Origin軟件數(shù)據(jù)提取及處理在物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

王雅君 張佳穎 姜桂元 李宇明 崔國慶

[摘? ? ? ? ? ?要]? Origin軟件能夠精準(zhǔn)高效地分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，現(xiàn)多用于物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)中。以溶液表面張力的測定為例，對Origin軟件在物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用進(jìn)行介紹。經(jīng)實(shí)踐表明，Origin軟件的數(shù)據(jù)處理具有便捷、簡單、準(zhǔn)確率高等優(yōu)勢，同時(shí)適用性較強(qiáng)，能有效提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率和對相關(guān)知識的綜合應(yīng)用能力。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? Origin軟件;物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn);表面張力

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2021）36-0106-03

教育部高等教育司《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》出臺以來，在全國范圍內(nèi)的新工科教育研究熱潮迅速興起，成為教育行業(yè)所關(guān)注的新熱點(diǎn)。在加快建設(shè)新工科教育體系的時(shí)代背景下，物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)作為物理和化學(xué)課程的重要組成部分，其關(guān)注度不斷增高，成為實(shí)踐教育的重要組成部分，是連接實(shí)驗(yàn)教育和理論教學(xué)的橋梁，也是連接基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與專業(yè)實(shí)驗(yàn)的橋梁。物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)馨l(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中獲得的樂趣是任何獎(jiǎng)勵(lì)所無法比擬的。物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)是傳遞物理化學(xué)知識、培養(yǎng)實(shí)踐能力、形成正確價(jià)值觀的最好載體之一，在培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建良好的理論知識體系和提高學(xué)生實(shí)踐操作能力的過程中，注重兩者之間的聯(lián)系至關(guān)重要，更是物理、化學(xué)等工科學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵;在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能和理論聯(lián)系實(shí)際能力方面具有舉足輕重的作用，是化工專業(yè)重要的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程。由此可見，在現(xiàn)代教育教學(xué)體系中，必須要立足于新工科教育和建設(shè)的理念及要求，注重養(yǎng)成具備專業(yè)知識和實(shí)踐操作能力的創(chuàng)新性應(yīng)用技術(shù)人才。在工科課程教育中，要主動(dòng)且積極引入全新的教育手段和教育模式。所以，結(jié)合新工科建設(shè)的要求，為培養(yǎng)應(yīng)用創(chuàng)新型化工專業(yè)人才，我們應(yīng)對物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)引起高度重視，并引入新的教學(xué)方法和手段。在物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)中引入Origin數(shù)據(jù)處理軟件，鼓勵(lì)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中強(qiáng)化專業(yè)知識與實(shí)踐活動(dòng)之間的聯(lián)系，既要充分掌握工科實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)技能，還要強(qiáng)化自身選取、處理與分析各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息的能力，養(yǎng)成學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的認(rèn)真態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)作風(fēng)。讓學(xué)生通過理論聯(lián)系實(shí)際，既要學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)技能，又能提高學(xué)生對數(shù)據(jù)選取、處理及分析的能力。然而，通過大數(shù)據(jù)的調(diào)查結(jié)果顯示，大多數(shù)學(xué)生表明只會(huì)通過詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，再通過實(shí)驗(yàn)儀器的操作得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，怎么從已知數(shù)據(jù)中進(jìn)一步處理分析得到樣品信息的這一步驟卻無從下手。所以，需要學(xué)生了解Origin數(shù)據(jù)處理軟件的功能和優(yōu)勢所在以及在物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用和軟件使用操作，借此工具解決實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的一大難題。該軟件的使用已逐漸滲透到教學(xué)、科研等領(lǐng)域。本論文基于Origin軟件，進(jìn)行了物理、化學(xué)課程中數(shù)據(jù)處理分析，并在案例中介紹了軟件數(shù)據(jù)處理的操作方法。

一、Origin軟件基本介紹及其在物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)軟件隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)發(fā)展與建設(shè)中，教育工作與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的結(jié)合，是推動(dòng)教育質(zhì)量提升的新途徑。計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件在教育工作中所發(fā)揮的積極作用正在不斷被關(guān)注。隨著科技的發(fā)展，計(jì)算軟件輔助教學(xué)的優(yōu)越性越來越引起人們的廣泛關(guān)注。目前應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的軟件有Excel、MATLAB、SAS、Origin等，在這些數(shù)據(jù)處理軟件中，當(dāng)屬Origin軟件具有較廣的應(yīng)用范圍，正是因?yàn)樵撥浖僮鞑襟E十分簡單，并且在處理數(shù)據(jù)的時(shí)候獲得的結(jié)果較為精準(zhǔn)，所以受到青睞。

Origin軟件是目前應(yīng)用范圍較廣、操作較為簡單的數(shù)據(jù)處理軟件之一。Origin Lab公司，最初于1992年開發(fā)了Origin數(shù)據(jù)處理軟件，可用于數(shù)據(jù)2D/3D作圖、擬合以及分析等，快速讀取ASCII、Excel以及SPC等多種格式數(shù)據(jù)，且可以直接對圖像中的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。Origin的兩大突出功能是數(shù)據(jù)分析和繪制圖表，其軟件界面有直觀的窗口菜單和操作工具欄，在數(shù)據(jù)處理和繪圖過程中不需編寫程序代碼，使用時(shí)非常方便，可結(jié)合各種類型插件以充分滿足大部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、分析及擬合的要求。由于軟件操作簡便、功能眾多，很快成為大眾認(rèn)可的快捷、易學(xué)、實(shí)用的數(shù)據(jù)分析工具。例如，趙艷等人[1]探究了在大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中，Origin軟件線性擬合性能和繪制相圖的性能。孟衛(wèi)[2]在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中利用Origin軟件，通過實(shí)驗(yàn)分析的比較可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)也將處理數(shù)據(jù)信息的質(zhì)量得以提升。王忠巍等人[3]在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用Origin軟件分析精餾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，展開分段擬合分析。趙波等人[4]在化工原理離心泵實(shí)驗(yàn)教學(xué)期間，將Origin軟件應(yīng)用其中，驗(yàn)證了化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)度。張紅醫(yī)[5]等人在酸堿溶液氫離子平衡濃度計(jì)算中，使用Origin軟件的求根公式完成，不僅節(jié)省了時(shí)間，還提高了計(jì)算結(jié)果精準(zhǔn)度。另外，以量化實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使得教師在評價(jià)學(xué)生實(shí)驗(yàn)水平和實(shí)驗(yàn)質(zhì)量的時(shí)候，更加具有客觀性和公正性。在新課程教育改革的時(shí)代背景之下，教師要積極創(chuàng)新教學(xué)手段，完善教學(xué)方法，在處理物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息的時(shí)候，要靈活地使用Origin軟件，并且提高軟件使用的熟練度。所以，本文將通過物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)中測定溶液表面張力為案例，串聯(lián)起物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)中Origin軟件提取數(shù)據(jù)信息、處理數(shù)據(jù)信息和分析數(shù)據(jù)信息的各個(gè)環(huán)節(jié)，生動(dòng)且形象地處理教學(xué)內(nèi)容。

二、溶液表面張力測定實(shí)驗(yàn)基本概述

本實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谑褂米畲髿馀莘y定表面張力，再以吉布斯公式為依據(jù)，完成多種不同濃度溶液的飽和吸附量計(jì)算和表面吸附量計(jì)算。凡作用于液體表面，使液體表面積縮小的力，便被稱作為表面張力。當(dāng)溶液處于一定的壓力影響和溫度影響下，其表面張力、濃度以及表面吸附量三者之間所形成的關(guān)系如下所示：稱其為表面張力。在一定溫度和壓力下，溶液的表面張力、溶液的表面吸附量、溶液的濃度三者有如下關(guān)系式：

式中：Γ表示的含義為表面吸附量（mol·m-2），γ表示的含義為表面張力（N·m-1），c表示的含義為溶液的濃度（mol·L-1）。

首先，將待測液轉(zhuǎn)移至試管中，毛細(xì)管豎直放置在試管液面上，確保液面和端面位置呈相切的狀態(tài)，此時(shí)液面將會(huì)沿著毛細(xì)管壁緩緩上升。

之后再將抽氣瓶的活塞打開，使水滴慢慢落下，毛細(xì)管內(nèi)外液面形成壓差，氣泡于毛細(xì)管口內(nèi)壁逐漸形成。當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)氣體將氣泡壓出且剛好是半球狀時(shí)，壓力差達(dá)到最大值，由U形壓力計(jì)讀出△p。根據(jù)Yonug-Laplace方程可計(jì)算得到表面張力γ：

式中：r為毛細(xì)管的內(nèi)半徑（m）。

首先，在制作γ-c曲線圖時(shí)，要合理使用表面張力數(shù)據(jù)和溶液濃度數(shù)據(jù)，根據(jù)作圖法的原理和實(shí)際含義，將不同濃度溶液表面位置的濃度求解出來。在γ-c曲線上選取點(diǎn)a。

其次，利用表面張力γ數(shù)據(jù)與溶液濃度c作圖，得到γ-c曲線圖象，用作圖法可求出不同濃度溶液的表面吸附量。在曲線上取某點(diǎn)a，過a點(diǎn)作切線及平行于橫坐標(biāo)的直線分別交縱坐標(biāo)軸于b、b′兩點(diǎn)，令bb′=Z，則Z=-c（）TP，帶入（1）式，得到Γ=關(guān)系式，可求得不同濃度溶液的表面吸附量Γ，見圖1。

最后，利用通過c/Γ與c數(shù)據(jù)，求溶液的飽和吸附量Г∞。當(dāng)條件達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候，溶液濃度與表面吸附量之間的關(guān)系如下所示，一定條件下，表面吸附量與溶液的濃度有如下關(guān)系：

式中：Г∞表示的含義為飽和吸附量，k表示的含義為常數(shù)。將公式（3）可以更改為上式，可以改寫為一元一次方程形式：

根據(jù)c/Γ與c數(shù)據(jù)，作出c/Γ-c直線圖象，其斜率的倒數(shù)為飽和吸附量Г∞。

三、Origin對溶液表面張力測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的提取與處理

（一）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的提取

在實(shí)驗(yàn)過程中，進(jìn)行溶液濃度和表面張力數(shù)據(jù)記錄，列于下表的第一、二列。使用Origin軟件中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入至列表中。導(dǎo)入數(shù)據(jù)成功后，實(shí)現(xiàn)Origin對數(shù)據(jù)的辨認(rèn)，可完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的提取工作。

（二）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析

利用軟件界面左下角位置的工具，與獲得數(shù)據(jù)相結(jié)合，繪制完成相應(yīng)的圖形，根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的圖表類型。以c為x軸、γ為y軸，作出γ-c圖象，如圖2（a）所示。通過對γ-c圖象作切線，計(jì)算不同濃度下表面吸附量Г與c/Г值，列于上表的第三、四列，作出c/Г-c圖。以c為x軸、c/Γ為y軸，點(diǎn)擊分析-擬合-線性擬合選項(xiàng)，作出c/Γ-c作圖，如圖2（b）所示。再雙擊x軸或y軸，在彈出的窗口中，對相應(yīng)坐標(biāo)軸的刻度大小和格式進(jìn)行設(shè)定，可得到美觀的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖。最后計(jì)算斜率，可得到飽和吸附量Г∞=1/K=1/0.15085=6.63×10-6 mol·m-2。

四、結(jié)論

從上述實(shí)例可得出，在物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)中引入Origin軟件處理各類數(shù)據(jù)信息，可以提高物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量，更能體現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合理性和可靠性。將Origin軟件數(shù)據(jù)處理引入物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)方便、快捷，并且可大大提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度和精確度，能保證結(jié)果的科學(xué)性、客觀性和直觀性。通過利用計(jì)算機(jī)軟件教學(xué)，能夠幫助學(xué)生養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)習(xí)慣，并且有助于實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量提升。同時(shí)，在教改背景下，將Origin軟件應(yīng)用于物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的這一實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法可使教師在批閱學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)基于量化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果評價(jià)更公正和客觀。因此，此教學(xué)方法被越來越多的學(xué)校及教師們使用，已成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的主流趨勢。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙艷，楊姝，秦向東.Origin軟件在大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用[J].廣州化工，2015（2）：153-154.

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[5]張紅醫(yī)，田立楠，石志紅.Origin軟件在計(jì)算氫離子平衡濃度方面的應(yīng)用[J].化學(xué)教育，2015（10）：65-69.

◎編輯 司 楠