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摘要：大學物理實驗中的數據處理和誤差分析的思想應貫穿于實驗教學的始終，并引導學生利用計算機模擬技術處理實驗數據。長此以往，學生綜合運用知識的能力、解決問題的能力和綜合素質必將得到提高。
關鍵詞：計算機模擬；大學物理實驗；數據處理
隨著信息技術的發展和教育教學現代化的需要，計算機已經逐漸走進學校，走進課堂。尤其是基于互聯網的在線教學，實現了線上教學和線下教學的有機結合，使得課堂教學發生了結構性變革?？梢姡嬎銠C給學校教育教學注入了新的活力，帶來了新的教學理念和教學模式，具有劃時代的意義。物理本質上是一門實驗科學，因此大學物理實驗是對物理教育的最原始回歸，是學生進入大學后受到系統實驗方法和實驗技能訓練的開端，旨在培養學生的觀察能力、思考能力、動手能力以及解決問題的能力。大學物理實驗具有如下幾個特征：1.可重復性。物理現象具有內在的演化規律，因此在遵循一定規律的前提下，物理現象可以再現。2.實驗數據量大。一般大學物理實驗中，為了減小隨機誤差往往需要進行多次測量，這樣不可避免地會產生大量數據。3.不確定性。物理實驗結果往往受到多方面因素的影響，例如實驗儀器的精度、實驗方法、外部環境因素、測量次數等。因此，在撰寫實驗報告時，往往需要對數據進行誤差分析，并找到產生誤差的原因，以期盡可能減小實驗誤差。筆者在多年的物理實驗教學中發現，數據處理部分屬于薄弱環節，許多學生對這一部分的概念和技能掌握達不到實驗教學目標的要求。我校在數據處理中依然要求學生采用傳統的數據處理方法，利用計算器或手工計算、手工制圖，很少用計算機來處理。而有些實驗數據處理的工作量較大，學生要花費大量時間處理實驗數據，必然要耗費大量的時間和精力，長此以往學生喪失了學習興趣，對數據的處理常常會流于形式，影響到實驗課程的教學質量。因此，隨著信息技術的開發應用，傳統的教學模式已經不能適應時代的要求了，物理實驗教學的改革迫在眉睫。我們建議學生在掌握手工制圖之外，更要學會利用計算機處理實驗數據。通過這種學習方式，學生在完成實驗報告的同時，還可以在編程能力、數據分析能力方面得到鍛煉，在“做中學，學中研，研中創”。
一計算機模擬處理實驗數據的可行性
計算機模擬方法不同于簡單的導入數據、自動生成圖像模式，它需要執行人選擇某種計算機語言（例如IDL或者Matlab）自主的設計源代碼，最終通過執行源代碼將數據可視化。通過上述過程，我們可以看出一個完整的計算機模擬制圖需要原始數據、編程技術、程序語言編譯環境、計算機等幾個要素。原始數據來源于每堂物理實驗課，編程技術是一個逐漸熟練的過程，學生可以在平時的計算機課程或者自學中得到提高。Matlab已經為很多大學生所熟知，大部分工科院校都開設了此課供學生選修，我校就有相應的Matlab課程。計算機是學生接觸頻率最高的現代信息化工具之一，據統計學生宿舍擁有計算機的比例非常高，此外我校計算機房也可以為學生提供豐富的計算機資源。綜上所述,利用計算模擬方法處理大學物理實驗數據是切實可行的一種方式。通過此種學習方式，可以極大地調動學生的學習積極性，減少浪費在網絡或游戲上的時間，并且潛移默化地增強學生的編程能力、創新思維。
二計算機模擬處理大學物理實驗數據實例
光的偏振現象在光學發展中占有重要地位，在現代科學技術中具有廣泛的應用，通過對光的偏振的了解可以學習偏振光的產生以及檢驗，并且能夠增強對電磁場的了解。光波是一種橫波，由于光和物質相互作用過程中，光波中的電矢量起主要作用，所以通常以電矢量作為光波的振動矢量的代表，電矢量的振動方向只沿著一個固定方向的光線稱為線偏振光。在這個實驗中，我們要通過旋轉檢偏器來檢測線偏振光的通光特性，也就是馬呂斯定律，即I=I0cos2θ其中I0表示通過檢偏器的初始光強，θ表示入射光偏振化方向與檢偏器偏振化方向的夾角。當以光線傳播方向為軸轉動檢偏器的時候，透射光強度I將會發射周期性變化。當θ=0°時，透射光強度最大，當θ=90°時，透射光強度為極小值，當0°<θ<90°時，透射光強度I介于最大值和最小值之間。因此可以根據透射光強度變化區分出是否為線偏振光。在撰寫實驗報告時，需要根據實驗數據畫出透射光強度I隨夾角θ的變化規律。表格1給出了實驗中測量的數據。基于測量的數據，利用計算機模擬方法我們畫出透射光強度I隨夾角θ變化的物理圖像，這里我們選擇的計算機語言為IDL?？梢钥闯觯瑘D1準確地反映了線偏振光通過偏振片時的透光規律以及馬呂斯定律。通過圖1中的馬呂斯定律關系圖，我們可以精確得到該直線的斜率為2.30，即入射光強I0=2.30，這和實驗測得的最大光強Imax=2.32相對誤差只有0.43%,由此可知在實驗過程中光路擺放合理。眾所周知，傳統的作圖法，用坐標紙描點畫圖，由于人為的主觀因素，即使同一組數據，不同人畫的曲線圖不同，誤差不好標定。計算機不僅運算速度快，而且能夠提高數據處理的精度，是對傳統數據處理的優化和發展。學生在完成實驗報告的同時，又強化了學生的計算機應用能力，有效實現學科的交叉融合，有利于學生成長、成才。
三結論
數據處理及誤差分析的思想應貫穿于實驗教學的始終，啟發學生學習分析影響實驗結果不確定度的原因，尋求、探討解決方案，長此以往，學生綜合運用知識的能力以及分析、解決問題的能力和綜驗報告時，需要根據實驗數據畫出透射光強度I隨夾角θ的變化規律。表格1給出了實驗中測量的數據。基于測量的數據，利用計算機模擬方法我們畫出透射光強度I隨夾角θ變化的物理圖像，這里我們選擇的計算機語言為IDL，如圖1所示。合素質必將得到提高。民航安全是民航類院校始終關注的重中之重，作為教學改革的一個試點，本文著重從精確分析數據的角度入手，寄希望于培養學生各方面能力的同時，也能潛移默化地訓練學生一絲不茍的工作態度。教學改革是一個系統性工程，在緊緊把握教改主線的前提下，我們將努力開拓新的教學模式，爭取將計算機模擬、大學物理、數學分析等專業結合在一起，使它們都參與到課程改革中去，這也是本篇文章所要表達的核心思想。
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作者:孔偉 周青軍 楊芳 劉松芬 單位:中國民航大學 南開大學
