Некоторые аспекты анализа и визуализации химических данных в MS Excel при подготовке проектной работы

Существенную роль в проведении научного исследования играет анализ и правильное представление полученных данных. Результаты проводимых химических экспериментов обычно публикуются в виде таблиц и статичных графиков (см., например, [1] или [2]), что затрудняет анализ и обработку больших массивов данных. Часто исследователю важно увидеть отдельные особенности изучаемого материала для некоторых однотипных элемен-тов/факторов имеющегося набора данных в их сравнении. Кроме того, презентация результатов проекта в интерактивном режиме позволяет подчеркнуть глубокое понимание докладчиком сути излагаемого вопроса.

Проектная деятельность студентов – важнейший этап учебного процесса [3], дающий возможность учащемуся на практике прикоснуться к области будущей деятельности, познакомиться с ее спецификой. Работа над проектом позволяет выявить имеющиеся пробелы в знаниях, получить прочные практические навыки, освоить новые инструменты. При этом од- ной из важнейших компетенций современных специалистов является владение информационными технологиями.

Электронные таблицы MS Excel имеют широкий функционал для осуществления анализа результатов исследований, представленных в табличной форме [4]. Существующие на текущий момент инструменты MS Excel позволяют обрабатывать довольно большие массивы текста и чисел, в том числе, производить фильтрацию данных при помощи срезов, визуализируя при помощи графиков имеющиеся зависимости.

Рассмотрим данные, полученные при проведении термомеханического анализа синтетических полимеров [5] (на примере учебных данных для 3 полимеров: полистерола, поливинилхлорида и полиметилметакрилата, но их может быть значительно большее число), преобразованные в таблицу MS Excel (рис. 1). Для последнего необходимо выделить область будущей таблицы → выбрать вкладку Вставка → Таблица.

Рис. 1.

Имеется по 43 измерения для каждого из полимеров через каждые 5 минут при рекомендуемом [5] напряжении (изменения T от 20 до 255 oC).

Здесь τ , мин – время, прошедшее с начала эксперимента; U, B – подаваемое напряжение; T, ^oC – температура образца; Δ T/ Δτ , град/мин – скорость повышения температуры образца; Δ h = h 1 – h i , усл.ед – разность исходного и текщего значений оптической сситемы; ε , мкм – деформация образца.

Целью проектной работы студентов был анализ и визуализация при помощи инструментов MS Excel особенностей деформации различных полимеров под действием температуры. Для этого были построены 3 сводные таблицы (курсор ста- вим внутри таблицы → вкладка Вставка → Сводная таблица, в появившемся диалоговом окне устанавливаем флажок «На новый лист» и ставим галочку «Добавить эти данные в модель данных») – средняя деформация (значения) от времени (строки), средняя деформация (значения) от температуры (строки), а также среднее подаваемое напряжение (значения) и средняя температура (значения) по полимерам (строки).

Далее, был подготовлен дашборд, содержащий соответствующие сводные графики (рис. 2) и, в зависимости от выбранного в срезе полимера, позволяющий изучить, например, соответствующую термомеханическую кривую.

Средняя Т, оС

Среднее U, В поливинилхлорид

Полимеры полиметилметакрилат полистерол

Зависимость деформации полимера от времени

Средняя температура

Среднее напряжение

Зависимость деформации полимера от температуры гчшгп5Ч1'-мт r^COffiOHOlffiTf гЧт-Ч«ЧМ<МО1М<Ч

Рис. 2.

Для этого на отдельном листе вставляем графики. В качестве фона можно добавить одну из готовых фигур (вкладка Вставка → Фигуры). Для оформления графиков, щелкаем по отдельным их элементам и выбираем формат соответствующей области. В появившемся диалоге устанавливаем цвет элементов графика, тип линий, формат представления чисел, подписи к осям, изменяем легенду и т.д.

Можно оформить один график, а затем перенести формат на остальные. Для этого копируем диаграмму, имеющую нужный формат (контекстное меню → Копировать), выделяем диаграмму, на которую хотим перенести формат, а затем на вкладке Главная раскрываем список Вставить и выбираем команду Специальная вставка. В открывшемся диалоге устанавливаем флажок Форматы → Ок. После чего, при необходимости, с помощью контекстного меню можем изменить тип диаграммы на другой, выбрав соответствующую коман- ду.

Затем по одному из графиков вставляем Срез (вкладка Вставка → Срез, в открывшемся диалоговом окне ставим галочку напротив поля «Полимеры»). После чего связываем срез с остальными графиками, для этого щелкаем правой клавишей по

Срезу и из контекстного меню выбираем команду «Подключения к отчетам». В появившемся диалоге ставим галочки напротив остальных сводных таблиц в области выбора отчетов сводных таблиц и сводных диаграмм для подключения к данному фильтру.

Выбирая по-очереди полимеры, можем в интерактивном режиме увидеть различие между полученными термомеханическими кривыми, например, в температурах стеклования полимеров. Т.о. можно говорить о важности правильного анализа и визуализации результатов проведенных химических опытов.

Подчеркнем, что владение специальными инструментами MS Excel, такими, как фильтрация данных в срезах и их наглядная интерпретация, существенно усиливают презентацию проекта, в динамике демонстрируя проделанную работу и позволяя визуально наблюдать найденные исследователем зависимости. Поэтому важно познакомить студентов с разнообразным инструментарием, представленным в MS Excel для анализа и визуализации данных, а затем закрепить навык в ходе выполнения проектных работ в предметной области выбранного направления подготовки.