе которой выявляются достоинства и недочеты работы. Отметка о выполнении работы выставляется студентам по результатам этого обсуждения после устранения недочетов.
Старовиков М.И. Ведение в экспериментальную физику: Учебное пособие. – СПб: Издательство «Лань», 2008. – 240с.
1