邵宇飛

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)部 遼寧 葫蘆島 1250105)

1 引言

大學(xué)物理實驗是我國廣大理工類高等院校普遍開設(shè)的一門重要必修基礎(chǔ)課.它與大學(xué)物理理論課緊密銜接，互為支撐和補充，對本科大學(xué)生理解物理基本原理有很好的促進(jìn)作用，更重要的是大學(xué)物理實驗在培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)、提高創(chuàng)新思維能力以及奠定良好的科學(xué)研究習(xí)慣等方面具有不可替代的基礎(chǔ)性作用.當(dāng)前很多高校，特別是地方院校，大學(xué)物理實驗教學(xué)陷入較大的困局，同時也迎來了難得的發(fā)展機遇.

對于大學(xué)物理實驗期末成績的給定，實驗報告的撰寫是重頭戲，其中實驗數(shù)據(jù)的處理是重點考核內(nèi)容之一，這也是大學(xué)物理實驗與中學(xué)物理實驗的一個顯著區(qū)別.大學(xué)物理實驗數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)主要考核計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和格式的規(guī)范性，后者包括有效數(shù)字位數(shù)是否正確、不確定度是否只進(jìn)不舍以及結(jié)果表達(dá)式是否末位對齊等內(nèi)容.教師在批閱報告過程中既要核算學(xué)生計算結(jié)果是否準(zhǔn)確，同時還要檢查學(xué)生計算結(jié)果的格式是否規(guī)范，然后逐項打分，非常耗時耗力，并且容易發(fā)生誤判.特別值得注意的是，這種傳統(tǒng)批閱方式存在很大的主觀性，加之很多學(xué)校大學(xué)物理實驗課師生比例嚴(yán)重失衡，教師疲于應(yīng)對，時常發(fā)生學(xué)生同組不同分的現(xiàn)象，一些學(xué)生也往往因為這種情況影響了獎學(xué)金的評定而抱怨教師不認(rèn)真或不公正，久而久之教與學(xué)兩方面容易流于表面，變成“走過場”，從而影響了高校人才的培養(yǎng)質(zhì)量.

近年來，為了適應(yīng)信息時代教育教學(xué)的新規(guī)律、貼近現(xiàn)代大學(xué)生成長的新特點，眾多高校嘗試通過校園網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)乃至云平臺推進(jìn)大學(xué)物理實驗課程的信息化教學(xué)改革，期望擺脫傳統(tǒng)教學(xué)模式的羈絆[1,2].很明顯，對于大學(xué)物理實驗考核的重要內(nèi)容——實驗數(shù)據(jù)的處理，計算機可以充分發(fā)揮它的快速計算功能，代替教師實現(xiàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的自動批閱，但若要實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式規(guī)范性的自動批閱，則會遇到相當(dāng)大的困難.

下面展示的工作經(jīng)過近3年的設(shè)計與實踐，成功實現(xiàn)了上述目標(biāo)，開發(fā)出的系統(tǒng)可以順利完成實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果準(zhǔn)確性和規(guī)范性的全自動批閱，最新版本系統(tǒng)的運行結(jié)果表明,對于1 300位學(xué)生提交的實驗報告，僅需半個小時即可完成批閱任務(wù)并將批閱結(jié)果和成績匯總至數(shù)據(jù)庫，教師僅需將帶有批閱詳情和成績的批閱報告輸出成電子版或紙質(zhì)版加以保存即可，批閱過程的自動化運行極大提高了教師的工作效率，同時客觀公正統(tǒng)一透明的成績評定方式有力地促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性.

2 系統(tǒng)詳情

2.1 系統(tǒng)原理

圖1顯示了系統(tǒng)運行原理：學(xué)生首先通過數(shù)據(jù)庫將原始測量數(shù)據(jù)和課后數(shù)據(jù)處理結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)提交給系統(tǒng)，系統(tǒng)則以字符串的形式接收數(shù)據(jù)，其目的是將原始數(shù)值結(jié)果“凍住”，避免傳遞過程中有效數(shù)字等屬性發(fā)生改變.然后復(fù)制全部數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)為數(shù)值型，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生的原始測量數(shù)據(jù)逐項計算數(shù)據(jù)處理結(jié)果，并以此計算結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)考察學(xué)生數(shù)據(jù)處理結(jié)果的準(zhǔn)確程度.例如，張三利用米尺測量一個銅棒的高度結(jié)果分別為h1=31.84 cm，h2=32.06 cm,h3=31.72 cm，h4=31.67 cm,h5=31.82 cm，h6=31.86 cm, 系統(tǒng)根據(jù)其測量結(jié)果計算得出高度算術(shù)平均值為31.828 cm，而張三提交的算術(shù)平均值為31.928，比正確結(jié)果大0.3%，則可以考慮是否應(yīng)該扣去一定分?jǐn)?shù).

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

一方面，計算機在逐項計算的過程中，按照有效數(shù)字四舍五入或不確定度傳遞的原則，對每個數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行格式規(guī)范性處理，然后系統(tǒng)將以字符串形式“凍住”的數(shù)據(jù)處理結(jié)果按字符逐個分解，獲取學(xué)生數(shù)據(jù)的有效數(shù)字個數(shù)、末位位數(shù)等信息，并將其與上述計算機處理的格式進(jìn)行比較，完成規(guī)范性檢查.仍取上例, 不妨令儀器誤差為0.05 cm，A類不確定度簡化為標(biāo)準(zhǔn)差，B類不確定度簡化為儀器誤差，則系統(tǒng)最終算出不確定度Uh=0.15 cm=0.2 cm，并根據(jù)末位對齊原則列出結(jié)果表達(dá)式(31.8±0.2) cm.如果學(xué)生提交的不確定度Uh為0.15 cm、結(jié)果表達(dá)式為(31.83±0.15) cm，則數(shù)據(jù)處理格式與正確結(jié)果不符，規(guī)范性有錯誤，需要扣去一定分?jǐn)?shù).

2.2 運行平臺

系統(tǒng)采取B/S模式，Web前端由php語言編寫[3]，提供人機交互頁面以方便學(xué)生和教師管理實驗數(shù)據(jù)等信息，服務(wù)器端利用mysql數(shù)據(jù)庫存儲Web前端傳輸過來的實驗數(shù)據(jù)、批閱后的正確結(jié)果、教師評語以及成績等信息，自動批閱模塊基于Matlab編程語言[4]，整個系統(tǒng)運行在Windows server 2008 R2上，通過校園網(wǎng)向本校師生提供服務(wù).

3 運行結(jié)果

下面以“利用光柵測量可見光波長”實驗為例，展示系統(tǒng)運行效果.該實驗以汞燈為光源，利用分光計和衍射光柵測量黃色、綠色等光譜線的波長，測量原理為光柵方程dsinθ=λ，其中d表示光柵常數(shù)，θ為衍射角.

3.1 提交數(shù)據(jù)

學(xué)生可以通過手機或電腦登陸系統(tǒng)，然后進(jìn)入圖2所示的提交頁面，提交原始測量數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理結(jié)果.

(a)原始測量數(shù)據(jù)

3.2 存儲數(shù)據(jù)

學(xué)生提交的實驗數(shù)據(jù)存儲于mysql數(shù)據(jù)庫.如圖3所示，數(shù)據(jù)庫中方框部分依次展示出序號、學(xué)號、黃1譜線衍射角、黃2譜線衍射角、紫藍(lán)譜線衍射角、光柵常數(shù)、光柵常數(shù)不確定度以及黃1波長等信息.

圖3 數(shù)據(jù)庫信息

3.3 自動批閱系統(tǒng)核心代碼

系統(tǒng)接入數(shù)據(jù)庫后，讀出各項信息，完成自動批閱.其中代表性核心代碼如下所示：

function [ss] =mylength(str1) %返回待測字符串的有效數(shù)字個數(shù)

strchangdu=length(str1); %獲取字符串長度

itagnonzero=1;

for i=1:strchangdu %從第一個字符開始查詢

if str1(i)～='0'&&str1(i)～='.' %舍去第一個有效數(shù)字前面的全部0和小數(shù)點

itagnonzero=i; %記錄第一個有效數(shù)字在字符串中的位置

break; %一旦找到第一個有效數(shù)字則停止查詢，跳出循環(huán)

end

end

dotflag=0;

for i=itagnonzero:strchangdu %從第一個有效數(shù)字開始到最后一個有效數(shù)字為止

if str1(i)=='.' %查找是否包含小數(shù)點，即是否有3.154 這樣的數(shù)字

dotflag=1; %如果有，則設(shè)置標(biāo)識碼為1

end

end

if dotflag==1 %如果截取的有效數(shù)字字符串中含有小數(shù)點，則有效數(shù)字個數(shù)為長度減一

ss=length(str1(itagnonzero:strchangdu))-1;

else %否則即為長度本身

ss=length(str1(itagnonzero:strchangdu));

end

程序由Matlab編程語言實現(xiàn).由以上編排可以看出，程序重點在于將學(xué)生提交的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為字符串類型，然后逐個字符甄別，提取有效數(shù)字個數(shù)以及所處位數(shù)等信息，然后才能與正確結(jié)果進(jìn)行對比.批閱結(jié)束后，系統(tǒng)將成績、正確結(jié)果以及扣分說明發(fā)送至數(shù)據(jù)庫保存.

3.4 批閱報告

圖4展示了系統(tǒng)自動批閱后的實驗報告詳情，數(shù)據(jù)取自圖3的方框部分.該批閱報告首先顯示出學(xué)生姓名、學(xué)號和所在班級等基本信息，然后給出了預(yù)習(xí)、課堂操作以及數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)的成績和總成績，接著提供了3個環(huán)節(jié)的具體情況，最后給出了教師批語，即扣分說明.

圖4 批閱報告

4 總結(jié)

以上介紹的系統(tǒng)可以順利完成實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果準(zhǔn)確性和規(guī)范性的全自動批閱，目前已經(jīng)順利應(yīng)用于“拉伸法測量鋼絲的楊氏模量”“利用牛頓環(huán)測量玻璃曲率半徑”“光干涉法測量固體熱膨脹系數(shù)”“聲速的測量”“利用電位差計測量電動勢”“固體密度”“液體表面張力的測量”以及上述“利用光柵測量可見光波長”等實驗.需要指出的是，該系統(tǒng)目前僅限于客觀性實驗報告的全自動批閱.盡管如此，考慮到有作圖等主觀性任務(wù)的實驗僅占全部實驗課程的較小部分，系統(tǒng)仍可以極大提高任課教師的工作效率和教學(xué)質(zhì)量.

以遼寧工程技術(shù)大學(xué)葫蘆島校區(qū)為例，每一個實驗項目學(xué)生上課人數(shù)達(dá)1 300人，假如教師手工批閱，即使每30 s便能完成一份實驗報告的打分、圈記錯誤以及撰寫批語等任務(wù)，仍需要11 h才能結(jié)束一個實驗項目，此外教師還要負(fù)責(zé)核對上交的實驗報告紙張是否有缺失現(xiàn)象、實驗成績是否登記正確，這種傳統(tǒng)手工模式低效易出錯的缺點幾乎不可避免.而該系統(tǒng)則可以在30 min內(nèi)準(zhǔn)確地完成1 300份學(xué)生報告的批閱任務(wù)，并自動登記成績和形成批閱報告，高效便捷且成績標(biāo)準(zhǔn)客觀統(tǒng)一.下一階段該系統(tǒng)將嘗試推廣至主觀性實驗.這里的工作可為廣大兄弟院校的大學(xué)物理實驗信息化教學(xué)改革提供有益參考.