劉升光， 王艷輝， 牟宗信， 李雪春

(大連理工大學 物理與光電工程學院， 遼寧 大連 116024)

基于無線WiFi的實驗數據實時檢查分析系統(tǒng)的開發(fā)與實踐

劉升光， 王艷輝， 牟宗信， 李雪春

(大連理工大學 物理與光電工程學院， 遼寧 大連 116024)

實驗數據實時檢查分析在實驗教學中起著非常關鍵的作用。通過實時數據分析可以及時發(fā)現學生實驗當中存在的問題，并且可以對學生的實驗成績進行客觀的評定。開發(fā)了基于WiFi無線傳輸技術的實驗數據實時檢查分析系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)的搭建方法及數據發(fā)送界面、數據接收界面和數據分析界面的主要功能。該系統(tǒng)可以解決教師無法在實驗課堂上實時檢查分析學生實驗數據的問題，能有效提高教師指導效率及課堂教學質量。

實驗教學； WiFi技術； 數據發(fā)送； 數據接收； 誤差分析

0 引 言

在實驗教學當中，幾乎每個實驗都離不開對物理量的測量，一個實驗的完成過程通常是學生通過對實驗儀器的具體操作來測量一系列實驗數據的過程。測量數據的質量可以反映出學生在實驗過程中的許多信息，比如實驗設計是否合理，儀器選擇是否恰當，儀器調整、操作是否正確、讀數是否科學等。因此，實時對學生測得的實驗數據進行檢查分析就顯得尤為重要[1-4]，這不僅可以使教師及時發(fā)現問題并提供及時的指導，而且還能對學生的課堂表現給出客觀、公正的評價。目前主流的上課方式是學生在課堂上操作實驗儀器測量實驗數據，教師檢查最終測量結果并給出評價。這種方式存在兩方面的弊端：一方面，由于多數待測物理量都屬于間接測量量[5-8]，這需要對多個直接測量量進行多次測量求得。當教師在檢查最終結果時發(fā)現問題，學生在課堂中已經基本沒有時間改正；另一方面，教師根據測量結果對學生的操作進行評價時，只能定性的看出實驗數據是否正確，很難定量的評定實驗結果的質量，因此對學生課堂操作成績的評價難免就會有主觀因素的存在。為了解決這一問題，本文利用Visual C#[9-10]及Matlab[11-12]編程語言開發(fā)了基于WiFi無線傳輸技術[13]的實驗數據實時檢查分析系統(tǒng)，學生利用該系統(tǒng)可以直接把所測得的實驗數據及圖像隨時發(fā)送到教師電腦上，并會在教師電腦上立刻給出該實驗數據的誤差分析結果，教師根據具體實驗數據的檢查分析，可以及時發(fā)現學生操作中的問題，輕松對學生的實驗數據進行客觀的評定，同時還能發(fā)現實驗數據的主要誤差來源。

1 實驗數據實時檢查分析系統(tǒng)的硬件搭建

為保證實驗數據實時傳輸的快速性和穩(wěn)定性，首先需要搭建良好的局域網環(huán)境。實驗環(huán)境所采用的網絡拓撲如圖1所示，整個數據的接收過程采用的是WiFi無線傳輸技術，這樣做既可以節(jié)省實驗臺的空間，同時還不會受實驗室空間位置的限制。實驗室內的無線WiFi信號是通過TL-WVR450G無線企業(yè)VPN路由器發(fā)射的，該路由器可以構建穩(wěn)定良好的WiFi無線局域網環(huán)境，同時還可以對多種無線IP地址段和網卡地址進行監(jiān)控和過濾，非常便于管理和使用。數據發(fā)送和接收采用的是TCP協議[13]，該協議能在IP環(huán)境下為應用程序提供可靠的通信連接，使一臺計算機發(fā)出的字節(jié)流無差錯地發(fā)往網絡上的其他計算機，對于可靠性要求高的數據通信系統(tǒng)往往使用TCP協議傳輸數據。

圖1 實驗環(huán)境所采用的網絡拓撲圖

在數據發(fā)送端，采用搭載Windows系統(tǒng)的平板電腦，平板電腦都自帶無線網卡和拍照功能，這極大方便了數據和圖像的無線傳輸，并且平板電腦所占用的實驗臺空間較小，可以直接擺放在實驗臺上。數據接收端采用的是普通臺式電腦，當數據接收端接收到學生所發(fā)送的實驗數據以后，會立刻把學生的實驗數據分析出來，給出實驗數據點曲線分布、誤差分析及主要誤差點的來源等多種分析結果，從而能夠讓教師把學生出現的問題及時地反饋給學生，讓學生知道自己哪里操作不規(guī)范。同時，數據接收端接收到的數據會自動備份到實驗中心的服務器上，這樣學生的原始數據可以保持多年不會丟失，而且可以對歷屆學生的原始數據進行分析對比，從而發(fā)現學生的主要問題所在。

2 實驗數據實時檢查分析系統(tǒng)的軟件設計

對于操作性強、數據量大以及實驗人數相對較多的實驗項目來說，如何在短時間內對學生的實驗數據進行客觀快速的分析就顯得尤為重要。因為可以通過對實驗數據的實時分析及時發(fā)現學生在實驗中所遇到的問題，并且可以對學生的實驗結果有一個客觀準確的評定?！肮獾牡群窀缮鎸嶒灐弊鳛槲锢韺W中的經典實驗具有操作性強、數據量相對較多的特點[14]，同時該實驗也是理工科學生的必做實驗，尤其該實驗的自主搭建劈尖測細絲直徑環(huán)節(jié)，非常考驗學生的動手操作能力。因此，這里以 “光的等厚干涉實驗”為例來描述實驗數據實時檢查分析系統(tǒng)的具體使用方法。

2.1 學生實驗數據發(fā)送端界面設計

學生實驗數據發(fā)送端的界面設計如圖2所示，在數據發(fā)送端，學生需要先輸入姓名、學號、院系班級和實驗臺號信息，然后再在表格中輸入實驗過程當中測量到的原始數據，該軟件可以對做實驗的學生進行圖像采集，當必要的信息輸入完畢后，點擊SendData按鈕，在教師的數據接收端就會立刻接收到該生發(fā)送的實驗數據，并給出相應數據的誤差分析結果。同時，為鍛煉學生自主設計數據表格的能力，在軟件界面的發(fā)送端并沒有直接給出固定的數據表格格式，而是給出了空白的數據表格。這就需要學生在空白的數據表格中自主設計表格，以充分鍛煉學生自主設計數據表格的能力。由于不同的學生設計的數據表格形式多樣，所以在數據分析時，加入了大量的數據分析函數，經過多次測試和改進，已完全可以智能地把需要的實驗數據正確提取出來，以便于數據的后續(xù)分析。而且，考慮到突發(fā)情況的發(fā)生，例如學生在輸入數據的過程中發(fā)生電腦死機，重啟電腦后學生先前輸入的實驗數據就會消失，為了避免學生重復輸入數據浪費時間，在軟件設計時，加入了數據自動實時保存的功能，這樣即使電腦重啟，學生都可以把先前輸入的數據重新導入到軟件界面中進行數據發(fā)送，從而避免數據重復輸入。

圖2 實驗數據發(fā)送端軟件界面設計圖

2.2 教師實驗數據接收端界面設計

當學生在數據發(fā)送端發(fā)送實驗數據以后，在實驗室的無線局域網環(huán)境內，接收端會立刻接收到該生發(fā)送的實驗數據。教師實驗數據接收端的界面設計如圖3所示，當收到某學生發(fā)送的實驗數據后，對應的實驗臺號就會由淺灰色變?yōu)榧t色，以提醒實驗教師有數據發(fā)送并且成功接收，同時學生的實驗數據以及圖像信息會自動導入到接收端界面相應的表格內。此時，只要點擊已經變?yōu)榧t色的實驗臺號，就會彈出對該生的實驗數據進行分析的界面。并且該接收端可以多次接收同一學生發(fā)送的實驗數據，例如當教師接收到學生發(fā)送的實驗數據以后，發(fā)現學生的實驗數據有明顯錯誤，則可以讓學生修改后重新發(fā)送，在接收狀態(tài)顯示框內可以實時顯示哪個實驗臺又發(fā)送了數據。這樣的設計可以讓學生在實驗過程當中實時給教師發(fā)送數據，當學生在實驗中獲得部分實驗數據以后，不確定所得的實驗數據是否合理，可以先輸入部分數據發(fā)送到教師接收端，待教師檢測無誤后再進行下一步的測量，通過實時的檢測學生實驗數據可以避免學生在實驗完成后，所得到的數據都是錯誤的后果，以保證學生在規(guī)定的實驗時間內，順利的完成所要求的實驗內容。

圖3 實驗數據接收端軟件界面設計圖

2.3 實驗數據誤差分析

當教師接收端接收到學生發(fā)送的實驗數據以后，點擊其對應的實驗臺號，就會彈出實驗數據誤差分析的界面，界面圖如圖4所示。從圖中可以看出，實驗數據的誤差分析中不僅給出了實驗數據點的曲線分布，還給出了不同算法的對比結果以及對應數據的不確定度分析。從實驗數據點的曲線分布圖中可以立刻看出數據點的分布情況并找出異常的數據點，以劈尖干涉的實驗數據為例，從分布圖中可以看出，在10級條紋長度的數據點中，隨著測量次數的增加，測量值呈遞減趨勢，這說明該生在操作過程中有不規(guī)范的因素存在，數據并沒有呈現隨機分布狀態(tài)，這會導致該組數據點的A類不確定度較大。在劈尖長度的數據點中，可以看出隨著測量次數的增加，數據點呈隨機分布狀態(tài)，圖中第2個數據點和第4個數據點差別最大，在數據接收端的界面可以直接刪除差別大的數據點并對其余的實驗數據進行分析，從而判斷出導致誤差較大的主要數據點來源。在對實驗數據的不確定度分析中，給出了實驗數據的A類不確定度大小以及最終測量結果的不確定度大小和相對誤差的大小，通過這些數據結果可以很好的評估出學生所測量數據的精確度[15]。

圖4 實驗數據誤差分析界面圖

3 使用效果及學生反饋

該系統(tǒng)已在實驗教學中進行了應用，圖5為學生課堂上使用該數據檢查分析系統(tǒng)的情景以及整個實驗室的場景圖。通過教學實踐，發(fā)現此系統(tǒng)不僅給教師的課堂指導和成績評定帶來了很大方便，而且也非常受學生的歡迎。一些學生在實驗體會中寫到 “運用了較為先進的數據錄入分析系統(tǒng)，可以方便快捷地在短時間內判斷自己的實驗誤差大小，如誤差很大可以馬上調節(jié)儀器想辦法解決?！?“新的數據處理系統(tǒng)將數據輸入到平板中，在終端會有結果示意，保證了結果的公正性，更方便老師打分并找出問題所在，防止數據有問題，回頭沒法處理的情況發(fā)生?！?“此次實驗的數據處理引入了一種新的數據分析系統(tǒng)，使我們大開眼界，同時檢驗了實驗數據質量，也使我們的實驗打分公平公正”。為了進一步了解學生對于使用該系統(tǒng)的體會和評價，我們還針對該系統(tǒng)設計了調查問卷。通過對將近300名學生的調查問卷統(tǒng)計，發(fā)現98%的學生對該系統(tǒng)的反饋都特別好，希望在實驗中使用該數據分析系統(tǒng)，認為這是一種非常好的實驗課堂教學方式，并建議推廣到所有的實驗項目上去。

4 結 語

實驗課程的教學離不開實驗數據的測量。因此，如何在有限的課堂實驗時間內對學生測得的實驗數據進行快速科學的分析就顯得至關重要。本文建立了基于WiFi無線傳輸技術的實驗數據實時檢查分析系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可以對學生的實驗數據進行實時快速科學的分析，及時發(fā)現學生在實驗當中出現的問題，避免學生在規(guī)定的時間內完不成所要求的實驗內容。同時還可以對學生的實驗結果進行客觀準確的評定，通過對實驗數據的不確定度分析，可以讓學生明白自己實驗數據的主要誤差來源，提高了學生做實驗的嚴謹性和規(guī)范性。并且，該系統(tǒng)會自動把學生的實驗數據備份到服務器上長久保存，這樣既避免了學生實驗數據丟失，無法完成實驗報告的風險，還便于對不同院系學生的實驗數據進行分析比較，從而針對不同院系的學生特點進行有的放矢地教學。而且，由于該系統(tǒng)搭載的是目前主流Windows平臺，因此也很容易將該系統(tǒng)推廣移植到其他實驗項目上去。

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Development and Application of Real-time Examination and Analysis System of Experimental Data Based on WiFi Wireless Technology

LIUShengguang，WANGYanhui，MUZongxin，LIXuechun

(School of Physics and Optoelectronic Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China)

Real-time examination and analysis of experimental data plays an important role in experimental teaching. The problem can be discovered immediately via real-time data analysis, and the student's grade performance can be objectively assessed in experiment. Therefore, a real-time examination and analysis system of experimental data is developed based on WiFi wireless technology. The methods of constructing the system and the primary functions of sending data interface, receiving data interface and error analysis interface are introduced detailedly. The problem that experimental data cannot be real-time examined and analyzed in experimental classroom is solved, and the teachers' work efficiency and teaching quality are improved with the system.

experimental teaching; WiFi technology; data transmission; data receiving; error analysis

2016-06-13

大連理工大學教育教學改革基金項目(MS2014082)

劉升光(1981-)，男，河北邯鄲人，博士，工程師，主要從事大學物理實驗教學工作和聚變裝置中等離子體與壁材料相互作用的研究工作。

Tel.: 15542616629; E-mail：sgliu@dlut.edu.cn

TP 393; G 642.0

A

1006-7167(2017)04-0127-04