誤差理論與數(shù)據(jù)處理在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

劉桂林 盧玲珠 席曦 東為富 過(guò)榴曉 胡滿(mǎn)峰 王怡淼

[摘 要] 在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，數(shù)據(jù)的處理與誤差分析始終存在，而學(xué)生在進(jìn)行這些計(jì)算過(guò)程中往往存在概念不清晰、理解不透徹等問(wèn)題，直接影響到學(xué)生對(duì)所學(xué)實(shí)驗(yàn)課程原理、核心內(nèi)容的掌握;因此，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)誤差理論與數(shù)據(jù)處理是實(shí)驗(yàn)課程的前期重要基礎(chǔ)，對(duì)本科生與研究生日后的科研、學(xué)習(xí)、工作都有極其重要的作用。

[關(guān)鍵詞] 誤差理論;數(shù)據(jù)處理;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.3? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）41-0163-02? ? [收稿日期]? 2019-10-16

一、引言

高校本科實(shí)驗(yàn)課程包括大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)以及各專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的相應(yīng)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)與專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)等一系列課程。學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由于環(huán)境因素、測(cè)試原理、儀器系統(tǒng)以及測(cè)量人員個(gè)人偏好等原因不可避免的會(huì)產(chǎn)生誤差，影響學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析，甚至有的粗大誤差[1]會(huì)誤導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解（圖1），而相應(yīng)的問(wèn)題排除對(duì)于實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)人員來(lái)說(shuō)是耗時(shí)耗力的工作，在進(jìn)行集體授課的過(guò)程中往往難以兼顧。因此，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行誤差理論與數(shù)據(jù)處理的學(xué)習(xí)十分重要。

誤差理論與數(shù)據(jù)處理[2]目前主要是自動(dòng)化、控制等應(yīng)用型專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，受眾面較小，而且在實(shí)際授課過(guò)程中過(guò)于強(qiáng)調(diào)理論研究而缺乏與實(shí)際實(shí)踐之間的聯(lián)系;所以在實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)設(shè)前期進(jìn)行相應(yīng)的誤差理論與數(shù)據(jù)處理的訓(xùn)練顯得十分必要。

二、教學(xué)實(shí)踐改革實(shí)例

在誤差理論與數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)課程訓(xùn)練的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)以誤差理論與數(shù)據(jù)處理中的核心內(nèi)容為載體。教學(xué)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)當(dāng)結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，建立由淺入深，由基礎(chǔ)到研究的理論知識(shí)體系，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的理解。另一方面，實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)測(cè)試與結(jié)果評(píng)價(jià)是誤差理論與數(shù)據(jù)處理的出發(fā)點(diǎn)與目標(biāo)，在實(shí)驗(yàn)實(shí)施的過(guò)程中教學(xué)團(tuán)隊(duì)需要正確引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行合理可靠的數(shù)據(jù)處理。（圖2）

在實(shí)踐過(guò)程中，將課程內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)操作銜接始終是實(shí)驗(yàn)課程的難點(diǎn)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)需要將實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c實(shí)驗(yàn)原理教授給學(xué)生;而學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作與數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，將結(jié)果反饋給教學(xué)人員。教學(xué)人員利用引導(dǎo)式、啟發(fā)式的教學(xué)方法引導(dǎo)課堂教學(xué)。在研討教學(xué)的過(guò)程中，教學(xué)人員將實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中的實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c實(shí)驗(yàn)原理作為問(wèn)題與授課學(xué)生進(jìn)行討論，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考。（圖3）

以長(zhǎng)度的測(cè)量為例，根據(jù)課程的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模龑?dǎo)學(xué)生思考測(cè)量?jī)x器（游標(biāo)卡尺與螺旋測(cè)微計(jì)）的原理，進(jìn)而提出問(wèn)題，討論長(zhǎng)度測(cè)量中實(shí)驗(yàn)儀器使用的測(cè)量方法。隨后在確定測(cè)量方法的基礎(chǔ)上討論測(cè)量過(guò)程中可能出現(xiàn)的誤差問(wèn)題、誤差的形成與性質(zhì)，最后組織學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量工作。

1.基本理論環(huán)節(jié)。在授課過(guò)程中，課堂上教師通過(guò)提問(wèn)引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生理解所學(xué)課程的基本概念、基本理論與方法，并在課程結(jié)束后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合與對(duì)比，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。

2.研討環(huán)節(jié)。在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)研討教學(xué)將誤差理論與數(shù)據(jù)處理嵌入到實(shí)驗(yàn)內(nèi)容當(dāng)中，如測(cè)試中隨機(jī)誤差的性質(zhì)預(yù)處理方法;測(cè)量量具的系統(tǒng)誤差與修正方式;測(cè)量環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響等。利用對(duì)這些問(wèn)題的討論鼓勵(lì)學(xué)生自行提出解決方案，既能激發(fā)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的研究興趣，也能加深學(xué)生對(duì)科研內(nèi)容的理解。

3.實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。在明晰理論之后，讓學(xué)生根據(jù)對(duì)問(wèn)題的理解，獨(dú)立開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)儀器在規(guī)定的操作方法下進(jìn)行測(cè)量工作，并盡可能在測(cè)試中進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)試，加深學(xué)生對(duì)課本中書(shū)面文字的理解，同時(shí)通過(guò)實(shí)際操作加深對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的原理與內(nèi)涵的認(rèn)識(shí)。

4.數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)處理的過(guò)程是實(shí)驗(yàn)課程的重要組成部分，需要學(xué)生在實(shí)驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上整理，運(yùn)用誤差理論對(duì)粗大誤差進(jìn)行剔除，修正數(shù)據(jù)中的系統(tǒng)誤差，減小其中的隨機(jī)誤差，并隨后合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度與擴(kuò)展不確定度，最終形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

在實(shí)驗(yàn)課程中加入誤差理論與數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容，有助于“理論教學(xué)+實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”模式的推廣，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立科學(xué)思維的意識(shí)，形成正確的科學(xué)觀念與科學(xué)方法，為學(xué)生后續(xù)在科研工作中形成良好的習(xí)慣奠定基礎(chǔ)。誤差理論的引入不僅能在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)施，也可以在研究生科研工作開(kāi)展前期針對(duì)課題進(jìn)行系統(tǒng)的誤差理論與數(shù)據(jù)處理的訓(xùn)練。

三、課程模式評(píng)估

為了合理評(píng)估誤差理論與數(shù)據(jù)處理在實(shí)驗(yàn)課程中設(shè)置的合理程度，實(shí)驗(yàn)課程中評(píng)價(jià)體系需要針對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的獨(dú)特性引入基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育

（Outcomes-based Education，OBE）理念[3]，以預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出為中心來(lái)組織、實(shí)施和評(píng)價(jià)教育。對(duì)于實(shí)驗(yàn)課程本身來(lái)說(shuō)，不僅要通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程自身來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，更要對(duì)后續(xù)的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)、專(zhuān)業(yè)核心課程的成績(jī)綜合進(jìn)行評(píng)估，并以此為反饋意見(jiàn)，進(jìn)一步深化專(zhuān)業(yè)課程的授課內(nèi)容、教學(xué)大綱與教學(xué)模式。因此利用OBE理念結(jié)合實(shí)驗(yàn)課程改革十分重要，課程體系將通過(guò)建立完善的學(xué)習(xí)產(chǎn)出定量化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而完善實(shí)驗(yàn)課程的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)學(xué)生能力的提升。

四、結(jié)語(yǔ)

對(duì)于高校實(shí)驗(yàn)課程，傳統(tǒng)的教學(xué)方法是根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募由顚W(xué)生對(duì)相應(yīng)理論課程的理解。而在教學(xué)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)中的誤差會(huì)對(duì)學(xué)生理解知識(shí)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致教學(xué)效果較差，最終使實(shí)驗(yàn)課程變得枯燥，使學(xué)生失去學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)課程的興趣。將誤差理論與數(shù)據(jù)處理融入實(shí)驗(yàn)課程，教師采用引導(dǎo)教學(xué)法，讓學(xué)生帶著問(wèn)題思考實(shí)驗(yàn)，既能激發(fā)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的研究興趣，也能加深學(xué)生對(duì)科研內(nèi)容的理解。

參考文獻(xiàn)

[1]張銳波.在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維與創(chuàng)造發(fā)明能力——以轉(zhuǎn)動(dòng)定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為例[J].物理通報(bào)，2015（8）：26-28.

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[3]何金萍.如何落實(shí)教學(xué)有效反饋的實(shí)效性[J].學(xué)周刊，2019（30）：109.