自动数据处理软件在“化学海洋学实验”中的应用

发布时间：2021-05-19

　　摘要:“化学海洋学实验”是海洋化学本科生的实验课程，在海洋化学专业的课程体系中占有重要地位。该课程所开设的实验在进行数据处理时，均需要经过复杂和繁琐的计算过程。为了快速验证学生实验数据的可靠性和最终结果的准确性，以“海水碳酸钙饱和度的测定”实验为例，用R语言编写了计算程序，用Java集成了可视化软件，可以快速得到最终实验结果，大大简化了运算过程。计算程序的成功编写和应用，对于简化计算程序、提高学生实验的准确性和教师的工作效率，具有重要的作用，并可在其他计算复杂的实验中加以推广应用。

　　关键词:软件;实验教学;数据处理;化学海洋学实验

　　“化学海洋学实验”是面向海洋科学、海洋技术以及涉海化学类专业开设的实验课程，结合物理化学实验和仪器分析实验的手段，测定样品得到实验结果，以达到认识海洋中化学现象或过程的目的[1-2]。然而，该课程中很多实验项目的测定结果只是中间数据，需要经过较为复杂的处理过程才能得到最终的结果。在处理数据的过程中，需要充分把握实验原理，推导数学公式，如果中间任何一环出现差错，都会导致最终结果的错误。比如“海水碳酸钙饱和度的测定”实验，现今研究碳酸盐体系多需要应用先进的仪器测定pH、总碱度及总碳酸盐等，然后根据相关软件和公式推导计算得出结果[3-4]。课程中该实验的操作过程比较简单，完成两次pH测定及结果计算后，就可以同时得到海水pH值、碳酸钙饱和度(IP/Ksp')、总碳酸盐(DIC)及总碱度(TA)、碳酸碱度(CA)等多个参数，将海洋无机碳化学综合在一个实验中，是设计非常巧妙的一个实验项目。虽然实验步骤非常简单，但其计算过程却非常复杂，需要结合其它参数并进行大量的推导[1-2，5]。课堂上，由于实验操作失误而导致的结果错误，有时不能被及时发现;课后，由于计算步骤很多，如果理解不深入，数据处理难免会出现不准确的现象，教师在批改实验报告时也很难一一检查结果的准确性;繁琐的数据处理也限制了该实验在实际工作中的应用。因此有必要引入一种快速、简单的计算程序，用于类似实验的结果处理，使复杂的计算过程变得简单，提高教学质量，同时有利于学生在将来的科研工作中将所学到的实验方法应用到实践中。

　　随着计算机软件技术的发展，将一些软件应用于实验教学已日渐普遍[6]，这些软件使数据处理更加方便、快捷、准确[7-9]。本科生常用Microsoftoffice中的excel软件，但不能处理复杂的计算过程[10]。R语言是用于数据存储、处理及计算、统计分析和制图软件系统，并可以实现各种数据的读取、数据格式转换，其具有优秀的制图功能、简便强大的编程语言等特点，在生物、财经、气象及环境等领域有广泛应用[11-13]。并且R语言是一个免费的自由软件，相对其他计算机数据处理软件使用成本低，性能强大，便于获取。但是R语言在处理数据时需要源代码输入、函数调用、数据输入等一系列操作，专业性较强，不能广泛普及。Java语言是一门面向对象的程序设计语言，是做应用系统的主流语言[14]，但是与R语言相比，数学建模和计算能力非其所长。将R语言与Java相结合，可以进行大量的统计或优化计算，实现应用和计算相结合，即Java负责系统的构建，R语言做运算引擎。Java对于R语言的调用通过在R语言中输入install.packages("Rserve")，安装Rserve包，在R语言控制台下加载该包，然后输入命令Rserve()，开启服务器，从而实现人机对话，完成计算。

　　本文以“化学海洋学实验”中典型的“海水碳酸钙饱和度的测定”实验为例，介绍R语言与Java相结合的数据处理软件在实验教学中的应用以及实施效果。

　　1实验简介

　　碳酸钙(CaCO3)是海水碳酸盐体系中的固体存在形式，在水体和生物体之间发生着持续的物质交换过程。观测表明，大洋表层海水CaCO3处于过饱和状态，随着深度的增加，温度降低，压力增大，CaCO3溶解度增大，加之固体CaCO3溶解，从而造成深层海水中CaCO3不饱和。由于CaCO3的沉淀和溶解会改变水体中Ca2+和碳酸盐体系各分量的浓度，进而影响到海水的pH值。因此，了解海水中CaCO3饱和度，对于研究碳酸盐体系和全球碳循环都具有重要意义。

　　实验教学项目针对CaCO3过饱和或不饱和的海水样品，通过外力作用使其达到或接近沉淀溶解平衡，从而观察平衡前后海水pH值的变化，计算CaCO3的饱和度。

　　1.2实验步骤

　　(1)用高型称量瓶(有带圆孔的密封橡胶塞)装入未过滤海水，将复合电极插入橡胶塞的圆孔，放到海水中，测其初始pH值。

　　(2)向海水中加入约1g的CaCO3固体粉末，在电极插入的情况(体系保持密封状态)下，搅拌30min，读取平衡时的pH值，记为pHs。

　　(3)海水温度t和盐度S在采集样品时测定，氯度根据S=1.80655×Cl的关系由盐度进行估算。

　　1.3结果计算

　　按照实验原理所列公式，利用测定的两次pH，计算CaCO3的饱和度IP/Ksp'和TA及碳酸盐总量(DIC)。

　　2程序编写

　　由原理和文献[2]可见，计算用到的公式较多，繁琐且复杂，且稍有不慎就会得到错误数据，且不利于教师检查结果的准确性。因此，利用已有计算机软件，编制合适的自动处理程序，简化计算过程，可以大大提高计算效率和结果的准确性。

　　2.1R语言程序

　　以实验课程中得到的一组数据为例(见表2所示)，介绍编制的R语言程序。

　　2.3软件应用

　　将编制好的可视化软件应用于“化学海洋学实验”教学中，实践表明用软件进行结果计算方便快捷，实现简单，人机交互界面友好。课堂上有利于教师检查学生测定数据的准确性，提高学生实验操作技能和教师的工作效率;课后学生可以根据软件计算的正确结果，检查实验报告的数据处理过程是否正确，有利于学生全面理解实验原理，充分认识海洋中的复杂过程。

　　3结语

　　R语言程序应用后，大大缩减了计算的时间，从运行文件到结果输出只需要两三分钟的时间。本实验方法简单数据易得，数据处理过程变得简单后，其实用性增加，不仅有利于教学实验，还有利于该实验在科学研究中的推广。课程中其他实验的数据处理过程也将编写成计算简便的R语言函数，有利于课堂中检查学生的数据质量，课后检查学生的计算过程，在教学中减轻了教师的工作量。为了更加方便快捷，以及自动数据处理的普及，下一步将尝试把R语言函数与Java相结合，做出全套的可视化软件系统，使得实验数据处理更加简单快捷，不断提高教学水平。软件的编写和使用，将有利于自动实验数据处理软件在其他实验教学中的推广，促进信息化技术手段在实验教学中的应用。——论文作者：葛田田，谭丽菊，李铁

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