Zobrazit na úvodní stránce článků

Na začátek článku
Titulka > Modul články > gymnaziální vzdělávání > Vizualizace a analýza dat ve fyzikálním ...

Ikona teoreticky

Vizualizace a analýza dat ve fyzikálním praktiku

Ikona aplikace
Autor: Michal Černý
Anotace: Ke tvorbě grafů se pro školní účely často používají tabulkové procesory, které jsou poměrně neefektivní a nabízejí minimální možnosti další analýzy dat. K vizualizaci a analýze dat je možné použít zdarma dostupný software, kterým je například SciDAVis.
Podpora výuky jazyka:
Klíčové kompetence:
  1. Gymnázium » Kompetence k učení » kriticky přistupuje ke zdrojům informací, informace tvořivě zpracovává a využívá při svém studiu a praxi
Očekávaný výstup:
  1. gymnaziální vzdělávání » Člověk a příroda » Fyzika » Fyzikální veličiny a jejich měření » měří vybrané fyzikální veličiny vhodnými metodami, zpracuje a vyhodnotí výsledky měření
Mezioborové přesahy a vazby: Nejsou přiřazeny žádné mezioborové přesahy.
Průřezová témata:
  1. Gymnaziální vzdělávání » Osobnostní a sociální výchova » Seberegulace, organizační dovednosti a efektivní řešení problémů
Organizace řízení učební činnosti: Frontální, Skupinová
Organizace prostorová: Specializovaná učebna
Nutné pomůcky: Nutný je jen počítač s nainstalovaným programem SciDAVis.
Klíčová slova: analýza, graf, data, statistika, SciDAVis, fyzikální praktikum, zpracování měření

Pokud se dnes mluví o schopnosti vytvářet grafy, asi většině lidí vyvstane na mysli schopnost pracovat s příslušnou funkcí v programu MS Excel, případně jiném tabulkovém procesoru. Tato schopnost je jistě užitečná, pokud chceme pracovat s jednoduchými obchodními grafy, pro které je ostatně kancelářský balík koncipován. Jakákoli možnost odečtu nebo hledání funkčních závislostí je ale minimální.

Další nevýhodou je nepěkný vzhled, který u celé řady charakteristik (například úhlová frekvence u RLC obvodů) nemá valný fyzikální význam. Žáci se pak učí hledat prokladové křivky nikoli správné, ale ty, co momentálně vizuálně nejlépe vypadají. Určení chyby měření je pak věcí (téměř) nemožnou, případně velice pracnou. Nezanedbatelnou vlastností tabulkových procesorů je také to, že nevedou žáky ke správným návykům tvorby srozumitelných dat – jednou je tabulka orientována svisle, podruhé vodorovně a vždy se z toho dá graf nějak poskládat. Další omezení pak číhají ve značném zpomalení, pokud chceme zpracovávat velké množství dat (například z automatického měření nějaké fyzikální veličiny).

Specializované programy pro analýzu a vizualizaci dat tyto nešvary odstraňují a přinášejí celou řadu nezanedbatelných výhod:

  • možnost přesného odečítání hodnot

  • určení chyby parametrů regresní křivky

  • esteticky kvalitnější grafy

  • snazší tvorba grafů, včetně měřítek os

  • přehlednější práce s daty

  • možnosti zjišťování rozložení a závislostí velkým množstvím rovnic

Nástrojů, které jsou zdarma k dispozici, je samozřejmě celá řada. Zaměříme se nyní především na SciDAVis, který má pro školní prostředí celou řadu výhod – od lokalizace, snadné ovládání až po speciální uspořádání funkcí tak, aby maximálně vyhovovaly právě účelům vzdělávání.

SciDAVis

SciDAVis je nástroj na analýzu a vizualizaci dat, který je určen především pro prostředí škol a pro méně náročné uživatele. Je k dispozici v celé řadě jazykových mutací včetně češtiny. Zdarma je k dispozici (pod licenci GNU GPL) jak pro Linux, tak pro Windows či MAC OS. Technologicky se jedná o fork QtiPlotu, vzniklý v roce 2007. Projekt je poměrně živý a neustále jsou přidávány nové funkce. Z výše uvedeného je tedy zřejmé, že se jedná o program, jehož nasazení ve školním prostředí nic nebrání a jeho hardwarová náročnost je maximálně srovnatelná s kancelářským balíkem.

SciDAVis
1. SciDAVis

 

Oproti konkurenčním projektům, které jsou více podobné komerčnímu programu Origin, nabízí SciDAVis speciální ovládací panel připojený k tabulce s hodnotami. Jeho cílem je překlenout propast mezi specializovaným programem na tvorbu grafů a tabulkovým procesorem. Tento panel umožňuje nějakým způsobem zpracovávat v zadaném sloupci data ze sloupců okolních – například je sčítat, určovat logaritmus apod. To žákům může usnadnit práci. Získají dojem, že se program dá využívat poněkud komplexněji. Velkou výhodou tohoto panelu je, že funkci nemusíte nijak roztahovat po všech políčkách – aplikuje se na celý sloupec. V panelu je možné také možné nastavit formát čísel, druh položek ve sloupci nebo si sloupec pojmenovat pro přehlednější a pohodlnější práci.

Další užitečnou vlastností je možnost aplikaci různě doplňovat a modifikovat za užití skriptovacího jazyka Python. Běh programu je poměrně rychlý a stabilní. Celé prostředí klade maximální důraz na uživatelskou přístupnost, což způsobuje drobné odchylky mezi ovládáním QtiPlot či Origin a SciDAVis. Přechod na něj z klasické konkurence je trochu bolestný, ale migrace opačným směrem je poměrně pohodlná. Program tedy slouží i jako odrazový můstek a brána k dalším, běžně užívaným aplikacím.

Z pohledu gymnazijního fyzikálního praktika jsou důležité především tři skupiny funkcí – tvorba grafů, odečet hodnot a zjišťování parametrů funkčních závislostí. Aplikace toho umí pochopitelně mnohem více – například numericky integrovat či derivovat, statisticky zpracovávat data apod., avšak popis těchto vlastností je mimo spektrum našeho zájmu.

Pokud jde o grafy, pak je k dispozici základní sada obvyklých typů – nechybí koláčový, sloupcový či bodový graf. Širší možnosti jsou u grafů, které jsou spojeny křivkou – je možné si nastavit například hladký přechod, schodové spojování, přímé spojení bodů a mnoho dalšího. Z méně obvyklých jsou to pak grafy pro statistické účely (histogram, box plot...), podpora 3D grafů nebo grafů založených na vektorových mapách. Jak je vidět, nabídka sice není úplně nejširší, ale pro běžnou školskou či základní vědeckou činnost bohatě dostačuje. SciDAVis také nemá problém s umístěním více grafů do jednoho rámečku, tvorbou zvětšených výřezů nebo práci s vrstvami.

Nastavování parametrů os se provádí pravím tlačítkem, kterým kliknete na osu a zvolíte možnosti – na výběr pak máte nastavení fontu, měřítka, velikosti zobrazovaných dílků, barvy osy, průsečíků os nebo nastavení mřížky. Většinou je k dispozici i obrázek což usnadňuje práci s aplikací a otevírá ji i pro naprostého začátečníka. Do grafů je možné vkládat obrázky, automatické tvary, šipky, popisky, legendy, nadpisy a mnohé další prvky. Je tedy zřejmé, že celý objekt si lze opravdu upravit k vlastnímu obrazu.

S grafem se následně pracuje poměrně příjemně, neboť program nabízí nástroje sloužící na odečet hodnot na konkrétním místě v grafu (vhodné například pro extrapolaci či interpolaci), odečet hodnot v konkrétním bodě nebo možnost odstraňovat chybné hodnoty přímo z grafu. Užitečné je také to, že si můžete zvolenou oblast libovolně přibližovat či oddalovat a pokud se budete již v grafu cítit ztraceni může užít funkci, která nastaví optimální hodnotu zvětšení.

Z analytických nástrojů je asi nejdůležitější sada funkcí, která provede proložení dat přímkou a vrátí hodnotu jejich parametrů. Těchto funkcí je k dispozici poměrně velké množství – od prokládání polynomem 1 až 9 řádu, přes různé exponenciály až po Gaussovo rozložení, práci s více píkovými grafy nebo například numerické integrování. Paleta regresivních křivek je opravdu bohatá a pokud by vám nějaká chyběla, opět není problém si ji dodefinovat. Jejich použití je poměrně jednoduché – stačí si vytvořit graf, kliknout k oblasti dat pravým tlačítkem a v menu analyzovat zvolit správný typ funkce.

Informace o proložení je možné vypsat buď do legendy, nebo se automaticky vypisuje do log souboru. Zde je žákům nutné říci, že to co s celého souboru informací potřebují je jen několik řádků pod obecnou rovnici.

Jen pro ilustraci ukazuji výpis z log souboru, po lineárním proložení:

[2. 7. 10 9:49 Plot: ''Graph1'']

Linear Regression fit of dataset: Table1_2, using function: A*x+B

Y standard errors: Unknown

From x = 1 to x = 11

B (y-intercept) = 0,418181818181818 +/- 0,459108410507491

A (slope) = 1,99090909090909 +/- 0,0676918421323899

--------------------------------------------------------------------------------------

Chi^2/doF = 0,504040404040404

R^2 = 0,989702847709451

Složitější proložení mají log soubory podstatně delší. Zde by také měla zaznít informace učitele o zaokrouhlování chyb i samotných hodnot. Velkou výhodou programu je také to, že během prokládání si můžete zvolit jen podmnožinu bodů, které chcete prokládat a nastavit funkci meze odkud kam se vykresluje. Pokud máte tedy funkci, která v určitém bodě přechází od lineární k exponenciálnímu růstu, je možné oboje přehledně zakreslit do grafu.

Mimo to aplikace nabízí také možnosti základního statistického zpracování dat, možnost do grafu vykreslit obecnou funkci a mnoho dalšího. Práce je celkově velmi intuitivní a umožní žákům opravdu kvalitně přistupovat k analýze dat, která je obvykle odbývána pravítkem na již vytisknutém grafu.

Pokud by vám z nějakého důvodu SciDAVis nevyhovoval, je možné pod Linuxem zdarma využít služeb profesionálnějšího a vybavenějšího QtiPlot či LabPlot. Další možnou alternativou je gnuPlot, který ale nenabízí tak příjemné ovládání, komerční Origin nebo silné robustní nástroje (jako je R či Octave), jejichž těžiště funkcí ale leží spíše u výpočetních modelů.

SciDAVis představuje zajímavou, snadno dostupnou a ovladatelnou variantu, která by měla žáky naučit tvořit grafy a analyzovat data poměrně schůdnou a nenásilnou cestou. Z vlastní zkušenosti mohu říci, že pokud se někdo naučí tvořit grafy ve specializovaném programu, služeb Excelu v tomto směru bude využívat již velmi nerad. SciDAVis totiž ušetří čas a nabídne možnost vytvořit graf, který bude vypadat opravdu podle vašich představ.

Anotované odkazy:
Příspěvek nemá přiřazeny žádné anotované odkazy.
Přiřazené DUM:
Příspěvek nemá přiřazeny žádné DUM.
Přiřazené aktivity:
Příspěvek nemá přiřazeny žádné aktivity.
 
INFO
Publikován: 19. 08. 2010
Zobrazeno: 7260krát
Hodnocení příspěvku
Hodnocení týmu RVP:
Hodnocení článku : 3.3333

Hodnocení uživatelů:
Hodnocení článku : 5
Hodnotit články mohou pouze registrovaní uživatelé.

1 uživatel Hodnocení článku : 5
zatím nikdo Hodnocení článku : 4
zatím nikdo Hodnocení článku : 3
zatím nikdo Hodnocení článku : 2
zatím nikdo Hodnocení článku : 1
Jak citovat tento materiál
ČERNÝ, Michal. Vizualizace a analýza dat ve fyzikálním praktiku. Metodický portál: Články [online]. 19. 08. 2010, [cit. 2019-12-11]. Dostupný z WWW: <https://clanky.rvp.cz/clanek/c/G/9341/VIZUALIZACE-A-ANALYZA-DAT-VE-FYZIKALNIM-PRAKTIKU.html>. ISSN 1802-4785.
Licence Licence Creative Commons

Všechny články jsou publikovány pod licencí Creative Commons.


Komentáře
1.Autor: Recenzent1Vloženo: 19. 08. 2010 16:41
Článek bude mít bezesporu široké využití ve výuce fyziky, ale i v ostatních přírodovědných oborech (a nejen v nich).
2.Autor: Recenzent2Vloženo: 19. 08. 2010 16:41
Zajímavé informace o ne zcela běžném a známém programu. Dopporučuji vyzkoušet!
Vložit komentář:

Pro vložení komentáře je nutné se přihlásit.